CN115126471A - 钻孔形态法的光学地应力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钻孔形态法的光学地应力测量系统及方法。所述方法包括：创建椭圆形态一般方程：创建以一测量装置的中心为原点，以地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并且将钻孔任意深度范围下的至少一钻孔横截面的三维几何形态投影到所述NW坐标系；在所述NW坐标系中根据投影的所述钻孔横截面的三维几何形态，拟合出的所述椭圆形态一般方程；根据拟合的所述椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数；根据所述椭圆形态参数测量所述地应力。

Description

钻孔形态法的光学地应力测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地质测量技术领域，具体而言，涉及一种钻孔形态法的光学地应力测量系统及方法。

背景技术

随着经济及国防建设的开展，大型基础设施工程陆续展开，尤其涉及水电开发、交通运输、能源储存、资源开采、核废料贮存以及重要国防工事等领域，这些重大工程绝大多数都以岩体为建设基础，本领域技术人员技术人员不可避免地涉及到对岩体结构、地应力等问题的关注。

岩体结构由结构面和结构体两个基本单元组成，结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合方式、连接特性决定有岩体内在特征，通常根据岩体的地质类别、完整性和结构面的类型、级别、组合、发育程度等，将岩体划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构等。探测岩体结构类型，对判定在工程荷载作用下岩体的稳定性有重要意义，有关结构面的研究一直是国内外岩体力学与工程地质领域所关注的重要方向。

地应力是由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力，是岩体的基本赋存环境之一，主要由自重应力、构造应力等组成。地应力的存在影响着岩体的承载能力、变形、破坏机制等，测量岩体中的地应力对地质构造研究、地震预报和矿山、水利、国防等工程中有关问题的解决具有理论和实际意义，是地质力学研究的重要内容之一。

发明内容

基于此，本发明实施例一方面钻孔形态法的光学地应力测量方法。

所述方法包括：

创建椭圆形态一般方程：

式(1)，A·x²+2B·xy+C·y²+2D·x+2F·y+1＝0；

式(1)中：A、B、C、D、F为所述椭圆形态一般方程中的系数；

创建钻孔横截面的椭圆形态与地应力之间的关系：

式(2)，

式2中：σ1、σ2分别为最大平面内主应力、最小平面内主应力；

变形前钻孔横截面的形态参数为钻孔初始半径a；

变形后钻孔横截面的椭圆形态参数为长半轴R及短半轴r；

E.μ为岩石物理性质参数分别为弹性模量和泊松比；

创建以一测量装置的中心为原点，以地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并且将钻孔任意深度范围下的至少一钻孔横截面的三维几何形态投影到所述NW坐标系；

在所述NW坐标系中根据投影的所述钻孔横截面的三维几何形态，拟合出式(1)的所述椭圆形态一般方程；

根据拟合的所述椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数；

根据所述椭圆形态参数测量所述地应力。

优选的，

拟合所述椭圆形态一般方程配置为，

随机选择投影在所述NW坐标系的所述钻孔横截面的若干随机随机坐标点，计算所述随机坐标点到所述椭圆形态一般方程的垂直距离，在所述垂直距离达到预期时默认拟合出所述椭圆形态一般方程。

优选的，

计算所述椭圆形态参数配置为，

根据式(1)，所述椭圆形态参数表示为：

式(3)，

式(3)中：长半轴与地磁北(N)方向之间的夹角为λ，顺时针为正；

测量所述地应力配置为，

根据式(3)及式(2)计算最大平面内主应力σ1、最小平面内主应力σ2、最小平面内主应力的方位角λ、最大平面内主应力的方位角λ+90°。

优选的，

获取所述三维几何形态配置为，

获取钻孔孔壁的孔壁投影点在当前水平高度的至少两个孔壁投影点；

创建测量装置的第一极坐标系，根据测量装置的参数及至少两个孔壁投影点解算孔壁成像点在第一极坐标系的第一空间位置；

创建钻孔孔壁的第二极坐标系，根据所述测量装置与钻孔空间的位置关系建立所述第一极坐标及第二极坐标的坐标转换关系，根据所述第一空间位置及坐标转换关系，获取孔壁成像点在所述第二极坐标中的第二空间位置，根据至少两个连续所述水平高度的所述孔壁成像点的所述第二空间位置获取所述钻孔孔壁坐标系。

优选的，

所述测量装置构造有壳体组件及部署在所述壳体组件的激光器组件及摄像设备；

所述升降装置构造为调制所述壳体组件在钻孔轴向的所述水平高度；

所述激光器组件构造为至少照射在当前所述水平高度的所述钻孔孔壁；

所述摄像设备配置为在获取被照射的所述孔壁成像点的所述孔壁投影点。

优选的，

所述测量装置构造有部署在所述壳体组件的锥面镜；

所述摄像设备的镜头与所述锥面镜保持轴线平行，并且至少的覆盖所述锥面镜部分；

所述锥面镜被覆盖的部分构造有上锥面镜及下锥面镜；

所述上锥面镜及所述下锥面镜的锥角不同；

所述摄像设备通过所述上锥面镜获取第一孔壁投影点；

所述摄像设备通过所述下锥面镜获取第二孔壁投影点；

所述上位机配置为根据所述测量装置的参数及所述第一孔壁投影点及所述第二孔壁投影点获取所述孔壁成像点在所述第一极坐标系的第一空间位置。

本发明实施例再一方面一种钻孔形态法的光学地应力测量系统。

所述系统包括椭圆建立模块、关系建立模块、坐标转换模块、椭圆测量模块；

所述椭圆建立模块用于创建椭圆形态一般方程：

式(1)，A·x²+2B·xy+C·y²+2D·x+2F·y+1＝0；

式(1)中：A、B、C、D、F为所述椭圆形态一般方程中的系数；

所述关系建立模块用于创建钻孔横截面的椭圆形态与地应力之间的关系：

式(2)，

式2中：σ1、σ2分别为最大平面内主应力、最小平面内主应力；

变形前钻孔横截面的形态参数为钻孔初始半径a；

变形后钻孔横截面的椭圆形态参数为长半轴R及短半轴r；

E.μ为岩石物理性质参数分别为弹性模量和泊松比；

所述坐标转换模块用于创建以一测量装置的中心为原点，以地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并且将钻孔任意深度范围下的至少一钻孔横截面的三维几何形态投影到所述NW坐标系；

所述椭圆测量模块用于在所述NW坐标系中根据投影的所述钻孔横截面的三维几何形态，拟合出式(1)的所述椭圆形态一般方程；根据拟合的所述椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数；根据所述椭圆形态参数测量所述地应力。

针对上述方案，本发明通过以下参照附图对公开的示例性实施例作详细描述，亦使本发明实施例的其它特征及其优点清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例中系统的拓扑结构图；

图2为实施例中系统的结构示图；

图3为实施例中壳体组件的结构示图；

图4为实施例中锥面镜组件的结构示图；

图5(a)为实施例中上锥面截头镜的结构示图；

图5(b)为实施例中上锥面截头镜的A面剖视图；

图6为实施例中下锥面截头镜的结构示图；

图7为实施例中激光器组件的结构示图；

图8为实施例中激光器锥面镜的结构示图；

图9为实施例中采集组件的结构示图；

图10为实施例中系统图像采集模式的工作主视图；

图11(a)为实施例中系统激光采集模式的工作主视图；

图11(b)为实施例中系统激光采集模式的工作俯视图；

图12为实施例中系统的结构视图；

图13为实施例中钻孔孔壁投影成像方法的流程图；

图14(a)及图14(b)为实施例中钻孔形态法的光学地应力测量方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例公开有基于光学反射原理的钻孔形态法的光学地应力测量系统，所述系统至少被应用在对地质钻孔的孔壁投影成像。

图1示出的本实施例系统至少包括测量装置100、升降装置300及上位机400。

所述测量装置100用于获取当前所在水平高度和/或以水平高度为基准的一定深度范围的钻孔孔壁530的孔壁投影图像。升降装置300用于驱动测量装置100沿钻孔在竖直方向发生移动。上位机400用于接收测量装置100在不同水平高度采集的孔壁投影图像，并且通过图像拼接的方式使连续的若干孔壁投影图像形成为地质钻孔的孔壁投影成像。

参考图2示出的，本实施例中测量装置100包括壳体组件110、锥面镜组件120、激光器组件及采集组件140。

图3示出，壳体组件110的整体呈圆柱形态，并且从深入钻孔的远端到靠近地层表面的近端依次包括有外壳底盖111、玻璃筒上部连接件113、透明玻璃筒112、玻璃筒下部连接件116、外壳后盖114及内支架115。其中外壳底盖111、玻璃筒上部连接件113、透明玻璃筒112、玻璃筒下部连接件116及外壳后盖114均为截面半径接近的圆柱结构。外壳底盖111、玻璃筒上部连接件113、透明玻璃筒112、玻璃筒下部连接件116、外壳后盖114沿轴向依次连接。外壳底盖111与玻璃筒上部连接件113连接，玻璃筒下部连接件116与外壳后盖114螺纹连接。

具体的，玻璃筒下部连接件116朝向玻璃筒上部连接件113的端部在侧壁形成有向内凹陷的下环形台阶面。玻璃筒上部连接件113朝向玻璃筒下部连接件116的端部在侧壁形成有向内凹陷的上环形台阶面。透明玻璃筒112的两端部分别的套合下环形台阶面及上环形台阶面，透明玻璃筒112与上环形台阶面、下环形台阶面套接后，在透明玻璃筒112与上环形台阶面、下环形台阶面之间分别的注入起到粘接及密封用途的液态胶体，在液态胶体固化后透明玻璃筒112与上环形台阶面、下环形台阶面形成稳固连接。外壳后盖114在壳体组件110内连接有内支架115，内支架115用于采集组件140，以及在外壳后盖114开设有用于用于采集组件140与外部实施有线通信的线缆口。

图4示出，锥面镜组件120安装在壳体组件110内。锥面镜组件120由截头镜支架130、上锥面截头镜121及下锥面截头镜122组成。上锥面截头镜121及下锥面截头镜122共轴线的沿长度方向组合形成锥面体。截头镜支架130螺纹连接在玻璃筒下部连接件116的内侧，下锥面截头镜122螺纹连接在截头镜支架130朝向外壳后盖114的端面。上锥面截头镜121螺纹连接在下锥面截头镜122朝向外壳后盖114的端面。上锥面截头镜121及下锥面截头镜122具有不同的锥角，并且轴线与壳体组件110的轴线重合。

在图5(a)及图5(b)示出，本实施例中上锥面截头镜121及下锥面截头分别提供有锥角不同的上锥面及下锥面。

上锥面截头镜121提供的上锥面的锥角设计为a°，以及在上锥面的下方壁面沿轴线均匀环绕的开设有4段旋转角度为c°的切槽，每个切槽深度要求均是贯穿壁面，相邻切槽之间的旋转角度为b°，其中c°、b°＜90°且b°+c°＝90°。那么穿过切槽的激光光束560将扇形的投射照射在钻孔孔壁530。那么在钻孔孔壁530远离测量装置100的中心时，光束所在平面的钻孔孔壁530被部分或全部的照射。

优选的，c°可大于或者远大于b°，那么在钻孔孔壁530距离测量装置100较近的实施例中，从切槽射出的光束扇形面积大，以提高钻孔孔壁530被照射的范围。

一些实施例中，b°可大于或者远大于c°，在切槽中安装有扩散片，用于将增大从切槽射出的光束扇形面积，以提高钻孔孔壁530被照射的范围。

图6示出，本实施例中下锥面截头镜122提供有与上锥面组合的下锥面，下锥面的锥角设计为d°，d°≠a°。

实施例中，在上锥面截头镜121与下锥面截头镜122螺纹连接后，切槽位于上锥面及下锥面之间，并且分别垂直壳体组件110轴线的朝向地质钻孔的钻孔孔壁530。

图3示出激光器组件安装在壳体组件110内，具体与截头镜支架130形成固定连接。图7示出激光器组件由激光器锥面镜131、激光器透明玻璃筒132、聚焦透镜133、激光二极管134及激光器外壳135组成。

截头镜支架130的中部构造有贯穿的支架开口，激光器外壳135与支架开口螺纹连接。

激光器外壳135在朝向支架开口的端部开设有环形切槽。激光器透明玻璃筒132位于下锥面截头镜122的内侧，并且端部插入在环形切槽，激光器透明玻璃筒132插入环形切槽的部分施加有用于粘接的液体胶水，在液态胶水固化后激光器透明玻璃筒132及激光器外壳135实现稳固连接。激光二极管134部署在激光器外壳135内，并且粘接的与激光器外壳135形成稳固连接。聚焦透镜133部署在激光器外壳135及激光器透明玻璃筒132之间。激光器外壳135在朝向激光器透明玻璃筒132的端面向内的形成有安装台面，聚焦透镜133密封的粘接在安装台面，实现与激光器外壳135的稳固连接以及激光器外壳135、激光器透明玻璃筒132的密封分隔。

激光器锥面镜131部署在激光器透明玻璃筒132内，并且粘接的与激光器透明玻璃筒132实现稳固连接。

在图8(a)及图8(b)示出，本实施例中激光器锥面镜131的轴线与壳体组件110的轴线相同，尖端部竖直向下的朝向激光二极管134的中心，锥角设计为e°。那么激光二极管134发出的激光光束560在经过聚焦透镜133后入射在激光器锥面镜131的尖端点及以尖端点为圆心的锥面。激光器锥面镜131的锥面，以直角角度水平的反射激光光束560，使激光器锥面镜131的入射光与反射光呈垂直关系，即入射光平行于壳体组件110的轴线，出射光垂直于壳体组件110的轴线。同时，经激光器锥面镜131反射的出射光正好的穿过上锥面截头镜121构造的开设的切槽，并且投射在钻孔孔壁530。

在激光光束560投射在钻孔孔壁530时，部分的钻孔孔壁530被照亮。被照亮部分的钻孔孔壁530将部分的激光光束560作为入射光，分别的反射到上锥面及下锥面。上锥面及下锥面分别对入射光作出反射后将反射光投射到外壳后盖114的方向，具体是投射到摄像设备的镜头轴线，并且因上锥体截头镜、下锥体截头镜、激光器锥面体、激光器均位于壳体组件110的轴线，那么经上锥面反射的多个出射光将汇聚在壳体组件110轴线上的一焦点，下锥面反射的多个出射光将汇聚在壳体组件110轴线上的一焦点。

优选的，激光器外壳135的周侧构造有向外突出的限位外周板，限位外周板的直径大于支架开口的直径，那么可构造的在限位外周板与支架开口时，激光器锥面镜131的出射光穿过切槽，实现激光器组件在锥面镜组件120的安装限位。

图9示出，本实施例中采集组件140在内支架115的安装。采集组件140采集外壳、处理电路141、摄像机142及LED灯组144。

实施例中处理电路141、摄像机142及LED灯组144安装在采集外壳，采集外壳螺纹连接在内支架115。

具体的，摄像机142安装在采集外壳，并且采集外壳的镜头与壳体组件110共轴线，以及摄像机142的镜头竖直向下的投影面积至少覆盖有全部的上锥面及下锥面的部分。LED灯组144环绕在摄像机镜头143四周的安装在环形灯板，环形灯板与采集外壳固定连接。处理电路141是供电及罗盘数据采集电路，是由电子罗盘、变压模块、降噪滤波模块，数模转换模块等成品电子元器件制作而成的集成化电子元器件，即集成在一PCB电路板。所述PCB电路板实现地磁方向测量、电压转换、降干扰、模拟信号转换数字信号的功能。PCB电路板与采集外壳螺纹连接。摄像机142及LED灯珠与PCB电路板的对应电路通过信号线连接。

基于此，本实施例中测量装置100提供有至少两种不同的采集模式，即图像采集模式及激光采集模式。

图10示出本实施例中图像采集模式的光学结构。

本实施例中测量装置100实施在图像采集模式时，在先的，LED灯组144在壳体组件110内竖直向下的发出用于照明的白光光束，白光光束经上锥面截头镜121及下锥面截头镜122后改变为水平的光束角度。改变的白光光束穿过透明玻璃筒112后照射在地质钻孔的钻孔孔壁530，使钻孔孔壁530得以被清晰的照亮。在后的，被照亮部分的钻孔孔壁530发出白光的上锥面投影光光线和下锥面投影光线550，上锥面投影光线540经上锥面截头镜121的反射后入射到摄像机142的镜头中，下锥面投影光线550经下锥面截头镜122的反射后入射到摄像机142的镜头光心中。

那么，本实施例中测量装置100在处于一水平高度时，能够清晰的获取钻孔孔壁530白光的投影图像。同时，因上锥面截头镜121及下锥面截头镜122的锥角不同，根据配置的锥角不同，摄像机142的镜头通过上锥面截头镜121获取的第一投影图像对应的第一孔壁区域，以及通过下锥面截头镜122获取的第二投影图像对应的第二孔壁区域，可能出现相切、相交及远离三种情况。

在相切时，第一孔壁区域及第二孔壁区域相邻且不重叠，摄像机142分别的获取当前水平高度下第一孔壁区域及第二孔壁区域的投影图像。

在远离时，第一孔壁区域及第二孔壁区域不相邻，摄像机142分别的获取当前水平高度下第一孔壁区域及第二孔壁区域的投影图像。

在相交时，第一孔壁区域及第二孔壁区域相邻且部分重叠，摄像机142分别的获取当前水平高度下第一孔壁区域机第二孔壁区域的投影图像，以及摄像机142获取的第一孔壁区域机第二孔壁区域有部分重叠，即摄像机142能够从不同视角获取同一孔壁区域的投影图像。

图11(a)及图11(b)示出本实施例中激光采集模式的光学结构。

本实施例中测量装置100实施在激光采集模式时，在先的，激光器在激光器外壳135内竖直向上的发出用于标定的激光光束560，激光光束560经激光器锥面体的反射后改变为水平且四周散射，改变后的激光光束560正好的穿过切槽后进入到激光器组件及壳体组件110之间，再通过透明玻璃筒112投射到钻孔孔壁530。激光光束560在钻孔孔壁530形成一单色调光光带。在后的，被单色调光带照亮部分的钻孔孔壁530，发出激光的上锥面投影光光线和下锥面投影光线550，上锥面投影光线540经上锥面截头镜121的反射后入射到摄像机142的镜头中，下锥面投影光线550经下锥面截头镜122的反射后入射到摄像机142的镜头光心中。

那么，本实施例中测量装置100在处于一水平高度时，能够清晰的获取钻孔孔壁530激光的投影图像。同时，因上锥面截头镜121及下锥面截头镜122的锥角不同，根据配置的锥角不同，摄像机142的镜头通过上锥面截头镜121获取的第一投影图像对应的第一孔壁区域，以及通过下锥面截头镜122获取的第二投影图像对应的第二孔壁区域，可能出现与图像采集模式相同的相切、相交及远离三种情况，在此不再赘述。

图12示出，本实施例中升降装置300包括拉线机构、一体的上线缆220及下线缆210、滚轮。滚轮同步安装有转角编码器。下线缆210的远端构造有螺纹连接杆，螺纹连接杆竖直向下的外壳后盖114螺纹连接。并且在上线缆220及下线缆210中包覆有电缆。电缆穿过外壳后盖114的让位孔且连接到PCB电路板，与PCB电路板的对应电路连接，用于向上位机400传输采集媒体流及其他信号。同时作为使测量装置100提升的介质，上线缆220的近端绕过滚轮以水平的朝向上位机400，电缆的从上线缆220中伸出与上位机400实现连接。那么在拉线机构使线缆发生位移时，也使测量装置100能够改变当前所在钻孔内的水平高度。当然，拉线机构可以是任何能够拖拽线缆的机构。

那么，摄像机142在获取有图像数据时，摄像机142将采集的图像数据传输到PCB电路的进行处理，图像数据经调制、转换，并且标记图像对应的地磁数据后，通过传输线缆传输到上位机400，上位机400根据处理后的图像数据获取孔壁投影图像。同时，上位机400根据转角编码器获取当前测量装置100的移动方向、移动距离，再根据测量装置100的初始水平高度计算出当前所处的水平高度。此时上位机400能够将每个水平高度与对应获取的孔壁投影图像、地磁数据作出关联。

本实施例在图像采集模式时，上位机400获取多个水平高度白光的孔壁投影图像后，将水平高度的孔壁投影图像变换、拼接，以连接形成连续的投影图像，即可实现针对钻孔的全孔段、任意深度范围内的地质钻孔的孔壁投影成像。

本实施例在激光采集模式时，上位机400基于极坐标进行坐标解算，以测量钻孔孔壁530的三维几何形态。

考虑到地质钻孔的深度范围大，本发明系统在各水平高度的获取的钻孔孔壁530的区域范围小。因此，为实现全孔段、任意深度范围内的地质钻孔的孔壁投影成像，需要将上位机400获取的孔壁投影图像进行拼接。

对此，本实施例公开有应用在地质钻孔的测量方法。所述方法使用本发明公开的钻孔形态法的光学地应力测量系统，所述系统基于图像采集模式。

S101，通过拉绳装置驱动传输线缆连同测量装置100在竖直方向发生位移，传输电缆的位移使滚轮旋转，滚轮的旋转角度和旋转方向被转角编码器采集，并且传出角度信号及方向信号到上位机400，上位机400根据滚轮的旋转角度、方向及初始水平高度获取测量装置100实时的水平高度。

S102，LED灯组144竖直向下的发出白光光束，白光光束经激光镜组件反射后穿过壳体组件110的照射在钻孔孔壁530，使当前水平高度所在范围的钻孔孔壁530被照亮。

S103，钻孔孔壁530被照亮的部分发出上锥面投影光光线和下锥面投影光线550，投影到上锥面截头镜121和下锥面截头镜122。

S104，上锥面截头镜121和下锥面截头镜122分别的反射上锥面投影光光线和下锥面投影光线550到摄像机镜头光心510。

S105，摄像机142的镜头在获取反射的上锥面投影光光线及下锥面投影光纤后获取图像信号，并且将图像信号发送到处理，图像信号经信号调制、转换，并且标记图像的地磁方向数据后发送到上位机400，以获取孔壁投影图像。

S106，在测量装置100沿着地质钻孔的轴向移动时，上位机400获取各水平高度的孔壁投影图像，及转角编码器的旋转角度和旋转方向，并且使孔壁投影图像与转换角度、旋转方向对应。；

S107、上位机400根据旋转角度、旋转方向及滚轮直径，计算测量装置100的移动距离和移动方向，并且使连续的若干孔壁投影图像与移动距离、移动方向、地磁方向对应，上位机400根据多个孔壁投影图像变换、拼接，形成地质钻孔全孔段、任意深度范围的孔壁投影成像。

考虑到，地质钻孔在岩体内部，而岩体内部的地应力条件和岩体结构，使得地质钻孔发生有不同程度的变形，诸如地应力可以使完整岩体的地质钻孔的横截面，由圆形变形为椭圆形，地应力也可以使不完整的岩体发生位移错动，相互错动的两块岩体之间，形成滑动面，当地质钻孔穿过滑动面，岩体的移动会使得地质钻孔孔壁530不连续，形成陡坎、台阶面。因此岩体中地质钻孔孔壁530的形态，与岩体的性质、结构等因素相关，对钻孔孔壁530的三维几何形态分析是具有重要的实际意义和研究价值。

对此，本实施例公开有应用在钻孔孔壁的测量方法。为分析钻孔孔壁530的三维几何形态，实现完整的三维测量，所述方法使用本发明公开的钻孔形态法的光学地应力测量系统，所述系统基于激光采集模式。

在先的，当地质钻孔的钻孔孔壁530进入到上锥面投影光光线和下锥面投影光线550形成的重叠区域520时，激光垂直照射在地质钻孔孔壁530上，则钻孔孔壁530形成有一条单色调光带，在此确立钻孔孔壁530的一成像点P及对称点P’被所述单色调光带照亮。

重叠区域520中照亮的钻孔孔壁530投影在上锥面截头镜121和下锥面截头镜122分别形成有2条单色调投影光带，确立钻孔孔壁530的成像点P投影到上锥面截头镜121的上锥面为点A，投影到下锥面截头镜122的下锥面为点C，对称点P’投影到上锥面截头镜121的上锥面为点B，投影到下锥面截头镜122的下锥面为点D。

上锥面截头镜121和下锥面截头镜122的投影入射到摄像机142的镜头光心，投影的图像信息被摄像机142的感光元件捕获，被摄像机142获取投影的孔壁投影图像。在此确立上锥面截头镜121的点A及点B，在摄像机142的孔壁投影图像中对应点分别为点A’和点B’。下锥面截头镜122的点C及点D，在摄像机142的孔壁投影图像中对应点分别为点C’和点D’。

其中，在钻孔孔壁530与测量装置100发生相对位移时，上锥面截头镜121、下锥面截头镜122相对钻孔孔壁530发生位置改变，点P与点P’在上锥面截头镜121的锥面和下锥面截头镜122的锥面上的投影点(点A、点B、点C、点D)的位置同步的发生改变，从而使摄像机142投影的孔壁投影图像的投影点(点A’、点B’、点C’、点D’)的位置也将会发生改变。

进一步的，本实施例提供对钻孔孔壁530的对称点P’在极坐标的空间位置作出解算以及三维几何形态测量方法的步骤。

S201，使摄像机142的镜头光心的空间位置为点F，O1为下锥面截头镜122的底部中点，摄像机142的感光元件中心点为点O。

S202，创建测量装置100的极坐标系，即使O1 F所在方向为极轴，O1为原点，地磁方向的北方向为零位，顺时针为正方向的极坐标系。

S203，使钻孔孔壁530的对称点P’投影在下锥面截头镜122为点D，同时投影在上锥面截头镜121为点B。穿过摄像机镜头光心510，投影在感光元件上，形成投影图像，点D在感光元件上的投影点为点D’，点B在感光元件上的投影点为点B’。

S204，根据感光元件、摄像机142的镜头光心、下锥面截头镜122、上锥面截头镜121之间固定连接，可知下锥面截头镜122的底部中点(点O1)到摄像机镜头光心510(点F)的距离O1F、摄像机镜头光心510(点F)到感光元件的中点(点O)的距离OF。根据感光元件的投影点(点D’、点B’)与感光元件中心点(点O)的位置关系、上锥面截头镜121与下锥面截头镜122的机械尺寸、机械部件的相对空间位置关系，即可确定点P’在极坐标系下的空间位置。

那么，在激光光束560照射在钻孔孔壁530，并且在钻孔孔壁530形成有单色调光带时，如果对称点P’处在单色调光带内，那么根据摄像机142的孔壁投影图像中，单色调光带相对于感光元件中心点(点O)的相对位置关系，即可解算被单色调光带照亮的孔壁在极坐标系的空间位置。

S205，沿钻孔的轴向移动测量装置100，使不同水平高度的钻孔孔壁530被单色调光带照亮，进而使摄像机142连续采集不同水平高度的不同水平高度的孔壁投影成像。同时，转角编码器的旋转角度和方向被实时采集，使孔壁在极坐标系的空间位置与转角编码器的旋转角度、方向对应。

S206，根据转角编码器的旋转角度、方向、滚轮直径，计算出测量装置100的移动距离和移动方向，创建起在极坐标系的连续孔壁的空间位置与移动距离、移动方向、地磁方向数据的对应。

S207，因地质钻孔的横截面基准形态为一般椭圆，那么地质钻孔孔壁530的基准形态为一般椭圆柱面。那么以钻孔轴向为极轴，钻孔的孔口中心点为原点，地磁方向的北方向为零位，顺时针为正方向，创建钻孔孔壁530的极坐标系，当极坐标系的极轴与测量装置100的极轴共线，且极坐标系的原点为下锥面截头镜122的底部中点与钻孔的孔口中心点的相对距离，则在测量装置100的装置极坐标系下解算得到的孔壁空间位置，可转化为钻孔孔壁530的三维空间位置，即可获得全孔段、任意深度范围内的钻孔孔壁三维几何形态。

进一步的，考虑到地应力是赋存于地壳中的天然应力，主要由岩体的自重应力和地质构造所引起的构造应力组成。它是引起采矿、水利水电、地铁、隧道等地下或边坡工程变形和失稳的主要原因，工程建设过程中的高地应力现象是控制整个工程能否顺利完成的直接因素。因此，开展地应力测量成为目前控制、预测地下工程中的地质灾害的有效手段，为工程项目的安全施工提供重要的基础设计资料，在岩土工程建设、施工、灾害预警等领域有着重要的研究意义。

对此，本实施例公开有应用在地质钻孔的钻孔形态法的光学地应力测量方法。所述方法使用本发明公开的钻孔形态法的光学地应力测量系统，所述系统基于激光采集模式。

在先的，本实施例方法被实施前配置钻孔孔壁530的横截面为椭圆形态，再利用测量装置100已测量的钻孔孔壁530三维几何形态数据，创建钻孔形态与地应力之间的联系，通过测量钻孔中不同位置处的钻孔形态，进而解算出岩体中不同位置的地应力状态。

当通过测量装置100在不同高度进行连续测量时，需要连续、快速地完成对钻孔横截面形态测量到解算地应力的测量计算。本实施例对完整钻孔孔壁530的快速解算方法。

S501、创建椭圆形态一般方程，表示为：

A·x²+2B·xy+C·y²+2D·x+2F·y+1＝0

式1中：A、B、C、D、F为椭圆形态一般方程中的系数。

创建钻孔横截面的椭圆形态与地应力之间的关系，表示为：

式2中：σ1、σ2为钻孔横截面内的地应力分量，分别为最大平面内主应力、最小平面内主应力；

变形前钻孔横截面的形态参数为：钻孔初始半径a；

变形后钻孔横截面的椭圆形态参数为：长半轴R、短半轴r；

E.μ为岩石物理性质参数分别为弹性模量和泊松比。

根据弹性力学且在二维地应力的作用下，一个横截面为圆形的钻孔发生弹性变形，钻孔横截面的变形形态为椭圆。

S502，图14(a)及图14(b)示出，创建以测量装置100的中心为原点，以电子罗盘测量得到的地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并将任意深度范围下的一个钻孔横截面的三维几何形态测量数据投影到一NW坐标系。

S503，在NW坐标系中，根据最小二乘法，使用式1拟合钻孔横截面的三维几何形态测量数据，获得拟合椭圆形态一般方程。在钻孔横截面的三维几何形态测量数据中随机选择5个点Q1～Q5，计算5个点与拟合椭圆形态一般方程的垂直距离，当垂直距离的计算结果满足预期，确立拟合椭圆形态一般方程满足预期的，拟合效果满足计算要求。

S504，拟合椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数，根据式1，椭圆形态参数表示为：

式3；

式3中：长半轴与地磁北(N)方向之间的夹角为λ，顺时针为正。

S505，当岩石物理性质参数可以通过岩石力学试验测量得到，则E、μ为已知量；钻孔初始半径a可通过钻孔的施工工具的外径推算，则钻孔初始半径a为已知量。将式3的计算结果代入到式2中，即可求解最大平面内主应力σ1、最小平面内主应力σ2，最小平面内主应力的方位角为λ，最大平面内主应力的方位角为λ+90°。

以仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

所述方法包括：

创建椭圆形态一般方程：

式(1)，A·x²+2B·xy+C·y²+2D·x+2F·y+1＝0；

式(1)中：A、B、C、D、F为所述椭圆形态一般方程中的系数；

创建钻孔横截面的椭圆形态与地应力之间的关系：

式(2)，

式2中：σ1、σ2分别为最大平面内主应力、最小平面内主应力；

变形前钻孔横截面的形态参数为钻孔初始半径a；

变形后钻孔横截面的椭圆形态参数为长半轴R及短半轴r；

E.μ为岩石物理性质参数分别为弹性模量和泊松比；

创建以一测量装置的中心为原点，以地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并且将钻孔任意深度范围下的至少一钻孔横截面的三维几何形态投影到所述NW坐标系；

在所述NW坐标系中根据投影的所述钻孔横截面的三维几何形态，拟合出式(1)的所述椭圆形态一般方程；

根据拟合的所述椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数；

根据所述椭圆形态参数测量所述地应力。

2.根据权利要求1所述的钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

拟合所述椭圆形态一般方程配置为，

随机选择投影在所述NW坐标系的所述钻孔横截面的若干随机随机坐标点，计算所述随机坐标点到所述椭圆形态一般方程的垂直距离，在所述垂直距离达到预期时默认拟合出所述椭圆形态一般方程。

3.根据权利要求1所述的钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

计算所述椭圆形态参数配置为，

根据式(1)，所述椭圆形态参数表示为：

式(3)，

式(3)中：长半轴与地磁北(N)方向之间的夹角为λ，顺时针为正；

测量所述地应力配置为，

根据式(3)及式(2)计算最大平面内主应力σ1、最小平面内主应力σ2、最小平面内主应力的方位角λ、最大平面内主应力的方位角λ+90°。

4.根据权利要求1所述的钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

获取所述三维几何形态配置为，

获取钻孔孔壁的孔壁投影点在当前水平高度的至少两个孔壁投影点；

创建测量装置的第一极坐标系，根据测量装置的参数及至少两个孔壁投影点解算孔壁成像点在第一极坐标系的第一空间位置；

创建钻孔孔壁的第二极坐标系，根据所述测量装置与钻孔空间的位置关系建立所述第一极坐标及第二极坐标的坐标转换关系，根据所述第一空间位置及坐标转换关系，获取孔壁成像点在所述第二极坐标中的第二空间位置，根据至少两个连续所述水平高度的所述孔壁成像点的所述第二空间位置获取所述钻孔孔壁坐标系。

5.根据权利要求4所述的钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

所述测量装置构造有壳体组件及部署在所述壳体组件的激光器组件及摄像设备；

所述升降装置构造为调制所述壳体组件在钻孔轴向的所述水平高度；

所述激光器组件构造为至少照射在当前所述水平高度的所述钻孔孔壁；

所述摄像设备配置为在获取被照射的所述孔壁成像点的所述孔壁投影点。

6.根据权利要求5所述的钻孔形态法的光学地应力测量方法，其特征在于，

所述测量装置构造有部署在所述壳体组件的锥面镜；

所述摄像设备的镜头与所述锥面镜保持轴线平行，并且至少的覆盖所述锥面镜部分；

所述锥面镜被覆盖的部分构造有上锥面镜及下锥面镜；

所述上锥面镜及所述下锥面镜的锥角不同；

所述摄像设备通过所述上锥面镜获取第一孔壁投影点；

所述摄像设备通过所述下锥面镜获取第二孔壁投影点；

所述上位机配置为根据所述测量装置的参数及所述第一孔壁投影点及所述第二孔壁投影点获取所述孔壁成像点在所述第一极坐标系的第一空间位置。

7.一种钻孔形态法的光学地应力测量系统，其特征在于，

所述系统包括椭圆建立模块、关系建立模块、坐标转换模块、椭圆测量模块；

所述椭圆建立模块用于创建椭圆形态一般方程：

式(1)，A·x²+2B·xy+C·y²+2D·x+2F·y+1＝0；

式(1)中：A、B、C、D、F为所述椭圆形态一般方程中的系数；

所述关系建立模块用于创建钻孔横截面的椭圆形态与地应力之间的关系：

式(2)，

式2中：σ1、σ2分别为最大平面内主应力、最小平面内主应力；

变形前钻孔横截面的形态参数为钻孔初始半径a；

变形后钻孔横截面的椭圆形态参数为长半轴R及短半轴r；

E.μ为岩石物理性质参数分别为弹性模量和泊松比；

所述坐标转换模块用于创建以一测量装置的中心为原点，以地磁北(N)方向为x轴，地磁西(W)方向为y轴的NW坐标系，并且将钻孔任意深度范围下的至少一钻孔横截面的三维几何形态投影到所述NW坐标系；

所述椭圆测量模块用于在所述NW坐标系中根据投影的所述钻孔横截面的三维几何形态，拟合出式(1)的所述椭圆形态一般方程；根据拟合的所述椭圆形态一般方程，计算椭圆形态参数；根据所述椭圆形态参数测量所述地应力。

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