一种地应力测量钻孔孔内环境检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种地应力测量钻孔孔内环境检测装置及其检测方法，特别是用于深部地下工程地应力测量与分布规律研究，对提高套孔应力解除法地应力测试成功率和保障测试结果的准确性与可靠性具有重要价值，属于地下深部工程现场原位地应力测试仪器装备领域。

背景技术

地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、道路和各种地下岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，科学准确的地应力测量是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程决策、设计和开挖科学化的必要前提。

随着国家能源战略需求的快速增长，大量能源开发快速向深部地下工程进军，尤其在地下采矿工程中，无论是区域稳定性还是井巷、采场的稳定性问题都与地应力场密切相关，因此地应力的研究具有重要的理论和实用价值。而套孔应力解除法是目前国际上技术最成熟，适用性和可靠性最强的一种测定原岩应力的方法，但对测量技术和工艺要求较高，对复杂地质条件测试成功率较低，测试成本耗用较大，究其原因在于在于空心包体属单次消耗品，且钻孔施工成本高，孔径小且深，孔内环境不明，如不保障地应力测试前孔内环境的满足条件，盲目进行测试，不仅会导致测试失败还会增加测试成本，测试孔将成为废孔，进而大大增加测试材料和时间成本。而目前市场上的安装测试设备仅能粗浅判断孔内深度，无有效装备对其孔内进行窥视和辨识孔内环境，且安装杆通常较长会产生下弯，导致测试结果偏差较大，尤其对真正用于测试的底部小孔深度的准确控制与测量偏差较大，底孔段岩芯往往会有残留，空心包体应变计常常因安装不到位导致测试结果失败，因此，亟需研发一种用于检测孔内环境是否满足地应力测试要求的装置用以解决盲目进行测试导致测试失败的问题。为此，部分学者亦在尝试发明一些装置以解决该测试方法存在的难题。

申请号为CN 212898472U的专利介绍了一种隧道地应力测试用窥视与取芯装置，可实现测距过程中的距离测量壁面窥视，但其摄像头一端未设有补光装置，对于测孔内阴暗的环境难以进行图像反馈，且该装置的测距模组安装于大孔径周围，无法对真正测试用小孔深度进行测量。

申请号为CN212803208 U的发明专利介绍了一种地应力测试中确定空心包体完全进洞的装置，该装置在空心包体外围设有一BB哨，通过哨声响声大小判断空心包体进洞情况，该装置亦未能对测试用小孔环境进行检测。

综上，目前所研发的地应力测量钻孔孔内环境检测装置主要存在几个问题：（1）难以对真正用于测量的小孔段孔内环境进行窥视和检测，仍无法对小孔内的可测环境进行判断；（2）尚无有效设备对孔内环境实现自动化检测；（3）测距普遍采用非接触式的激光测距，而现场测试结果表明，小孔段孔内易形成水雾且有漂浮岩粉，光线穿透困难，非接触式测量方式误差较大。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种地应力测量钻孔孔内环境检测装置及其检测方法，检测过程中可实现对孔内全区域段壁面信息及孔内环境进行窥视，同时，采用机械式测距装置实现了对任意环境下的小孔深度进行测量以及小孔段底端残留岩芯的检测，有效解决了孔内环境探测的难题，检测方法简单直观，且方便快捷，避免了在未知孔内环境下进行盲目测试的问题，大大降低了测试失败率和测试成本，使得套孔应力解除法实现了在完全明确的孔内环境下进行测试，保障了测试结果的可靠性和成功率。

本发明采用的技术方案是：一种地应力测量钻孔孔内环境检测装置，包括：筒型检测车4、转接套管9、图像信息采集装置10、图像信息采集控制系统24，筒型检测车4包括车体及安装在车体上的内周向滚轮5、转接后盖6、无线传输模组13、信号转换模组14、主板25、电源模组16、伺服电机18、测距尺19，车体外壁设有周向滚轮5、总电源开关8-1、伺服电机控制开关8-2和外接信号接口15，无线传输模组13、信号转换模组14、主板25、电源模组16、伺服电机18、测距尺19安装在车体内，车体后端设有转接后盖6，转接后盖6后端连接手持安装杆7，车体前端可拆卸连接转接套管9，转接套管9前端可拆卸连接图像信息采集装置10，图像信息采集装置10包括壳体、补光LED灯12和广角摄像头22，广角摄像头22安装于壳体的前端中心位置，若干个补光LED灯12呈环形平均布置于广角摄像头22周围，车体最前端和中部分别设有导向环20，测距尺19滑动安装导向环20内，转接后盖6前端的车体上设有安全限位阀23，测距尺19一侧壁设有刻度值，另一侧壁设有齿轮条，测距尺19通过齿轮条与齿轮21啮合，齿轮21安装于伺服电机18上，伺服电机18与伺服电机控制开关8-2连接，广角摄像头22、安全限位阀23、伺服电机18、信号转换模组14、电源模组16、总电源开关8-1均与主板25连接，信号转换模组14分别与外接信号接口15、无线传输模组13输入端连接，外接信号接口15、无线传输模组13输出端与图像信息采集控制系统24连接。

优选地，所述筒型检测车4的车体内还设有与信号转换模组14连接的高精度倾角传感器17。

优选地，所述图像信息采集装置10通过螺纹连接于转接套管9前端，转接套管9后端通过螺纹连接于筒型检测车4前端。

优选地，所述广角摄像头22通过固定阀11固定于图像信息采集装置10的壳体上。

优选地，所述的轴向滚轮5有12个，分别设计于筒型检测车4外壁前后两端，各6个。

优选地，所述筒型检测车4为整体密封结构。

一种所述地应力测量钻孔孔内环境检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、当测试用钻孔深度到达设计指定深度后，对钻孔孔内残渣、岩粉进行清洗，清洗阶段完成后，进入钻孔孔内环境检测装置调试环节，打开总电源开关8-1和伺服电机开关8-2，将图像信息采集装置10安装于转接套管9前端，观察LED灯12是否正常，同时，打开图像信息采集控制系统24，检查无线/有线信号传输是否正常，观察图像信息传输和显示是否正常，均正常后准备组装各部件；

S2、移动筒型检测车4前进或后退，观察和检测系统图像采集、传输过程是否正常；

S3、各项数据传输正常后，将手持安装杆7安装于筒型检测车4后端的转接后盖6上，通过推动安装杆7将筒型检测车4推入大孔2，手持安装杆7缓缓向前推进，将筒型检测车4恒速推进钻孔内，广角摄像头22实时将拍摄的图像信号传输给主板25，主板25将接收的图像信号发送给信号转换模组14，信号转换模组14将转换后的信息通过外接信号接口15和/或无线传输模组13传送给图像信息采集控制系统24，工作人员通过图像信息采集控制系统24实时观察孔内图像显示结果，直至送至小孔3孔底预定位置，图像信息采集控制系统24保存好在筒型检测车4行进过程中孔内所采集的图像信息数据；

S4、图像信息采集完毕后，手持安装杆7将筒型检测车4缓缓退出大孔2，退出后将图像信息采集装置10和转接套管9换下取出；

S5、开启伺服电机开关8-2，通过伺服电机18控制测距尺19前进或后退，观察测距尺19行进是否正常，正常后将测距尺19进行复位归零，即测距尺19前端后退至出露最小长度值0刻度值，再将筒型检测车4送入小孔3内，待筒型检测车4无法推动时，停止前进，固定好筒型检测车4，关闭伺服电机开关8-2，待伺服电机18停止转动时，伺服电机18转入制动状态，然后退出筒型检测车4，记录下测距尺19出露刻度值，出露刻度值+筒型检测车4前端固定接口长度值

S6、根据图像显示信息和小孔深度测量结果，判断孔内环境条件是否满足地应力设备测试条件，同时记录下孔内检测结果和检测信息，以作为下一步是否进行测试的依据，如若孔内环境不满足地应力测试要求，应停止地应力测试设备的安装，重新寻找满足测试条件的位置；

S7、图像采集完毕后，做好孔内图像信息保存和孔深数据记录，在正式安装地应力测试设备前需再次进行孔内适测环境检测，以保障测试结果的可靠性和测试过程的成功率；

S8、测试完成后，对孔内围岩环境信息做好记录，并对检测装置进行污渍清理，让检测装置处于清洁、干燥状态，而后将各部件按原位装回检测装置箱，以待下一次检测使用。

本发明的有益效果是：

（1）仪器轻巧，检测过程直观、快捷且数据采集自动化，操作方便；

（2）设计思路简单，制作材质价格便宜，便于设计制造；

（3）可实现孔内壁岩图像信息实时传输显示，使用者可快速对孔内围岩质量条件进行判断；

（4）使用方便，采用无线数据传输，具备自动化采集能力，能适应复杂的孔内环境检测，抗干扰能力强；

（5）可实现孔内未知环境的窥视，提前准确判断孔内环境是否满足测试要求，避免盲目测试，降低测试失败率，节约测试成本，有效提高测试结果的可靠性；

（6）可对小孔段孔深实现机械式测量，测算孔底岩芯残留长度，进而判断是否具备安装地应力测量设备的需求，解决采用激光测距时小孔内水雾大、粉尘干扰导致测量误差大的问题，提高空心包体应力计；

（7）可为深地开挖工程地应力测量技术提供一种新型自动化孔内信息检测仪器，有效提高地应力测量结果的准确性和可靠性，降低测试成本，进而为地下开挖工程支护设计提供更为可靠的数据支撑，保障地下工程作业人员生命财产安全。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构图及筒型检测车的放大剖视图；

图2为本发明的图像信息采集装置的剖视图；

图3为本发明的广角摄像头的立体结构图；

图4为本发明筒型检测车的内部结构图；

图5为本发明的测距尺结构。

图中各标号为：围岩-1、大孔-2、小孔-3、筒型检测车-4、轴向滚轮-5、转接后盖-6、手持安装杆-7、总开关-8-1、伺服电机开关-8-2、转接套管-9、图像采集装置-10、固定阀-11、补光LED灯-12、无线传输模组-13、信号转换模组-14、外接信号接口-15、电源模组-16、高精度倾角仪-17、伺服电机-18、测距尺-19、齿轮-20、导向环-21、广角摄像头-22、限位安全阀-23、图像信息采集控制系统-24、主板-25。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图1-5所示，一种地应力测量钻孔孔内环境检测装置，包括：筒型检测车4、转接套管9、图像信息采集装置10、图像信息采集控制系统24，筒型检测车4包括车体及安装在车体上的内周向滚轮5、转接后盖6、无线传输模组13、信号转换模组14、主板25、电源模组16、伺服电机18、测距尺19，车体外壁设有周向滚轮5、总电源开关8-1、伺服电机控制开关8-2和外接信号接口15，无线传输模组13、信号转换模组14、主板25、电源模组16、伺服电机18、测距尺19安装在车体内，车体后端设有转接后盖6，转接后盖6后端通过螺纹连接手持安装杆7，车体前端可拆卸连接转接套管9，转接套管9前端可拆卸连接图像信息采集装置10，图像信息采集装置10包括壳体、补光LED灯12和广角摄像头22，广角摄像头22安装于壳体的前端中心位置，8个补光LED灯12呈环形平均布置于广角摄像头22周围，补光LED灯12用于提供摄像头信息采集的光线需求，广角摄像头22用于实时采集和观测孔内壁面裂隙发育、出水口、岩粉沉积量等信息，以便判断孔内围岩环境条件是否满足地应力测试要求。车体最前端和中部分别设有导向环20，测距尺19滑动安装导向环20内，转接后盖6前端的车体上设有安全限位阀23，测距尺19一侧壁设有刻度值，另一侧壁设有齿轮条，测距尺19通过齿轮条与齿轮21啮合，齿轮21安装于伺服电机18上，伺服电机18与伺服电机控制开关8-2连接，广角摄像头22、安全限位阀23、伺服电机18、信号转换模组14、电源模组16、总电源开关8-1均与主板25连接，信号转换模组14分别与外接信号接口15、无线传输模组13输入端连接，外接信号接口15、无线传输模组13输出端与图像信息采集控制系统24连接。

电源模组16为整个装置提供电源，可随时更换电源供应，有效提高工程环境的适应能力。转接套管9的长度可根据孔内深度加工，确保图像信息采集装置10的前端可以深入至小孔3的底部。

广角摄像头22通过信号线与主板25连接，主板25与信号转换模组14连接，通过信号转换模组14对图像数据信息进行转换处理，信号转换模组14通过外接信号接口15和/或无线传输模组13将转换后的图像信息传送给图像信息采集控制系统24上，大大提高了信号采集和传输过程的自动化和抗干扰能力。

本实施例所述筒形检测车4主要用于围岩孔内环境辨识，判断孔内出水量、出水位置、底孔残留岩芯长度、小孔实际孔深等指标，为地应力测试设备的安装提供准确、可靠孔内信息数据，同时，孔内壁岩图像采集结果也可作为工程扰动范围判别依据，可对工程围岩进行质量评价。

进一步地，所述筒型检测车4的车体内还设有与信号转换模组14连接的高精度倾角传感器17，高精度倾角传感器17可测量钻孔倾角大小，信号转换模组14通过外接信号接口15和/或无线传输模组13将转换后的钻孔倾角信息传送给图像信息采集控制系统24上。

安全限位阀用于控制所述测距尺19移动范围，防止测距尺19行进过程超量程脱齿。

进一步地，所述图像信息采集装置10通过螺纹连接于转接套管9前端，转接套管9后端通过螺纹连接于筒型检测车4前端，结构简单，拆卸方便。

进一步地，所述广角摄像头22通过固定阀11固定于图像信息采集装置10的壳体上，能使广角摄像头22固定牢靠，拍摄稳定。

进一步地，所述的轴向滚轮5有12个，分别设计于筒型检测车4外壁前后两端各6个。周向滚轮5用于保障行进过程中筒型检测车4的平衡与稳定，防止行进过程检测车歪斜、旋转等，保障图像信息采集过程的可靠性和稳定性。

进一步地，所述筒型检测车4为整体密封结构，外壁为合金材质，密封性好，具备防水功能，高精度倾角传感器17、无线传输模组13、信号转换模组14、主板25、电源模组16、伺服电机18均在其空腔内，具有保护检测车腔内各元件的作用。当测量小孔3的孔深，需要取掉转接套管9和图像信息采集装置10时，筒型检测车4最前端设计的导向环20就可有效抵御前端水量进入筒型检测车4腔内。

一种所述地应力测量钻孔孔内环境检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、当测试用钻孔深度到达设计指定深度后，对钻孔孔内残渣、岩粉进行清洗，清洗阶段完成后，进入钻孔孔内环境检测装置调试环节，打开总电源开关8-1和伺服电机开关8-2，将图像信息采集装置10安装于转接套管9前端，观察LED灯12是否正常，同时，打开图像信息采集控制系统24，检查无线/有线信号传输是否正常，观察图像信息传输和显示是否正常，均正常后准备组装各部件；

S2、移动筒型检测车4前进或后退，观察和检测系统图像采集、传输过程是否正常；

S3、各项数据传输正常后，将手持安装杆7安装于筒型检测车4后端的转接后盖6上，通过推动安装杆7将筒型检测车4推入大孔2，手持安装杆7缓缓向前推进，将筒型检测车4恒速推进钻孔内，广角摄像头22实时将拍摄的图片传输给主板25，主板25将接收的照片发送给信号转换模组14，信号转换模组14将转换后的信息通过外接信号接口15和/或无线传输模组13传送给图像信息采集控制系统24，工作人员通过图像信息采集控制系统24实时观察孔内图像显示结果，直至送至小孔3孔底预定位置，图像信息采集控制系统24保存好在筒型检测车4行进过程中孔内所采集的图像信息数据；

S4、图像信息采集完毕后，手持安装杆7将筒型检测车4缓缓退出大孔2，退出后将图像信息采集装置10和转接套管9换下取出；

S5、开启伺服电机开关8-2，通过伺服电机18控制测距尺19前进或后退，观察测距尺19行进是否正常，正常后将测距尺19进行复位归零，即测距尺19前端后退至出露最小长度值0刻度值，再将筒型检测车4送入小孔3内，待筒型检测车4无法推动时，停止前进，固定好筒型检测车4，关闭伺服电机开关8-2，待伺服电机18停止转动时，伺服电机18转入制动状态，然后退出筒型检测车4，记录下测距尺19出露刻度值，出露刻度值+筒型检测车4前端固定接口长度值

S6、根据图像显示信息和小孔深度测量结果，判断孔内环境条件是否满足地应力设备测试条件，同时记录下孔内检测结果和检测信息，以作为下一步是否进行测试的依据，如若孔内环境不满足地应力测试要求，应停止地应力测试设备的安装，重新寻找满足测试条件的位置；

S7、图像采集完毕后，做好孔内图像信息保存和孔深数据记录，在正式安装地应力测试设备前需再次进行孔内适测环境检测，以保障测试结果的可靠性和测试过程的成功率；

S8、测试完成后，对孔内围岩环境信息做好记录，并对检测装置进行污渍清理，让检测装置处于清洁、干燥状态，而后将各部件按原位装回检测装置箱，以待下一次检测使用。

本发明测距装置由限位安全阀23、伺服电机18、测距尺19、齿轮21、导向环20相互接触与联动组成，由伺服电机18带动齿轮20转动，进而牵引带齿轮条的测距尺19前后移动，当测距尺19前端触及岩石时，自动停止，而后退出检测车，读取测距尺19出露筒型检测车4的刻度值并做好该数值的记录，进而实现对小孔3真实深度的精准测量。同时，由于钻孔较深且孔径小，孔底残留岩芯段难以准确计算，会影响空心包体应力计的安装，通过小孔段的孔深金准测量，还可间接计算底孔段残留岩芯长度，以作为是否需要处置孔底残留岩芯的依据，有效解决了空心包体常常因小孔深度测距不准或岩芯残留堵孔导致安装失败的问题，也避免了仅凭经验感觉或主观臆测开展测试导致试验失败的问题，极大地提高测试成功率，降低测试成本，保障了测试结果的可靠性。

本发明将钻孔内深不可见的未知环境信号在图像信息采集控制系统24的显示栏上显示，技术员或测试人员便可通过实时显示的图像信息判断孔内环境是否适宜开展地应力测试，以作为地应力测试设备安装前的参考依据；同时，为解决钻孔内小孔段孔底残留岩芯长度难以精确测量的问题，本发明的检测装置采用接触式直接测量方法对小孔3的深度，有效避免了小孔段孔内水、水雾、粉尘、残渣等对测距的影响，测试结果更具可靠性，对顺利安装空心包体应力计提供了有力保障，从而大大提高测试成功率。

以上结合附图对具体实施方法作了较详细的说明，但是本专利并不限于上述实施方法，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利的宗旨的前提下作出各种变化。依本发明范围所做的等效变化，采用不同尺度下的设计构造均纳入本发明的保护范围。