[发明专利]岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法

摘要

本发明公开了一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法，装置由监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾和动力模块组成；监测杆杆身设置在监测杆杆头和监测杆杆尾之间，并且外壁上设置有压力传感器、显微镜头和钻头。监测杆杆身同时兼具岩体锚杆作用，其行进到岩体内部长期置于岩体中，岩体应力发展过程由监测杆杆身外壁上布置的压力传感器测量；压力传感器测量得到的数据由数据处理模块进行处理后，算出监测装置周围岩体的环向应力，并对岩爆等级进行预测，最后将结果在数据显示屏上显示；图像处理及显示模块可以实时显示显微镜头拍摄的图像，并且无线信号发射器可以将该图像传到外界设备上实时显示。

主权项

1.一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化方法，采用岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置；所述装置由监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾和动力模块组成；所述监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾均通过连接节点(12)可拆卸地连接在一起；所述监测杆杆头内部设置有图像处理及显示模块(1)、第一电源(201)、第二电源(202)、信号放大器(3)、无线信号发射器(5)、数据显示屏(6)、数据处理模块(7)；所述监测杆杆身内部设置有信号传输线(9)，侧壁上设置有显微镜头(8)、第一压力传感器(10)、小钻头(11)；所述监测杆杆尾设置有大钻头(13)；连接节点(12)内部设置有第二压力传感器(23)；所述动力模块由液压控制系统(14)和机械臂(15)组成；所述机械臂(15)卡设在所述监测杆杆头上，用于给所述装置施加前进的动力；所述液压控制系统(14)用于所述机械臂(15)的伸缩；所述第一电源(201)、图像处理及显示模块(1)、信号放大器(3)通过信号传输线(9)与显微镜头(8)串联连接，所述显微镜头(8)拍摄的图像经过放大处理，然后在图像处理及显示模块(1)上显示；所述第一电源(201)、照明机构调节器(4)、照明机构(16)串联连接；所述第二电源(202)、数据显示屏(6)、数据处理模块(7)通过信号传输线(9)与第一压力传感器(10)和第二压力传感器(23)串联连接，所述第一压力传感器(10)和第二压力传感器(23)测得的数据经过所述数据处理模块(7)处理后，在所述数据显示屏(6)显示出应力以及岩爆等级；所述无线信号发射器(5)与图像处理及显示模块(1)相连，将显微镜头(8)拍摄的图像传到外界设备上实时显示；所述照明机构(16)设置在所述监测杆杆身侧壁上；所述监测杆杆身从里到外由中间空心层(19)、排线层(20)、外壁层(21)组成；所述外壁层(21)上设置有大凹槽(17)和小凹槽(18)；所述显微镜头(8)安装在大凹槽(17)内，所述照明机构(16)安装在小凹槽(18)内；所述外壁层(21)和大钻头(13)的连接部设置有滚珠(25)、第二电源(26)、开关(27)和马达(28)；所述第二电源(26)、开关(27)和马达(28)串联连接；所述小钻头(11)和大钻头(13)均由喷嘴(29)、刮刀(30)、中心刀(31)、切刀(32)、渣槽(33)组成；所述刮刀(30)、中心刀(31)和切刀(32)对岩体进行切割，钻出的碎石进入渣槽(33)；所述喷嘴(29)喷水，从而减少灰尘，使岩层在摄像头中更清晰；所述小钻头(11)内部还设置有排碎石通道(24)；所述监测杆杆身能根据需要钻探的深度进行延长，即在监测杆杆头与监测杆杆身之间设置延长杆(34)；所述延长杆(34)的两端分别有内螺纹和外螺纹，分别与监测杆杆头的外螺纹和监测杆杆身的内螺纹进行连接；所述延长杆(34)的侧壁设置有显微镜头(8)、第一压力传感器(10)和小钻头(11)；其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：根据需要测量的岩体应力大小，选择有合适电压量程的压力传感器(10)和第二压力传感器(23)；步骤2：监测杆杆身侧壁上的一个小钻头(11)距离杆身形心的距离为a，此时第一压力传感器(10)测得的力为q1；与其并列安装的另外一个小钻头(11)向岩体中钻入一段距离后，距离杆身形心的距离为b，此时第一压力传感器(10)测得的力为q2；步骤3：根据弹性力学厚壁筒的受力情况及边界条件，计算得出距离杆身形心r处环向应力为：步骤4：根据该地方岩体的单轴抗压强度σc，然后利用σθ/σc的比值预测岩爆等级：当σθ/σc＜0.3时，无岩爆；当0.3＜σθ/σc＜0.5时，弱岩爆；当0.5＜σθ/σc＜0.7时，中等岩爆；当σθ/σc＞0.7时，强岩爆；步骤5：第二压力传感器(23)测得的应力σ同样按照步骤4进行岩爆的预测。