地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统及方法

本发明涉及煤矿巷道围岩应力及破裂探测设备，尤其涉及一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、地应力是深部矿产资源开发中围岩稳定性评价、矿山工程设计和灾害机理研究等方面的重要基础参数。随着深度增加地应力增大，尤其埋深超过1000m后，赋存于岩体内的高地应力导致的工程灾害日趋增多，且全生命周期的工程安全风险显著升高，给井巷工程设计、施工技术和安全保证措施等带来极大挑战。目前常用地应力测量装置主要基于水压致裂、钻孔应力解除法进行测量。

3、此外，煤岩体中存在多种结构面，控制着煤岩体的力学性质及其变形与破坏特征，而且，在很多情况下，结构面对煤岩体力学性质的控制作用远大于煤岩材料本身。因此，了解煤岩体中层理、节理、裂隙等结构面的分布及其力学特性，对研究围岩的稳定性，煤岩体工程设计、施工及安全等有重要作用。而煤岩体结构观察与测试的方法有很多，在煤岩体被揭露的地方，其结构暴露出来，可以通过肉眼直接进行观察和描述；对于没有被工程揭露的煤岩体，要想了解煤岩体结构，就应在煤岩体中打钻孔，目前，了解钻孔煤岩体结构的方法主要有:岩芯采取法和钻孔壁观察法。

4、为更好的进行围岩稳定性评价与矿上工程设计，就需要更精准的测量围岩地应力与探测裂隙层理发育情况，研发更便捷的围岩地应力与裂隙发育装备。

5、目前相关用于围岩地应力测量与围岩裂隙层理发育情况探测的装置研究现状如下：

6、发明名称为一种超深钻孔地应力测量系统及方法，公开号为cn115522921a的中国发明专利，其包括由上而下依次拼接的上部固定装置、岩芯切割及取样装置、贴片及数据采集装置、孔壁打磨装置、传感器吊舱以及下部固定装置，通过多级控制装置深入深部钻孔获取地应力数据。但由于深部钻孔内障碍物及堆积岩屑等，会阻挡该装置的不断深入，从而无法获取深部钻孔地应力数据。

7、发明名称为主动承压式可定位钻孔应力计及其探测方法，公开号为cn102914393a的中国发明专利，该装置通过将将主动承压式可定位钻孔应力计捆绑在竿子上，用竿子推入钻孔中，到达指定深度后进行固定，随着时间的推移，岩层发生变形，刚性承载件被压入柱状壳体内，使油脂压缩，从而对弹性感应体施压，进而监测岩体应力变化。该装置操作十分不便捷，加之巷道围岩钻孔环境复杂存在无法安装固定等情况，可控性差，监测不准确。

8、发明名称为一种集成钻孔窥视装置,公开号为cn110778886a的中国发明专利，该装置通过推杆将镜头推入钻孔内部，进行围岩裂隙层理发育探测，但由于钻孔内部一般有大量煤灰、岩屑等，使得镜头在探入过程容易被附着变脏，影响探测效果。

9、综上所述，现有围岩地应力测量与围岩裂隙层理发育情况探测设备具有局限性，操作模式复杂，极其依赖人工，易受钻孔环境影响，且无法同时实现对地应力与围岩裂隙层理发育情况进行探测，亟需研制更加便捷智能的探测设备。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统及方法，可同时进行煤矿巷道围岩钻孔应力测试与钻孔窥视，借助无障碍智能行走装置与无线传输系统实现探测设备的智能安装与测试，从而使得采集过程更便捷、采集数据更精确。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、本发明第一方面提供了一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，包括：

4、头部探测机构，包括头部框架、应力传感器、弧面支撑框架、伸缩杆和钻孔窥视设备，所述头部框架为框架结构，头部框架外围外接有弧面支撑框架，头部框架和弧面支撑框架通过伸缩杆连接，弧面支撑框架上设置有若干个应力传感器和钻孔窥视设备，应力传感器用于对围岩地应力进行采集，钻孔窥视设备用于对围岩进行探测记录；

5、主体支撑机构，包括主体框架和地形扫描探头，主体框架前端与头部框架相连，主体框架下表面与行走机构相连，主体框架上安装有地形扫描探头，用于扫描地形；

6、行走机构，用于实现地应力测试系统的行走功能和避障功能。

7、进一步的，所述伸缩杆共五个，均安装在头部框架表面的中心位置，除后方未安装伸缩杆外，其余五个面均通过伸缩杆使头部框架与弧面支撑框架相连接。

8、更进一步的，当探测到达指定深度后，伸缩杆伸长，将弧面支撑框架撑开，使弧面支撑框架与围岩四周相接触，进而对收缩变形围岩进行应力恢复。

9、进一步的，弧面支撑框架的上表面、侧表面和前表面上分别安装有三向应力传感器，钻孔窥视设备为钻孔窥视高清摄像头，分别安装在弧面支撑框架的前上表面和前下表面。

10、进一步的，所述主体框架尾部装有无线传输器，通过无线传输器与控制装置及数据收集装置连接，实现远程无线操控与数据收集处理。

11、进一步的，所述主体框架为长方体形状，上表面和下表面的前后端均安装有地形扫描探头，用于探测前进和后退过程中存在的地形和障碍物。

12、进一步的，所述主体框架上还安装有电源设备，用于为系统提供电能。

13、进一步的，所述的行走机构包含行走腿、转动轮、转动腿和行走轮，在地形主体框架下表面与行走腿相连接，行走腿末端通过转动轮与转动腿连接，转动轮用于控制转动腿进行旋转，转动腿末端与行走轮相连，行走机构通过行走轮进行行走。

14、更进一步的，所述行走轮上装有高摩擦阻力轮胎。

15、本发明第二方面提供了一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像方法，包括以下步骤：

16、根据探测要求于巷道一侧在围岩内进行钻孔，形成探测钻孔；

17、第一方面所述地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统沿钻孔进行前进并对围岩裂隙及层理发育情况进行探测；

18、当探测到达指定深度后，利用头部探测机构对钻孔地应力数据进行采集；

19、完成探测后，地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统在探测钻孔内通过后退的方式撤出。

20、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

21、本发明公开了一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统及方法，通过伸缩杆与弧面支撑框架实现了围岩应力恢复，从而可测得围岩三向地应力，借助高精度钻孔窥视探头可在装置前进过程实现围岩层理裂隙发育状况探测，实现了地应力测量与钻孔窥视探测的同时进行。

22、本发明通过行走机构与地形识别探头可实现探测装置的自动避障前行，适应不同钻孔深度及孔径环境，更简单便捷地到达深部钻孔指定位置的从而大大降低了对钻孔质量的要求，减少了人工工作量，可单人完成操作。

23、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述伸缩杆共五个，均安装在头部框架表面的中心位置，除后方未安装伸缩杆外，其余五个面均通过伸缩杆使头部框架与弧面支撑框架相连接。

3.如权利要求2所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，当探测到达指定深度后，伸缩杆伸长，将弧面支撑框架撑开，使弧面支撑框架与围岩四周相接触，进而对收缩变形围岩进行应力恢复。

4.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，弧面支撑框架的上表面、侧表面和前表面上分别安装有三向应力传感器，钻孔窥视设备为钻孔窥视高清摄像头，分别安装在弧面支撑框架的前上表面和前下表面。

5.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述主体框架尾部装有无线传输器，通过无线传输器与控制装置及数据收集装置连接，实现远程无线操控与数据收集处理。

6.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述主体框架为长方体形状，上表面和下表面的前后端均安装有地形扫描探头，用于探测前进和后退过程中存在的地形和障碍物。

7.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述主体框架上还安装有电源设备，用于为系统提供电能。

8.如权利要求1所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述的行走机构包含行走腿、转动轮、转动腿和行走轮，在地形主体框架下表面与行走腿相连接，行走腿末端通过转动轮与转动腿连接，转动轮用于控制转动腿进行旋转，转动腿末端与行走轮相连，行走机构通过行走轮进行行走。

9.如权利要求8所述的地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统，其特征在于，所述行走轮上装有高摩擦阻力轮胎。

10.一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统及方法，涉及煤矿巷道围岩应力及破裂探测设备技术领域。地下工程围岩钻孔地应力测试与孔壁窥探成像系统包括：头部探测机构、主体支撑机构和行走机构。可通过伸缩弧面支撑框架实现围岩应力恢复，从而测得围岩三向地应力，借助高精度钻孔窥视探头可在装置前进过程实现围岩层理裂隙发育状况探测，实现了地应力测量与钻孔窥视探测的同时进行，通过行走机构与地形识别探头可实现探测装置的自动避障前行。技术研发人员：王伟,王汉鹏,武允昊,张金厚,赵盛男,郭文婷受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11