收稿日期 :2008-10-17 基金项目 :国家自然科学基金项目(50674083 , 50490273);国家“ 十一五” 科技 支撑计 划项 目(2008BA B36B07);教 育部重 点科技 项目
(106085) 作者简介 :靖洪文(1963-), 男 , 山东省聊城市人 , 教授 , 博士生导师, 从事岩石力学与工程以及巷道支护理论与技术方面的研究 . E-mail :hw jing @cum t .edu .cn Tel :0516-83885487
(a)平面展开图
(b)三维钻孔岩芯图
图 3 平面展开图和三维钻孔岩芯 Fig .3 Ex panding images and 3D image o f bo rehole co re
1.2 钻孔摄像测量系统工作原理 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 .
图 1 全景数字 钻孔摄像系统系统组成 Fig .1 Bo rehole came ra system
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
w as used t o m easure the relax ation zone o f a deep roadw ay in the Qiw u coal mine o f Shandong pro vince .T he distribution of the relaxatio n zo ne around the roadw ay w as obt ained .T he result s show that t he thickness of t he broken rock zone varies w it h t he m easuring po sitio n w i thi n a cro ss section o f t he roadw ay .T he reliabili ty o f t he measuring met hod w as tested and verified by comparing t he dat a f rom BC T w it h those measured by an ul trasonic met ho d :T he diff erence i s less than 3 .5 %.T he sy stem provides a new m ethod fo r the measurem ent of the relaxatio n zone w hen engineering deep underground . Key words:borehole camera gechnolo gy ;racks ;index o f roundness ;broken rock zone ;image
1 钻孔摄像松动圈测试系统
1.1 钻孔摄像松动圈测试系统组成 全景数 4] 组成 .
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[ 10] .
(State Key L abo rato ry fo r G eomechanics & Deep U nder gr ound Eng ineering ;School of A r chitecture & Civil Engineering , China U niver sity o f M ining & T echno log y , Xuzho u, Jiang su 221008, China)
Abstract :A pano ramic boreho le camera technolo gy (BCT )and digi tal image processing met hod w as develo ped by const ruct ing a sy stem com po sed of ha rdw are and so f tw are .T he technolo gy w as used fo r measuring t he relax ation zo ne of surrounding rock w it h t he borehole camera .T he hardw are consist s o f a mini CCD camera and a hi gh-pressure sealed m ag net ic compass t hat is used fo r camera posi tioning .T he so ft w are includes real-time image mo nit oring and a processing pro gram t hat includes t he procedure f o r analysi s of the relaxatio n zone .T he roundne ss o f cracks in the bo reholes is taken as the index fo r identify ing t he relaxatio n zone .T he system
图 2 钻孔全景图像 Fig .2 P ano ramic image of bo reho le
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)实时图像采集系统的功能特点 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)处理统计分析系统的功能特点 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 .
磁性罗盘以及微型 CCD 摄像机等 , 软件系统则包括钻孔图像实时监视与实时处理(如图像无缝
拼接 、平面图展开 、三维钻孔岩芯生成)以及松动圈的分析程序 .在松动圈识别关键技术中 , 提出
了用钻孔图像中围岩裂缝的圆形度指标作为判断围岩松动圈标准的新思路 .首次将其应用于山
东七五煤矿深井围岩松动圈的测试工作 , 获得了围岩松动圈厚度值在巷道断面不同部位有较大
钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践
靖洪文 , 李元海 , 梁军起 , 于德成
(中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 , 建筑工程学院 , 江苏 徐州 221008)
摘要 :利用全景钻孔数字摄像技术和数字图像处理与分析方法 , 研制了全景数字钻孔摄像煤矿
巷道围岩松动圈测试系统 , 该系统由硬件和软件 2 大部分组成 , 硬件系统包括高压密封摄像定位
文章编号 :1000-1964(2009)05-0645-05
Borehole Camera T echnology fo r M easuring the Relax ation Zone of Surrounding Rock :M echanism and Application
JING H o ng-w en , L I Yuan-hai , LIANG Jun-qi , YU De-cheng
第 38 卷 第 5 期 中国矿业大学学报 V ol .38 N o .5
2009 年 9 月 Journal o f China Univ ersity of M ining & T echnology Sep .2009
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)
第 5 期 靖洪文等 :钻孔摄像测试围 岩松动圈的机理与实践
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图 4 三维模型 F ig .4 3D image
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 .
6 46 中 国 矿 业 大 学 学 报 第 38 卷
pro cessi ng (IP)
已有研究表明 :高应力地下工程围岩的物理状 态分区依次是 :破裂区 、塑性区 、弹性区和原岩应力 区 .破裂区一般环绕巷道周边 , 故被称为围岩松动 圈[ 1-2] .围岩松动圈是煤矿巷道工程中普遍存在的 客观物理力学状态 , 它对地下工程稳定性的影响至 关重要 .在国外 , 1907 年太沙基就观测到了围岩的 松动状态(冒落拱), 并提出了支护 自重荷载的概 念 , 至今仍广泛应用于国内外浅部地下工程设计 . 在国内 , 经过长期研究 , 1985 年系统地提出围岩松 动圈支护理论 , 在煤炭系统得到广泛应用[ 1] .运用 这些理论 , 需要知道松动圈的范围 , 因此测试松动 圈厚度值具有重要的理论和实际价值 .巷道围岩松 动圈有许多实测方法 , 声波法是最为常用的方法 . 借助国家“八五”科技攻关项目 , 中国矿业大学开发 了用于煤矿巷道的“超声波围 岩松动圈测试仪” , 使声波法在国内煤矿巷道中得到推广应用 .但因声 波法需要钻孔 , 用水作为探头与岩石间的耦合剂 , 对强度低的围岩 , 如膨胀性泥岩因遇水膨胀而使得 测试困难 .近年来 , 钻孔摄像相关技术在道路[ 3-5] 、 岩土模型实验[ 6] 、土体剪切带识别[ 7] 、地基离心试 验[ 8] 、隧道模型试验[ 9] 等方面 得到越来 越多的应 用 , 且取得了良好效果 .为此 , 我们用钻孔摄像测试 技术 , 研制了新的全景数字摄像及图像处理系统 , 在用声波法测试困难的煤系地层巷道中 , 成功地取 得了煤层 、泥岩和砂岩组合围岩中松动圈分布的数 据 , 为研究煤层巷道的稳定性提供了依据 .