一种金属矿巷道岩石原位力学综合测试系统的制作方法

本发明涉及金属矿巷道岩石原位力学参数测试，具体涉及一种金属矿巷道岩石原位力学综合测试系统。

背景技术：

1、金属矿山巷道围岩的稳定性评价与支护设计依赖于岩体的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、粘聚力及内摩擦角等力学参数，以及由开挖卸荷引起的损伤区厚度。目前，获取上述参数的主要手段为室内岩石力学试验和现场点式测试。室内试验需通过钻孔获取岩芯，经运输和加工制备成标准试件，此过程中岩芯经历应力解除与机械扰动，导致测得的力学参数与岩体原位响应之间存在显著差异。现场点式测试以钻孔弹模仪为代表，其通过钻孔膨胀施加压力并记录变形，仅能获取钻孔局部范围的弹性模量，无法提供单轴抗压强度、粘聚力、内摩擦角等强度准则参数，且测试结果受孔壁粗糙度和耦合条件影响较大，代表性有限。声发射技术可感知岩体内部微破裂产生的弹性波，反映损伤演化进程，但由于缺乏与载荷水平、变形场的同步记录，独立的声发射监测无法将微破裂的空间分布与力学边界条件相关联，难以作为反演岩体力学参数的定量约束。

2、为更接近岩体原位状态，已有技术采用扁平千斤顶在岩壁预切狭缝中施加载荷，利用千分表或位移计测量表面变形，依据弹性半空间解析解反算变形模量。该方法将围岩简化为均质各向同性体，未考虑开挖损伤区厚度及其内部模量衰减的影响，反演结果无法分离原岩特性与损伤弱化效应，且仅能获得变形模量，无法测定强度参数。数字图像相关技术通过相机拍摄表面散斑图像计算全场位移，但若图像采集时刻与载荷、声发射信号的采样时刻缺少硬件层面的同步，将导致多源数据时间基准不一致，所建立的数值模型输入存在不可忽视的时间错位，严重降低反演精度。一些研究尝试构建有限元模型，以实测载荷-位移曲线为目标反演岩体参数，但待反演参数集中未包含开挖损伤区厚度变量，致使最优参数组合可能补偿损伤区的影响，弱化了参数的物理意义。

3、巷道开挖损伤区厚度是确定锚杆长度、衬砌厚度等支护设计参数的关键依据。目前主要依靠钻孔电视观察裂隙分布或声波波速测试推断损伤深度，这类方法仅给出几何或波速变化界面，难以定量评价损伤区内力学性质的折减程度。缺少位移场、声发射事件空间分布及严格硬件同步的多源数据联合约束，现有技术无法同时求解原岩力学参数与开挖损伤区厚度。因此，亟需一套将伺服控制分级加载、双目立体视觉全场位移测量、多通道声发射波形采集、基于全球定位系统的硬件同步触发及包含损伤区厚度变量的有限元反演模型集成于一体的测试系统，通过时空统一的多参量联合约束，实现金属矿巷道岩体原位力学特性的综合测定。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种金属矿巷道岩石原位力学综合测试系统，用于解决金属矿巷道围岩原位力学参数与开挖损伤区厚度无法同步准确测定的问题。本发明通过同步数据采集控制器以全球定位系统驯服时钟向原位伺服加载模块、双目立体视觉全场位移测量模块和声发射监测模块发出同步触发脉冲，为载荷模拟信号、压头位移模拟信号、立体图像对序列信号和声发射波形信号附加绝对时间戳，形成多源同步数据包信号；数据处理与反演计算机接收该信号，运行岩石力学参数反演程序，构建包含开挖损伤区厚度变量的横观各向同性弹塑性有限元模型，以实测三维位移场和声发射事件空间分布联合约束，采用莱文贝格-马夸特算法迭代求解弹性模量、强度参数和损伤区厚度。

2、本发明提供一种金属矿巷道岩石原位力学综合测试系统，包括：

3、原位伺服加载模块，所述原位伺服加载模块对巷道岩壁施加分级载荷，形成载荷模拟信号和压头位移模拟信号；

4、双目立体视觉全场位移测量模块，所述双目立体视觉全场位移测量模块采集加载区域散斑图像，形成立体图像对序列信号；

5、声发射监测模块，声发射监测模块接收岩石微破裂弹性波，形成声发射波形信号；

6、同步数据采集控制器，同步数据采集控制器分别连接原位伺服加载模块、双目立体视觉全场位移测量模块和声发射监测模块，向各模块输出同步触发脉冲信号，并接收载荷模拟信号、压头位移模拟信号、立体图像对序列信号和声发射波形信号，为所接收信号附加绝对时间戳，打包形成多源同步数据包信号；

7、数据处理与反演计算机，数据处理与反演计算机接收多源同步数据包信号，运行岩石力学参数反演程序，形成原位力学参数信号。

8、优选地，原位伺服加载模块包括承载框架、伺服液压缸、球头压头、载荷传感器和位移传感器，承载框架通过多根锚杆固定于巷道岩壁，伺服液压缸安装于承载框架并驱动球头压头接触岩壁施加法向载荷或切向载荷，载荷传感器串接于球头压头与伺服液压缸之间并输出载荷模拟信号，位移传感器安装于伺服液压缸缸体与活塞杆之间并输出压头位移模拟信号，承载框架由两条弧形钢轨和可沿弧形钢轨滑动的滑块组成，伺服液压缸与滑块固定连接，滑块由步进电机驱动沿弧形钢轨移动，使得球头压头在承载框架保持锚固状态下能够依次对多个预设测点施加载荷，滑块还设有锁止机构，锁止机构在加载时将滑块锁定于弧形钢轨的预设位置。

9、优选地，同步数据采集控制器包括全球定位系统驯服时钟、逻辑控制单元和多通道同步采集板卡，全球定位系统驯服时钟输出绝对时间基准信号，逻辑控制单元根据预设的分级加载制度生成同步触发脉冲信号，通过硬件线缆将同步触发脉冲信号分别输出至原位伺服加载模块的载荷采集通道和位移采集通道、双目立体视觉全场位移测量模块的图像采集卡以及声发射监测模块的高速采集卡，多通道同步采集板卡同步接收载荷模拟信号、压头位移模拟信号、立体图像对序列信号和声发射波形信号，逻辑控制单元为每一个数据帧或数据包附加对应触发时刻的绝对时间戳，并将附加了绝对时间戳的数据重组为多源同步数据包信号输出至数据处理与反演计算机。

10、优选地，双目立体视觉全场位移测量模块包括第一工业相机、第二工业相机、散斑投射器、图像采集卡和同步触发接口，第一工业相机和第二工业相机均为具有全局快门的面阵电荷耦合器件相机，两者以预设基线距离固定安装并使各自光轴以预设夹角相交于加载区域，散斑投射器安装于第一工业相机和第二工业相机之间且其投射方向覆盖加载区域，用于在加载区域表面形成随机散斑图案，图像采集卡通过同步触发接口接收同步数据采集控制器输出的同步触发脉冲信号，图像采集卡在接收到同步触发脉冲信号后同步驱动第一工业相机和第二工业相机采集图像，形成由左图像和右图像组成的立体图像对序列信号，并将该信号输出至同步数据采集控制器，第一工业相机和第二工业相机的相机内参数和相机间相对位姿参数通过标定过程确定，标定过程使用具有已知尺寸特征点的平面标定板在加载区域位置进行多姿态拍摄，由数据处理与反演计算机计算得到参数并存储。

11、优选地，散斑投射器为激光散斑发生器，包括激光二极管和衍射光学元件，衍射光学元件将激光光束分束形成随机激光散斑图案投射于岩壁表面，第一工业相机和第二工业相机各自镜头前安装有窄带滤光片，窄带滤光片的中心波长与激光二极管的发射波长相匹配，用于透过激光散斑反射光并抑制其他波段光线的干扰，图像采集卡内部设有双通道帧存器，在每一次同步触发脉冲信号到达时，图像采集卡同时向第一工业相机和第二工业相机发出曝光控制信号并读取两相机输出的图像数据，将两帧图像与一个递增的触发计数标签组合形成一个立体图像对数据单元，多个立体图像对数据单元按时间顺序构成立体图像对序列信号，触发计数标签与同步数据采集控制器生成的绝对时间戳之间通过预设的时间戳映射表建立对应关系，图像采集卡与同步数据采集控制器之间通过千兆以太网物理层协议建立数据传输通道，并在传输数据包的应用层报头中携带触发计数标签。

12、优选地，第一工业相机和第二工业相机安装在一个横梁支架上，横梁支架上设有线性导轨和两个相机滑块，第一工业相机和第二工业相机分别固定于两个相机滑块，通过调节相机滑块在线性导轨上的位置改变两者之间的基线距离，散斑投射器安装于横梁支架的中心位置且投射轴线位于第一工业相机和第二工业相机光轴的角平分面内，横梁支架通过云台连接到支撑机构，云台提供俯仰和水平回转调节使相机光轴对准加载区域，图像采集卡还连接一个嵌入式视觉处理单元，嵌入式视觉处理单元接收立体图像对序列信号并对每帧图像依次执行去噪、伽马校正和感兴趣区域提取操作，将处理后的立体图像对序列信号输出至同步数据采集控制器。

13、优选地，声发射监测模块包括多个谐振式声发射传感器、多通道前置放大器和高速采集卡，谐振式声发射传感器的敏感元件为压电陶瓷，其谐振频率位于岩石声发射信号主频的预设范围内，传感器封装为不锈钢壳体并带有磁吸安装座，安装时在巷道岩壁钻孔内涂抹耦合剂后将传感器压入，磁吸安装座吸附于孔口定位，每个传感器经同轴屏蔽电缆连接至多通道前置放大器的输入端口，多通道前置放大器为每个通道提供独立可调的放大倍数并内置带通滤波器，带通滤波器的通带范围对应于谐振式声发射传感器的响应频带，多通道前置放大器输出端通过同轴排线连接至高速采集卡的模拟输入端口，高速采集卡包含多个模数转换通道，所有通道共用同一采样时钟，采样时钟由内部锁相环产生并与同步数据采集控制器发送的同步触发脉冲信号保持相位对齐，高速采集卡在连续采样过程中，当检测到同步触发脉冲时，将包含触发时刻前后预设长度的一段波形数据与对应的触发计数标签组成一个波形数据包，连续输出的波形数据包构成声发射波形信号。

14、优选地，多个谐振式声发射传感器的数量不少于四个，且围绕加载区域布置成三维空间阵列，至少有一个传感器位于与其他传感器不同的高程位置，以确保对震源深度的分辨能力；数据处理与反演计算机在运行岩石力学参数反演程序的过程中，还执行声发射震源定位子程序，该子程序读取从多源同步数据包信号中分离出的声发射波形信号，对波形信号进行到时拾取，利用预设的巷道围岩波速模型和传感器坐标，通过迭代定位算法计算每个声发射事件的震源空间坐标，将所有声发射事件的震源空间坐标汇集成声发射事件空间分布点云；岩石力学参数反演程序构建一个包含开挖损伤区厚度变量的岩体有限元数值模型，并以该有限元数值模型正演计算得到的塑性区边界与声发射事件空间分布点云的凸包边界之间的几何偏差作为反演目标函数的一项约束项，在迭代优化过程中同时最小化位移场残差和该几何偏差。

15、优选地，巷道围岩波速模型通过波速标定模块获得，波速标定模块包括一个超声发射换能器和信号发生器，超声发射换能器依次放入各声发射传感器附近的钻孔中，信号发生器产生高压脉冲激发超声发射换能器，各声发射传感器接收超声信号并由高速采集卡记录波形，数据处理与反演计算机通过程序自动拾取各通道波形的初至时间，结合超声发射换能器与各传感器的已知距离计算各路径上的纵波波速和横波波速，将离散路径波速值通过插值构建成波速空间分布函数；迭代定位算法运行时，根据当前震源假设坐标和传感器坐标计算理论传播路径，并利用波速空间分布函数沿路径积分得到理论走时差，与实测走时差构成目标函数，采用盖格尔迭代格式求解震源位置和发震时刻，当迭代增量小于预设界限值时停止迭代，输出声发射事件震源坐标。

16、优选地，数据处理与反演计算机运行的岩石力学参数反演程序包含以下流程：从多源同步数据包信号中解包获得载荷时间序列、位移时间序列、立体图像对序列和声发射波形数据；对立体图像对序列使用数字图像相关算法计算岩壁表面各像素的三维位移场时间序列；利用巷道实测轮廓数据和加载区域坐标构建参数化有限元数值模型，模型本构关系采用横观各向同性弹塑性模型，并引入开挖损伤区厚度变量，将该变量对应的表层单元材料参数按预设折减系数进行弱化；将载荷时间序列作为力边界条件，将有限元模型待反演的参数向量设定为包括弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角和开挖损伤区厚度；采用莱文贝格-马夸特算法进行迭代优化，目标函数定义为模型正演计算得到的表面节点位移与三维位移场时间序列中对应载荷级别的实测位移之间的加权残差平方和，再加上一项基于声发射事件空间分布的正则化项，该正则化项为模型当前参数下塑性区体积与声发射事件震源定位点云凸包体积之差的范数；每次迭代中调用有限元求解器进行正演计算，利用数值微分方式计算雅可比矩阵并更新参数向量，直至满足预设收敛判据，输出反演得到的原位力学参数。

17、有益效果：本发明提供的一种金属矿巷道岩石原位力学综合测试系统，通过同步数据采集控制器以全球定位系统驯服时钟向原位伺服加载模块、双目立体视觉全场位移测量模块和声发射监测模块发出同步触发脉冲，为载荷模拟信号、压头位移模拟信号、立体图像对序列信号和声发射波形信号附加绝对时间戳，形成多源同步数据包信号；数据处理与反演计算机接收该信号，运行岩石力学参数反演程序，构建包含开挖损伤区厚度变量的横观各向同性弹塑性有限元模型，以实测三维位移场和声发射事件空间分布联合约束，采用莱文贝格-马夸特算法迭代求解弹性模量、强度参数和损伤区厚度。