CN117688854B - 基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法和装置，其中，方法包括：针对任一目标区域内的目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据；根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据；根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据；根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。由此，可实现针对任意一个钻孔，仅通过一个单孔六分量式监测设备即可测量该钻孔内各测点的三维应力。

Description

基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法和装置

技术领域

本发明涉及地应力测量技术领域，尤其涉及一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法和装置。

背景技术

随着岩土领域的飞速发展，水利、交通、矿山等地下工程开发深度和强度在不断增加，施工过程中面临的岩爆、冲击地压、瓦斯突出、突水等工程灾害也愈发严重，对施工设备及人员的安全造成了严重威胁，同时也会影响施工进度。因此，研究岩爆、冲击地压等灾害的发生机理至关重要。经过大量研究表明，应力条件是地下工程动力灾害发生的关键指标。

相关技术中，利用钻孔应力法测量岩体应力时，计算一个测点的三维应力需要采用两个钻孔构成钻孔组联合计算，由于两个钻孔间存在一定距离，从而会导致测量存在一定误差，并且要实现岩体三维应力场构建需要很多钻孔矩阵，操作相对麻烦且成本较高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法，以实现针对任意一个钻孔，仅通过一个单孔六分量式监测设备即可测量该钻孔内各测点的三维应力，便捷了测量过程，可实现岩体三维应力场的快速、准确动态构建。

本发明的第二个目的在于提出一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置。

本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。

本发明的第四个目的在于提出一种计算机可读存储介质。

本发明的第五个目的在于提出一种计算机程序产品。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法，包括：

获取目标区域的地质数据和所述目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，所述钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角；

根据所述地质数据和所述钻孔数据，生成所述目标区域的三维地质模型；

针对任一目标钻孔，采用布设在所述目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取所述目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，所述多个钻孔中每个所述钻孔布设一个所述单孔六分量式监测设备，所述单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，所述两组应力传感器用于测量所述钻孔内各测点的正应力数据；

根据所述目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定所述目标钻孔内各测点的余弦值数据；

根据所述目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据；

根据所述目标区域的三维地质模型、所述多个钻孔的钻孔位置坐标和所述多个钻孔内各测点的主应力数据，生成所述目标区域的三维应力场。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置，包括：

第一获取模块，用于获取目标区域的地质数据和所述目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，所述钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角；

第一生成模块，用于根据所述地质数据和所述钻孔数据，生成所述目标区域的三维地质模型；

第二获取模块，用于针对任一目标钻孔，采用布设在所述目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取所述目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，所述多个钻孔中每个所述钻孔布设一个所述单孔六分量式监测设备，所述单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，所述两组应力传感器用于测量所述钻孔内各测点的正应力数据；

第一确定模块，用于根据所述目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定所述目标钻孔内各测点的余弦值数据；

第二确定模块，用于根据所述目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据；

第二生成模块，用于根据所述目标区域的三维地质模型、所述多个钻孔的钻孔位置坐标和所述多个钻孔内各测点的主应力数据，生成所述目标区域的三维应力场。

为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述第一方面的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

为了实现上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行前述第一方面的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

为了实现上述目的，本发明第五方面实施例提出了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现前述第一方面的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

本发明实施例所提供的技术方案包含如下的有益效果：

通过获取目标区域的地质数据和目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，实现根据地质数据和钻孔数据，生成目标区域的三维地质模型，从而针对任一目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，多个钻孔中每个钻孔布设一个单孔六分量式监测设备，单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，两组应力传感器用于测量钻孔内各测点的正应力数据，以及根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据，实现根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据，进而根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。由此，可实现针对任意一个钻孔，仅通过一个单孔六分量式监测设备即可测量该钻孔内各测点的三维应力，便捷了测量过程，可实现岩体三维应力场的快速、准确动态构建。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种场景下三维地质模型的示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种场景下单孔六分量式监测设备中应力传感器的布置图；

图4为本发明实施例所提供的一种场景下钻孔坐标系与大地坐标系之间的关系示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种场景下基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一个电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法和装置。

图1为本发明实施例所提供的一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法的流程示意图。

如图1所示，该基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法包括以下步骤：

步骤101，获取目标区域的地质数据和目标区域内多个钻孔的钻孔数据。

其中，钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角。

在一些实施例中，目标区域的地质数据可以包括但不限于目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网。可选地，可以通过各种公开、合法、合规的方式获取目标区域的地质数据。

在一些实施例中，可以现场选定目标区域，以一定的钻孔间隔按纵向和横向对目标区域的岩层或穿层分别打设多个钻孔，获取多个钻孔的钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角。

步骤102，根据地质数据和钻孔数据，生成目标区域的三维地质模型。

在一些实施例中，可以根据目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网，以及多个钻孔的钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，构建目标区域的三维地质模型。例如，可以利用CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)、ANSYS、ABAQUS、犀牛等软件，根据目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网，以及多个钻孔的钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，构建如图2所示的地下工程的三维地质模型。

步骤103，针对任一目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据。

需要说明的是，在本发明中，可以在目标区域内的每个钻孔内布设一个单孔六分量式监测设备，该单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，并且这两组应力传感器用于测量钻孔内各测点的正应力数据。作为一种示例，单孔六分量式监测设备中应力传感器的布置图可以如图3所示，图3中，为单孔六分量式监测设备中两组应力传感器对应的坐标系之间的夹角。图3中的(a)是单孔六分量式监测设备的一个部件（部件A），图3中的(b)是单孔六分量式监测设备的另一个部件（部件B），图3中阴影部分是部件的内壁，空白部分是部件内部或者外壁的中空部位，图3中的(a)两个圆形是部件A外壁处位置相对的两个中空部位，图3中的(a)/>所处的空白部分和其对应的上方的空白矩形也是部件A外壁处位置相对的两个中空部位，即部件A外壁处存在两对位置相对的中空部位（共四个），图3中的(b)上方/>所处的空白部分和其旁边的空白矩形是部件B外壁处位置相对的两个中空部位，即部件B外壁处存在一对位置相对的中空部位（共两个），这六个中空部位用来安装本申请的两组应力传感器，一组应力传感器安装在图3中的(a)实线圆形处、图3中的(a)/>所处的空白部分处和图3中的(b)上方/>所处的空白部分处，另一组应力传感器安装在图3中的(a)虚线线圆形处、图3中的(a)/>所处的空白部分对应的上方的空白矩形处和图3中的(b)上方/>所处的空白部分旁边的空白矩形处。此外，部件A和部件B组装在一起即为本发明中的单孔六分量式监测设备，组装方式为：将图3中的(b)下半部分的矩形（包括阴影部分和空白部分）拧在图3中的(a)左边的空白矩形处。需要说明的是，图3是单孔六分量式监测设备部件A和部件B的平面图，部件A和部件B都是圆柱体，部件A竖直方向的长度（包括阴影部分和空白部分）是部件A这一圆柱体的直径，部件B水平方向的长度（包括阴影部分和空白部分）是部件B这一圆柱体的直径，这两个部件的直径相同，可以进行组装，并且组装在一起得到的单孔六分量式监测设备也是一个圆柱体。

在一些实施例中，可以针对任一目标钻孔，采用布设在该目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取该目标钻孔内各测点的正应力数据。可选地，若目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器分别命名为A组应力传感器和B组应力传感器，则目标钻孔内各测点的正应力数据包括A组应力传感器测量的第一正应力和B组应力传感器测量的第二正应力。

需要说明的是，A组应力传感器测量的第一正应力和B组应力传感器测量的第二正应力均包括不同方向的3个正应力，且3个正应力之间成90度角构成应力传感器对应的坐标系。

步骤104，根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据。

为了清楚说明本发明中是如何确定目标钻孔内各测点的余弦值数据的，首先阐述钻孔坐标系与大地坐标系之间的关系。如图4所示，大地坐标系为O-XYZ，其中，X轴为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴为铅垂向上方向，钻孔坐标系为，需要说明的是，假设单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器分别命名为A组应力传感器和B组应力传感器，其中，A组应力传感器对应的坐标系为钻孔坐标系，则钻孔坐标系/>中，/>轴为钻孔轴向方向，也即单孔六分量式监测设备中A组应力传感器中Y向应力传感器法线方向，/>为A组应力传感器X向应力传感器法线方向，/>为A组应力传感器Z向应力传感器法线方向。此外，可以根据单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的夹角大小。例如，根据图3可知，A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的夹角为图3中的/>。

如图4所示，O-XYZ为大地坐标系，为钻孔坐标系，则图4中，D为钻孔方位角，V为钻孔倾角，可选地，可以仰角取正，俯角取负。

从而在一些实施例中，可以根据目标钻孔的钻孔方位角和钻孔倾角，确定目标钻孔内第一测点的第一余弦值，其中，第一测点为目标单孔六分量式监测设备中的A组应力传感器所测量的测点，第一余弦值为第一测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，进而可以根据目标钻孔内第一测点的第一余弦值和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器对应的坐标系之间的夹角，确定目标钻孔内第二测点的第二余弦值，其中，第二测点为目标单孔六分量式监测设备中的B组应力传感器所测量的测点，第二余弦值为第二测点所在的B组应力传感器对应的坐标系在大地坐标系中的方向投影。

可选地，可以根据目标钻孔的钻孔方位角和钻孔倾角，通过公式(1)确定目标钻孔内第一测点的第一余弦值，其中，公式(1)如下：

(1)

其中，D为目标钻孔的钻孔方位角，V为目标钻孔的钻孔倾角，l _i1、m _i2、n _i3(i= 1，2，3)分别为第一测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第一测点的第一余弦值。

若A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的夹角为，则可以根据A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的夹角，通过公式(2)求得A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的旋转矩阵，其中，公式(2)如下：

(2)

其中，、/>、/>分别为A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的x轴旋转矩阵、y轴旋转矩阵、z轴旋转矩阵。

进而可以根据目标钻孔内第一测点的第一余弦值，以及A组应力传感器对应的坐标系（钻孔坐标系）与B组应力传感器对应的坐标系之间的旋转矩阵，通过公式(3)确定目标钻孔内第二测点的第二余弦值，其中，公式(3)如下：

(3)

其中，l _i2、m _i2、n _i2(i= 1，2，3)分别为第二测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第二测点的第二余弦值。

步骤105，根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据。

在一些实施例中，由于目标钻孔内各测点的正应力数据包括A组应力传感器测量的第一正应力和B组应力传感器测量的第二正应力，确定的目标钻孔内各测点的余弦值数据包括目标钻孔内第一测点的第一余弦值和目标钻孔内第二测点的第二余弦值，从而可以根据第一正应力、第二正应力、第一余弦值和第二余弦值，确定目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，进而可以根据目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，确定目标钻孔内各测点的主应力数据，其中，主应力数据包括垂直主应力的大小和方向、最大水平主应力的大小和方向、最小水平主应力的大小和方向。

可选地，可以根据第一正应力、第二正应力、第一余弦值和第二余弦值，通过公式(4)确定目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，其中，公式(4)如下：

(4)

其中，、/>、/>分别为A组应力传感器测量的第一正应力，/>、/>、/>为B组应力传感器测量的第二正应力，/>、/>、/>分别为目标钻孔内各测点的目标正应力，/>、、/>分别为目标钻孔内各测点的剪应力。

从而可以在得到目标钻孔内各测点的目标正应力、/>、/>和剪应力/>、/>、之后，可以根据目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，通过公式(5)、公式(6)和公式(7)确定目标钻孔内各测点的主应力数据，其中，主应力数据包括垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力的大小和方向。

可选地，主应力数据中的垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力的大小可以通过公式(5)计算得到，其中，公式(5)如下：

(5)

其中，J ₁为第一常量，J ₂为第二常量，J ₃为第三常量，J ₁、J ₂、J ₃可以通过公式(6)计算得到，其中，公式(6)如下：

(6)

需要说明的是，在一些实施例中，在通过公式(6)计算得到J ₁、J ₂、J ₃之后，可以将J ₁、J ₂、J ₃代入到公式(5)中，求解公式(5)得到的3个解即为主应力、/>、/>的大小。其中，3个解中的最大值为主应力数据中的最大水平主应力的大小，3个解中的最小值为主应力数据中的最小水平主应力的大小，剩余的1个解为主应力数据中的垂直主应力的大小。

可选地，主应力数据中的垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力的方向可以通过公式(7)计算得到，其中，公式(7)如下：

(7)

需要说明的是，在一些实施例中，在通过公式(5)计算得到主应力、/>、/>的大小之后，可以将/>、/>、/>代入到公式(7)中，求解公式(7)分别得到对应的方向l、m、n。

步骤106，根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。

在一些实施例中，可以先根据多个钻孔的钻孔位置坐标，确定多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系，从而根据三维地质模型、多个钻孔内各测点的主应力数据，以及多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系，构建目标区域的三维应力场。

可选地，可以将三维地质模型、多个钻孔内各测点的主应力数据，以及多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用并行指令构建目标区域的三维应力场。

作为一种示例，可以应用地质剖面图数据离散化方法，将多个钻孔内各测点的主应力数据在三维地质模型内的钻孔位置坐标的水平和垂直方向进行剖面提取地层节点，实现将多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点一一对应，之后将三维地质模型、多个钻孔内各测点的主应力数据，以及多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用OpenMP Sections并行指令技术，采用深度学习优化算法，构建并行反演架构，生成目标区域的三维应力场。

在一些实施例中，还可以在生成目标区域的三维应力场之后，获取目标区域的实时应力监测数据，以根据获取得到的实时应力监测数据，对目标区域的三维应力场进行修正。由此，可持续获取随工程扰动下岩体应力场的动态演化规律，进而实现岩体三维应力场的动态构建。

本发明提出的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法，通过获取目标区域的地质数据和目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，实现根据地质数据和钻孔数据，生成目标区域的三维地质模型，从而针对任一目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，多个钻孔中每个钻孔布设一个单孔六分量式监测设备，单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，两组应力传感器用于测量钻孔内各测点的正应力数据，以及根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据，实现根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据，进而根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。由此，可实现针对任意一个钻孔，仅通过一个单孔六分量式监测设备即可测量该钻孔内各测点的三维应力，便捷了测量过程，可实现岩体三维应力场的快速、准确动态构建。

为了清楚说明上述实施例，现举例进行说明。

图5为本发明实施例所提供的一种场景下基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法的流程示意图。

如图5所示，该基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法可以包括以下步骤：

步骤501，现场选定目标区域，布设多组钻孔，记录各多点应力计的位置坐标及所在钻孔的倾角及方位角。

现场选定目标区域，以一定的钻孔间隔按纵向和横向对岩层或穿层分别打设多个钻孔，每个钻孔内布置一个六分量式应力计，该应力计可以测得两组互有夹角的3个正应力，其中每组3个正应力之间成90度角构成钻孔坐标系，并记录各多点应力计的位置坐标及所在钻孔的倾角及方位角。

步骤502，根据目标区域的地质数据和多点钻孔的位置、角度等数据，构建目标区域的三维地质模型。

根据目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网以及多点钻孔的的位置、角度等信息，利用CAD、ANSYS、Abaqus、犀牛等软件构建地下工程的三维地质模型，如图2所示。

步骤503，记录每个单孔六分量式监测设备测量的正应力数据。

单孔六分量式监测设备设计了两组应力传感器，每组设计三个点分别测得三个正应力、/>、/>，分别命名为A组和B组传感器。首先建立大地坐标系 O-XYZ，X 轴为正东方向，Y轴为正北方向，Z轴为铅垂向上方向；然后建立钻孔坐标系O-X _i Y _i Z _i，定义Yi轴为钻孔轴向方向，即安装完毕后A组传感器中Y向应力传感器法线方向，Xi轴为A组传感器X向应力传感器法线方向，Z _i轴为A组传感器Z向应力传感器法线方向。B组传感器所建立坐标系与A组传感器所形成的坐标系夹角为/>，单孔六分量式监测设备设计如图3所示。

步骤504，通过钻孔方位角和倾角计算钻孔坐标系与大地坐标系各轴之间的余弦值。

设钻孔方位角为D，倾角为V(仰角取正，俯角取负)，根据上述公式(1)可以求得A组传感器所建立坐标轴与大地坐标系中各坐标轴之间的余弦值l _i1，m _i1，n _{i 1}(i= 1，2，3)，也即钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影。

由于B组传感器所建立坐标系与A组传感器所形成的坐标系夹角为，根据转轴公式可以求得刚体绕三个坐标轴旋转的旋转矩阵，如上述公式(2)所示，将这三个矩阵按照转动顺序，依次左乘可以得到B组传感器所建立坐标轴与大地坐标系中各坐标轴之间的余弦值l _i2，m _i2，n _i2(i= 1，2，3)，如上述公式(3)所示。

步骤505，根据单孔六分量式监测设备测量的正应力数据和计算的余弦值计算测点的主应力数据。

设A组传感器测得的正应力分别为、/>、/>，B组传感器测得的正应力分别为、/>、/>，根据上述公式(4)～(7)可算出测点的岩体主应力大小及方向，即可分别计算各钻孔内各测点的垂直主应力、最大水平主应力及最小水平主应力的大小和方向，并可构建目标区域内各阵列钻孔内多点的主应力。

步骤506，应用地质剖面图数据离散化方法，将测点的主应力数据与三维地质模型中的节点一一对应。

根据现场实际钻孔测点坐标和测点应力，应用地质剖面图数据离散化方法，将测点的主应力数据沿三维地质模型内水平和垂直方向进行剖面提取地层节点，将测点的主应力数据与三维地质模型中的节点一一对应。

步骤507，将三维地质模型、测点的主应力数据，以及测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用并行技术，采用深度学习优化算法，实现地下岩体三维应力场实时并行反演。

将三维地质模型、测点的主应力数据，以及测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用OpenMP Sections并行指令技术，采用深度学习优化算法，构建并行反演架构，再针对现场实时获取的应力监测数据，快速修正模型权重，实现地下岩体三维应力场实时并行反演。

相较于相关技术中，地应力测量时以单点的单次测量为主，传统钻孔应力计多仅考虑岩体的单向受力作用，多无法显示岩体应力的三向及动态变化规律，同时常用于采动应力测量的应力法，亦或设备自身结构复杂亦或需要多个钻孔。本技术方案同时考虑了原岩应力和采动应力测量方法，避免了传统钻孔应力解除法成本较高、测量数据单一等缺点，且通过改进实现一孔六分量可以实现一个钻孔测量三维应力，操作和反算都很简单，同时，前人所采用的应力测量方法大都是间断的、非连续性的测量，本技术方案结合三维地质体建模技术、数值模拟手段以及并行计算等方法，可以实现岩体三维应力场的协同高效计算，从而持续获取随工程扰动下岩体应力场的动态演化规律，进而实现岩体三维应力场的动态构建。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置。

图6为本发明实施例提供的一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置的结构示意图。

如图6所示，该基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置包括：第一获取模块61、第一生成模块62、第二获取模块63、第一确定模块64、第二确定模块65和第二生成模块66。

第一获取模块61，用于获取目标区域的地质数据和目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角；

第一生成模块62，用于根据地质数据和钻孔数据，生成目标区域的三维地质模型；

第二获取模块63，用于针对任一目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，多个钻孔中每个钻孔布设一个单孔六分量式监测设备，单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，两组应力传感器用于测量钻孔内各测点的正应力数据；

第一确定模块64，用于根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据；

第二确定模块65，用于根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据；

第二生成模块66，用于根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，余弦值数据包括第一余弦值和第二余弦值，两组应力传感器包括A组应力传感器和B组应力传感器，其中，A组应力传感器对应的坐标系为钻孔坐标系；第一确定模块64，还用于：

根据目标钻孔的钻孔方位角和钻孔倾角，确定目标钻孔内第一测点的第一余弦值，其中，第一测点为目标单孔六分量式监测设备中的A组应力传感器所测量的测点，第一余弦值为第一测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影；

根据目标钻孔内第一测点的第一余弦值和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器对应的坐标系之间的夹角，确定目标钻孔内第二测点的第二余弦值，其中，第二测点为目标单孔六分量式监测设备中的B组应力传感器所测量的测点，第二余弦值为第二测点所在的B组应力传感器对应的坐标系在大地坐标系中的方向投影。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，正应力数据包括A组传感器测量的第一正应力和B组传感器测量的第二正应力，主应力数据包括主应力和主应力的方向数据；第二确定模块65，还用于：

根据第一正应力、第二正应力、第一余弦值和第二余弦值，确定目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力；

根据目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，确定目标钻孔内各测点的主应力，其中，主应力包括垂直主应力、最大水平主应力、最小水平主应力；

根据目标钻孔内各测点的目标正应力、剪应力和主应力，确定目标钻孔内各测点的主应力的方向数据。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，第二生成模块66，还用于：

根据多个钻孔的钻孔位置坐标，确定多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系；

根据三维地质模型、多个钻孔内各测点的主应力数据，以及多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系，构建目标区域的三维应力场。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，第二生成模块66，还用于：

将三维地质模型、多个钻孔内各测点的主应力数据，以及多个钻孔内各测点的主应力数据与三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用并行指令构建目标区域的三维应力场。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，地质数据包括目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网；第一生成模块62，还用于：

根据目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网，以及多个钻孔的钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，构建目标区域的三维地质模型。

进一步地，在本发明实施例的一种可能的实现方式中，装置，还包括：

第三获取模块，用于获取目标区域的实时应力监测数据；

修正模块，用于根据实时应力监测数据，对目标区域的三维应力场进行修正。

需要说明的是，前述对基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置，此处不再赘述。

本发明提出的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置，通过获取目标区域的地质数据和目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，实现根据地质数据和钻孔数据，生成目标区域的三维地质模型，从而针对任一目标钻孔，采用布设在目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，多个钻孔中每个钻孔布设一个单孔六分量式监测设备，单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，两组应力传感器用于测量钻孔内各测点的正应力数据，以及根据目标钻孔的钻孔方位角、钻孔倾角和目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定目标钻孔内各测点的余弦值数据，实现根据目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定目标钻孔内各测点的主应力数据，进而根据目标区域的三维地质模型、多个钻孔的钻孔位置坐标和多个钻孔内各测点的主应力数据，生成目标区域的三维应力场。由此，可实现针对任意一个钻孔，仅通过一个单孔六分量式监测设备即可测量该钻孔内各测点的三维应力，便捷了测量过程，可实现岩体三维应力场的快速、准确动态构建。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本发明上述任一实施例提出的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行本发明上述任一实施例提出的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序在被处理器执行时实现本发明上述任一实施例提出的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

图7为本发明实施例提供的一个电子设备的结构示意图。

需要说明的是，图7所示的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图7所示，该电子设备包括：

存储器71、处理器72及存储在存储器71上并可在处理器72上运行的计算机程序。

处理器72执行所述程序时实现上述任一实施例中提供的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

进一步地，电子设备还包括：

通信接口73，用于存储器71和处理器72之间的通信。

存储器71，用于存放可在处理器72上运行的计算机程序。

存储器71可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatilememory），例如至少一个磁盘存储器。

处理器72，用于执行所述程序时实现上述任一实施例所述的基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法。

如果存储器71、处理器72和通信接口73独立实现，则通信接口73、存储器71和处理器72可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构（Industry Standard Architecture，简称为ISA）总线、外部设备互连（PeripheralComponent，简称为PCI）总线或扩展工业标准体系结构（Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA）总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选地，在具体实现上，如果存储器71、处理器72及通信接口73，集成在一块芯片上实现，则存储器71、处理器72及通信接口73可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器72可能是一个中央处理器（Central Processing Unit，简称为CPU），或者是特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成方法，其特征在于，包括：

获取目标区域的地质数据和所述目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，所述钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角；

根据所述地质数据和所述钻孔数据，生成所述目标区域的三维地质模型；

针对任一目标钻孔，采用布设在所述目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取所述目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，所述多个钻孔中每个所述钻孔布设一个所述单孔六分量式监测设备，所述单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，所述两组应力传感器包括A组应力传感器和B组应力传感器，每组应力传感器包括三个传感器，所述A组应力传感器对应的坐标系为钻孔坐标系，所述两组应力传感器用于测量所述目标钻孔内各测点的正应力数据；

根据所述目标钻孔的钻孔方位角和钻孔倾角，确定所述目标钻孔内第一测点的第一余弦值，根据所述第一余弦值和所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定所述目标钻孔内第二测点的第二余弦值，其中：

确定所述第一余弦值的公式（1）如下：

(1)

其中，D为目标钻孔的钻孔方位角，V为目标钻孔的钻孔倾角，l _i1、m _i2、n _i3(i = 1，2，3)分别为第一测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第一测点的第一余弦值；

确定所述第二余弦值的公式（3）如下：

(3)

其中，l _i2、m _i2、n _i2(i = 1，2，3)分别为第二测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第二测点的第二余弦值，、/>、/>分别为A组应力传感器对应的钻孔坐标系与B组应力传感器对应的坐标系之间的x轴旋转矩阵、y轴旋转矩阵、z轴旋转矩阵；

根据所述目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据，其中，所述余弦值数据包括所述第一余弦值和所述第二余弦值；

根据所述目标区域的三维地质模型、所述多个钻孔的钻孔位置坐标和所述多个钻孔内各测点的主应力数据，生成所述目标区域的三维应力场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一测点为所述目标单孔六分量式监测设备中的A组应力传感器所测量的测点，所述第一余弦值为所述第一测点所在的所述目标钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影；

所述第二测点为所述目标单孔六分量式监测设备中的B组应力传感器所测量的测点，所述第二余弦值为所述第二测点所在的所述B组应力传感器对应的坐标系在所述大地坐标系中的方向投影；

所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系为所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器对应的坐标系之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述正应力数据包括所述A组应力传感器测量的第一正应力和所述B组应力传感器测量的第二正应力，所述主应力数据包括主应力和主应力的方向数据；所述根据所述目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据，包括：

根据所述第一正应力、所述第二正应力、所述第一余弦值和所述第二余弦值，确定所述目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力；

根据所述目标钻孔内各测点的目标正应力和剪应力，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据，其中，所述主应力数据包括垂直主应力的大小和方向、最大水平主应力的大小和方向、最小水平主应力的大小和方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标区域的三维地质模型、所述多个钻孔的钻孔位置坐标和所述多个钻孔内各测点的主应力数据，生成所述目标区域的三维应力场，包括：

根据所述多个钻孔的钻孔位置坐标，确定所述多个钻孔内各测点的主应力数据与所述三维地质模型中的节点之间的对应关系；

根据所述三维地质模型、所述多个钻孔内各测点的主应力数据，以及所述多个钻孔内各测点的主应力数据与所述三维地质模型中的节点之间的对应关系，构建所述目标区域的三维应力场。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维地质模型、所述多个钻孔内各测点的主应力数据，以及所述多个钻孔内各测点的主应力数据与所述三维地质模型中的节点之间的对应关系，构建所述目标区域的三维应力场，包括：

将所述三维地质模型、所述多个钻孔内各测点的主应力数据，以及所述多个钻孔内各测点的主应力数据与所述三维地质模型中的节点之间的对应关系导入数值模拟软件，采用并行指令构建所述目标区域的三维应力场。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质数据包括所述目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网；所述根据所述地质数据和所述钻孔数据，生成所述目标区域的三维地质模型，包括：

根据所述目标区域的地质综合柱状图、钻孔柱状图、地面地形图、经纬网，以及所述多个钻孔的钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角，构建所述目标区域的三维地质模型。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：

获取所述目标区域的实时应力监测数据；

根据所述实时应力监测数据，对所述目标区域的三维应力场进行修正。

8.一种基于单孔六分量式监测设备的三维应力场生成装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取目标区域的地质数据和所述目标区域内多个钻孔的钻孔数据，其中，所述钻孔数据包括钻孔位置坐标、钻孔倾角和钻孔方位角；

第一生成模块，用于根据所述地质数据和所述钻孔数据，生成所述目标区域的三维地质模型；

第二获取模块，用于针对任一目标钻孔，采用布设在所述目标钻孔中的目标单孔六分量式监测设备获取所述目标钻孔内各测点的正应力数据，其中，所述多个钻孔中每个所述钻孔布设一个所述单孔六分量式监测设备，所述单孔六分量式监测设备中包含两组应力传感器，所述两组应力传感器包括A组应力传感器和B组应力传感器，每组应力传感器包括三个传感器，所述A组应力传感器对应的坐标系为钻孔坐标系，所述两组应力传感器用于测量所述目标钻孔内各测点的正应力数据；

第一确定模块，用于根据所述目标钻孔的钻孔方位角和钻孔倾角，确定所述目标钻孔内第一测点的第一余弦值，根据所述第一余弦值和所述目标单孔六分量式监测设备中的两组应力传感器的位置关系，确定所述目标钻孔内第二测点的第二余弦值，其中：

确定所述第一余弦值的公式（1）如下：

(1)

其中，D为目标钻孔的钻孔方位角，V为目标钻孔的钻孔倾角，l _i1、m _i2、n _i3(i = 1，2，3)分别为第一测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第一测点的第一余弦值；

确定所述第二余弦值的公式（3）如下：

(3)

其中，l _i2、m _i2、n _i2(i = 1，2，3)分别为第二测点所在的钻孔坐标系在大地坐标系中的方向投影，即目标钻孔内第二测点的第二余弦值，、/>、/>分别为A组应力传感器对应的钻孔坐标系与B组应力传感器对应的坐标系之间的x轴旋转矩阵、y轴旋转矩阵、z轴旋转矩阵；

第二确定模块，用于根据所述目标钻孔内各测点的正应力数据和余弦值数据，确定所述目标钻孔内各测点的主应力数据，其中，所述余弦值数据包括所述第一余弦值和所述第二余弦值；

第二生成模块，用于根据所述目标区域的三维地质模型、所述多个钻孔的钻孔位置坐标和所述多个钻孔内各测点的主应力数据，生成所述目标区域的三维应力场。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

10.一种存储有计算机指令的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。