岩体多维信息参数原位获取装置及其方法

本技术涉及金属矿山地下开采领域，尤其是涉及一种岩体多维信息参数原位获取装置及其方法。

背景技术：

1、地下金属矿产资源开发利用是国民经济发展的重要支撑，而地下开采的开拓和采准工序是矿山生产和矿业发展的核心工程。金属矿山地下开采目前施工多沿用传统技术。

2、常规巷道施工前的准备过程通常需要现场钻探、取芯、样品处理以及实验室测试来获取岩体力学特性及结构面特性，程序耗时，成本高昂，且相对原位监测不能做到及时评估，影响工程效率的同时无法满足资源开采从粗放型向精细化、智能化发展的需求。伴随着科学技术的发展，全新的原位监测设备使得力学参数、结构面图像、矿物成分等岩体特性的实时采集变得更加容易。

3、因此，通过将随钻监测装置、钻孔成像仪、岩土声波仪等离散设备集成化，利用复杂地形驱动技术、多传感器融合技术、数字图像处理技术等实现岩体特性多维信息参数的原位获取，为金属矿山的机械化、智能化、无人化发展奠定一定的基础是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了实现随钻监测装置、钻孔成像仪、岩土声波仪等离散设备集成化，利用复杂地形驱动技术、多传感器融合技术、数字图像处理技术等实现岩体特性多维信息参数的原位获取，本技术提供岩体多维信息参数原位获取装置。

2、本技术提供的岩体多维信息参数原位获取装置采用如下的技术方案：

3、一种岩体多维信息参数原位获取装置，包括多功能监测车本体，功能监测车本体的顶部铰接有连杆一，连杆一远离多功能监测车本体的端部铰接有连杆二，连杆二远离连杆一的一端铰接有钻杆，钻杆远离连杆二的一端固定连接有取芯钻头；钻杆上设置有位移传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器用于实时记录钻进过程中的转速、推进力、扭矩、钻进速度以及破岩比能；多功能监测车本体的顶部固定连接有支撑架，支撑架的顶部设置有岩土声波仪和高清多功能钻孔全景成像仪，岩土声波仪用于监测取芯钻进生成的钻孔沿程岩体的波速，并根据声波速度划分岩体松动区，高清多功能钻孔全景成像仪用于获取孔壁岩体的高清数字图像，以此识别和提取结构面特征；多功能监测车本体上设置有空心包体应力计，空心包体应力计用于测试岩体地应力大小及沿程分布；多功能监测车本体上设置有便携式数字彩色岩芯扫描仪，便携式数字彩色岩芯扫描仪用于对钻进取出的岩芯进行扫描，扫描后的岩芯壁图像对照高清多功能钻孔全景成像仪获取的孔壁岩体的高清数字图像确定岩芯在钻孔中的空间特征，以实现岩芯重定位；多功能监测车本体上设置有便携式点载荷仪系统和近红外矿物分析仪，便携式点载荷仪系统用于对岩芯进行多方位点载荷加载，获取岩石的抗压强度和抗拉强度，近红外矿物分析仪用于直接分析获取岩芯碎块的矿物成分。

4、通过采用上述技术方案，通过将随钻监测装置、钻孔成像仪、岩土声波仪等离散设备集成设置于多功能检测车上，利用复杂地形多功能监测车、多传感器融合技术、数字图像处理技术等实现岩体特性多维信息参数的原位获取，改善了传统的工程施工质量差，难以实现精细化作业，为金属矿山的机械化、智能化、无人化发展奠定一定的基础。

5、可选的，所述多功能监测车本体上还设置有：

6、钻孔及随钻分析模块，用于控制连杆一和连杆二调整方位后采用取芯钻头钻取岩芯，同时收集随钻参数进行力学特性分析；

7、孔内电视模块，用于对所述钻孔通过孔内电视装置获取孔壁高清数字图像，快速、精确提取结构面特征；

8、孔内声波测试模块，用于控制岩土声波仪监测钻孔区域岩体的纵波波速后，划分岩体松动区范围；

9、孔内地应力测试模块，用于指导空心包体应力计基于钻孔套芯应力解除法测量地应力；

10、岩芯扫描及重定位模块，用于收集所述岩芯经由便携式数字彩色岩芯扫描仪扫描的岩芯图像后自动与孔壁图像对照实现岩芯重定位；

11、岩芯点载荷测试模块，用于计算分析点荷载仪系统测试结果，获取岩芯抗压和抗拉强度；

12、岩芯碎块矿物成分分析模块，用于根据近红外光谱技术分析并采集岩芯碎块的矿物成分；电子岩芯建模模块，用于基于计算机数字孪生技术生成岩体全程、全信息电子岩芯。

13、通过采用上述技术方案，钻孔及随钻分析模块、孔内电视模块、孔内声波测试模块、孔内地应力测试模块、岩芯扫描及重定位模块、岩芯点载荷测试模块、岩芯碎块矿物成分分析模块、电子岩芯建模模块实现岩体特性多维信息参数的原位获取，为金属矿山的机械化、智能化、无人化发展奠定一定的基础。

14、可选的，所述连杆一和多功能监测车本体的连接处设置有减震机构；所述减震机构包括固定连接于多功能监测车本体上的减震垫板，减震垫板的顶部固定连接有四根导向柱，导向柱的轴向竖向设置，导向柱上滑移连接有定位座，连杆一铰接于定位座上，导向柱位于定位座的四个角落处，每根导向柱上套设有两根减震弹簧，减震弹簧分别位于定位座的两侧，减震弹簧靠近定位座的端部均固定连接于定位座上。

15、通过采用上述技术方案，当钻杆带动连杆一振动后，定位座沿导向柱滑动，定位座向下运动压缩底部的减震弹簧，同时拉伸顶部的减震弹簧，当定位座向上滑动时，拉伸底部的减震弹簧，压缩顶部的减震弹簧，连杆一带动定位座往复振动，定位座带动减震弹簧的拉伸或收缩，能够消耗震波，进而减小钻杆振动对多功能监测车本体的振动。

16、可选的，所述定位座底部的中间位置铰接有两根连接杆，连接杆的端部均铰接于定位座底部的中间位置处，减震垫板的顶部固定连接有一杆滑移柱，滑移柱的轴向水平设置，滑移柱上滑移连接有两个滑块，连接杆远离定位座的一端分别固定连接于一个滑块上，滑移柱上套设有复位弹簧，复位弹簧位于滑块相背的一侧。

17、通过采用上述技术方案，当定位座向下滑动的过程中，定位座推动连接杆向下运动，使连接杆推动滑块压缩复位弹簧，复位弹簧压缩对定位座的振动形成阻尼力，复位弹簧的拉伸和收缩能够进一步的减小定位座的振动。

18、可选的，所述减震垫板的顶部固定连接有两块限位板，两块限位板对称固定连接于减振垫板的两侧，限位板上竖向开设有导向槽，定位座的两侧固定连接有导向块，导向块延伸至导向槽内并能够在导向槽内滑动，导向块的底部固定连接有拉绳，减震垫板的顶部固定连接有导向轮，限位板上固定连接有辅助弹簧，辅助弹簧的一端固定连接于限位板上，另一端与拉绳固定连接，拉绳穿过导向轮后两端分别与限位板和辅助弹簧固定。

19、通过采用上述技术方案，当定位座竖向振动的过程中，定位座通过拉绳带动辅助弹簧收缩或舒张，进而减小定位座的振动，达到减小钻杆振动对多功能监测车本体的振动。

20、可选的，所述减震垫板顶部的四个角落设置有挡板，挡板竖向设置且与限位板的端部对应，限位板的两端分别固定连接有弧形的减震板一，挡板上也设置有弧形的减震板二，减震板一和减震板二的弯曲方向相反，且减震板一和减震板二的中部相互抵接，减震板一和减震板二均为具有弹性的钢板。

21、通过采用上述技术方案，取芯钻头通过连杆一带动定位座振动，定位座推动减震板一和减震板二能够发生形变，进而消耗震波，减少震波对多功能监测车本体的振动，进而减小取芯钻头。

22、可选的，所述连杆二和连杆一的连接处设置有缓冲机构；所述连杆二的端部开设有插接槽，缓冲机构包括铰接于连杆一端部的缓冲杆，缓冲杆插接于插接槽内，连杆二的端部固定连接有两根固定杆，固定杆对称设置于插接槽的两侧，固定杆上固定连接有缓冲块，缓冲块的底部固定连接有滑移块，缓冲杆上开设有滑槽，滑移块滑移连接于滑槽内；缓冲块远离连接块的一侧固定连接有多根冲压柱，冲压柱外套设有缓冲弹簧，缓冲杆上固定连接有隔板，隔板对应冲压柱的位置开设有通孔，通孔用于供冲压柱穿过，缓冲弹簧位于缓冲块和隔板之间。

23、通过采用上述技术方案，取芯钻头在钻孔的过程中，与岩石撞击后，连杆二通过固定杆推动缓冲块滑动，缓冲块挤压缓冲弹簧，同时带动冲压柱滑动并挤压缓冲柱，缓冲弹簧压缩给缓冲块有一定的活动空间，进而能够使取芯钻头受到外力挤压后有一定的缓冲空间，进一步延长取芯钻头的使用寿命。

24、可选的，所述缓冲杆上固定连接有挡料板，挡料板靠近缓冲块的一侧开设有多个v型槽，缓冲杆上固定连接有多根缓冲柱，缓冲柱位于挡料板的v型槽内，冲压柱穿过隔板的通孔后与缓冲柱一一对应。

25、通过采用上述技术方案，取芯钻头在钻孔的过程中，与岩石撞击后，连杆二通过固定杆推动缓冲块滑动，缓冲块带动冲压柱滑动并挤压缓冲柱，缓冲柱的形变给缓冲块有一定的活动空间，进而能够使取芯钻头受到外力挤压后有一定的缓冲空间，进一步延长取芯钻头的使用寿命。

26、为了实现随钻监测装置、钻孔成像仪、岩土声波仪等离散设备集成化，利用复杂地形驱动技术、多传感器融合技术、数字图像处理技术等实现岩体特性多维信息参数的原位获取，本技术提供岩体多维信息参数原位获取方法。

27、本技术提供的岩体多维信息参数原位获取方法采用如下的技术方案：

28、一种岩体多维信息参数原位获取装置的方法，包括如下步骤：

29、s1、随钻参数采集：通过多功能监测车本体上的钻杆和取芯钻头对待施工岩体进行取芯钻进，通过位移传感器、压力传感器、扭矩传感器、转速传感器等随钻监测装置以s的间隔实时记录钻进过程中的转速、推进力、扭矩、钻进速度以及破岩比能，并将记录的数据上传至数据处理系统，对数据进行存储和处理，先由随钻监测装置收集并计算获取随钻参数，再建立随钻参数与力学特性的关系模型；

30、s2、孔内高清摄影：在上述钻进生成的钻孔中通过高清多功能钻孔全景成像仪获取孔壁岩体的高清数字图像，以此识别和提取结构面特征；图像处理系统自动地对孔壁图像进行采集、展开、拼接、记录，再通过计算机视觉技术直接进行岩芯结构面特征描述；

31、s3、孔内射波速度测试：根据岩土声波仪监测上述孔沿程岩体的波速，并根据声波速度划分岩体松动区；

32、s4、钻孔应力计测量：通过空心包体应力计测试岩体地应力大小及沿程分布；

33、s5、岩芯数字扫描：将上述钻进取出的岩芯经由便携式数字彩色岩芯扫描仪进行扫描，扫描后的岩芯壁图像对照钻步骤a中获得的孔壁图像确定岩芯在钻孔中的空间特征，以实现岩芯重定位；

34、s6、岩芯力学试验：通过便携式点载荷仪系统对岩芯进行多方位点载荷加载获取岩石的抗压强度和抗拉强度；将步骤s扫描后的岩芯放入便携式点载荷仪系统进行多方位的加载试验，根据国内现有的点荷载强度与单轴抗压强度、抗拉强度的关系试验研究成果选择相应岩石并具有代表性的模型间接获取抗压强度和抗拉强度；

35、s7、岩块红外光谱分析：通过近红外矿物分析仪直接分析获取岩芯碎块的矿物成分；

36、s8、生成岩体全程、全信息电子岩芯：将上述获取的钻孔全程岩芯空间姿态信息、岩体力学特性、岩体矿物成分、岩体结构面信息、岩体声波速度、地应力等信息存入电子岩芯库，通过计算机数字孪生技术生成岩体全程、全信息电子岩芯。

37、通过才用上述技术方案，岩体多维信息参数原位获取方法主要通过上述八个步骤构建了包含岩体力学特性、结构面特性、岩体松动区分布、岩体矿物成分以及岩芯空间姿态等信息的岩体全程、全信息电子岩芯，远程指导实际施工的同时解决了实物岩芯运输、管理的工序繁杂问题，并且电子岩芯数据全面可靠，对金属矿山地下开采精细化施工具有重要的理论和应用价值。此外，多功能监测车配备履带式行走机构的同时可进行遥控控制，并集合各种模块实现了兼具灵活性的地下智能施工勘探，其中通过钻孔及随钻分析模块对待开采岩体进行取芯钻进，再采用其他模块收集钻孔图像、地应力分布等信息，再分别对信息进行统计分析，可以在岩体原位监测的基础上，实现多功能集成化的连续钻进监测，并且操作过程简单，大幅提高了勘探效率。