CN111398273A - 一种岩石几何-力学参数获取方法及全息扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩石几何‑力学参数全息扫描系统及获取方法，该系统包括设置在三轴精密运动平台上的观察机构、多尺度触探机构、研磨机构、岩样安装机构，以及一台控制上述平台各机构运行方式的工控机；其参数获取方法通过依次对岩样进行表面图像采集、压痕/或旋切触探实验、脉冲回波信号采集、表面三维形貌重构、层层打磨并重复实验，对获得的由若干层单层岩石参数累计几何及力学的三维参数点阵进行空间插值获得几何参数和相应力学场的参数；该扫描系统及方法能够获得岩石试样内部各介质的真实空间分布及对应的力学参数场，并通过与高性能数值计算方法进行结合，为分析岩石力学性能，破坏、失稳提供更科学的方法。

Description

一种岩石几何-力学参数获取方法及全息扫描系统

技术领域

本发明涉及岩石参数测量设备技术领域，特别涉及一种岩石几何-力学参数获取方法及全息扫描系统。

背景技术

岩石材料参数的获取是各类重大基础工程建设的基础前提，如何快速、准确获取岩石的力学参数一直是研究者工作的努力方向。由于岩石材料内部细观介质的多样性和复杂性，岩石力学理论与数值计算分析中的材料参数无法精准定量，使得当前的分析与计算结果常常和实际观测值相差很大，出现岩石工程实践远远超出岩石力学理论研究的现状。随着测量、分析技术的不断进步，众多学者开始对岩石材料细观内部结构及各介质的空间分布进行研究。大量研究表明，由于岩石材料内部细观介质的非均匀性导致其在破裂过程表现出宏观力学行为的非线性，且其内部介质的细观力学特性对岩土材料的宏观力学响应及破坏过程具有重要影响。但在细观数值计算模型中，准确输入细观模型的力学参数十分困难，大多数都是定性的通过引入统计模型进行参数赋值。数字图像可较好的反映岩土材料细观结构不同介质，通过灰度及颜色分布对材料内部细观介质进行分类以确定各细观介质的真实几何分布区域。然而数字图像常常仅限于二维平面问题，并且颜色与材料参数的取值还有一定的局限性，且无法考虑矿物颗粒的微裂隙非均匀性的影响。针对三维几何分布，最常用的是X-ray CT扫描技术，即利用X射线较强的穿透能力，通过微焦点X射线对岩石样品进行逐层扫描，快速获取岩石的三维几何参数，且不损伤岩石的内部结构；但不足之处是CT扫描技术获得的图像实质是X射线波速的分布，而岩石内部构造复杂，当不同介质之间密度反差较弱时，无法通过X射线进行清晰成像。此外CT扫描技术仅可获取三维几何信息而无法给出力学参数信息。

岩石力学参数的快速获取方法有很多，例如西安理工大学李宁教授团队提出的旋切触探技术，通过钻头对岩石进行旋切，根据旋切钻头与岩石的动力学平衡关系，快速获得岩石的基本力学参数(抗压强度、粘聚力和内摩擦角等)。此外，触探试验也是一种获取岩石力学参数的国际岩石力学学会(ISRM)推荐试验。这类常规试验效率较高，但是精度比较低，其主要原因是试验的边界条件复杂，不如标准实验的可控。若能结合数值计算方法在处理复杂边界条件方面的优势，则可实现快速、精确的获取岩石材料的力学参数。本发明专利的目标就是结合 CT扫描原理、岩石力学参数快速获取方法、双目视觉立体成像技术及三维打印思想，构建一套获取岩石三维参数场的自动化装置及对应数据分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过图像采集及多尺度旋切触探装获取岩石几何- 力学参数的获取方法。

本发明的另一目的是提供一种实现上述岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统。

为此，本发明技术方案如下：

一种岩石几何-力学参数获取方法及全息扫描系统，步骤如下：

S1、利用对称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机中的任一台照相机获取岩石试样上表面的图像；

S2、将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较高的N₁×N₁的网格(在细观尺度上)，利用三角形贝式压头在每个网格内按照预设加载速率w₁及压入深度L₁进行压痕，同时在每次压痕过程中，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₁(t)，通过设置在岩石试样底部的压力传感器获取贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t)；通过对上述所得参数进行处理，以获取相应的岩石试样的三维力学参数点阵，三维力学参数包括弹性模量E_i和泊松比μ_i；

和/或，将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较低的N₂×N₂的网格 (在宏观尺度上)，利用麻花钻头依次在每个网格内按照预设的钻头钻进速度 w₂和钻进深度L₂进行钻进，同时在每次切削过程中，通过与麻花钻头连接的给进力传感器获取给进力随时间变化的动态信号P(t)，通过设置在麻花钻头邻侧的扭矩传感器获取扭矩随时间变化的动态信号M(t)，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₂(t)；通过对上述所得参数进行处理，以获取相应的岩石试样的三维力学参数点阵，三维力学参数包括弹性模量E、内聚力C、内摩擦角

和抗压强度R_p；

S3、通过对称设置在岩石试样两侧且与岩石试样接触的超声传感激励装置和超声传感接收装置获取岩石试样的脉冲回波信号，通过获取超声波通过岩石试样的纵波波速V_p和横波波速V_s，及岩石试样的密度ρ，计算岩石试样的动弹性模量E_d及动泊松比μ_d，其中，

S4、将岩石试样重新移动至与步骤S1相同的位置上，向岩石试样上表面投射结构光编码图案，并利用对且称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机分别采集岩石试样上表面的图像，以对岩石上表面的三维形貌进行重构；

S5、对岩石试样表层进行打磨直并通过流水进行润滑和降温，直至其上表面回复为光滑平面；

S6、重复步骤S1～S5，将岩石试样层层磨去并进行相同参数获取实验，直至岩石试样达到预设深度的最后一层，即得到由若干层单层岩石参数累计而成的完整岩石试样几何及力学的三维参数场；

S7、对经过上述步骤S6得到的各力学参数的三维点阵采用IDW的空间插值算法：

其中，

x_i为第i个取样点；x为所求虚拟点；ω_i(x)为x_i点的权重；u_i为第i个点的实测值；R(x)为通过扫描系统获取的x点的抗压强度、粘聚力和内摩擦角或弹性模量等；d(x,x_i)为实际取样点x_i到虚拟点x的距离：

式中，x_i、y_i、z_i分别为第i个取样点的x、y、z轴上坐标；

通过以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，获得虚拟点阵的力学参数，得到整个岩石试样的三维力学参数场，包括抗压强度场、内聚力场、内摩擦角场、弹性模量场、泊松比场。

进一步地，当步骤S2进行的为压痕实验时，N₁的取值范围在50×50～100×100，三角形贝式压头的面积为岩石试样上表面面积的1/200～1/50，且N₁取值依据压头尺寸的不同而变化，如压头的规格选择在边长为0.5mm、边长为1mm和边长为 2mm进行递变时，N₁对应可以设定为50、80和100；预设深度L₁为0.5～2mm，以位移进行准静态加载。

进一步地，当步骤S2进行的为压痕实验时，三维力学参数的具体获取方法为：

将试样的弹性模量与压头的弹性模量通过折减弹性模量Er进行关联，其中，计算压痕试验的压痕硬度H_I的公式为：

计算折减模量Er的公式为：

计算弹性模量E_i的公式为：

其中，P_max为最大压痕力，其通过贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t) 获取，E_s为压头的弹性模量，v_s为压头的泊松比，μ_i为岩石试样的泊松比，A_c为压头形状的投影面积，可通过下式求得：

其中，hc为接触深度，具体通过以下公式进行估计：

其中，S为卸载刚度，其具体由压痕试验获取的荷载-位移曲线中卸载阶段取曲线上三分之一处的切线斜率即为卸载刚度。

进一步地，当步骤S2进行的为旋切实验时，三维力学参数的具体获取方法为：假定钻头的每转进给位移D与由切削引起的钻压P及扭矩M成正比。

式中，K_p为进给位移-钻压曲线斜率，其通过将P(t)与D₂(t)进行联立获得；K_m为进给位移-扭矩曲线斜率，其通过将M(t)与D₂(t)进行联立获得；β为钻头前刀面的平均摩擦角；τ_f为岩石试样的抗剪强度；R为钻头的半径；切削系数

进而得到平均摩擦角β为：

进而可得切削角φ为：

内摩擦角

为：

在不考虑过渡破碎区的影响，可得其法向应力σ及切向应力τ：

其中θ为钻头夹角，据摩尔-库仑定理可得内聚力C为：

抗压强度R_p为：

根据能量转换理论，动力能源所做的总功主要用于转化为内能W_内、切削破碎切削体做功W_切、压入破碎切削体W_压；

W_总＝W_内+W_切+W_压

依据试验所得时间-钻压曲线P_(t)，钻进速度v，时间-扭矩曲线M_(t)及旋转速度ω可得W_总：

钻进速度

其中L为预设钻进深度，t为钻进所需时间；

用温度变化体现转化为内能的总功W_内为：

其中，T₁(ΔT)为切削刃的温度分布函数，T₂(ΔT)为岩石试样的温度分布函数； C₁为切削刃的比热容，C₂为岩石试样的比热容；Ω₁为切削刃的体积边界，Ω₂为岩石试样的体积边界；T₁(ΔT)中的ΔT为切削刃在切削前、后的温度差，T₂(ΔT)中的ΔT为岩石试样在切削前、后的温度差；上述温度数值均可通过手持式激光温度计获得；

切削破碎切削体做功分为破碎扭矩做功和摩擦扭矩做功两部分：

W_切＝∫M_切破·ωdt+∫M_切摩·ωdt

根据钻头压入破坏切削体做功与钻头钻杆弹性储能相等，得到弹性模量E 为:

进一步地，当步骤S2进行的为旋切实验时，N₂的取值范围在10×10～50×50 麻花钻头的直径为岩石试样上表面的1/50～1/10，且N₂取值依据压头尺寸的不同而变化，如麻花钻头的直径在直径为0.5mm、直径为1mm、直径为2mm和直径为10mm进行递变时，N₂对应可以设定为10、25、35和50；预设深度L₂为5～10mm。

进一步地，在步骤S3中，超声波传感激励装置发出的波长因为其穿过岩石试样的路径长度的十分之一。

一种岩石几何-力学参数全息获取方法的扫描系统，包括设置在三轴精密运动平台上的观察机构、多尺度触探机构、研磨机构、岩样安装机构，以及一台控制三轴精密运动平台、观察机构、多尺度触探机构、研磨机构、岩样安装机构运行的工控机；其中，

三轴精密运动平台包括能够实现上下运动的第一运动机构、设置在第一运动机构上且能够实现左右运动的第二运动机构、设置在第二运动机构上且能够实现前后运动的第三运动机构、以及一块位于三个运动机构上方的盖板；观察机构、多尺度触探机构和研磨机构依次安装在盖板地面上；岩样安装机构安装在第三运动机构上；

观察机构包括一台设置在盖板底面上的一台微型投影仪和分别对称设置在微型投影仪两侧的第一照相机和第二照相机；第一照相机的镜头和第二照相机的镜头均以斜向方式朝向微型投影仪设置；

多尺度触探机构包括位于前侧的旋切触探装置和位于后侧的压痕检测装置，以及设置在旋切触探装置与压痕检测装置之间的位移测量系统；其中，旋切触探装置包括自上而下依次连接的第一刚性伺服电机、第一滚珠丝杠、给进力传感器和标准麻花钻头，以及设置在标准麻花钻头邻侧的扭矩传感器；压痕检测装置包括自上而下依次连接的第二刚性伺服电机、第二滚珠丝杠、竖向刚性主轴和三角形贝式压头；

岩样安装机构包括用于固定岩石试样的方形钢制夹具以及对称设置在方形钢制夹具两侧的超声传感激励装置和超声传感接收装置；在设置方形钢制夹具的第三运动机构上还设置有一个用于检测岩石试样所受压力的压力传感器。

进一步地，研磨机构包括研磨砂轮和烘干装置；所述烘干装置为套装在研磨砂轮外侧的环形盘状结构，其上沿环形方向设有多个热风管，每个热风管通过管线与热风循环箱连通，使热风通过多个热风管垂直于岩石试样顶面喷出。

与现有技术相比，该岩石几何-力学参数获取方法及全息扫描系统的有益效果在于：

(1)该扫描系统是将数字照相机、多尺度旋切触探装置及自动研磨机器通过三向可动操作台整合于一体的扫描系统，有效提高3种仪器的使用效率，自动化、智能化程度更高。

(2)该扫描系统采用研磨-循环系统，将岩石试样层层磨去，并对每层岩石表面进行快速拍照，并通过数字图像技术处理，可获得岩石试样的真实三维细观结构。与传统的CT扫描技术相比，获得的岩石三维细观结构图像精度更高，并对CT扫描技术获取的三维几何参数进行标定及校验。

(3)该扫描系统采用了多尺度旋切触探技术，在获取岩石的真实三维细观几何参数的同时，通过对每层岩石进行多尺度的动力触探，可获得各层岩石试样在不同尺度下的三维力学参数场。

(4)该扫描系统采用基于结构光的双目立体视觉成像技术，通过三维视觉系统对已压痕(切削)的目标岩石表面进行扫描，获取压痕(凹槽)的三维形貌，以评价多尺度切削装置的动态破碎效率。

(5)该扫描系统利用数字图像测量技术及三维插值计算方法对岩石试样所获几何参数及力学参数进行三维重建，可获得岩石试样内部各介质的真实空间分布及对应的力学参数场。与高性能数值计算方法进行结合，可为分析岩石力学性能，破坏、失稳提供更科学的方法。

附图说明

图1为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统的结构示意图；

图2为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统的三轴精密运动平台的主视图；

图3为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统的三轴精密运动平台的俯视图；

图4为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统的三轴精密运动平台的左视图；

图5为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的全息扫描系统的观察机构的结构示意图；

图6为本发明的岩石几何-力学参数获取方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

如图1所示，该岩石几何-力学参数全息扫描系统包括设置在三轴精密运动平台7上的观察机构4、多尺度触探机构3、研磨机构2、岩样安装机构，以及一台控制三轴精密运动平台7、观察机构4、多尺度触探机构3、研磨机构2、岩样安装机构运行方式的工控机1；其中，

如图2所示，三轴精密运动平台7购自常见的市售设备，其包括第一支撑立柱a，第二支撑立柱b、第三支撑立柱c和第四支撑立柱d；第一支撑立柱a和第二支撑立柱b之间、以及第三支撑立柱c和第四支撑立柱d之间各架设有一条水平纵梁，两条水平纵梁上各均设置有一条纵向轨道13，每条纵向轨道13上设置有一个能够在纵向轨道上往复运动的第一滑块，同时，在每条与水平纵梁相接触的支撑立柱侧壁上各设置有一条竖向轨道16，且每条水平纵梁的两端各设与竖向轨道相匹配的第二滑块，使水平纵梁能够沿竖向轨道16在轴向上往复运动；两个第一滑块上固定有第一承台15，其上沿垂直于水平纵梁的方向对称架设有两条横向轨道14，每条横向轨道14上各设有与其相匹配的第三滑块，且在两个第三滑块上固定有第二承台15，使第二承台15能够利用第三滑块沿两条横向轨道14 往复滑动；在每根支撑立柱上、每根水平纵梁上、以及第一承台15和第二承台 15上还设置有分别用于控制两个第一滑块、四个第二滑块和两个第三滑块运动的多台伺服电机，每台伺服电机与相应滑块之间通过滚珠丝杠连接，实现控制滑块运动。

如图1所示，在第一支撑立柱a，第二支撑立柱b、第三支撑立柱c和第四支撑立柱d的顶面上还盖装固定有一块水平设置的盖板，使观察机构、多尺度触探机构和研磨机构沿水平纵梁的轴向方向依次间隔设置在盖板底面上；岩样安装机构设置在第二承台15上；

如图1、图2和图5所示，观察机构4包括一台设置在盖板底面上的一台微型投影仪19和分别对称设置在微型投影仪19两侧的第一高精度数字照相机17 和第二高精度数字照相机18；其中，微型投影仪19、第一高精度数字照相机17 和第二高精度数字照相机18沿水平纵梁的轴向方向间隔设置在同一直线上，且第一高精度数字照相机17的镜头和第二高精度数字照相机18的镜头均以斜向 45°的方式朝向微型投影仪19设置；微型投影仪19用于向岩石试样8顶面投射数字图像，第一高精度数字照相机17和第二高精度数字照相机18用于采集带有数字图像的岩石试样8顶面照片，具体为岩石表面压痕(凹槽)的三维形貌，进而实现在计算机中绘制出岩石表面的三维图像；

如图1所示，多尺度触探机构3包括位于前侧的旋切触探装置、位于后侧的压痕检测装置，以及设置在旋切触探装置与压痕检测装置之间的位移测量系统；压痕检测装置用于对岩石试样8首先进行细观尺度进行测试，旋切触探装置用于对岩石试样8再次进行宏观尺度进行测试，位移测量系统用于测试钻头或压头在进行钻进和压痕过程中位移随时间变化的动态信号；其中，

旋切触探装置包括自上而下依次连接的第一刚性伺服电机、第一滚珠丝杠、给进力传感器和标准麻花钻头，以及设置在标准麻花钻头邻侧的扭矩传感器；其中，标准麻花钻头配有多种直径的钻头，具体包括直径为0.5mm的标准麻花钻头、直径为1mm的标准麻花钻头、直径为2mm的标准麻花钻头和直径为10mm的标准麻花钻头；刚性伺服电机与滚珠丝杠之间设置有功率放大器以实现向钻头提供其所需的钻进条件；该旋切触探装置的工作原理为：刚性伺服电机通过功率放大器、驱动滚珠丝杠、对钻头、进行加载，对岩石试样8的顶面进行旋切，与此同时，给进力传感器、对钻头、受到的轴向钻压进行实时测量，以实现对钻头的高精密度加载的目的；扭矩传感器与钻头之间通过抗燥屏蔽电缆连接，对钻头的旋转扭矩进行实时测量；该两个传感器实现获取旋切过程中给进力传感器测得的给进力F和扭矩传感器测得的扭矩T随时间变化的动态信号，用于后续数据分析；

压痕检测装置包括自上而下依次连接的第二刚性伺服电机、第二滚珠丝杠、竖向刚性主轴和三角形贝式压头；其中，三角形贝式压头配有多种直径的可替换压头，具体包括边长为0.5mm的三角形压头、边长为1mm的三角形压头和边长为2mm的三角形压头；每个三角形压头均为由碳化钨制成的压头；第二刚性伺服电机与第二驱动滚珠丝杠之间通过功率放大器连接，以实现第二刚性伺服电机驱动滚珠丝杠以所需施压压力；该压痕检测装置的工作原理为：竖向刚性主轴在电机的驱动下于将所受到的压力传送给三角形贝式压头，三角形贝式压头在设定下的荷载下在岩石表面进行压痕并利用位移测量系统实时测定压痕深度，进而实现获得每个尺寸三角形压头对应的荷载-位移曲线；

如图1所示，研磨机构2包括研磨砂轮和烘干装置；所述自动研磨机用于对岩石试样8表面进行切削，将岩石试样8顶面重新研磨至平面，所述烘干装置为套装在研磨砂轮外侧的环形盘状结构，其上沿环形方向设有多个热风管，每个热风管通过管线与热风循环箱连通，使热风通过多个热风管垂直于岩石试样8顶面喷出；

如图1、图2和图3所示，岩样安装机构包括用于固定岩石试样8的方形钢制夹具10以及对称设置在方形钢制夹具两侧的超声传感激励装置9和超声传感接收装置11；其中，与旋切触探装置的麻花钻头与压痕检测装置的贝式压头的尺寸相匹配，且第二承台15的尺寸满足尺寸为100mm×100mm×180mm的固定岩石试样8的设置；超声传感激励装置9和超声传感接收装置11分别与岩石试样8 的侧壁接触，且接触面上涂覆有一层凡士林；超声传感激励装置9和超声传感接收装置11具有超低接收噪声及高性能脉冲控制功能，可产生激励信号并接收脉冲回波信号；为满足测试要求，超声传感激励装置9和超声传感接收装置11应保证其发出和接收的超声波的波长满足：岩石试样宽度大于波长十倍，以满足近似无限体的物理前提；另外，在设置方形钢制夹具10的第三运动机构上还设置有一个用于检测岩石试样所受压力的压力传感器；

工控机分别与三轴精密运动平台的多个驱动机构、观察机构的两台摄像机和投影设备、多尺度触探机构的每台伺服电机及每个传感器、研磨机构的研磨砂轮和烘干装置、以及岩样安装机构上超声传感激励装置9、超声传感接收装置11 及压力传感器，控制三轴精密运动平台、观察机构、多尺度触探机构、研磨机构、岩样安装机构按照上述的运行方式正常运行，并接受相应设备发送回的实时数据，以供后续技术人员进行处理。

该岩石几何-力学参数全息扫描系统在使用时，还可以通过加装NI控制及测试系统12实现对三轴精密运动平台7进行协同辅助，将设置有岩石试样8的岩样安装机构依次按照观察机构4、多尺度触探机构3的压痕检测装置、多尺度触探机构3的旋切触探装置、观察机构4和研磨机构2的顺序执行，并循环往复，实现对岩石试样8的逐步、逐层扫描；。

实施例2

如图6所示，一种采用上述实施例1的岩石几何-力学参数全息扫描系统实现的获取岩石几何-力学参数的方法，具体步骤如下：

S1、将取自目标测试岩石的一块岩石试样8置于第二承台15上，岩石试样8 底部固结，通过三轴精密运动平台7对岩石试样进行移动，使其移动至观察机构下方，具体地，岩石试样8与微型投影仪19的中轴线重合；接着利用对称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机中的任一台照相机获取岩石试样上表面的图像；

S2、将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较高的50×50的网格，利用边长尺寸为0.5mm的三角形贝式压头在每个网格内按照预设加载速率 w₁＝10mm/s(准静态)及压入深度L₁＝0.5mm进行压痕，同时在每次压痕过程中，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₁(t)，通过设置在岩石试样底部的压力传感器获取贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t)；

然后，对上述所得参数进行处理，具体地，由于压头不是完全刚性的，不能直接从载荷-位移数据中得到岩石的力学参数，因此，将试样的弹性模量与压头的弹性模量通过折减弹性模量Er进行关联，其中，

计算压痕试验的压痕硬度H_I的公式为：

计算折减模量Er的公式为：

计算弹性模量E_i的公式为：

其中，P_max为最大压痕力，该数值可以通过贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t)获取，即贝式压头荷载的最大值；E_s为压头的弹性模量，v_s为压头的泊松比，该两个数据均为压头的自身属性；μ_i为岩石试样的泊松比；A_c为压头形状的投影面积，其可通过下式求得：

其中，h_c为接触深度，具体通过以下公式进行估计：

其中，S为卸载刚度，其具体由压痕试验获取的荷载-位移曲线中卸载阶段取曲线上三分之一处的切线斜率即为卸载刚度；

通过上述计算过程，进而实现获取相应的岩石试样的三维力学参数点阵，即岩石试样的弹性模量E和岩石试样的泊松比μ_i；

S3、通过对称设置在岩石试样两侧且与岩石试样接触的超声传感激励装置和超声传感接收装置获取岩石试样的脉冲回波信号，通过获取超声波通过岩石试样的纵波波速V_p和横波波速V_s，及岩石试样的密度ρ，计算岩石试样的动弹性模量E_d及动泊松比μ_d，其中，

S4、将岩石试样重新移动至与步骤S1相同的位置上，向岩石试样上表面投射结构光编码图案，并利用对且称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机分别采集岩石试样上表面的图像，以对岩石上表面的三维形貌进行重构；

S5、对岩石试样表层进行打磨直并通过流水进行润滑和降温，直至其上表面回复为光滑平面；

S6、重复步骤S1～S5，将岩石试样层层磨去并进行相同参数获取实验，直至岩石试样达到预设深度的最后一层，即得到由若干层单层岩石参数累计而成的完整岩石试样几何及力学的三维参数场；

S7、对经过上述步骤S6得到的各力学参数的三维点阵采用IDW的空间插值算法：

其中，

x_i为第i个取样点；x为所求虚拟点；ω_i(x)为x_i点的权重；u_i为第i个点的实测值；R(x)为通过扫描系统获取的x点的抗压强度、粘聚力和内摩擦角或弹性模量；d(x,x_i)为实际取样点x_i到虚拟点x的距离：

式中，x_i、y_i、z_i分别为第i个取样点的x、y、z轴上坐标；

通过以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，获得虚拟点阵的力学参数，得到整个岩石试样的三维力学参数场，包括弹性模量场和泊松比场。

同样的，取两块与本实施例相同的岩石试样，并分别依次采用边长尺寸为 1mm的贝式压头和2mm的贝式压头进行相同步骤的测试，既可获得在不同载荷条件下，岩石试样的几何-力学参数。其中，网格的划分数量与贝式压头的尺寸相适应，如压头的规格选择在边长为0.5mm、边长为1mm和边长为2mm进行递变时，网格对应划分为50×50、80×80和100×100。

实施例3

一种采用上述实施例1的岩石几何-力学参数全息扫描系统实现的获取岩石几何-力学参数的方法，其步骤除步骤S2与实施例1不同外，其他步骤均相同。

具体地，本实施例的步骤S2的具体步骤为：

将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较低的40×40的网格，利用麻花钻头依次在每个网格内按照预设的钻头钻进速度w₂＝75mm/min和钻进深度 L₂＝5mm进行钻进，同时在每次切削过程中，通过与麻花钻头连接的给进力传感器获取给进力随时间变化的动态信号P(t)，通过设置在麻花钻头邻侧的扭矩传感器获取扭矩随时间变化的动态信号M(t)，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₂(t)；然后，对上述所得参数进行处理，具体地，

假定钻头的每转进给位移D与由切削引起的钻压P及扭矩M成正比。

式中，K_p为进给位移-钻压曲线斜率，其通过将P(t)与D₂(t)进行联立获得；K_m为进给位移-扭矩曲线斜率，其通过将M(t)与D₂(t)进行联立获得；β为钻头前刀面的平均摩擦角；τ_f为岩石试样的抗剪强度；R为钻头的半径；切削系数

进而得到平均摩擦角β为：

进而可得切削角φ为：

内摩擦角

为：

在不考虑过渡破碎区的影响，可得其法向应力σ及切向应力τ：

其中θ为钻头夹角，据摩尔-库仑定理可得内聚力C为：

抗压强度R_p为：

根据能量转换理论，动力能源所做的总功主要用于转化为内能W_内、切削破碎切削体做功W_切、压入破碎切削体W_压；

W_总＝W_内+W_切+W_压

依据试验所得时间-钻压曲线P_(t)，钻进速度v，时间-扭矩曲线M_(t)及旋转速度ω可得W_总：

钻进速度

其中L为预设钻进深度，t为钻进所需时间；

用温度变化体现转化为内能的总功W_内为：

其中，T₁(ΔT)为切削刃的温度分布函数，T₂(ΔT)为岩石试样的温度分布函数； C₁为切削刃的比热容，C₂为岩石试样的比热容；Ω₁为切削刃的体积边界，Ω₂为岩石试样的体积边界；T₁(ΔT)中的ΔT为切削刃在切削前、后的温度差，T₂(ΔT)中的ΔT为岩石试样在切削前、后的温度差；上述温度数值均可通过手持式激光温度计获得；

切削破碎切削体做功分为破碎扭矩做功和摩擦扭矩做功两部分：

W_切＝∫M_切破·ωdt+∫M_切摩·ωdt

根据钻头压入破坏切削体做功与钻头钻杆弹性储能相等，得到弹性模量E 为:

S3、通过对称设置在岩石试样两侧且与岩石试样接触的超声传感激励装置和超声传感接收装置获取岩石试样的脉冲回波信号，通过获取超声波通过岩石试样的纵波波速V_p和横波波速V_s，及岩石试样的密度ρ，计算岩石试样的动弹性模量E_d及动泊松比μ_d，其中，

S4、将岩石试样重新移动至与步骤S1相同的位置上，向岩石试样上表面投射结构光编码图案，并利用对且称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机分别采集岩石试样上表面的图像，以对岩石上表面的三维形貌进行重构；

S5、对岩石试样表层进行打磨直并通过流水进行润滑和降温，直至其上表面回复为光滑平面；

S6、重复步骤S1～S5，将岩石试样层层磨去并进行相同参数获取实验，直至岩石试样达到预设深度的最后一层，即得到由若干层单层岩石参数累计而成的完整岩石试样几何及力学的三维参数场；

S7、对经过上述步骤S6得到的各力学参数的三维点阵采用IDW的空间插值算法：

其中，

x_i为第i个取样点；x为所求虚拟点；ω_i(x)为x_i点的权重；u_i为第i个点的实测值；R(x)为通过扫描系统获取的x点的抗压强度、粘聚力和内摩擦角或弹性模量；d(x,x_i)为实际取样点x_i到虚拟点x的距离：

式中，x_i、y_i、z_i分别为第i个取样点的x、y、z轴上坐标；

通过以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，获得虚拟点阵的力学参数，包括弹性模量E、内聚力C、内摩擦角

和抗压强度R_p；

同样的，另外取三块与本实施例相同的岩石试样，并分别依次采用直径为 1mm的麻花钻头、直径为2mm的麻花钻头和直径为10mm的麻花钻头进行相同步骤的测试，既可获得在不同钻压条件下，岩石试样的几何-力学参数。其中，其中，网格的划分数量与麻花钻头的直径相适应，如麻花钻头的直径在直径为 0.5mm、直径为1mm、直径为2mm和直径为10mm进行递变时，网格对应可以设定为10×10、25×25、35×35和50×50。

Claims (8)

1.一种岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，步骤如下：

S1、利用对称斜向设置在岩石试样上方的两台照相机中的任一台照相机获取岩石试样上表面的图像；

S2、将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较高的N₁×N₁的网格，利用三角形贝式压头在每个网格内按照预设加载速率w₁及压入深度L₁进行压痕，同时在每次压痕过程中，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₁(t)，通过设置在岩石试样底部的压力传感器获取贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t)；通过对上述所得参数进行处理，以获取相应的岩石试样的三维力学参数点阵，三维力学参数包括弹性模量E和泊松比μ_i；

和/或，将岩石试样上表面利用激光划分为解析度相对较低的N₂×N₂的网格，利用麻花钻头依次在每个网格内按照预设的钻头钻进速度w₂和钻进深度L₂进行钻进，同时在每次切削过程中，通过与麻花钻头连接的给进力传感器获取给进力随时间变化的动态信号P(t)，通过设置在麻花钻头邻侧的扭矩传感器获取扭矩随时间变化的动态信号M(t)，通过位移测量系统获取位移随时间变化的动态信号D₂(t)；通过对上述所得参数进行处理，以获取相应的岩石试样的三维力学参数点阵，三维力学参数包括弹性模量E、内聚力C、内摩擦角

和抗压强度R_p；

S3、通过对称设置在岩石试样两侧且与岩石试样接触的超声传感激励装置和超声传感接收装置获取岩石试样的脉冲回波信号，通过获取超声波通过岩石试样的纵波波速V_p和横波波速V_s，及岩石试样的密度ρ，计算岩石试样的动弹性模量E_d及动泊松比μ_d，其中，

S4、将岩石试样重新移动至与步骤S1相同的位置上，向岩石试样上表面投射结构光编码图案，并利用对称且斜向设置在岩石试样上方的两台照相机分别采集岩石试样上表面的图像，以对岩石上表面的三维形貌进行重构；

S5、对岩石试样表层进行打磨，并通过流水进行润滑和降温，直至其上表面回复为光滑平面；

S6、重复步骤S1～S5，将岩石试样层层磨去并进行相同参数获取实验，直至岩石试样达到预设深度的最后一层，即可获取由若干层单层岩石参数累计而成的完整岩石试样几何及力学的三维参数点阵；

S7、对经过上述步骤S6得到的各力学参数的三维点阵采用IDW的空间插值算法：

其中，

x_i为第i个取样点；x为所求虚拟点；ω_i(x)为x_i点的权重；u_i为第i个点的实测值；R(x)为通过扫描系统获取的x点的抗压强度、粘聚力和内摩擦角或弹性模量；d(x,x_i)为实际取样点x_i到虚拟点x的距离：

式中，x_i、y_i、z_i分别为第i个取样点的x、y、z轴上坐标；

通过以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，获得虚拟点阵的力学参数，得到整个岩石试样的三维力学参数场，包括抗压强度场、内聚力场、内摩擦角场、弹性模量场、泊松比场。

2.根据权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，当步骤S2进行的为压痕实验时，N₁的取值范围在50×50～100×100，三角形贝式压头的面积为岩石试样上表面面积的1/200～1/50，预设深度L₁为0.5～2mm，以位移进行准静态加载。

3.根据权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，当步骤S2进行的为压痕实验时，三维力学参数的具体获取方法为：

将试样的弹性模量与压头的弹性模量通过折减弹性模量Er进行关联，其中，

计算压痕试验的压痕硬度H_I的公式为：

计算折减模量Er的公式为：

计算弹性模量E_i的公式为：

其中，P_max为最大压痕力，其通过贝式压头荷载随时间变化的动态信号F₁(t)获取，E_s为压头的弹性模量，v_s为压头的泊松比，μ_i为岩石试样的泊松比，A_c为压头形状的投影面积，可通过下式求得：

其中，hc为接触深度，具体通过以下公式进行估计：

其中，S为卸载刚度，其具体由压痕试验获取的荷载-位移曲线中卸载阶段取曲线上三分之一处的切线斜率即为卸载刚度。

4.根据权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，当步骤S2进行旋切触探实验时，三维力学参数的具体获取方法为：

假定钻头的每转进给位移D与由切削引起的钻压P及扭矩M成正比。

式中，K_p为进给位移-钻压曲线斜率，其通过将P(t)与D₂(t)进行联立获得；K_m为进给位移-扭矩曲线斜率，其通过将M(t)与D₂(t)进行联立获得；β为钻头前刀面的平均摩擦角；τ_f为岩石试样的抗剪强度；R为钻头的半径；切削系数

进而得到平均摩擦角β为：

进而可得切削角φ为：

内摩擦角

为：

在不考虑过渡破碎区的影响，可得其法向应力σ及切向应力τ：

其中θ为钻头夹角，据摩尔-库仑定理可得内聚力C为：

抗压强度R_p为：

根据能量转换理论，动力能源所做的总功主要用于转化为内能W_内、切削破碎切削体做功W_切、压入破碎切削体W_压；

W_总＝W_内+W_切+W_压

依据试验所得时间-钻压曲线P_(t)，钻进速度v，时间-扭矩曲线M_(t)及旋转速度ω可得W_总：

钻进速度

其中L为预设钻进深度，t为钻进所需时间；

用温度变化体现转化为内能的总功W_内为：

其中，T₁(ΔT)为切削刃的温度分布函数，T₂(ΔT)为岩石试样的温度分布函数；C₁为切削刃的比热容，C₂为岩石试样的比热容；Ω₁为切削刃的体积边界，Ω₂为岩石试样的体积边界；T₁(ΔT)中的ΔT为切削刃在切削前、后的温度差，T₂(ΔT)中的ΔT为岩石试样在切削前、后的温度差；上述温度数值均可通过手持式激光温度计获得；

切削破碎切削体做功分为破碎扭矩做功和摩擦扭矩做功两部分：

W_切＝∫M_切破·ωdt+∫M_切摩·ωdt

根据钻头压入破坏切削体做功与钻头钻杆弹性储能相等，得到弹性模量E为:

5.根据权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，当步骤S2进行的为旋切实验时，N₂的取值范围在10×10～50×50，麻花钻头的直径为岩石试样上表面的1/50～1/10，预设深度L₂为5～10mm。

6.根据权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，在步骤S3中，超声波传感激励装置发出的波长因为其穿过岩石试样的路径长度的十分之一。

7.一种实现如权利要求1所述的岩石几何-力学参数全息获取方法的扫描系统，其特征在于，包括设置在三轴精密运动平台7上的观察机构4、多尺度触探机构3、研磨机构2、岩样安装机构，以及一台控制三轴精密运动平台7、观察机构4、多尺度触探机构3、研磨机构2、岩样安装机构运行的工控机；其中，

三轴精密运动平台7包括能够实现上下运动的第一运动机构、设置在第一运动机构上且能够实现左右运动的第二运动机构、设置在第二运动机构上且能够实现前后运动的第三运动机构、以及一块位于三个运动机构上方的盖板；观察机构4、多尺度触探机构3和研磨机构2依次安装在盖板地面上；岩样安装机构安装在第三运动机构上；

观察机构4包括一台设置在盖板底面上的一台微型投影仪19和分别对称设置在微型投影仪19两侧的第一照相机17和第二照相机18；第一照相机17的镜头和第二照相机18的镜头均以斜向方式朝向微型投影仪19设置；

多尺度触探机构3包括位于前侧的旋切触探装置和位于后侧的压痕检测装置，以及设置在旋切触探装置与压痕检测装置之间的位移测量系统；其中，旋切触探装置包括自上而下依次连接的第一刚性伺服电机、第一滚珠丝杠、给进力传感器和标准麻花钻头，以及设置在标准麻花钻头邻侧的扭矩传感器；压痕检测装置包括自上而下依次连接的第二刚性伺服电机、第二滚珠丝杠、竖向刚性主轴和三角形贝式压头；

岩样安装机构包括用于固定岩石试样8的方形钢制夹具10以及对称设置在方形钢制夹具两侧的超声传感激励装置9和超声传感接收装置11；在设置方形钢制夹具10的第三运动机构上还设置有一个用于检测岩石试样所受压力的压力传感器。

8.根据权利要求7所述的岩石几何-力学参数全息获取方法，其特征在于，研磨机构2包括研磨砂轮和烘干装置；所述烘干装置为套装在研磨砂轮外侧的环形盘状结构，其上沿环形方向设有多个热风管，每个热风管通过管线与热风循环箱连通，使热风通过多个热风管垂直于岩石试样8顶面喷出。

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