全景数字钻孔摄像技术在围岩松动圈测试中的应用

全景数字钻孔摄像技术在围岩松动圈测试中的应用

根据这项研究，高应力地下工程围岩的物理状态分为破裂区域、弹性区域、弹性区域和原始岩面区域，破裂区域通常位于道路周围，因此被称为围岩滑动圈。围岩滑动圈是煤矿道路工程中常见的客观物理力学状态，对地下工程的稳定具有重要意义。在国外，1907年，太沙基观察到了围岩的松动状态（拱），并提出了防护、自我补偿的概念。它仍然被广泛应用于国内外的浅部地下工程设计。在中国，经过长期研究，1985年，该系统在系统中提出了围岩动态支架的理论，并在煤炭系统中得到了广泛应用。因此，为了测试松动圈的厚度，有必要了解滑动圈的范围。因此，测试滑动圈的厚度具有重要的理论和实践价值。在道路上的滑动圈中，有许多测量方法，而超声波法是最常用的方法。在国家“五”科技工程司法局的基础上，矿业开发了“超声通道成功应用”的声音传播理论。然而，由于声波法需要孔，由于水作为探测岩石之间的结合剂，它对低强度围岩的试验难以进行。近年来，相关技术在道路、岩石模型试验、土壤切割带识别、基本离心分离试验、隧道模型试验等方面得到了广泛应用，并取得了良好的效果。因此，我们采用了一种新的三维数值成像和数据处理系统。在难以用声法测试的煤炭系统中，成功获得了煤层、泥岩和砂砾岩组围岩中的松动圈分布的数据，为研究地层道路的稳定性提供了基础。1孔成像松动圈测试系统1.1全景摄像机接头全景数字钻孔摄像系统的总体结构见图1,它由硬件和软件2大部分组成.如图1所示,全景数字钻孔摄像系统的硬件系统是由全景摄像头、深度测量轮、钻孔摄像主机和计算机组成,此外还包括绞车及专用电缆等.其中,全景摄像探头内部包含有可获得全景图像(见图2)的截头锥面反射镜、探测照明光源、定位磁性罗盘及微型CCD摄像机.由于全景摄像探头采用高压密封技术,因此,它可以在水中进行探测。作为定位设备的深度脉冲发生器,它由测量轮、光电转角编码器、深度信号采集板以及接口板组成.深度是一个数字量,有2个作用,一是确定探头的准确位置,二是系统进行自动探测的控制量.全景数字钻孔摄像系统的软件系统包括2大部分,即现场实时图像采集系统和室内处理分析系统.在使用的条件和目的方面,它们有很大的区别,但在功能特点上它们又有相同之处.1监视与实时图像采集在钻孔摄像过程中,用于钻孔探测过程的实时图像监视与实时图像采集;该系统主要实现对包括捕获卡、深度接口板等硬件的控制、图像的快速存储、图像的快速还原变换、显示以及对探测结果的快速浏览.2软件的工作原理在钻孔图像分析过程中,用于室内的图像统计分析以及结果输出,它是可以独立于钻孔摄像设备运行的单纯的软件系统,不对硬件进行控制,图像数据来源于实时图像采集系统的采集结果、优化的还原变换算法、保证探测的精度.软件具有视频图像单帧和连续播放能力,能够对图像进行处理,形成各种结果图像,包括图像的无缝拼接,三维钻孔岩芯图和平面展开图,如图3所示.1.2孔壁面为三维柱面的圆柱面取一段钻孔孔壁,视它为一段圆柱面,其平面半径为r,高为h.将该段圆柱面置于三维直角坐标系中,见图4.设位于该段圆柱面上的任意一点P(x,y,z),满足x2+y2=r2(0≤z≤h).(1)x2+y2=r2(0≤z≤h).(1)为了观察圆柱面,将截头的锥面反射镜放入圆柱面内,观察点位于锥面反射镜的上部,观察方向垂直向下,观察的图像是圆柱面的某一段图像经过锥面反射镜反射成像于锥面反射镜底部的某一平面或近似平面上的图像,称该图像为全景图像,见图5.实现全景图像的方法就是采用截头的锥面反射镜.全景图像与圆柱面具有一一对应关系.设圆柱面上的一点P(x,y,z),令P点在xoy平面上的投影与x轴的夹角为α,则有x=rcosα,y=rsinα,(2)α∈[0,2π],x=rcosα,y=rsinα,(2)α∈[0,2π],满足式(1).圆柱面经过锥面反射镜变换后形成的全景图像呈圆环状,圆环的内圆表示该段圆柱面的顶面圆,圆环的外圆表示该段圆柱面的底面圆,沿着圆环的径向变化反映了圆柱面的轴向变化,即z方向变化,见图5.在全景图像中设定极坐标系,极轴与x轴同向,圆环的内、外圆半径分别设为r1,r2,若P′为P点经过变换后在全景图像中的点,它的极坐标设为(ρ′,α′)满足{r1≤ρ′≤r2,0≤α′≤2π.(3){r1≤ρ′≤r2,0≤α′≤2π.(3)由锥面反射镜的保角性和图5b所示的变换关系,则有下式成立α′=α,ρ′=r2+(r1−r2)zh.(4)α′=α,ρ′=r2+(r1-r2)zh.(4)即圆柱面上的任意一点P(x,y,z)可以唯一确定全景图像上的点P′(ρ′,α′).反之,已知全景图像上的点P′(ρ′,α′),则由式(4)可得{α′=α,z=ρ′−r2r1−r2h.(5){α′=α,z=ρ′-r2r1-r2h.(5)由式(2)可得⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪x=rcosα′,y=rsinα′,z=ρ′−r2r1−r2h.(6){x=rcosα′,y=rsinα′,z=ρ′-r2r1-r2h.(6)即根据全景图像上的任意一点P′(ρ′,α′)可以惟一确定圆柱面上的点P(x,y,z).基于钻孔摄像锥面镜的全景成像系统通过截断圆锥面反射,将周围柱面图像成像在图中摄像机的平面相片上,将三维的四周柱面图像转化为二维平面图像,恢复图像时,通过上面的逆过程将二维图像用摄像机通过截断锥面镜反射到围岩孔壁上,就可以重现围岩孔壁上的围岩情况,其系统机理见图6.理论上,锥面投影在摄像机镜头上应该是一个圆形图像,而这个图形图像和投影在柱面上的孔壁投影是一一对应的映射,在柱面上建立一个柱面坐标系以(h,β)表示柱面上每一个点,h为点的高度,β类似于极坐标中的旋转角度,这样平面上极坐标(ρ,θ)就一一对应柱面坐标(h,β),极坐标上一条半径对应于柱面上一条母线.见图7.2围岩裂缝的形状根据围岩裂缝图像的特征,即裂缝的形状一般都是细长状的,圆形度C的值反应了被测量物体边界的复杂程度,所以我们引用圆形度这个参数来判断围岩裂缝的真实性,下式为圆形度C的计算公式.C=P24πA,C=Ρ24πA,式中:P为围岩裂缝的周长,A为围岩裂缝的面积.围岩裂缝可能出现多种形状,表1给出了圆形度C与常见的几种图形之间的关系.圆形度C的变化,反映了围岩裂缝的复杂程度.当围岩图上表现为圆形时,其圆形度C=1;当围岩图上表现为椭圆时,其圆形度C>1.且可以得出如下结论:1)圆形度C值越大,围岩裂缝的形状越接近针状,此裂缝可能是真裂缝;2)椭圆的长短径相差越大,则椭圆越接近长方形;3)对于正多边形,圆形度C值越小,表明围岩裂缝的形状越接近圆形,此裂缝可能是伪裂缝.根据圆形度C值判断围岩裂缝图的裂缝是否为真裂缝,圆形度C值越大,此裂缝可能是真裂缝;圆形度C值越小越接近1,则此裂缝是伪裂缝.真裂缝是由于破碎区(松动圈)形成的裂缝,其形状毫无规则,C值较大,而伪裂缝是由于地质取钻过程中部分碎石脱落所形成的空洞,其形状接近于圆形,C值接近于1.一般情况下,可以通过设定一个阀值(例如C=3)来判断围岩破碎区(松动圈)范围,但是考虑到现场地质钻孔等许多不确定的因素,为了能够准确地判断出围岩松动圈厚度值,我们可以通过圆形度C值随孔深变化情况来确定围岩松动圈厚度值.3围岩图像特征山东省七五生建煤矿南四轨道大巷由许楼西大巷运11#开门,以193°方位,开门点位于3下煤层底板中,巷道长度为1750m.共布置了2个测站,见图8.测站1至测站2的距离为20m.测站布置中,对条件相同的地段进行了合并与归纳,只取其中一段进行观测.每一测站共设5个测孔,具体布置见图9.钻孔摄像测点采用ϕ89m的孔,孔深为3m.钻孔摄像共摄取图片1000张,数据25万多个.对数据进行整理、解释,得出采用钻孔数字摄像测量围岩松动圈厚度值为1.332～1.428m.图10即为1号孔中围岩图像特征提取图.对于1号孔,孔深在2.004～3.000m范围内,围岩裂缝的圆形度C基本处于1～3范围内,而孔深在1.008～2.004m范围内,围岩裂缝的圆形度C变化比较明显,见图11a.由图11a可知,在孔深为1.404m处围岩裂缝的圆形度为10.407,而孔深1.416m处的围岩裂缝的圆形度为1.888.因此,可以断定在0～1.404m范围内的围岩裂缝形状呈细长状,而在1.416～3m范围内的围岩裂缝形状呈圆形状。细长状的裂缝可能在围岩松动圈形成过程中产生的,而圆形状裂缝可能是地质钻钻孔过程中由于岩石掉落而产生的.故可以断定该孔处的围岩松动圈的厚度值为1.404m.2号孔测试结果如图11b所示,由图中可知,该孔处的围岩松动圈的厚度值为1.352m.南四轨道上山5个测站的钻孔摄像测试结果与超声波测量比较如表2所示.从表2中可以看出,钻孔摄像测试围岩松动圈厚度值与超声波测量的松动圈厚度值基本吻合,由此,可以验证上面建立的围岩裂缝检测系统是有效的.4围岩裂缝检测与滑动圈判别程序1)首次将全景数字式钻孔摄像技术应用于矿山巷道的围岩松动圈的测量.2)提出