岩体孔内摄像视频高精度快速成图方法研究

岩体结构形态特征对岩土地质工程的开挖建设具有重要的意义,而数字钻孔摄像技术是快速有效地直接获取孔内岩体结构形态的一种重要手段。针对现有数字全景钻孔摄像系统及其分析软件在现场复杂环境凸显出来的问题,本文提出了一种孔内全景视频环状图像快速拼接融合成图方法。该方法通过转化原始孔内视频图像为众多有序的帧窄带状图像,并进行图像特征检测与匹配筛选,从而实现孔内全景图像的快速拼接融合。结果表明该方法可在不完全依靠指南针或电子罗盘及深度编码器的情况下,来快速完成孔内全景视频图像的连续拼接融合;拼接图像的横向纵向分辨率和图像清晰度均提高了一个数量级,实际工作时间可减半,并且能够实现拼接出图过程的智能化和自动化分析处理,减轻工作人员的负担,提高了工作效率。本方法可仅仅依靠孔内视频图像的固有特征而快速有效地形成无偏差的高质量钻孔全景图像,促进了孔内摄像技术的发展,为高精度岩体工程勘察提供了一种更便捷有效的技术手段。     

声学钻孔电视及在地下建筑物选址调查中的应用

声学钻孔电视(BHTV),又称超声波成像测井,是一种能获得钻孔孔壁定性图像的地球物理测井方法,可以直接对钻孔进行岩性观察。该方法具有测试速度快、精度与分辨率高、成果形象、直观可靠、数据处理和分析过程相对较简单等众多优点,在某些情况下可以代替钻孔取芯。在地下建筑物选址调查项目中,中深部岩体的结构面特征参数是场址性能评价的基础数据之一,采用声学钻孔电视测试,并借助相关专业软件,可以获得中深部岩体的结构面(包括节理裂隙和断裂构造)特征和分布规律。实践证明,声学钻孔电视是一种精细评价岩体结构面特征的有效手段。     

柱面透视投影模型下的全景环形透镜畸变校正

根据全景环形透镜的成像机理特点,提出了用柱面透视投影模型来对图像畸变进行校正.在柱面投影模型中,空间直线的投影不再是直线,而是一个短轴不变的椭圆.首先建立含有畸变参数的全景环形透镜柱面校正模型,将空间直线点映射为柱面的椭圆上的点,然后使用投影长度和为零的条件,将环形像面上的点拟合为柱面上的最佳椭圆,求出变形校正参数,进而校正全景环形像.仿真和真实图像实验表明,环形图像的切向和径向畸变得到了校正,误差达到了亚像素级.     

钻孔摄像测试围岩松动圈的机理与实践

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差异的分布规律,并和传统的围岩松动圈超声波测量法比较,误差在3.5%之内,验证了钻孔摄像技术测量松动圈的可靠性,为高应力地下工程围岩松动圈厚度值的测试提供了新的方法.     

光学成像技术在某工程大口径钻孔中的应用

相对小口径钻孔,对大口径钻孔进行全孔壁光学成像存在困难.为了对大口径钻孔进行全孔壁光学成像,分别设计了干孔和水下两种方案.干孔方案采用数码相机对孔壁进行分幅采集,水下方案采用全景成像系统全孔壁一次成像.分别从方案设计、仪器设备设计及实现等方面阐述了将光学成像技术拓展应用到大口径钻孔中,最终实现了对全孔壁的光学成像.成像效果清晰,满足工程要求,为工程勘察提供了技术支持.     

The Application of Optical Imaging Technology in Large Diameter Borehole in a Project

相对小口径钻孔,对大口径钻孔进行全孔壁光学成像存在困难.为了对大口径钻孔进行全孔壁光学成像,分别设计了干孔和水下两种方案.干孔方案采用数码相机对孔壁进行分幅采集,水下方案采用全景成像系统全孔壁一次成像.分别从方案设计、仪器设备设计及实现等方面阐述了将光学成像技术拓展应用到大口径钻孔中,最终实现了对全孔壁的光学成像.成像效果清晰,满足工程要求,为工程勘察提供了技术支持.     

船载折反射全景视觉系统电子稳像算法

为解决船载全景视觉系统在视频采集过程中的图像晃动问题,提出了一种基于海天线的电子稳像算法。根据全景图像中海天线成像特点,提出了一种最优边缘估计算法计算海天线成像椭圆方程。建立了基于海天线的全景图像稳像模型,介绍了海天线稳像算法的实现,并给出了使用关键帧对稳像无效区域的重建方法。使用实际海洋环境下拍摄的海上全景图像序列进行了验证分析,实验结果表明:该算法对船载全景视觉系统采集的视频图像稳像快速、有效,平均计算时间小于50ms,实际应用效果良好。     

基于光场成像的双目深度图像获取

提出了一种利用Lytro相机光场图像进行双目立体测距的方法,首先对原始光场图像进行重编码获得宏像素水平排列的光场图像,由重编码图像提取出子孔径图像阵列并进行校正,相当于获得了相机阵列所拍摄得到的图像阵列。然后选取其中2个平行子孔径图像构成双目立体测距系统,通过matlab标定工具箱和Open CV函数库进行联合标定、立体校正和立体匹配生成深度图像,对目标物体进行距离测量。实验结果表明,该方法的距离测量在精度范围之内,双目测距方法可以应用于通过微透镜阵列获得的子孔径图像上。     

深部岩体爆破爆炸地震波辐射模式与能量特性数值模拟研究

对于深部岩体爆破,普遍认为地应力的存在将改变爆生裂纹的传播过程并最终影响岩体爆破开裂区的分布,但对于地应力作用下岩体爆破开裂区形态改变对爆炸地震波辐射模式的影响,目前还鲜有研究报道.本文采用SPH-FEM耦合数值模拟方法,研究了地应力对岩体爆破开裂及爆炸地震波辐射模式和能量特性的影响.结果表明,在地应力作用下岩体爆破开...     

井中渐进阵列式电法超前探测系统研究

利用勘探钻孔几何空间超前探测钻孔底部低阻或高极化隐伏目标体,可以为深部继续施钻决策提供依据。基于全空间下无穷大板状目标体的解析解,对比多种电极排列模式下的异常响应,结合水槽物理模拟实验,结果表明,前向模式下电位和电位差阵列观测系统能够更充分地利用钻孔几何空间条件,供电电极和测量电极更接近钻孔底部隐伏目标,可以获得更明显的相对异常。综合考虑渐进阵列观测信号的纵向和横向幅度以及变化趋势,该套技术对钻孔底部隐伏目标体具有一定的超前预报能力,在深部资源勘探领域有实用价值。     

Numerical simulation on borehole breakout and borehole size effect using discrete element method

Estimation of horizontal stress magnitudes from borehole breakouts has been an attractive topic in the petroleum and mining industries, although there are critical research gaps that remain unfilled. In this paper, numerical simulation is conducted on Gosford sandstone to investigate the borehole breakout and its associated borehole size effect, including temperature influence. The discrete element method(DEM) model shows that the borehole breakout angular span is constant after the initial formation,whereas its depth propagates along the minimum horizontal stress direction. This indicates that the breakout angular span is a reliable parameter for horizontal stress estimation. The borehole size effect simulations illustrated the importance of borehole size on breakout geometries in which smaller borehole size leads to higher breakout initiation stress as well as the stress re-distribution from borehole wall outwards through micro-cracking. This implies that the stress may be averaged over a distance around the borehole and breakout initiation occurs at the borehole wall rather than some distance into the rock.In addition, the numerical simulation incorporated the thermal effect which is widely encountered in deep geothermal wells. Based on the results, the higher temperature led to lower breakout initiation stress with same borehole size, and more proportion of shear cracks was generated under higher temperature. This indicates that the temperature might contribute to the micro-fracturing mode and hence influences the horizontal stress estimation results from borehole breakout geometries. Numerical simulation showed that breakout shape and dimensions changed considerably under high stress and high temperature conditions, suggesting that the temperature may need to be considered for breakout stress analysis in deep locations.     

阳江抽水蓄能电站套芯解除法深钻孔三维地应力测量研究

运用深钻孔套芯解除法对阳江抽水蓄能电站进行了三维地应力测量,并将测试结果与水压致裂法进行了比较.结果表明:工程区域应力属于中等水平,最大水平主应力方向由浅至深逐渐向NWW方向偏转,2种方法的测试结果基本相同.     

裂缝面及井眼附近的应力分析

从力学角度出发,建立了川西致密气层井眼,裂缝面及地层的有限元模型,应用ANSYS软件仿真模拟了裂缝面与水平面面夹角的变化引起裂缝面上及井眼附近的应力变化,重点研究了水平裂缝面上及井眼附近的主应力和等效应力的应力等值线变化规律,随着地层裂缝倾角的增加,裂缝面上井眼附近的最大等效应力逐渐转移到井眼椭圆截在的短轴两端附近,研究结果对进一步研究井眼稳定,井壁崩落方向或裂缝面上的应力敏感性具有指导意义。     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。     

Analytical investigation for stress measurement with the rheological stress recovery method in deep soft rock

Due to the difficulty and weakness of current stress measurement methods in deep soft rock, a new rheological stress recovery method of the determination of the three-dimensional(3D) stress tensor is proposed. It is supposed that rock stresses will recovery gradually with time and can be measured by embedding transducers into the borehole. In order to explore the applicability and accuracy of this method, analytical solutions are developed for stress measurement with the rheological stress recovery method in a viscoelastic surrounding rock, the rheological properties of which are depicted as both the Burger's model and a 3-parameter solid model. In such conditions, explicit analytical expressions for predicting time-dependent pressures on the transducer are derived. A parametric analysis is then adopted to investigate the influences of the grout solidification time and the mechanical properties of the grout layer. The results indicate that this method is suitable for stress measurement in deep soft rock, the characteristics of which are soft, fractured and subjected to high geo-stress.     

圆极化天线特性参数测量方法

提出了一种利用线极化源天线测量圆极化天线特性参数的新方法．基于椭圆极化波的分解理论,建立了测量方法的数学模型,用线极化源天线进行两次正交的测量即可得到圆极化天线的方向图、轴比、增益等特性信息,并研制了实际的测试系统．利用该测试系统对圆极化天线进行实际测试,证明了该方法具有实用性强、自动化程度高、测量精度高等特点．     

基于深度学习的钝体断面外形气动性能高效预测方法

对于气动性能,钝体断面的气动外形非常重要,采用传统风洞试验及CFD模拟计算得到钝体断面气动性能需消耗大量时间,大大影响钝体断面气动外形的气动性能评估效率。通过卷积神经网络深度学习技术实现对气动性能的快速预测,深度学习模型训练完成后,输入形状信息和与形状相关的流场信息,即可输出不同几何形状下的阻力系数,进而得到钝体断面的气动性能。为寻找性能最优的深度学习模型,通过综合判定误差和参数量大小对卷积神经网络结构的深度和宽度进行优化。对深度学习模型输出阻力系数与CFD计算结果进行对比发现,误差符合预期要求,并且相较于传统方法,基于深度学习网络的预测所需时间达到数量级的提升,未来可作为钝体断面气动外形优化的关键方法。