CN108195759B - 一种工程岩体细观裂隙的原位显微观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工程岩体围岩细观裂隙的原位显微观测装置及方法，当观测装置工作时，显微探头在旋转电机的带动下在钻孔内周向旋转；每转动一周后，控制箱控制前进机构沿导轨前进，显微探头随前进机构沿钻孔的轴向前进一个视距距离，如此重复循环上述步骤，直到将整个钻孔观测完毕。使用显微探头代替传统的观测探头，实现了在巷道原位岩体中的细观裂隙观测，有效的避免了实验室观测的缺陷，获得了围岩细观裂隙的真实分布情况，对研究巷道注浆支护等都有很大的指导意义。采用多模块联合控制的方法，可以控制显微探头实现自动旋转和推进，有效的解决了由于显微探头狭小观测区域造成的苛刻人工操作条件，有效的节省了人力和使用的复杂性。

Description

一种工程岩体细观裂隙的原位显微观测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种工程岩体裂隙观测装置及方法，具体涉及一种用于工程岩体围岩细观裂隙的原位显微观测装置及方法，属于工程岩体控制领域。

背景技术

在井下煤矿开采、隧道建设等地下工程中，原位裂隙观测作为一种重要技术手段被广泛使用，它可以通过获取工程岩体的裂隙发育情况，特别是获取工程岩体细观裂隙的发育情况，对获得岩体初始损伤以及受载后的细观裂隙演化研究提供基础，为围岩稳定性控制以及灾害防治等提供真实可靠的技术支持，对施工现场注浆加固、堵水等技术有着十分重要的作用。

但是围岩裂隙的原位观测存在有以下问题：

1、井下原位裂隙观测装置主要采用传统的钻孔窥视装置，但传统的钻孔窥视装置所使用的窥视探头只能拍摄到尺寸大于1mm的宏观裂隙的分布，不能观测到尺寸为0.01mm的细观裂隙的分布，如中国专利CN106437680A所示观测装置，虽能实现了裂隙的原位观测，但是所采用的装置只能捕捉到肉眼所能观测到的宏观裂隙，而捕捉不到尺寸更小的细观裂隙，所以常规的原位观测装置无法获取井下围岩细观裂隙的分布情况。

2、现有的细观裂隙观测多为现场取样后进行实验室室内观测，如中国专利CN103163134A所示装置及技术，将试样带回实验室后进行观测，这样虽然能得到岩石的细观裂隙分布，但这种方法造成了岩石的再破坏，不能得到围岩原位裂隙的真实分布。

3、获取细观裂隙，需用使用高放大倍数的显微探头，但是显微探头由于其高放大倍数的特点所以只能拥有很小的观测视域。而原有的裂隙观测装置多采用手动推送探头进行观测，显然这对显微探头是不适用的。

所以我们需要一种能够用于围岩细观裂隙原位观测的装置及方法，不仅能获取围岩细观裂隙，并且能够让装置自动运行，达到自动观测的效果。

发明内容

针对传统技术中的不足，本发明提出一种用于围岩细观裂隙原位观测的装置及方法，其设计合理且使用方便，能够准确的获得原位岩体中的细观裂隙，并能够实现自动观测。

本发明所采用的技术方案是：一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，它包括：旋转电机、转盘、导轨、前进机构、控制箱、显微探头、装置外壳、计算机；装置外壳为透明圆筒状结构，装置外壳的最里端固定旋转电机；转盘与装置外壳转动连接，旋转电机传动连接转盘；导轨一端固定在转盘上，在导轨上安装有前进机构，控制箱和显微探头均安装于前进机构上，且显微探头和前进机构均与控制箱通过导线连接，所述控制箱与计算机无线连接；所述显微探头的镜头中轴线与装备外壳的中轴线垂直相交；当观测装置工作时，显微探头在旋转电机的带动下在钻孔内周向旋转；每转动一周后，控制箱控制前进机构沿导轨前进，显微探头随前进机构沿钻孔的轴向前进一个视距距离，如此重复循环上述步骤，直到将整个钻孔观测完毕。

所述旋转电机通过齿轮组控制转盘旋转，齿轮组包括安装在旋转电机输出轴上的第一齿轮与套接在转盘上的第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，旋转电机与转盘减速传动。旋转电机采用步进电机，可精确控制旋转角度，保证显微探头能够沿装备外壳旋转一周，

所述转盘的中心安装有转轴，转轴通过轴承座与装置外壳的端面连接。

所述导轨的一端与转盘固定，另一端接近装置外壳的端口。所述导轨上设有轨道槽以及限位槽，所述轨道槽用于为前进机构提供行走轨道，所述限位槽用于对前进机构进行限位和导向。

所述前进机构，包括前进电机和前进齿轮组；前进齿轮组包括前进电机输出端的齿轮、连接杆齿轮、连接杆以及两个前进齿轮；所述连接杆齿轮通过连接杆与两个前进齿轮相连，连接杆齿轮与电机的输出齿轮啮合。前进电机采用步进电机，可精确控制前进距离，保证显微探头沿着导轨前进一个视距距离。

所述控制箱，由主控模块、旋转模块、前进模块、调焦模块、图像处理模块、电源模块、无线传输模块组成，其中：主控模块，接收计算机下达的各项指令并对各模块进行控制；旋转模块，控制旋转电机进行旋转，通过计算机设定所需旋转角度，完成显微探头的旋转；前进模块控制前进机构进行前进，通过计算机设定所需前进距离，完成显微探头的前进；调焦模块，准确控制显微探头调焦，以获得良好的观测效果；图像处理模块，将显微探头收集到的图像信息进行处理，以供传输；电源模块，带有蓄电池，为整个控制箱以及显微探头提供电力；无线传输模块，用于各模块与计算机的无线连接以及信息传输，使计算机无线操作控制箱，并将显微探头收集到的图像信息传输到到计算机上。

所述显微探头安装于控制箱的一侧，其镜头靠近装备外壳的内壁，转动一周的路径略小于装备外壳的内径。所述显微探头，采用可调焦显微探头，要求具有足够大的放大倍数以及像素。采用型号为Dino-Lite AM4113T的显微镜，内置8个LED灯，工作距离为9mm，视场为10mm*8mm。

所述装备外壳，采用高硬度钢化玻璃，不仅可以保证显微探头的安全观测，又能保证显微探头所需的观测效果。装备外壳直径略小于钻孔直径，长度大于钻孔深度，保证装备外壳的轴线与钻孔的轴线基本重合。

所述计算机，通过主控模块实现对控制箱内各个模块的远程操作，并将显微探头收集到的图像信息通过无线传输模块传输到计算机进行存储，用于后期进一步分析。

本发明同时提出方法，具体步骤如下：

步骤一：在目标围岩观测区域施工打钻孔，成孔后观察成孔效果，检查有无塌孔、堵孔情况，如有相关情况应及时进行钻孔清理；

步骤二：将旋转电机、转盘以及导轨固定好之后，将前进机构以及控制箱安装在导轨上，将显微探头与控制箱进行连接，最后保证安装在导轨上的显微探头的镜头中轴线与装备外壳7的中轴线垂直相交，检查无误后，将设备放入钻孔。

步骤三：通过计算机对控制箱进行远程操作，首先控制电源模块打开电源后，通过控制调焦模块对显微探头进行焦距调节，在达到最佳观测效果后开始观测；通过控制旋转模块，旋转电机启动后带动转盘发生旋转，使得显微探头按照设定的旋转角度随着导轨匀速旋转一周；然后控制前进模块，前进机构启动后使得显微探头随控制箱沿导轨按照设计前进距离前进一个视距距离，完成一个观测周期，然后循环进行。

步骤四：在观测期间，显微探头所拍摄到的图像信息，经图像处理模块处理后，经由无线传输模块传输至计算机硬盘进行存储，以便后期进行近一步分析。

本发明的有点和有益效果是：

1、本发明通过使用具有高倍数放大效果的显微探头代替传统的观测探头，实现了在巷道原位岩体中的细观裂隙观测，有效的避免了实验室观测的缺陷，获得了围岩细观裂隙的真实分布情况，对研究巷道注浆支护等都有很大的指导意义。

2、本发明通过采用多模块联合控制的方法，实现了观测的自动化控制，可以控制显微探头实现自动旋转和推进，有效的解决了由于显微探头狭小观测区域造成的苛刻人工操作条件，有效的节省了人力和使用的复杂性。

附图说明

图1是本发明装备示意图。

图2是本发明A-A剖视图。

图3是本发明B-B剖视图。

图4是本发明前进机构齿轮组工作示意图。

图5是本发明控制箱工作示意图。

图中：1、旋转电机；2、转盘；3、导轨；4、前进机构；5、控制箱；6、显微探头；7、装备外壳；8、计算机；9、钻孔；41、输出轴齿轮；42、连接杆齿轮；43、连接杆；44、前进齿轮；51、主控模块；52、旋转模块；53、前进模块；54、调焦模块；55、图像处理模块；56、电源模块；57、无线传输模块。

具体实施方式

结合附图，对本发明进行进一步的描述：

本发明所采用的技术方案是：一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，它包括：旋转电机1、转盘2、导轨3、前进机构4、控制箱5、显微探头6、装置外壳7、计算机8；装置外壳7为透明圆筒状结构，装置外壳7的最里端固定旋转电机1；转盘2与装置外壳7转动连接，旋转电机1传动连接转盘2；导轨3一端固定在转盘2上，在导轨3上安装有前进机构4，控制箱5和显微探头6均安装于前进机构4上，且显微探头6和前进机构4均与控制箱5通过导线连接，所述控制箱5还通过导线连接计算机8；所述显微探头6的镜头中轴线与装备外壳7的中轴线垂直相交；当观测装置工作时，旋转电机1带动转盘2和导轨3一同旋转，显微探头6在旋转电机1的带动下在钻孔6内周向旋转；每转动一周后，控制箱5控制前进机构4沿导轨3前进，显微探头6随前进机构4沿钻孔9的轴向前进一个视距距离，如此重复循环上述步骤，直到将整个钻孔9观测完毕。

显微探头6能够依靠转盘2的转动，随着导轨3在钻孔9中实现周向旋转；显微探头6依靠前进机构4随着控制箱5在导轨3上实现轴向前进。

所述旋转电机1通过齿轮组控制转盘2旋转，齿轮组包括安装在旋转电机1输出轴上的第一齿轮与套接在转盘2上的第二齿轮，第一齿轮的直径小于第二齿轮的直径，旋转电机1与转盘2减速传动连接。旋转电机1通电工作后带动连接在输出轴上的第一齿轮转动，进而带动与第一齿轮啮合的第二齿轮发生转动，第二齿轮转动从而使得与其连接的转盘2转动，从而实现固定在转盘2上的导轨3转动。旋转电机1采用步进电机，可精确控制旋转角度，保证显微探头6可沿装备外壳7旋转一周，旋转电机1通过控制箱5的旋转模块52由计算机8进行控制。

所述转盘2的中心安装有转轴，转轴通过轴承座与装置外壳7的端面连接。

所述导轨3，里侧一端固定在转盘2上，导轨3上安装有前进机构4以及控制箱5，为显微探头6的前进提供轨道。导轨3可依靠转盘2转动，在转盘2的带动下，使得显微探头6随着导轨3旋转。通过前进机构4，显微探头6可随着控制箱5沿导轨3实现前进。

所述导轨3上设有轨道槽以及限位槽，所述轨道槽用于为前进机构提供行走轨道，所述限位槽用于对前进机构进行限位和导向。

所述限位槽设于前进机构的两侧，其对应前进机构的一侧开口。

所述前进机构的两侧连接有横向连接板，连接板上安装有滚轮，连接板同滚轮伸入到限位槽内，沿限位槽移动。

所述前进机构4，包括前进电机和前进齿轮组，其上固定有控制箱5，使得前进机构4可沿着导轨3完成前进，进而实现安装在控制箱5上的显微探头6沿着导轨3前进。前进电机通过连接前进齿轮组实现前进，前进齿轮组包括前进电机输出端的齿轮41、连接杆齿轮42、连接杆43以及两个前进齿轮44。前进电机通电工作后带动连接在输出轴上的齿轮41转动，进而带动与其啮合的连接杆齿轮42转动，连接杆齿轮42通过连接杆43与两个前进齿轮44相连，故前进齿轮44在连接杆齿轮42的带动下转动，完成前进。前进电机采用步进电机，可精确控制前进距离，保证显微探头6沿着导轨3前进一个视距距离，前进机构4通过控制箱5的前进模块53由计算机8进行控制。所述轨道槽内设置齿状轨道，齿状轨道与前进齿轮44啮合。

所述控制箱5，固定在前进机构4上，其上安装有显微探头6，可随前进机构4在导轨3上实现前进。主要由主控模块51、旋转模块52、前进模块53、调焦模块54、图像处理模块55、电源模块56、无线传输模块57组成，其中：主控模块51，接收计算机8下达的各项指令并对各模块进行控制；旋转模块52，可以控制旋转电机1进行旋转，通过计算机8设定所需旋转角度，完成显微探头6的旋转；前进模块53可以控制前进机构4进行前进，通过计算机8设定所需前进距离，完成显微探头6的前进；调焦模块54，能够准确控制显微探头6调焦，以获得良好的观测效果；图像处理模块55，将显微探头6收集到的图像信息进行处理，以供传输；电源模块56，带有蓄电池，为整个控制箱5以及显微探头6提供电力；无线传输模块57，用于各模块与计算机8的无线连接以及信息传输，可使计算机8无线操作控制箱5，并将显微探头6收集到的图像信息传输到到计算机8上。

所述显微探头6，采用可调焦显微探头，要求具有足够大的放大倍数以及像素。采用型号为Dino-Lite AM4113T的显微镜，内置8个LED灯，工作距离为9mm，视场为10mm*8mm。显微探头6与控制箱5直接相连，可由控制箱5内多模块联合控制。所述显微探头6安装于控制箱5的一侧，其镜头靠近装备外壳7的内壁，转动一周的路径略小于装备外壳7的内径。

所述计算机8，通过主控模块51实现对控制箱5内各个模块的远程操作，并将显微探头6收集到的图像信息通过无线传输模块57传输到计算机8进行存储，用于后期进一步分析。

所述装备外壳7，为透明外壳，材料采用高硬度钢化玻璃，不仅可以保证显微探头6的安全观测，又能保证显微探头6所需的观测效果。装备外壳7直径略小于钻孔直径，保证装备外壳7可以正好放入钻孔9之中即可。所述装置外壳7包括圆筒状主体和安装于主体一端的端面，端面与主体通过螺栓固定。将装置进行组装时，先将旋转电机1和转盘2与端面连接，再将导轨3与转盘2连接，然后安装前进机构4、控制箱5、显微探头6；安装完毕，将上述设备从主体的一端伸入至装备外壳7中，再将端面与主体连接固定。

为了提高装置的稳定性转盘2通过回转支承与装置外壳7连接；或者将轨道3的活动端通过轴承与装置外壳7连接。

本发明同时提出方法，具体步骤如下：

步骤一：在目标围岩观测区域施工打钻孔，成孔后观察成孔效果，检查有无塌孔、堵孔情况，如有相关情况应及时进行钻孔清理。

步骤二：将旋转电机1、转盘2以及导轨3固定好之后，将前进机构4以及控制箱5安装在导轨3上，将显微探头6与控制箱5进行连接，最后保证安装在导轨3上的显微探头6的镜头中轴线与装备外壳7的中轴线垂直相交，检查无误后，将设备放入钻孔9。

步骤三：通过计算机8对控制箱5进行远程操作，首先控制电源模块56打开电源后，通过控制调焦模块54对显微探头6进行焦距调节，在达到最佳观测效果后开始观测。通过控制旋转模块52，旋转电机1启动后带动转盘2发生旋转，使得显微探头6按照设定的旋转角度随着导轨3匀速旋转一周，然后控制前进模块53，前进机构4启动后使得显微探头3随控制箱5沿导轨3按照设计前进距离前进一个视距距离，完成一个观测周期，然后循环进行。

步骤四：在观测期间，显微探头6所拍摄到的图像信息，经图像处理模块55处理后，经由无线传输模块57传输至计算机8进行存储，以便后期进行近一步分析。

Claims (9)

1.一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，包括旋转电机、转盘、导轨、前进机构、控制箱、显微探头、装置外壳、计算机；装置外壳为透明圆筒状结构，装置外壳的最里端固定旋转电机；转盘与装置外壳转动连接，旋转电机传动连接转盘；导轨一端固定在转盘上，在导轨上安装有前进机构，控制箱和显微探头均安装于前进机构上，且显微探头和前进机构均与控制箱通过导线连接，所述控制箱与计算机无线连接；所述显微探头的镜头中轴线与装备外壳的中轴线垂直相交；当观测装置工作时，显微探头在旋转电机的带动下在钻孔内周向旋转；每转动一周后，显微探头随前进机构沿钻孔的轴向前进一个视距距离，完成一个观测周期，然后循环进行，直至将整个钻孔观测完毕；所述导轨的一端与转盘固定，另一端接近装置外壳的端口；导轨上设有轨道槽以及限位槽，所述轨道槽用于为前进机构提供行走轨道，所述限位槽用于对前进机构进行限位和导向。

2.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述旋转电机通过齿轮组控制转盘旋转，齿轮组包括安装在旋转电机输出轴上的第一齿轮与套接在转盘上的第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，旋转电机与转盘减速传动；旋转电机采用步进电机。

3.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述转盘的中心安装有转轴，转轴通过轴承座与装置外壳的端面连接。

4.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述前进机构，包括前进电机和前进齿轮组；前进齿轮组包括前进电机输出端的齿轮、连接杆齿轮、连接杆以及两个前进齿轮；所述连接杆齿轮通过连接杆与两个前进齿轮相连，连接杆齿轮与电机的输出齿轮啮合；所述前进电机采用步进电机。

5.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述控制箱，由主控模块、旋转模块、前进模块、调焦模块、图像处理模块、电源模块、无线传输模块组成，其中：主控模块，接收计算机下达的各项指令并对各模块进行控制；旋转模块，控制旋转电机进行旋转，通过计算机设定所需旋转角度，完成显微探头的旋转；前进模块控制前进机构进行前进，通过计算机设定所需前进距离，完成显微探头的前进；调焦模块，准确控制显微探头调焦，以获得良好的观测效果；图像处理模块，将显微探头收集到的图像信息进行处理，以供传输；电源模块，带有蓄电池，为整个控制箱以及显微探头提供电力；无线传输模块，用于各模块与计算机的无线连接以及信息传输，使计算机无线操作控制箱，并将显微探头收集到的图像信息传输到计算机上。

6.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述显微探头安装于控制箱5的一侧，其镜头靠近装备外壳的内壁，转动一周的路径略小于装备外壳的内径。

7.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述装备外壳，采用高硬度钢化玻璃；装备外壳直径略小于钻孔直径，长度大于钻孔深度，保证装备外壳的轴线与钻孔的轴线基本重合。

8.根据权利要求1所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置，其特征在于，所述计算机，通过主控模块实现对控制箱内各个模块的远程操作，并将显微探头收集到的图像信息通过无线传输模块传输到计算机进行存储，用于后期进一步分析。

9.利用权利要求1~8任意一项权利要求所述的一种能够进行围岩细观裂隙原位观测的装置的观测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：在目标围岩观测区域施工打钻孔，成孔后观察成孔效果，检查有无塌孔、堵孔情况，如有相关情况应及时进行钻孔清理；

步骤二：将旋转电机、转盘以及导轨固定好之后，将前进机构以及控制箱安装在导轨上，将显微探头与控制箱进行连接，最后保证安装在导轨上的显微探头的镜头中轴线与装备外壳7的中轴线垂直相交，检查无误后，将设备放入钻孔；

步骤三：通过计算机对控制箱进行远程操作，首先控制电源模块打开电源后，通过控制调焦模块对显微探头进行焦距调节，在达到最佳观测效果后开始观测；通过控制旋转模块，旋转电机启动后带动转盘发生旋转，使得显微探头按照设定的旋转角度随着导轨匀速旋转一周；然后控制前进模块，前进机构启动后使得显微探头随控制箱沿导轨按照设计前进距离前进一个视距距离，完成一个观测周期，然后循环进行；

步骤四：在观测期间，显微探头所拍摄到的图像信息，经图像处理模块处理后，经由无线传输模块传输至计算机硬盘进行存储，以便后期进行近一步分析。

Images