CN112855130A - 一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法，包括：在被测点位钻进形成测试孔，测试孔包括上下设置的锥形孔和圆柱形测试孔段；在孔壁区域的岩石完整的测试孔段建立作为被测孔壁表面变形信息的载体的孔壁散斑场；在测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置，通过孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录孔壁散斑场的内锥面图像和外锥面图像的信息；将内锥面图像和外锥面图像的信息转化为孔壁三维坐标信息，建立孔壁应变场，由孔壁应变场计算扰动应力，进行扰动应力监测；针对电学测试法在地应力测量领域中存在缺陷，引入数字光学散斑测量，可有效的改善或解决传统位移传感器存在的问题。

Description

一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法

技术领域

本发明涉及地应力测试领域，尤其涉及一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法。

背景技术

地应力是引起采矿、水利水电和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。从地应力的来源来看，一般认为地应力主要来源于岩层重力，构造应力、热应力等。岩层重力取决于埋深和岩石的平均密度，在岩层重力的挤压作用下，使得受限岩层产生横向水平应力；构造应力来源于地壳的构造运动，当地层处于构造运动的不同位置，其产生构造应力是不完全相同，一般构造应力都考虑为近水平方向，以矢量的形式直接叠加其他水平应力之上；温度应力是指地层中由于温度差异引起的附加应力。

应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展时间最长、技术较为成熟的一种地应力测量方法，在测定地应力的适用性和可靠性方面，目前还没有哪种方法可以和应力解除法相比。其测试原理是采用套钻的方式实现套孔岩芯的完全应力解除，使测点岩体完全脱离地应力作用，从而确定地应力大小和方向。

目前，应力解除法已形成一套标准的测量程序，具体步骤为：(1)从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道的表面向岩体内部打一个大的钻孔，直至需要测量岩体应力的部位；(2)从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所选用的探头直径决定；(3)用一套专用装置将测量探头安装到小孔中央部位；(4)用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延伸大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。基于该方法研制的地应力测量设备已有很多应用案例，该方法通过测量岩石形变量来确定地应力大小和方向，具有测量精度高的特点，但是大多数测量设备难以适应深钻孔下高温、高压的环境条件。传统的应力解除法设备通常采用电子类测量元器件，高温会使测量元器件出现温度漂移、零点漂移，高渗透压会导致元器件粘贴困难、设备进水等问题。

在地应力测试领域中，常用的应变测量和监测方法是以电阻应变计、振弦式应变传感器为代表的电学测试法，具有测量精度高，结果稳定、操作简单方便且有成熟的配套设备等优点，但该类传感器在一些特殊场合，或针对特殊研究对象时，也存在一些难以解决的缺点，如：

(1)常用的应变计传感器是点式测量方法，很难获得宏观应变场

在地应力测量中，多采用分布式均匀布置应变测量传感器，而常见的应变传感器大多尺寸较小，当应变传感器之间的安装距离远大于传感器本身的尺寸时，多个传感器同时测量得到的应变数据在物质空间上是否连续，多点位测量结果能否表征为一点处的应变状态，将会成为难以解释的科学问题。

(2)在某些特殊环境下测量，常用的应变计传感器很难保证测量的精度

根据地温梯度及水压力，在岩体深部可能存在着高地温、高渗透压的测试环境，而传统的应变计传感器对测试环境有着较高的要求，在高温高压下很难保证测量的精度，适用范围较小。

(3)宏观岩石物理性质与传感器尺寸不对等

在地应力测量中，被测量对象为岩石或岩体，岩石是由一种或几种矿物组成的固态集合体，使得其物理性质参数具有一定的离散性，而在获取岩石物理性质参数时，传统单轴、三轴压缩等试验的岩样尺寸均在厘米级以上，然而电阻应变片的丝栅尺寸都是毫米级，存在着岩石物理性质与传感器尺寸不对等的问题。

(4)测量元件的蠕变现象影响长期监测的精度

在长期地应力监测中，应变类传感器长时间接触岩石，并处于张紧状态下，容易导致测量元件的蠕变现象，影响测量装置长期可靠、稳定的持续监测。

(5)安装方式和制作工艺影响测量结果

在地应力测试现场，电阻应变计需要将应变片粘贴到岩石表面，由于应变片的布置方式、粘贴工艺因人而异，测量结果具有多种解算方法，因此在不同条件下可能引入不同随机误差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法，解决现有技术中问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法，包括：

步骤1，在被测点位钻进形成测试孔，所述测试孔包括上下设置的锥形孔和圆柱形测试孔段；

步骤2，在孔壁区域的岩石完整的测试孔段建立作为被测孔壁表面变形信息的载体的孔壁散斑场；

步骤3，在所述测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置，通过所述孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录所述孔壁散斑场的内锥面图像和外锥面图像的信息；

步骤4，将所述内锥面图像和外锥面图像的信息转化为孔壁三维坐标信息，建立孔壁应变场，由孔壁应变场计算扰动应力，进行扰动应力监测。。

本发明的有益效果是：在。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1包括：

步骤101，使用钻机设备钻进达到深度为设定深度的被测点位；

步骤102，在所述被测点位的中心位置，钻进形成所述锥形孔，所述锥形孔的孔底直径小于其孔口直径；

步骤103，在所述锥形孔的基础上钻进形成所述测试孔段；所述测试孔段的内径D与所述锥形孔的孔底直径相等。

进一步，所述步骤2包括：

步骤201，观察并确认所述测试孔段的孔壁区域的岩石是否完整，是则执行步骤202，否则重新执行所述步骤1；

步骤202，通过转印技术或者利用岩石表面特有的纹理特征，在所述测试孔段的深度为L～L+H的孔壁区域内建立灰度随机分布的所述孔壁散斑场；所述孔壁散斑场展开后为宽度为C、高度为H的长方形的二维平面散斑场，宽度C为钻孔横截面的周长。

进一步，所述步骤3中在所述测试孔段内安装的所述孔内双锥面反射式摄像装置包括：玻璃视窗、照明光源、不锈钢外壳、摄像机、电子罗盘、定位锥头和双锥面反射镜；

照明光源、摄像机、电子罗盘、双锥面反射镜同轴共线分布后封装在由玻璃视窗和不锈钢外壳组成的组合结构壳体中；

所述双锥面反射镜为内锥面镜和外锥面镜的组合机构，所述内锥面镜的反射锥角β1与所述外锥面镜的反射锥角β2不相等。

进一步，所述步骤3中在所述测试孔段内安装所述孔内双锥面反射式摄像装置的过程包括：

步骤301，将所述孔内双锥面反射式摄像装置传送到所述被测点位上，穿过所述锥形孔后进入所述测试孔段，使所述定位锥头与所述锥形孔接触，双锥面反射镜位于测试孔段的深度范围为L～L+H的孔壁区域内；

步骤302，保持所述定位锥头与所述锥形孔的相对位置不改变，启动所述孔内双锥面反射式摄像装置的内部电路系统，使得所述照明光源、摄像机和电子罗盘开始工作。

进一步，所述步骤3中通过所述孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录所述孔壁散斑场的内锥面图像和外锥面图像的信息的过程包括：

步骤303，设计光源路径，使所述照明光源将可见光照射到所述孔壁散斑场,所述孔壁散斑场的散斑图像经所述双锥面反射镜反射后进入所述摄像机，在所述摄像机的呈像面上采集并转为数字信号存储；

步骤304，孔壁散斑场上的各点都经过所述双锥面反射镜的内锥面镜和外锥面镜反射后，得到两幅具有不同视差的光学图像，该光学图像经所述呈像面采集后分为内锥面图像和外锥面图像；

步骤305，结合所述电子罗盘测量得到的空间方位信息，沿所述内锥面图像和所述外锥面图像的水平方向和竖直方向，分别建立N1、N2、N3和N4方位坐标系；该N1、N2、N3、N4为电子罗盘测量得到的空间方位信息；

步骤306，根据所述光源路径的反射锥角以及方位坐标系，建立所述内锥面图像和外锥面图像上任意一点与所述孔壁散斑场上对应点的映射对应关系，将采集到的所述内锥面图像和外锥面图像映射到两个平面矩阵中，形成内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤307，通过连续观测采集并记录所述孔壁散斑场的变形过程，将连续采集到的所述孔壁散斑场映射为以时间顺序排列的连续内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤308，根据立体匹配算法，对所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像进行图像校正，经校正后进行剪裁和选定位置中心，取得平行配置的视觉图像。

进一步，所述步骤4包括：

步骤401，建立三维坐标系，所述三维坐标系的原点O为钻孔轴线上一点，Z轴为钻孔轴线方向，Y轴和X轴分别电子罗盘测得的N1方向和N2方向；在钻孔孔壁上建立局部二维坐标系，所述二维坐标系的原点o为孔壁上与X轴方向呈α角方向上的任意一点，z轴为钻孔轴线方向为，θ轴为环向方向，此时在所述原点o处，钻孔轴线方向应变表示为ε_z，环向方向的环向应变表示为ε_θ，孔壁上φ方向上的正应变表示为ε_φ，孔壁上的剪切应变表示为γ_θz；

步骤402，对校正后的所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像开展灰度分析，依据所述三维坐标系将散斑图像信息转化三维坐标信息；

步骤403，以起始时间点获取的散斑图像为应变测量原点，根据在不同时间点获取的散斑图像，由散斑图像信息转化的三维坐标信息开展应变场分析，形成基于所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像的ε_θ、ε_z、ε_φ|_φ＝45°和ε_φ|_φ＝135°四种应变场，根据任意一点在四种应变场上的应变值对其进行应力、应变分析,任意一点在四种应变场上的应变值的计算公式为：

剪切应变γ_θz为：

其中，α为

与X轴的夹角，E为弹性模量，μ为泊松比，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx分别为无限远处对各个方向的正应力及剪应力；

步骤404，根据在任意时间点的不同位置处的应变值，建立并联立各点的应力和应变关系式，求解在任意时间点的σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx，对于任意时刻n,由散斑应变场计算得到0～n时刻产生的孔壁应变，六个应力分量

和

为扰动应力分量；

步骤405，由不同时间点获取的散斑场计算得到的扰动应力分量，建立以时间序列为横坐标的统计报表。

进一步，所述步骤404包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组为：

和

分别为在0～n时刻、第i个点处的环向方向的环向应变、钻孔轴线方向应变和孔壁上φ方向上的正应变，i＝0、1、2；

根据三个点的联立关系式组计算得到

和

进一步的，所述步骤4之后还包括：步骤5，完成扰动应力监测任务后，对回收的测试孔进行二次测试，解算地应力测量结果，所述步骤5包括：

步骤501，将所述孔内双锥面反射式摄像装置从所述测试孔段中取出；

步骤502，使用外径与钻孔直径相近的薄壁取芯钻头，在钻孔的所述设定深度处，旋转切削所述测试孔段周围的岩石，使切削深度超过所述测试孔段的深度；

步骤503，向上提升所述薄壁取芯钻头，使所述测试孔段脱离孔底岩石，将所述测试孔段取出钻孔；

步骤504，将孔内双锥面反射式摄像装置再次插入所述测试孔段，获取所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像，结合所述电子罗盘测量得到的空间方位信息，沿所述内锥面图像和外锥面图像的水平方向和竖直方向，建立N5、N6、N7、N8方位坐标系，该N5、N6、N7、N8为所述电子罗盘测量得到的空间方位信息；

步骤505，根据所述测试孔段的孔壁处应力和应变状态，计算钻孔的环向位移v：

确定孔壁上与X轴方向呈α角方向上的环向位移不动点o₃，该环向位移不动点o₃的环向位移v等于0，且环向位移沿钻孔周向方向呈中心对称分布，对前后两次测得的内锥面图像和外锥面图像的N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8方位坐标系进行方位校正，使环向位移不动点o₃位于N9、N10、N11、N12坐标系的N9轴上，再由映射关系，形成校正后的内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤506、根据岩石应力解除过程前后获得的内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像，开展灰度分析，将散斑图像信息转化三维坐标信息，并以岩石应力解除过程前的散斑图像为应变测量原点开展应变场分析，形成基于展开图像的ε_θ、ε_z、ε_{φ φ＝45°}和ε_φ|_φ＝135°应变场；

步骤507、根据任意一点在四种应变场上的应变值和式(1)，对孔壁上任意一点进行应力、应变分析，求解应力量值。

进一步，所述步骤507包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组为：

i＝0、1、2；ε_i,θ表示在岩石应力解除后的第i个点处，环向方向的环向应变；ε_i,z表示在岩石应力解除后的第i个点处，钻孔轴线方向应变；ε_i,φ表示在岩石应力解除后的第i个点处，孔壁上φ方向上的正应变；

根据三个点的联立关系式组计算得到各个方向的正应力及剪应力σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法的实施例，针对电学测试法在地应力测量领域中存在缺陷，引入数字光学散斑测量，可有效的改善或解决传统位移传感器存在的问题，例如：(1)数字光学散斑测量可以获得被测量岩石表面的应变场；(2)在高地温、高渗透压等特殊测试环境下，由于光学散斑测量中，散斑场和光学部件的互相分离的特点，使得测量设备更容易隔绝温度与水压，基本解决温度或水压压力引起的测量精度失效的问题；(3)由于观测所得到的变形的信息是全场的，相对于电测的点测量来说，信息量大幅度增加，测量的尺度与宏观岩石物理力学性质的测定尺度接近；(4)通过在岩石表面制作散斑场，或利用岩石的天然纹理作为天然散斑场进行观测，不存在测量元件失效的问题；(5)安装过程简单易行，测量元件可重复利用，有效的降低成本低。

附图说明

图1为本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法的流程图；

图2(a)为本发明实施例提供的钻进形成测试孔的阶段一的示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的钻进形成测试孔的阶段二的示意图；

图2(c)为本发明实施例提供的钻进形成测试孔的阶段三的示意图；

图3为本发明实施例提供的建立钻孔孔壁散斑场的示意图；

图4为本发明实施例提供的测试孔内安装孔内双锥面反射式摄像装置的示意图；

图5为本发明实施例提供的孔内散斑场监测的双锥面反射镜示意图；

图6为本发明实施例提供的孔内散斑场监测的锥面图像示意图；

图7为本发明实施例提供的孔内散斑场监测的锥面图像展开图像示意图；

图8为本发明实施例提供的钻孔孔壁坐标系定义示意图；

图9为本发明实施例提供的钻孔孔壁应变定义示意图；

图10(a)为本发明实施例提供的钻孔应力解除及测试孔回收的阶段一的示意图；

图10(b)为本发明实施例提供的钻孔应力解除及测试孔回收的阶段二的示意图；

图10(c)为本发明实施例提供的钻孔应力解除及测试孔回收的阶段三的示意图；

图10(d)为本发明实施例提供的钻孔应力解除及测试孔回收的阶段四的示意图；

图11为本发明实施例提供的测试孔回收及地应力测量阶段的图像方位校正的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、锥形孔，2、测试孔段组成，3、孔壁散斑场，4、二维平面散斑场，5、玻璃视窗，6、照明光源、7、不锈钢外壳，8、摄像机、9、电子罗盘、10、定位锥头，11、双锥面反射镜，12、呈像面，13、内锥面图像，14、外锥面图像，15、内锥面图像展开图像，16、外锥面图像展开图像。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

随着现代光学技术、光电子检测技术、数字图像处理技术和图像采集设备的迅猛发展，利用光学方法实现应变测量与监测的光测力学技术和光纤传感技术，己经成为力学特性测试、测量和监测中的重要分支。光测力学技术包括全息干涉技术、云纹干涉技术、全息光弹性法、数字散斑相关法等，具有非接触、全场测量的特点。其中，数字散斑相关方法的实现过程包括两个部分，硬件的图像采集系统和软件的搜索匹配算法，主要是利用光学图像采集系统获得被测对象表面变形前后的数字图像，采用适当搜索方法匹配变形前后对应的散斑图像子区，从而获得被测对象表面各点的位移和应变信息，具有无需隔振和激光光源、光路简单、测量环境要求低的特点，广泛应用于各种变形测量场合。

如图1所示为本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法的流程图，结合图1可知，本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法，包括：

步骤1，在被测点位钻进形成测试孔，测试孔包括上下设置的锥形孔1和圆柱形测试孔段2。

步骤2，在孔壁区域的岩石完整的测试孔段2建立作为被测孔壁表面变形信息的载体的孔壁散斑场3。

步骤3，在测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置，通过孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录孔壁散斑场3的内锥面图像13和外锥面图像14的信息。

步骤4，将内锥面图像13和外锥面图像14的信息转化为孔壁三维坐标信息，建立孔壁应变场，由孔壁应变场计算扰动应力，进行扰动应力监测。

本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法的实施例，针对电学测试法在地应力测量领域中存在缺陷，引入数字光学散斑测量，可有效的改善或解决传统位移传感器存在的问题，例如：(1)数字光学散斑测量可以获得被测量岩石表面的应变场；(2)在高地温、高渗透压等特殊测试环境下，由于光学散斑测量中，散斑场和光学部件的互相分离的特点，使得测量设备更容易隔绝温度与水压，基本解决温度或水压压力引起的测量精度失效的问题；(3)由于观测所得到的变形的信息是全场的，相对于电测的点测量来说，信息量大幅度增加，测量的尺度与宏观岩石物理力学性质的测定尺度接近；(4)通过在岩石表面制作散斑场，或利用岩石的天然纹理作为天然散斑场进行观测，不存在测量元件失效的问题；(5)安装过程简单易行，测量元件可重复利用，有效的降低成本低。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法的实施例，结合图1可知，该实施例包括：

步骤1，在被测点位钻进形成测试孔，测试孔包括上下设置的锥形孔1和圆柱形测试孔段2。

如图2(a)-图2(c)所示分别为本发明实施例提供的钻进形成测试孔的阶段一、阶段二和阶段三的示意图，结合图2(a)-图2(c)可知，首先，需要在被测点位钻进形成一个测试孔，使得该测试孔的基本结构满足要求，再进行后续的测试步骤。测试孔包括两个部分：锥形孔1和测试孔段2，具体的，步骤1包括：

步骤101，现场施工人员使用钻机设备钻进达到深度为设定深度Depth的被测点位。

步骤102，在被测点位的中心位置，钻进形成一个具有坡角的锥形孔1，锥形孔1的孔底直径小于其孔口直径。

步骤103，在锥形孔1的基础上钻进形成测试孔段2；测试孔段2的内径D与锥形孔1的孔底直径相等，孔身长度大于测量设备的长度。

步骤2，在孔壁区域的岩石完整的测试孔段2建立作为被测孔壁表面变形信息的载体的孔壁散斑场3。

如图3所示为本发明实施例提供的建立钻孔孔壁散斑场的示意图，由图3可知，优选的，步骤2包括：

步骤201，观察并确认测试孔段2的孔壁区域的岩石是否完整，是则执行步骤202，否则重新执行步骤1。

观察测试孔段2的孔壁区域，确认孔壁区域的岩石是否完整，若孔壁区域的岩石完整，则可进行下一步骤，若孔壁区域的岩石不完整，则需要重新进行步骤1，直到确认孔壁区域的岩石完整，才可以进行下一步骤。

步骤202，通过转印技术或者利用岩石表面特有的纹理特征，在测试孔段2的深度为L～L+H的孔壁区域内建立灰度随机分布的孔壁散斑场3；孔壁散斑场3展开后为宽度为C、高度为H的长方形的二维平面散斑场4，宽度C为钻孔横截面的周长。

该孔壁散斑场3作为被测孔壁表面变形信息的载体随被测孔壁表面一起变形。

步骤3，在测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置，通过孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录孔壁散斑场3的内锥面图像13和外锥面图像14的信息。

如图4所示为本发明实施例提供的测试孔内安装孔内双锥面反射式摄像装置的示意图，结合图4可知，优选的，步骤3中在测试孔段内安装的孔内双锥面反射式摄像装置包括：玻璃视窗5、照明光源6、不锈钢外壳7、摄像机8、电子罗盘9、定位锥头10和双锥面反射镜11。

照明光源6、摄像机8、电子罗盘9、双锥面反射镜11同轴共线分布后封装在由玻璃视窗5和不锈钢外壳7组成的组合结构壳体中，使得该壳体具有防水、透明、保护电子设备的功能。

照明光源6、摄像机8、电子罗盘9、双锥面反射镜11四4种关键电子元器件同轴共线分布，具有固定的相对位置关系。

不锈钢外壳7的外丝扣与定位锥头10的内丝扣通过丝扣连接的结合在一体，形成一套孔内双锥面反射式摄像装置。

定位锥头10的外径与锥形孔1的内径相同，不锈钢外壳7的外径小于测试孔段2的内径D。

双锥面反射镜11为内锥面镜和外锥面镜的组合机构，内锥面镜的反射锥角β1与外锥面镜的反射锥角β2不相等。

进一步的，步骤3中在测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置的过程包括：

步骤301，将孔内双锥面反射式摄像装置传送到深度为设定深度Depth的被测点位上，穿过锥形孔1后进入测试孔段2，使定位锥头10与锥形孔1接触，双锥面反射镜11位于测试孔段2的深度范围为L～L+H的孔壁区域内。

由于定位锥头10与锥形孔1的坡角相同，定位锥头10的外径与锥形孔1的内径相同，实现定位锥头10定位到锥形孔1位置。当定位锥头10定位到锥形孔1位置，双锥面反射镜11位于测试孔段2的深度范围为L～L+H的孔壁区域内，并在外壳的机械结构限制下，保持设备的轴线方向、位置与钻孔的轴线方向、位置相同，此时双锥面反射镜11的高度小于散斑场高度H。

步骤302，保持定位锥头10与锥形孔1的相对位置不改变，启动孔内双锥面反射式摄像装置的内部电路系统，使得照明光源6、摄像机8和电子罗盘9开始工作。

步骤3中，当孔内双锥面反射式摄像装置在测试孔内开始工作，即开始监测孔壁散斑场3的变形情况，通过记录孔壁变形，根据弹性力学，由孔壁应变法解算扰动应力，实现扰动应力监测。

优选的，步骤3中通过孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录孔壁散斑场3的内锥面图像13和外锥面图像14的信息的过程包括：

步骤303，设计光源路径，使照明光源6将可见光照射到孔壁散斑场3,孔壁散斑场3的散斑图像经双锥面反射镜11反射后进入摄像机8，在摄像机8的呈像面12上采集并转为数字信号存储。

步骤304，孔壁散斑场3上的各点都经过双锥面反射镜11的内锥面镜和外锥面镜反射后，得到两幅具有不同视差的光学图像，该光学图像经呈像面12采集后分为内锥面图像13和外锥面图像14。

如图5所示为本发明实施例提供的孔内散斑场监测的双锥面反射镜示意图，结合图5可知，根据双锥面反射镜11具有两种不同角度的反射锥角，则孔壁散斑场3上任意一点(例如图5中的点A和B)的经双锥面反射镜11的内锥面镜与外锥面镜反射，在该点上产生不同的视差，那么孔壁散斑场3上所有的点都经过双锥面反射镜11反射，即可得到两幅具有不同视差的光学图像，该组光学图像经呈像面12采集，可分为内锥面图像13和外锥面图像14。

步骤305，结合电子罗盘测量9得到的空间方位信息，沿内锥面图像13和外锥面图像14的水平方向和竖直方向，分别建立N1、N2、N3和N4方位坐标系；该N1、N2、N3、N4为电子罗盘9测量得到的空间方位信息。

步骤306，根据光源路径、双锥面反射镜11的反射锥角以及方位坐标系，建立内锥面图像13和外锥面图像14上任意一点与孔壁散斑场3上对应点的映射对应关系，将采集到的内锥面图像13和外锥面图像14映射到两个平面矩阵中，形成内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16。

如图6和图7所示分别为本发明实施例提供的孔内散斑场监测的锥面图像示意图及锥面图像展开图像示意图。

步骤307，通过连续观测采集并记录孔壁散斑场3的变形过程，将连续采集到的孔壁散斑场3映射为以时间顺序排列的连续内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16。

步骤308，根据立体匹配算法，对内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16进行图像校正，经校正后进行剪裁和选定位置中心，取得平行配置的视觉图像。

步骤4，将内锥面图像13和外锥面图像14的信息转化为孔壁三维坐标信息，建立孔壁应变场，由孔壁应变场计算扰动应力，进行扰动应力监测。

优选的，步骤4包括：

步骤401，建立三维坐标系，三维坐标系的原点O为钻孔轴线上一点，Z轴为钻孔轴线方向，Y轴和X轴分别电子罗盘测得的N1方向和N2方向；在钻孔孔壁上建立局部二维坐标系，二维坐标系的原点o为孔壁上与X轴方向呈α角方向上的任意一点，z轴为钻孔轴线方向为，θ轴为环向方向，如图8和图9所示分别为本发明实施例提供的钻孔孔壁坐标系定义示意图和钻孔孔壁应变定义示意图，结合图8和图9，此时在原点o处，钻孔轴线方向应变可表示为ε_z，环向方向的环向应变可表示为ε_θ，孔壁上φ方向上的正应变可表示为ε_φ，孔壁上的剪切应变可表示为γ_θz。

步骤402，对校正后的内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16开展灰度分析，依据三维坐标系将散斑图像信息转化三维坐标信息。

数字散斑相关方法较多，此处不进行限定，例如采用数字散斑相关方法(DSCM)进行位移分析。

步骤403，以起始时间点获取的散斑图像为应变测量原点，根据在不同时间点获取的散斑图像，由散斑图像信息转化的三维坐标信息开展应变场分析，形成基于内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16的ε_θ、ε_z、ε_φ|_φ＝45°和ε_φ|_φ＝135°四种应变场，根据任意一点在四种应变场上的应变值对其进行应力、应变分析,任意一点在四种应变场上的应变值的计算公式为：

剪切应变γ_θz可表示为：

其中，α为

与X轴的夹角，E为弹性模量，μ为泊松比，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx分别为无限远处对各个方向的正应力及剪应力。

步骤404，根据在任意时间点的不同位置处的应变值，建立并联立各点的应力和应变关系式，即可求解在任意时间点的σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx，对于任意时刻n,由散斑应变场计算得到0～n时刻产生的孔壁应变，六个应力分量

和

为扰动应力分量。

根据式(1)对孔壁上任意一点的应力及应变分析，可知除ε_z外，ε_θ、ε_φ|_φ＝45°和ε_φ|_φ＝135°在应变场的不同位置，有着不同的应变值。根据在任意时间点的不同位置处的应变值，建立并联立各点的应力和应变关系式，即可求解在任意时间点的σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx六个应力分量，该六个应力分量为n时刻下，由散斑应变场计算得到的应力分量，相对于初始测量得到孔壁应变，为扰动应力分量。

优选的，步骤404包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组可表达为：

和

分别为在0～n时刻、第i个点处的环向方向的环向应变、钻孔轴线方向应变和孔壁上φ方向上的正应变，i＝0、1、2。

根据三个点的联立关系式组计算得到

和

由式(3)可以获得12个方程,但只有6个未知数,属于超定方程组,利用最小二乘法计算6个扰动应力分量。

步骤405，由不同时间点获取的散斑场计算得到的扰动应力分量，建立以时间序列为横坐标的统计报表，即实现了扰动应力监测。

优选的，步骤4之后还包括：步骤5，完成扰动应力监测任务后，对回收的测试孔进行二次测试，解算地应力测量结果，如图10(a)至图10(d)所示分别为本发明实施例提供的钻孔应力解除及测试孔回收的阶段一、阶段二、阶段三和阶段四的示意图；结合图10(a)至图10(d)可知，步骤5包括：

步骤501，将孔内双锥面反射式摄像装置从测试孔段2中取出。

步骤502，使用外径与钻孔直径相近的薄壁取芯钻头，在钻孔的设定深度Depth处，旋转切削测试孔段2周围的岩石，使切削深度超过测试孔段2的深度，该过程称为岩石应力解除过程。

步骤503，向上提升薄壁取芯钻头，使测试孔段2脱离孔底岩石，将测试孔段2取出钻孔。

步骤504，将孔内双锥面反射式摄像装置再次插入测试孔段2，获取内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16，结合电子罗盘9测量得到的空间方位信息，沿内锥面图像13和外锥面图像14的水平方向和竖直方向，建立N5、N6、N7、N8方位坐标系，该N5、N6、N7、N8为电子罗盘测量9得到的空间方位信息。

步骤505，根据测试孔段2的孔壁处应力和应变状态，计算钻孔的环向位移v：

确定孔壁上与X轴方向呈α角方向上的环向位移不动点o₃，该环向位移不动点o₃的环向位移v等于0，且环向位移沿钻孔周向方向呈中心对称分布，对前后两次测得的内锥面图像13和外锥面图像14的N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8方位坐标系进行方位校正，使环向位移不动点o₃位于N9、N10、N11、N12坐标系的N9轴上，再由映射关系，形成校正后的内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16；如图11所示为本发明实施例提供的测试孔回收及地应力测量阶段的图像方位校正的示意图。

由式(4)可知，必然存在α值，使得环向位移v等于0，且环向位移沿钻孔周向方向呈中心对称分布，设该点为环向位移不动点o₃，o₃在不同的N9、N10、N11、N12坐标系，有不同位置，N9、N10、N11、N12相当于是N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8方位坐标系进行平移和零点位置改变后的结果。

步骤506、根据岩石应力解除过程前后获得的内锥面图像展开图像15和外锥面图像展开图像16，开展灰度分析，将散斑图像信息转化三维坐标信息，并以岩石应力解除过程前的散斑图像为应变测量原点开展应变场分析，形成基于展开图像的ε_θ、ε_z、ε_φ|_φ＝45°和ε_φ|_φ＝135°应变场。

步骤507、根据任意一点在四种应变场上的应变值和式(1)，对孔壁上任意一点进行应力、应变分析，求解应力量值。

优选的，步骤507包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组可表达为：

i＝0、1、2；ε_i,θ表示在岩石应力解除后的第i个点处，环向方向的环向应变；ε_i,z表示在岩石应力解除后的第i个点处，钻孔轴线方向应变；ε_i,φ表示在岩石应力解除后的第i个点处，孔壁上φ方向上的正应变。

根据三个点的联立关系式组计算得到各个方向的正应力及剪应力σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx。

由式(5)可以获得12个方程,但只有6个未知数,属于超定方程组,利用最小二乘法计算6个应力分量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻孔孔壁的光学散斑地应力测量及监测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，在被测点位钻进形成测试孔，所述测试孔包括上下设置的锥形孔和圆柱形测试孔段；

步骤2，在孔壁区域的岩石完整的测试孔段建立作为被测孔壁表面变形信息的载体的孔壁散斑场；

步骤3，在所述测试孔段内安装孔内双锥面反射式摄像装置，通过所述孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录所述孔壁散斑场的内锥面图像和外锥面图像的信息；

步骤4，将所述内锥面图像和外锥面图像的信息转化为孔壁三维坐标信息，建立孔壁应变场，由孔壁应变场计算扰动应力，进行扰动应力监测。

2.根据权利要求1所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤101，使用钻机设备钻进达到深度为设定深度的被测点位；

步骤102，在所述被测点位的中心位置，钻进形成所述锥形孔，所述锥形孔的孔底直径小于其孔口直径；

步骤103，在所述锥形孔的基础上钻进形成所述测试孔段；所述测试孔段的内径D与所述锥形孔的孔底直径相等。

3.根据权利要求1所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤201，观察并确认所述测试孔段的孔壁区域的岩石是否完整，是则执行步骤202，否则重新执行所述步骤1；

步骤202，通过转印技术或者利用岩石表面特有的纹理特征，在所述测试孔段的深度为L～L+H的孔壁区域内建立灰度随机分布的所述孔壁散斑场；所述孔壁散斑场展开后为宽度为C、高度为H的长方形的二维平面散斑场，宽度C为钻孔横截面的周长。

4.根据权利要求1所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤3中在所述测试孔段内安装的所述孔内双锥面反射式摄像装置包括：玻璃视窗、照明光源、不锈钢外壳、摄像机、电子罗盘、定位锥头和双锥面反射镜；

照明光源、摄像机、电子罗盘、双锥面反射镜同轴共线分布后封装在由玻璃视窗和不锈钢外壳组成的组合结构壳体中；

所述双锥面反射镜为内锥面镜和外锥面镜的组合机构，所述内锥面镜的反射锥角β1与所述外锥面镜的反射锥角β2不相等。

5.根据权利要求4所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤3中在所述测试孔段内安装所述孔内双锥面反射式摄像装置的过程包括：

步骤301，将所述孔内双锥面反射式摄像装置传送到所述被测点位上，穿过所述锥形孔后进入所述测试孔段，使所述定位锥头与所述锥形孔接触，双锥面反射镜位于测试孔段的深度范围为L～L+H的孔壁区域内；

步骤302，保持所述定位锥头与所述锥形孔的相对位置不改变，启动所述孔内双锥面反射式摄像装置的内部电路系统，使得所述照明光源、摄像机和电子罗盘开始工作。

6.根据权利要求4所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤3中通过所述孔内双锥面反射式摄像装置连续观测并记录所述孔壁散斑场的内锥面图像和外锥面图像的信息的过程包括：

步骤303，设计光源路径，使所述照明光源将可见光照射到所述孔壁散斑场,所述孔壁散斑场的散斑图像经所述双锥面反射镜反射后进入所述摄像机，在所述摄像机的呈像面上采集并转为数字信号存储；

步骤304，孔壁散斑场上的各点都经过所述双锥面反射镜的内锥面镜和外锥面镜反射后，得到两幅具有不同视差的光学图像，该光学图像经所述呈像面采集后分为内锥面图像和外锥面图像；

步骤305，结合所述电子罗盘测量得到的空间方位信息，沿所述内锥面图像和所述外锥面图像的水平方向和竖直方向，分别建立N1、N2、N3和N4方位坐标系；该N1、N2、N3、N4为电子罗盘测量得到的空间方位信息；

步骤306，根据所述光源路径的反射锥角以及方位坐标系，建立所述内锥面图像和外锥面图像上任意一点与所述孔壁散斑场上对应点的映射对应关系，将采集到的所述内锥面图像和外锥面图像映射到两个平面矩阵中，形成内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤307，通过连续观测采集并记录所述孔壁散斑场的变形过程，将连续采集到的所述孔壁散斑场映射为以时间顺序排列的连续内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤308，根据立体匹配算法，对所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像进行图像校正，经校正后进行剪裁和选定位置中心，取得平行配置的视觉图像。

7.根据权利要求1所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤401，建立三维坐标系，所述三维坐标系的原点O为钻孔轴线上一点，Z轴为钻孔轴线方向，Y轴和X轴分别电子罗盘测得的N1方向和N2方向；在钻孔孔壁上建立局部二维坐标系，所述二维坐标系的原点o为孔壁上与X轴方向呈α角方向上的任意一点，z轴为钻孔轴线方向为，θ轴为环向方向，此时在所述原点o处，钻孔轴线方向应变表示为ε_z，环向方向的环向应变表示为ε_θ，孔壁上φ方向上的正应变表示为ε_φ，孔壁上的剪切应变表示为γ_θz；

步骤402，对校正后的所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像开展灰度分析，依据所述三维坐标系将散斑图像信息转化三维坐标信息；

步骤403，以起始时间点获取的散斑图像为应变测量原点，根据在不同时间点获取的散斑图像，由散斑图像信息转化的三维坐标信息开展应变场分析，形成基于所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像的ε_θ、ε_z、ε_φ|φ＝45°和ε_{φ|φ＝135°}四种应变场，根据任意一点在四种应变场上的应变值对其进行应力、应变分析,任意一点在四种应变场上的应变值的计算公式为：

剪切应变γ_θz为：

其中，α为

与X轴的夹角，E为弹性模量，μ为泊松比，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx分别为无限远处对各个方向的正应力及剪应力；

步骤404，根据在任意时间点的不同位置处的应变值，建立并联立各点的应力和应变关系式，求解在任意时间点的σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx，对于任意时刻n,由散斑应变场计算得到0～n时刻产生的孔壁应变，六个应力分量

和

为扰动应力分量；

步骤405，由不同时间点获取的散斑场计算得到的扰动应力分量，建立以时间序列为横坐标的统计报表。

8.根据权利要求7所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤404包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组为：

和

分别为在0～n时刻、第i个点处的环向方向的环向应变、钻孔轴线方向应变和孔壁上φ方向上的正应变，i＝0、1、2；

根据三个点的联立关系式组计算得到

和

9.根据权利要求7所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤4之后还包括：步骤5，完成扰动应力监测任务后，对回收的测试孔进行二次测试，解算地应力测量结果，所述步骤5包括：

步骤501，将所述孔内双锥面反射式摄像装置从所述测试孔段中取出；

步骤502，使用外径与钻孔直径相近的薄壁取芯钻头，在钻孔的所述设定深度处，旋转切削所述测试孔段周围的岩石，使切削深度超过所述测试孔段的深度；

步骤503，向上提升所述薄壁取芯钻头，使所述测试孔段脱离孔底岩石，将所述测试孔段取出钻孔；

步骤504，将孔内双锥面反射式摄像装置再次插入所述测试孔段，获取所述内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像，结合所述电子罗盘测量得到的空间方位信息，沿所述内锥面图像和外锥面图像的水平方向和竖直方向，建立N5、N6、N7、N8方位坐标系，该N5、N6、N7、N8为所述电子罗盘测量得到的空间方位信息；

步骤505，根据所述测试孔段的孔壁处应力和应变状态，计算钻孔的环向位移v：

确定孔壁上与X轴方向呈α角方向上的环向位移不动点o₃，该环向位移不动点o₃的环向位移v等于0，且环向位移沿钻孔周向方向呈中心对称分布，对前后两次测得的内锥面图像和外锥面图像的N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8方位坐标系进行方位校正，使环向位移不动点o₃位于N9、N10、N11、N12坐标系的N9轴上，再由映射关系，形成校正后的内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像；

步骤506、根据岩石应力解除过程前后获得的内锥面图像展开图像和外锥面图像展开图像，开展灰度分析，将散斑图像信息转化三维坐标信息，并以岩石应力解除过程前的散斑图像为应变测量原点开展应变场分析，形成基于展开图像的ε_θ、ε_z、ε_φ|φ＝45°和ε_{φ|φ＝135°}应变场；

步骤507、根据任意一点在四种应变场上的应变值和式(1)，对孔壁上任意一点进行应力、应变分析，求解应力量值。

10.根据权利要求9所述的测量及监测方法，其特征在于，所述步骤507包括：

对于孔壁上3个等间隔的点o₀、o₁和o₂，建立并联立三个点的应力和应变关系式，设

与X轴的夹角为α₀，则

与

与

之间的夹角为120°，联立关系式组为：

i＝0、1、2；ε_i,θ表示在岩石应力解除后的第i个点处，环向方向的环向应变；ε_i,z表示在岩石应力解除后的第i个点处，钻孔轴线方向应变；ε_i,φ表示在岩石应力解除后的第i个点处，孔壁上φ方向上的正应变；

根据三个点的联立关系式组计算得到各个方向的正应力及剪应力σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz和τ_zx。

Images