CN106772613A

CN106772613A - 一种岩体现场声发射监测传感器推送定位方法及装置

Info

Publication number: CN106772613A
Application number: CN201611270177.9A
Authority: CN
Inventors: 刘学伟; 刘泉声; 刘琪; 刘建平
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种岩体现场声发射监测传感器推送定位方法及装置，步骤是：①建立三维坐标系，使孔口及推送定位装置位于一个坐标系；②推送传感器，记录传感器距离孔口距离及所处点倾角和方位角；③计算推送过程中传感器所处的三向坐标值，获得测试孔实际形态和传感器位置。该装置水平测斜仪探头通过螺纹与第一定位杆连接，第一定位杆通过连接杆与第二定位杆连接，第一传感器保护椎体和第二传感器保护椎体分别安装在第一定位杆和第二定位杆上，传感器位于第一定位杆上两传感器保护椎体之间，传感器线缆通过连接杆线槽进入第二定位杆内部，第二定位杆通过直接头与推送杆连接实现传感器推送。方法易行，定位精度高，结构简单，操作方便，经济高效。

Description

一种岩体现场声发射监测传感器推送定位方法及装置

技术领域

本发明涉及岩土工程测试技术领域，更为具体涉及一种用于现场声发射传感器的推送定位方法，还涉及一种现场声发射传感器的推送定位装置。适用于各种含传感器的现场测试推送及定位测试。

背景技术

随着地下开采、高速铁路及水电隧洞等工程的开展，越来越多的工程涉及到了深部岩石力学问题。其中声发射监测技术是深部岩石工程灾害监测及防控的重要手段之一。

声发射技术的基本原理在于利用布置在空间中的若干声发射传感器接收岩体在应力作用下产生微破裂信号，并通过不同传感器接收到的信号时差计算确定声源位置、时间、能量大小等信息。因此，声发射传感器在空间位置的初始信息对于合理准确地计算声源位置尤为重要。目前在岩体工程现场声发射监测时，一般采用在岩石钻孔并埋设声发射传感器的方式完成。其中首先要形成供声发射传感器埋设的深部测试孔，当测试孔较深时，很容易由于成孔过程中岩体的软硬不均以及钻杆的下沉造成测试孔形态和设计路径存在较大差异。此时若仍然按照设计路径计算传感器埋设坐标，则会在计算过程中获得错误的破裂声源位置。为解决这一问题，国内外很多学者也在不断推进和发展传感器定位方法和技术。已有许多学者在现场试验的传感器推送定位方面开展了一些工作，获得了一定的成果。

现有现场传感器的推送安装方法大多数针对某一工程或某一地质条件而设计的，可以解决某些具体的工程问题，但仍然存在一定不足：①大多数测试没有对测试孔的实际形态进行复核，而是按照设计钻孔计算传感器位置，造成结果存在较大差异；②大多数测试的采用刚度较大的钢制推杆，在推送(及回收)过程将在弯曲处存在较大的阻力，较难适应弯曲及破碎的测试孔，不利于传感器的顺利推送与回收；③传感器直接绑扎在推送杆上，在推送过程中传感器与孔壁岩石的大量摩擦容易造成传感器及线缆的损坏，导致试验失败。因此，发明一种可以随推送定位测试孔形态并能计算传感器所处坐标的推送定位装置及方法是非常必要，也是具有重要市场应用前景的。

发明内容

本发明的主要目的在于完善上述技术的不足，是在于提供了一种现场声发射传感器的推送定位方法，方法易行，经济高效，配合现场声发射传感器推送定位装置能够精确计算传感器在推送过程中的三维坐标，定位精度为1mm，操作简便，定位精确。

本发明的另一个目的是在于提供了一种用于现场声发射传感器的推送定位装置，其结构简单，操作方便，能快速简便精确地实施现场声发射传感器的推送与定位。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种现场声发射传感器的推送定位方法，其步骤如下：

①建立三维坐标系，使孔口及推送定位装置位于一个坐标系中，以孔口点为三维坐标原点，记为K₀(0,0,0)；

②推送带有水平测斜仪探头的声发射传感器进入测试孔，记录传感器与孔口的距离以及所处点倾角和方位角，某一推送深度传感器的三维坐标采用下式计算：

其中：i＝0,1,2…，H_i为推送某深度传感器与孔口距离且H₀＝0，An_i为推送某一深度传感器所处位置的倾角，Az_i为推送某一深度传感器所处位置方位角，(x_i,y_i,z_i)为推送某一深度计算得到的传感器三维坐标值且(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。

③按照上述公式，可以得到推送过程中推送不同深度处传感器所处的三向坐标值，通过不同深度三维坐标获得测试孔实际形态并计算出传感器最终位置，其计算精度可达到1mm，为后续准确进行岩石破裂信号定位奠定基础。

一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置。它由水平测斜仪探头、第一定位杆、第二定位杆、第一传感器保护椎体、第二传感器保护椎体、传感器、连接杆、传感器线缆、推送杆、组成。其特征在于：水平测斜仪探头后方设置有公头螺纹，通过此螺纹与第一定位杆连接。水平测斜仪探头能够探测其所在位置的倾角和方位角，进而能够确定所述传感器所处的位置坐标。水平测斜仪探头通过螺纹固定在第一定位杆的一端，第一传感器保护椎体通过螺纹固定在第一定位杆外径上。采用连接杆将第一定位杆另一端与第二定位杆连接，并在第二定位杆上安装固定第二传感器保护椎体。将传感器固定在第一定位杆之上，且位于第一传感器保护椎体和第二传感器保护椎体形成的保护区域之间。传感器线缆通过连接杆上的线槽进入到连接杆内部并从第二定位杆内部穿出。第二定位杆后面通过直接头连接若干根推送杆，且传感器线缆在推送杆连接的过程中始终在推送杆内部穿行。通过若干个直接头不断连接推送杆实现传感器由孔口至孔底推送。

所述的第一定位杆、第二定位杆为钢制空心圆柱体，第一定位杆一端为公头螺纹，另一端为与所述水平测斜仪探头公头螺纹适配的母头内螺纹，并与水平测斜仪探头连接。第二定位杆两端均设置为公头螺纹，一端通过所述连接杆与第一定位杆连接，另一端通过所述直接头与所述推送杆连接。第一定位杆、第二定位杆外径上均设有螺纹。第一传感器保护椎体、第二传感器保护椎体两端均为锥形且内部为空心圆柱形，空心圆柱内径与所述第一定位杆和第二定位杆外径一致且含与其外径螺纹适配的内螺纹，通过内螺纹可以分别固定在所述第一定位杆和第二定位杆上。连接杆为钢制空心圆柱，其内部含有与所述第一定位杆和第二定位杆公头螺纹适配的内螺纹，可以将第一定位杆和第二定位杆连接固定。连接杆侧面开设有线槽孔，供所述传感器线缆穿过并进入到连接杆和第二定位杆内部。

传感器固定在第一定位杆上，且位于所述第一传感器保护椎体和第二传感器保护椎体形成的保护区域之间。推送杆为固定长度的空心圆柱PPR管，推送杆两端均配有公头螺纹，螺纹尺寸与所述第二定位杆公头螺纹一致。直接头为PPR管，含有与推送杆公头螺纹适配的内螺纹，通过直接头对所述第二定位杆和推送杆及推送杆之间连接并固定，实现传感器的推送。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

①定位精度高。推送定位装置通过水平测斜仪探头记录推送过程中传感器所处位置的倾角和方位角，通过推杆记录传感器与孔口距离，最后精确计算整个推送过程传感器的行走路径的最终的三维坐标，其坐标精度可以控制在1mm范围内。同时通过精确获取声发射传感器的空间位置，进而能够准确的获取破裂信号源的空间位置，大大提高测试精度；

②传感器保护性能高。本发明的双传感器保护椎体以及线缆从第二定位杆和推送杆之间穿行的设计方案使得传感器能够处于两个保护椎体形成的保护区域内，同时保护椎体设计成为两侧均为椎体形式，能够有效的防止推送和回收过程中卡孔现象，采用此方案能够将将现有30％左右的传感器的磨损破坏率完全消除。此外，线缆的内部穿行设计能完全消除推送及回收过程的线缆磨损破坏现象；

③传感器易推送回收。本发明采用PPR管作为推送杆，具有较高的抗拉强度和较好的弯曲性能。在推送回收过程中，推送杆形态能够随测试孔形态的变化而变化，不会出现钢制推送杆对钻孔形态适应性差的现象，能将卡孔率由20％左右控制在0.5％以内，从而有效降低卡孔导致的试验失败，大大提高了测试成功率。

附图说明

图1为一种第一定位杆和第二定位杆安装示意图。

图2(a)为一种传感器保护椎体正视示意图。

图2(b)为一种传感器保护椎体侧视示意图。

图2(c)为一种传感器保护椎体俯视示意图。

图3为一种推送杆示意图。

图4为一种推送杆连接示意图。

图中，1－为水平测斜仪探头(型号CX-8C)，2－为第一定位杆，3－为第二定位杆，4－为第一传感器保护椎体，5－为第二传感器保护椎体，6－为传感器(型号R.45I-LP-AST)，7－连接杆，8－为传感器线缆，9－为推送杆，10－为直接头。

图5为一种测试孔设计路径和实际路径三维曲线示意图。

由图5可知，传感器推送过程中坐标定位精度可达到1mm，且测试孔原设计路径为一直线，而通过采用本发明提出的一种现场声发射传感器的推送定位方法计算得到测试孔实际路径是比较曲折的，若不进行测试孔实际路径定位分析则获得的声发射传感器坐标具有较大误差，从而造成试验失败。因此，本发明能够有效保证现场声发射试验精度提升和试验合理、高效顺利开展。

具体实施方式

实施例1：

采用测试孔孔径100mm，孔深30m，孔口朝下与水平方向夹角30°。水平测斜仪探头1长度500mm，第一定位杆2和第二定位杆3长度均为200mm，第一传感器保护椎体4和第二传感器保护椎体5直径70mm，每根推送杆9固定长度1.5m。完成传感器的推送需一个水平测斜仪探头1，一根第一定位杆2，一根第二定位杆3，一个第一传感器保护椎体4，一个第二传感器保护椎体5，一个连接杆7，二十根推送杆9和二十个直接头10。

一种岩体现场声发射监测传感器推送定位方法，其具体步骤是：

(1)分别连接测水平斜仪探头1、第一定位杆2和第二定位杆3，安装第一传感器保护椎体4、第二传感器保护椎体5和传感器6，并将传感器线缆8穿入到第二定位杆内部；

(2)测量传感器6至第二定位杆3的距离，并将连接好的水平测斜仪探头1、第一定位杆2和第二定位杆3推送进测试孔，保持传感器6在测试孔孔口位置，记录水平测斜仪探头1所测得的倾角和方位角初始值；

(3)采用直接头10连接第二定位杆3和推送杆9，开始往测试孔里推送传感器；

(4)当推送至传感器6距离孔口1m时，记录水平测斜仪探头1所测得的倾角和方位角值，具体见表1；

(5)继续采用直接头10连接推送杆9对传感器进行推送，推送深度每增加1m均记录水平测斜仪探头1所测得的倾角和方位角值，具体见表1。直至传感器6推送至孔底；

(6)按照下式计算推送过程中每隔1m处传感器6所处的三向坐标，并与测试孔设计坐标进行对比，具体见表1；

表1传感器推送过程各点坐标对比

(7)按照上述方法，可以得到传感器6推送至孔底后的实际坐标为(2.998,23.953,-15.930)，相比于设计坐标(0.00,25.115,-14.500)，实际坐标存在较大偏离现象。同时，可根据上述坐标绘制测试孔设计路径和实际路径三维曲线如图5所示，可以直观的获取实际测试孔路径以及不同深度的三维坐标，便于试验分析。试验表明，本发明能够精确获取钻孔实际形态并定位传感器6所处位置实际坐标，坐标测试精度可以控制在1mm以内。同时，可以消除传感器6及传感器线缆8磨损率并能将卡孔率控制在0.5％以下。

实施例2：

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置。它由水平测斜仪探头1、第一定位杆2、第二定位杆3、第一传感器保护椎体4、第二传感器保护椎体5、传感器6、连接杆7、传感器线缆8、推送杆9、直接头10组成。其连接关系是：水平测斜仪探头1通过螺纹固定在第一定位杆2的一端，第一传感器保护椎体4通过螺纹固定在第一定位杆2外径上。采用连接杆7将第一定位杆2另一端与第二定位杆3连接，并在第二定位杆3上安装固定第二传感器保护椎体5。将传感器6固定在第一定位杆2之上，且位于第一传感器保护椎体4和第二传感器保护椎体5形成的保护区域之间。传感器线缆8通过连接杆7上的线槽进入到连接杆7内部并由第二定位杆3内部穿出。第二定位杆3后面通过直接头10连接若干根推送杆9，且传感器线缆8在推送杆9连接的过程中始终在推送杆9内部穿行。通过若干个直接头10不断连接推送杆9实现传感器6由孔口至孔底推送。

水平测斜仪探头1后方自带有公头螺纹，并通过螺纹与第一定位杆2连接。通过水平测斜仪探头1能够记录其所在位置的倾角和方位角，进而能够确定传感器6所处的位置坐标。第一定位杆2为钢制空心圆柱体，一端为公头螺纹，另一端为与水平测斜仪探头1公头螺纹适配的母头内螺纹，通过内螺纹与水平测斜仪探头1连接成一个整体。第一定位杆2外径设有螺纹，用于连接固定第一传感器保护椎体4。第二定位杆3也为钢制空心圆柱体且两端均设置为公头螺纹，一端通过连接杆7与第一定位杆2连接，另一端通过直接头10与推送杆9连接。第二定位杆3外径设有螺纹，用于连接固定第二传感器保护椎体5。第一传感器保护椎体4和第二传感器保护椎体5两端均为锥形且内部为空心圆柱，空心圆柱体内含内螺纹且内径与所述第一定位杆2和第二定位杆3外径一致，通过内螺纹分别固定在所述第一定位杆2和第二定位杆3上。连接杆7为钢制空心圆柱，内部含有与所述第一定位杆2和第二定位杆3公头螺纹适配的内螺纹，通过内螺纹可以将第一定位杆2和第二定位杆3连接固定，连接杆7侧面开设有线槽孔。传感器6固定在第一定位杆2上，且位于第一传感器保护椎体4和第二传感器保护椎体5形成的保护区域之间。传感器线缆8通过连接杆7侧面的线槽孔进入第二定位杆3内部。推送杆9为固定长度的空心圆柱PPR管且两段均配有公头螺纹，螺纹尺寸与第二定位杆3公头螺纹一致。直接头10含有与推送杆公头螺纹适配的内螺纹，通过若干个直接头10连接固定若干根推送杆9实现传感器的推送。

Claims

1.一种现场声发射监测传感器三维坐标定位方法，其步骤是：

A、建立三维坐标系，使孔口、定位及推送装置位于一个坐标系中，以孔口点为三维坐标原点，记为K₀(0,0,0)；

B、推送带有水平测斜仪探头(1)的声发射传感器(6)进入测试孔，记录传感器与孔口的距离以及所处点倾角和方位角，某一推送深度处探头的三维坐标采用下式计算：

\{\begin{matrix} x_{i} = x_{i - 1} + \frac{(H_{i} - H_{i - 1})}{2} \cdot (\sin ({An}_{i - 1}) \cdot \sin ({Az}_{i - 1}) + \sin ({An}_{i}) \cdot \sin ({Az}_{i})) \\ y_{i} = y_{i - 1} + \frac{(H_{i} - H_{i - 1})}{2} \cdot (\sin ({An}_{i - 1}) \cdot \cos ({Az}_{i - 1}) + \sin ({An}_{i}) \cdot \cos ({Az}_{i})) \\ z_{i} = z_{i - 1} - \frac{(H_{i} - H_{i - 1})}{2} \cdot (\cos ({An}_{i - 1}) + \cos ({An}_{i})) \end{matrix}

其中：i＝0,1,2…，H_i为推送某深度传感器与孔口距离且H₀＝0，An_i为推送某一深度传感器所处位置的倾角，Az_i为推送某一深度传感器所处位置方位角，(x_i,y_i,z_i)为推送某一深度计算得到的传感器三维坐标值且(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)；

D、按照上述公式，得到推送不同深度处传感器(6)所处的三向坐标值，通过不同深度三维坐标获得测试孔实际路径形态和传感器(6)最终安装位置。

2.权利要求1所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置。它由水平测斜仪探头(1)、第一定位杆(2)、第二定位杆(3)、第一传感器保护椎体(4)、第二传感器保护椎体(5)、传感器(6)、连接杆(7)、传感器线缆(8)、推送杆(9)、直接头(10)组成，其特征在于：水平测斜仪探头(1)通过螺纹固定在第一定位杆(2)的一端，第一传感器保护椎体(4)通过螺纹固定在第一定位杆(2)外径上，连接杆(7)分别与第一定位杆(2)、第二定位杆(3)连接，在第二定位杆(3)上安装固定第二传感器保护椎体(5)，将传感器(6)固定在第一定位杆(2)上，传感器线缆(8)通过连接杆(7)上的线槽进入到连接杆(7)内部并从第二定位杆(3)内部穿出，第二定位杆(3)后面通过直接头(10)连接推送杆(9)，传感器线缆(8)在推送杆(9)连接的过程中始终在推送杆(9)内部穿行。

3.根据权利要求2所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述水平测斜仪探头(1)后方自带有公头螺纹，通过螺纹与第一定位杆(2)连接。

4.根据权利要求2所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述的第一定位杆(2)为钢制空心圆柱体，一端为公头螺纹，另一端为母头内螺纹，外径上设有螺纹。

5.根据权利要求2所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述的第二定位杆(3)为钢制空心圆柱体且两端均设置为公头螺纹，外径上设有螺纹。

6.根据权利要求2所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述的第一传感器保护椎体(4)和第二传感器保护椎体(5)两端均为锥形且内部为空心圆柱，空心圆柱体内含与第一定位杆(2)和第二定位杆(3)外径螺纹适配的内螺纹，空心圆柱体内径与所述第一定位杆(2)和第二定位杆(3)外径一致。

7.根据权利要求2所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述的连接杆(7)为钢制空心圆柱，内部含有与所述第一定位杆(2)和第二定位杆(3)公头螺纹适配的内螺纹，侧面开设有线槽孔。

8.根据权利要求1所述的一种岩体现场声发射监测传感器推送定位装置，其特征在于：所述的推送杆(9)为固定长度的空心圆柱PPR管且两端均配有公头螺纹，螺纹尺寸与第二定位杆(3)公头螺纹一致，所述的直接头(10)为PPR管且含有与推送杆(9)公头螺纹适配的内螺纹。