CN109882156A - 一种基于dic技术的钻孔信息采集方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法与装置，涉及采矿技术领域，该方法是按照一定时间周期对巷道围岩上的测孔进行全景摄像，对不同时间的测孔图像进行比较和分析计算，得到不受原生裂隙的影响的钻孔信息；该装置包括测杆、电缆、绞车、脉冲发生器、主机和全景摄像头，全景摄像头固定设置于测杆的一端，全景摄像头与主机通过电缆连接，电缆缠绕设置于绞车的辊筒上，绞车可用于触发脉冲发生器，脉冲发生器与主机电联。采用该方法与装置，因不受原生裂隙的影响，其采集的钻孔信息更为准确，有助于对采场矿山压力进行准确分析，具有较强的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，具体为一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法与装置。
背景技术
在地质勘探中，通过钻孔可以获取第一手地下地质实物资料，获取岩矿层各种地球物理信息，同时也可以通过钻孔观察地下水层水文地质条件，探索地下资源存储情况等。在采矿技术领域，钻孔资料的准确采集，对于采场矿山压力分析具有重要的意义。在矿产的开采中，采场矿压显现的强弱，主要取决于直接顶和基本顶的来压步距。而来压步距大小与上覆岩层的岩性、各岩层破裂情况及厚度有着直接的关系。在不考虑其他因素的影响下，岩层的岩性强度越高、厚度越大、破裂程度越大，则来压步距越大，矿山压力显现越明显。因此，在采场矿山压力分析中，关键是确定直接顶和基本顶的厚度、岩性强度以及破裂程度。目前，通常是通过钻孔窥视仪对岩层进行窥视分析，来推断直接顶和基本顶的破碎程度，但该种方式无法区分破碎的裂纹是原生裂隙还是诱导致裂裂纹，不能精确的得到岩体强度和力学参数等，这极大的影响了采场矿山压力分析的准确性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法与装置，因不受原生裂隙的影响，其采集的钻孔信息更为准确，有助于对采场矿山压力进行准确分析，具有较强的工程应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法，是按照一定时间周期对巷道围岩上的测孔进行全景摄像，对不同时间的测孔图像进行比较和分析计算，得到不受原生裂隙的影响的钻孔信息。
进一步的，包括如下步骤：
S1，在巷道围岩壁上钻取一定深度的测孔；
S2，将全景摄像头置于所述测孔的底部进行摄像，并记录全景图像和全景摄像头位于所述测孔中的深度值；
S3，沿着所述侧孔的中心轴向测孔外匀速移动全景摄像头，并同时记录全景摄像头在所述测孔内各深度的全景图像和与其对应的深度值；
S4，对全景图像和与其对应的深度值进行处理，得到钻孔平面展开图；
S5，经过22-26小时后，重复步骤S2-S4，得到新的钻孔平面展开图，并进入下一步；
S6，采用DIC软件对相邻两个钻孔平面展开图进行分析计算，若产生新的裂纹则返回步骤S5，若未产生新的裂纹则进入下一步；
S7，利用全景摄像系统将每一次获得的钻孔平面展开图合成三维柱状图，使用DIC计算分析软件对其进行分析计算，完成钻孔信息的采集。
进一步的，DIC软件的分析计算流程包括如下步骤：
步骤一，读取试验对象变形前后的图像；
步骤二，对读取到的照片进行去畸变处理；
步骤三，进行基于数字相关系数的图像匹配；
步骤四，计算图片上像素点的位移量；
步骤五，利用标定像素当量的结构得到实际变形量。
进一步的，所述步骤S7中的分析计算是通过测孔内裂纹的位移变化，计算应变及与裂纹相关的断裂力学参数，从而得到上覆岩层破裂程度、各岩层厚度，并分析裂隙发育程度。
一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，包括测杆、电缆、绞车、脉冲发生器、主机和全景摄像头，所述全景摄像头固定设置于所述测杆的一端，所述全景摄像头与所述主机通过所述电缆连接，所述电缆缠绕设置于所述绞车的辊筒上，所述绞车可用于触发所述脉冲发生器，所述脉冲发生器与所述主机电联。
进一步的，还包括固定装置，所述固定装置包括固定器和若干固定杆，所述固定杆的一端呈锥形，其另一端与所述固定器的底面固定连接，所述测杆选用可伸缩测杆，所述测杆远离所述全景摄像头的一端与所述固定器固定连接。
进一步的，还包括垫圈，所述垫圈的一个侧面与所述固定器的底面接触设置。
进一步的，所述全景摄像头包括反射镜、CCD相机和磁性罗盘，所述反射镜为锥台结构，所述反射镜的中心加工有通孔，所述CCD相机设置于所述反射镜偏向其小直径端的一侧，所述磁性罗盘设置于所述反射镜偏向其大直径端的一侧，所述CCD相机与所述磁性罗盘均正对所述通孔设置。
进一步的，所述全景摄像头还包括光源，所述光源设置于所述反射镜偏向其小直径端的一侧。
进一步的，所述全景摄像头还包括遮光罩，所述遮光罩用于避免所述光源直射所述反射镜的锥面。
本发明的有益效果是：
该种基于DIC技术的钻孔信息采集方法测量准确、精度高，反映的信息量大，可以对采集的数据进行更加深入的分析。相比于现有技术，该方法按时间前后对测孔进行了对比分析计算，排出了原生裂隙的测量结果的影响，为巷道的稳定性分析和支护设计提供可靠的依据。
该种基于DIC技术的钻孔信息采集装置用于实现上述测试方法，其主体由测杆、电缆、绞车、脉冲发生器、主机、全景摄像头及固定装置组成，通过设置固定器保证了测量结果的准确性，设置全景摄像头可同时采集其所处深度值的全景图像和方位信息，设置脉冲发生器可采集全景摄像头所处的深度信息，由主机进行图像合成和计算分析。其组成部件少，结构简单，布局合理，使用方便。
附图说明
图1为本发明一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置的结构示意图；
图2为全景摄像头的结构示意图；
图3为图像处理流程图；
图4为DIC技术图像相关算法流程图；
图5为DIC技术分析计算中物体变形前后相关匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法是，按照一定时间周期对巷道围岩上的测孔进行全景摄像，对不同时间的测孔图像进行比较和分析计算，可得到不受原生裂隙的影响的钻孔信息。
具体实施时，上述方法包括如下步骤：
S1，在巷道围岩壁上钻取一定深度的测孔，用高压气管伸入测孔底部，将测孔内岩屑等杂质吹干净，保证摄像效果。
S2，将全景摄像头置于所述测孔的底部进行摄像，并记录测孔底部的全景图像和全景摄像头位于所述测孔中的深度值。
S3，沿着所述侧孔的中心轴向测孔外匀速移动全景摄像头，并同时记录全景摄像头在所述测孔内各深度的全景图像和与其对应的深度值。
S4，对全景图像和与其对应的深度值进行处理，通过拼接得到钻孔平面展开图。
S5，经过22-26小时后，重复步骤S2-S4，得到新的钻孔平面展开图，并进入下一步；
S6，采用DIC软件对相邻两个钻孔平面展开图进行分析计算，若产生新的裂纹则返回步骤S5，获得再经过22-26小时后的新的钻孔平面展开图并进行对比分析计算，直至未产生新的裂纹，进入下一步。
S7，利用全景摄像系统将每一次获得的钻孔平面展开图合成三维柱状图，使用DIC计算分析软件对其进行分析计算，完成钻孔信息的采集。
上述DIC计算分析软件系统包括图像采集控制系统、标定系统和后处理系统，图像采集控制系统主要负责对相机、照明装置的控制，允许用户自定义图像采集模式(时间、频率等)；标定系统结合标定板进行使用，能够对图像畸变进行有效修正，减小测量结果的误差；后处理系统包括2D和3D分析模块，能够根据计算需要自主创建坐标系并计算点、线、面、元素的位移和应变，通过后处理可以绘制出位移和应变的等值线云图。
如图4所示，上述DIC软件的分析计算流程包括如下步骤：
步骤一，采用标定板进行标定；
步骤二，读取试验对象变形前后的图像，即读取测孔内裂痕产生和裂痕发育过程的前后对比图像；
步骤三，对读取到的照片进行去畸变处理；
步骤四，进行基于数字相关系数的图像匹配；
步骤五，计算图片上像素点的位移量；
步骤六，利用标定像素当量的结构得到实际变形量。
该DIC软件分析计算的具体实施过程是：
在物体表面制作人工散斑或者利用物体表面自带的随机斑点，然后通过物体变形前后的两幅数字图像，利用图像匹配技术以及配准算法得到物体表面的位移场和应变场。图5为物体变形前后两幅数字图像，一般称变形前的数字图像为基准图像I1，变形后数字图像为目标图像I2。在基准图像I1中取一个n×n像素的子区，该子区中心点为0。假设变形前后子区的灰度保持不变或者线性变化，通过逐点搜索，则可以在变形后的目标图像I2中可以搜索到与子区相关系数最大的子区，子区中心点为0’。基准图像I1内任意一点P(距中心点)的位移在简单应变状态下满足：
u(x，y)＝u0+Δxεxx+Δyεxy
v(x，y)＝v0+Δxεyx+Δyεyy
式中，
εxx为Δx在x方向的应变，
εxy为Δy在x方向的应变。
εyx为Δx在y方向的应变，
εyy为Δy在y方向的应变。
则移动子区可以获得整个图像的位移场，再利用上述公式可以求得整个图像应变场。
如图5所示，在变形前后的两幅图像中搜索相关系数最大的两个子区的过程称为图像配准过程，表述相关系数的函数称为相关函数。根据变形前后图像的位移变化描绘岩体裂隙发育与时间的关系曲线。
通过岩体裂隙发育与上述时间的关系曲线可以判断裂隙发育程度和岩石强度，在其他因素不变条件下，裂隙发育越快则岩石强度越低。通过观察上述岩层裂隙发育状况可得到岩层的破裂程度，裂隙越多则岩层越破裂。通过全景摄像头拍摄的图像划分岩层，在拍摄时记录的有深度，岩层上下表面深度值相减即可得到岩层厚度。
综上所述，经过DIC软件的分析计算后，可避免岩体中原生裂隙的影响。将其与现有的钻孔摄像技术结合可以对岩体内部裂纹形状、产状进行直观和有效的监测，并且可以通过研究对象的位移变化计算应变以及与裂纹相关的断裂力学参数等，从而得到上覆岩层破裂程度、各岩层厚度，分析裂隙发育程度和岩性等。
如图1所示，一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，包括测杆1、电缆6、绞车7、脉冲发生器8、主机9和全景摄像头10。其中，全景摄像头10固定设置于测杆1的一端，全景摄像头10与主机9通过电缆6连接，电缆6缠绕设置于绞车7的辊筒上，绞车7可用于触发脉冲发生器8，脉冲发生器8与主机9电联。测杆1用于将全景摄像头10送入测孔内，并带动全景摄像头10沿着测孔的中心线移动。全景摄像头10用于对测孔内进行全景摄像，并通过电缆6将数据传输至主机9。在具体实施时，电缆6缠绕设置在绞车7的卷筒上。在实施时，电缆6选用高速高强专用电缆，由绞车7驱动，通过电缆6拉动全景摄像头10完成上述步骤S3中的匀速移动，在其移动过程中，绞车7转动，以触发脉冲发生器8。该脉冲发生器8由测量轮、光电转角编码器、深度信号采集板以及接口板组成。在绞车7转动时,位于绞车7上的测量轮实时测量全景摄像头10所处的位置，并通过接口板将其深度值置于主机9的专用端口中,将其摄像获取的图像与深度值一一对应起来，并通过电缆6传输至主主机9。该主机9具有钻孔图像实时查看与记录功能，包括全景钻孔摄像系统以及装有DIC计算分析软件的计算机，在实施时，该全景摄像系统采用数字式全景钻孔摄像系统，该DIC计算分析软件采用GOM correlateprofessional软件，利用全景摄像系统将全景图像和罗盘方位图像合成钻孔三维柱状图，然后使用DIC软件进行计算分析。
进一步的，还包括固定装置，固定装置包括固定器4、垫圈2和若干固定杆3，固定杆3的一端呈锥形，其另一端与固定器4的底面固定连接，垫圈2的一个侧面与固定器4的底面接触设置。该固定装置安装于测孔的开口端，用于实现上述步骤S3中测杆1沿测孔中心轴移动。固定杆3的锥形端插入岩土层中用于使固定器4固定，垫圈2设置在固定器4的下方以减少晃动等对测杆1的影响，确保DIC技术处理图像的准确性。
为实现全景摄像头10在测控内移动，测杆1和固定器4可以选用多种形式，例如固定器4中设置导向孔，使导向孔对正测孔的中心线，使测杆1在该导向孔内滑动等。本实施例中，测杆1选用可伸缩测杆，测杆1远离全景摄像头10的一端与固定器4固定连接，固定器4的中心开设有通孔，测杆1亦选用空心杆，电缆6穿设于上述通孔和测杆1内，使得该装置结构简单，布局合理。
如图2所示，全景摄像头10包括反射镜11、CCD相机13和磁性罗盘14，反射镜11为锥台结构，反射镜11的中心加工有通孔，CCD相机13设置于反射镜11偏向其小直径端的一侧，磁性罗盘14设置于反射镜11偏向其大直径端的一侧，CCD相机13与磁性罗盘14均正对通孔设置。还包括光源12，光源12设置于反射镜11偏向其小直径端的一侧。在光源12外设置有遮光罩，防止光源12直接照射到反射镜11的锥面上。当该全景摄像头伸入测孔内后，光源12照亮测孔壁上的摄像区域，经过反射在反射镜11的锥面上成像，CCD相机可拍摄该全景摄像头10所处位置的全景照片。同时，位于CCD相机可透过反射镜11的通孔拍摄到对面的磁性罗盘，以确定方位。相比于通用的全景摄像头，其结构简单，使用方便。该全景摄像头10可采集各个深度下的钻孔平面展开图和罗盘方位图像，如图3所示，将各深度下的图像传输至主机，通过全景钻孔摄像系统进行合成，获得测孔内的三维柱状图。
该装置可用于实现上述方法对钻孔信息进行采集，通过设置固定器4保证了测量结果的准确性，设置全景摄像头10同时采集其所处深度值的全景图像和方位信息，设置脉冲发生器可采集全景摄像头10所处的深度信息，由主机9进行图像合成和计算分析。其组成部件少，结构简单，布局合理，使用方便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法，其特征在于，按照一定时间周期对巷道围岩上的测孔进行全景摄像，对不同时间的测孔图像进行比较和分析计算，得到不受原生裂隙的影响的钻孔信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在巷道围岩壁上钻取一定深度的测孔；
S2，将全景摄像头置于所述测孔的底部进行摄像，并记录全景图像和全景摄像头位于所述测孔中的深度值；
S3，沿着所述侧孔的中心轴向测孔外匀速移动全景摄像头，并同时记录全景摄像头在所述测孔内各深度的全景图像和与其对应的深度值；
S4，对全景图像和与其对应的深度值进行处理，得到钻孔平面展开图；
S5，经过22-26小时后，重复步骤S2-S4，得到新的钻孔平面展开图，并进入下一步；
S6，采用DIC软件对相邻两个钻孔平面展开图进行分析计算，若产生新的裂纹则返回步骤S5，若未产生新的裂纹则进入下一步；
S7，利用全景摄像系统将每一次获得的钻孔平面展开图合成三维柱状图，使用DIC计算分析软件对其进行分析计算，完成钻孔信息的采集。
3.根据权利要求2所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法，其特征在于，DIC软件的分析计算流程包括如下步骤：
步骤一、采用标定板进行标定；
步骤二、读取试验对象变形前后的图像；
步骤三、对读取到的照片进行去畸变处理；
步骤四、进行基于数字相关系数的图像匹配；
步骤五、计算图片上像素点的位移量；
步骤六、利用标定像素当量的结构得到实际变形量。
4.根据权利要求2所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集方法，其特征在于，所述步骤S7中的分析计算是通过测孔内裂纹的位移变化，计算应变及与裂纹相关的断裂力学参数，从而得到上覆岩层破裂程度、各岩层厚度，并分析裂隙发育程度。
5.一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于，包括测杆（1）、电缆（6）、绞车（7）、脉冲发生器（8）、主机（9）和全景摄像头（10），所述全景摄像头（10）固定设置于所述测杆（1）的一端，所述全景摄像头（10）与所述主机（9）通过所述电缆（6）连接，所述电缆（6）缠绕设置于所述绞车（7）的辊筒上，所述绞车（7）可用于触发所述脉冲发生器（8），所述脉冲发生器（8）与所述主机（9）电联。
6.根据权利要求5所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于，还包括固定装置，所述固定装置包括固定器（4）和若干固定杆（3），所述固定杆（3）的一端呈锥形，其另一端与所述固定器（4）的底面固定连接，所述测杆（1）选用可伸缩测杆，所述测杆（1）远离所述全景摄像头（10）的一端与所述固定器（4）固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于，还包括垫圈（2），所述垫圈（2）的一个侧面与所述固定器（4）的底面接触设置。
8. 根据权利要求5所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于， ·1所述全景摄像头（10）包括反射镜（11）、CCD相机（13）和磁性罗盘（14），所述反射镜（11）为锥台结构，所述反射镜（11）的中心加工有通孔，所述CCD相机（13）设置于所述反射镜（11）偏向其小直径端的一侧，所述磁性罗盘（14）设置于所述反射镜（11）偏向其大直径端的一侧，所述CCD相机（13）与所述磁性罗盘（14）均正对所述通孔设置。
9.根据权利要求8所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于，所述全景摄像头（10）还包括光源（12），所述光源（12）设置于所述反射镜（11）偏向其小直径端的一侧。
10.根据权利要求8所述的一种基于DIC技术的钻孔信息采集装置，其特征在于，所述全景摄像头（10）还包括遮光罩，所述遮光罩用于避免所述光源（12）直射所述反射镜（11）的锥面。
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