一种室内试验中岩块弹射轨迹和初速度的测算方法
【专利摘要】本发明涉及一种室内试验中岩块弹射轨迹和初速度的测算方法，该方法利用改进的高速摄像系统捕获岩样在刚性岩石压力试验机加载过程中破坏后其岩块弹射过程的录像；进而提取目标岩块不同时刻的位置图片，根据设置的刻度板上的标尺以及刻度板平面、岩块实际运动平面以及摄像机镜头平面的相对位置关系，计算获得岩块的真实位置坐标，最后通过二次曲线拟合来计算岩块的运动轨迹和弹射速度。该发明为基于室内试验观测和计算岩块弹射轨迹和速度提供了一种精确的新方法。
【专利说明】一种室内试验中岩块弹射轨迹和初速度的测算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种岩块弹射轨迹和速度的观测和计算方法，更具体涉及一种基于室 内单轴准静态加载条件下岩石破裂岩块弹射轨迹和速度的观测和计算方法，它适用于在实 验室条件下，观察和计算岩块弹射的轨迹和速度。
【背景技术】
[0002] 目前，我国西部水电开发、南水北调工程、石油天然气开采、战略能源储存、放射性 废料与C02的地下封存、地下军工掩体工程等，都涉及深部岩体和高地应力的问题，在岩体 较完整的地质条件下，这种高应力深埋工程中硬岩的脆性弹射破坏经常发生，例如，片帮、 岩爆等，其破坏性极其严重，对工程稳定性以及施工人员和设备的安全造成了严重的威胁。 所以，关于岩石脆性弹射破坏机理和防治研究已经引起了许多学者的重视。例如：
[0003] (1)《岩石力学与工程学报》，2002年第6期，题名"一种新的岩爆倾向性指标"，作 者唐礼忠等，该研究从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发，提出了采用 单轴抗压强度和抗拉强度比值与峰值前后的应变量比值的乘积作为岩爆倾向性指标；
[0004] (2)《岩石力学与工程学报》，2009年第8期，题名"基于能量原理的卸围压试验与 岩爆判据研究"，作者陈卫忠等，该研究基于不同的加载方式，从能量原理探讨岩石破坏过 程能量积聚-释放的全过程，提出了新的能量判别指标，真实合理地反映地下工程开挖卸 荷过程中围岩能量的积聚程度和岩爆的发生程度；
[0005] (3)《岩石力学与工程学报》，2013年第10期，题名"基于地应力现场实测与开采 扰动能量积聚理论的岩爆预测研究"，作者蔡美峰等，该研究基于地应力实测与岩石力学室 内试验结果，采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析和评价，FLAC 3D数 值模拟分析揭示了深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布和变化，该成果为深部地下工 程岩爆的预测、预报提供了新的思路和途径。
[0006] 以上研究同时也暗示，基于能量的角度研究岩石弹射破坏的发生机理、防治策略 和预测方法是目前所采用的重要手段，而破碎岩块的弹射轨迹和速度是岩石破坏时能量释 放最直观的表现之一，所以准确地观测和计算岩块弹射轨迹和速度对认识岩石弹射破坏的 机理、进行岩爆的防治和预测非常重要，它是制定岩爆灾害的工程防治策略的关键因素之 〇
[0007] 目前，关于岩块的弹射轨迹和速度研究现状如下：
[0008] (1)《中南大学学报》，2006年第4期，题名"动-静组合加载诱发岩爆时岩块弹射 速度的计算"，作者左宇军等，该研究以单轴动-静组合加载试验为依据，能量平衡原理，对 岩爆能量组成以及单轴动静组合加载诱发的岩爆岩块弹射速度进行了分析计算。
[0009] (2)Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2001 年 8 月，题名 "Seismic monitoring of a simulated rockburst on a wall of an underground tunnel"，作者Milev等，该研究成功开展了一次现场岩爆弹射速度的监测试 验，获得了岩爆发生时岩块的弹射速度，这一试验通过高速摄像揭示了岩石破坏后岩块从 岩壁上弹射的速度在0. 6?2. 5 m/s范围内。但显然，现场试验同时也是一个非常耗时和 费力的事情。
[0010] (3)International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences，2010年2月， 题名"Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions"，作者M.C. He 等，该研究利用岩爆过程实验 系统，通过真三轴条件下动态卸载来模拟岩爆，深入研究了岩石破坏过程中声发射的规律， 文中给出了根据岩块弹射前后的相对位置以及假设的初速度方向的范围，计算出了弹射初 速度大小的范围。由此可见，进行室内岩石破坏过程中的弹射观测同样可以获得的飞出速 率，在实验室条件下，分析岩块弹射破坏的速度对于认识岩石破坏过程、评价岩石的岩爆倾 向性同样十分重要，但是该研究并没有给出岩块弹射轨迹和速度精确系统的观测和计算方 法，只是根据经验假设给出了弹射速度的大致范围。
[0011] 以上研究现状显示，目前关于岩块弹射速度的研究在理论计算、现场试验和室内 试验方面都有涉及，其中试验观测对岩石弹射破坏机理的认识非常必要，同时可以为理论 的建立和计算提供可靠的依据和验证。然而，现场岩石脆性弹射破坏的发生具有一定的偶 然性和不可控性，进行现场试验必然要耗费大量的人力和财力，想要进行详细全面的岩石 弹射破坏规律和性质的研究，现场试验条件局限性很大。综合看来，室内试验是进行岩块弹 射速度研究的一个实际可行的选择，而目前，基于室内试验的岩块弹射速度的观测和计算 方法很少，只是进行了大致的估算，缺乏精确系统的观测和计算方法。
【发明内容】
[0012] 针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种室内试验中岩块弹射轨迹和初速 度的测算方法，旨在克服目前现场观测方法耗时耗力的缺点，提供一种基于室内试验的精 确系统的岩块弹射轨迹和速度的观测和计算方法。
[0013] 为了上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种室内试验中岩块弹射轨迹和初 速度的测算方法，包括岩块弹射过程的摄像采集，以及摄像图片中目标岩块的真实轨迹获 取和岩块弹射初速度的数据处理方法。
[0014] 所述岩块弹射过程的观测采集是指：
[0015] A.将岩样置于刚性岩石压力试验机上，在刚性岩石压力试验机的一侧布置刻度 板，刻度板法线与岩样临空面相平行，刻度板坚直位于地面上并固定，刻度板上标记有等间 距的方格点作为实际距离标尺，标记点组成的最小方格边长为s，高速摄像系统置于刚性岩 石压力试验机的另一侧，摄像机镜头中轴线与刻度板平面垂直，摄像机镜头中心点高度与 岩样中心点高度一致，在岩样临空面前方设置两块平行的透明限制板，岩样处于两个限制 板的中间位置，摄像机镜头的中轴线、刻度板的法线、限制板的法线以及岩块实际运动平面 的法线相互平行，以刻度板上某刻度点Μ作为参考点，分别量测摄像机镜头中心点和岩样 中心点相对于Μ点的坚直距离hp h2，其中h = h2，刻度板法向方向的水平距离lp 12以及 刻度板切向方向的水平距离屯、d2，在观测区域布设3?4台泛光灯；
[0016] B.开始试验，岩石试验加载和摄像记录均由控制电脑操作控制，首先通过控制电 脑设置试验加载速率并启动刚性岩石压力试验机对岩样进行压缩加载，然后在控制电脑内 通过摄像控制软件设置每秒拍摄帧数、拍摄时长和拍摄时间分界点后启动高速摄像系统进 行拍摄，当岩样加载过程发生破坏并肉眼观察到有破碎岩块从岩样临空面弹射飞出后，然 后在1?2秒内通过摄像控制软件完成摄像文件保存；
[0017] 所述摄像图片中目标岩块的真实轨迹获取和岩块弹射初速度的数据处理方法是 指：
[0018] C.回放岩样破坏弹射过程的录像，确定目标岩块，从中提取目标岩块弹射运动过 程中的典型位置图片fi[i = 1，2,3...]，所提取的图片中的目标岩块的位置应分布在整个 录制画面所包含的运动轨迹上；
[0019] D.量测所提取的图片4中刻度板上标记点组成的最小方格边长的图上距离s'， 计算刻度板平面β上的实际距离与图上距离的比值P = s/s';根据比、^和？计算摄像 机镜头中心点相对于Μ点的图上坚直距离h/p和水平距离1/p，从而确定摄像机镜头中轴 线与刻度板平面β的图上交点〇" ^，将其作为图上坐标原点，量测所提取的不同时刻图 片上目标岩块匕相对于坐标原点〇"'的位置坐标[Xi〃 '，yi"']，并将其换算成刻度板 平面β上的实际位置坐标[Xi〃，yi"]，即为[p Xi〃 '，pyi"'];
[0020] E.将摄像机镜头中轴线与目标岩块实际运动平面α的交点作为实际运动平面α 坐标原点V，c/和〇"点均为摄像机镜头的直射点，不存在视角偏差，刻度板平面β与岩 块实际运动平面α上点的相对位置关系是以摄像机镜头中轴线为轴，以摄像机镜头焦点 为顶点的放射投影关系，存在一定比例的缩放，根据刻度板平面β，摄像机镜头平面和目标 岩块实际运动平面α的相对位置关系，计算目标岩块在实际运动平面α上的坐标与在刻 度板平面β上的坐标比值为q= ，根据缩放比例将目标岩块在刻度板平面β上 的位置坐标转换为在实际运动平面α上的坐标[Xi'，y/ ]，即为[qpXi〃 '，qpyi"'];
[0021] F.在目标岩块实际运动平面α上将以〇'为原点的坐标系转化为以岩样中心点 〇为原点的坐标系，即以目标岩块弹射的大致初始位置为原点，则目标岩块的在该坐标系下 的实际位置坐标[Xi，yi]，即为[qpXi" ' '];
[0022] G.目标岩块脱离岩样母体后做斜抛运动，运动轨迹为抛物线，则以初始弹射位置 为坐标原点，目标岩块在实际运动平面α内的运动轨迹的一般方程为：
[0023] y = mx2+nx 式 1
[0024] 根据不同时刻目标岩块在实际运动平面α上的位置坐标[Xi，yj，通过二次多项 式曲线拟合，确定式1中运动轨迹方程系数m、n，即获得目标岩块的弹射轨迹方程；
[0025] H.目标岩块以初速度V(l弹射飞出做斜抛运动，根据运动学理论，初速度大小V。和 抛射角Y与m、η的关系为：
[0026]
【权利要求】
1. 一种室内试验中岩块弹射轨迹和初速度的测算方法，包含高速摄像技术，其特征在 于：包括岩块弹射过程的摄像采集，以及摄像图片中目标岩块的真实轨迹获取和岩块弹射 初速度的数据处理方法； 所述岩块弹射过程的录像采集是指： A. 将岩样（1)置于刚性岩石压力试验机（2)上，在刚性岩石压力试验机（2)的一侧布 置刻度板（3)，刻度板（3)法线与岩样（1)临空面相平行，刻度板（3)坚直位于地面上并固 定，刻度板⑶上标记有等间距的方格点作为实际距离标尺，标记点组成的最小方格边长 为s，高速摄像系统（4)置于刚性岩石压力试验机（2)的另一侧，摄像机镜头（6)中轴线与 亥IJ度板⑶平面垂直，摄像机镜头（6)中心点高度与岩样⑴中心点高度一致，在岩样（1) 临空面前方设置两块平行的透明限制板（7)，岩样（1)处于两块限制板（7)的中间位置，摄 像机镜头（6)的中轴线、刻度板（3)的法线、限制板（7)的法线以及岩块实际运动平面α的 法线相互平行，以刻度板（3)上某刻度点Μ作为参考点，分别量测摄像机镜头（6)中心点和 岩样（1)中心点相对于Μ点的坚直距离，其中h = h2，刻度板（3)法线方向的水平距 离1^12以及刻度板⑶切向方向的水平距离，在观测区域布设3?4台泛光灯⑶； B. 开始试验，岩石试验加载和摄像记录均由控制电脑（9)操作控制，首先通过控制电 脑（9)设置试验加载速率并启动刚性岩石压力试验机（2)对岩样（1)进行压缩加载，然后 在控制电脑（9)内通过摄像控制软件设置每秒拍摄帧数、拍摄时长和拍摄时间分界点后启 动高速摄像系统（4)进行拍摄，当岩样（1)加载过程发生破坏并肉眼观察到有破碎岩块从 岩样（1)临空面弹射飞出后，然后在1?2秒内通过摄像控制软件完成摄像文件保存； 所述摄像图片中目标岩块的真实轨迹获取和岩块弹射初速度的数据处理方法是指： C. 回放岩样（1)破坏弹射过程的录像，确定目标岩块（5)，从中提取目标岩块（5)弹射 运动过程中的典型位置图片fi[i = 1，2,3...]，所提取的图片中的目标岩块（5)的位置应 分布在整个录制画面所包含的运动轨迹上； D. 量测所提取的图片&中刻度板上标记点组成的最小方格边长的图上距离s'，计算 亥幢板⑶平面β上的实际距离与图上距离的比值P = s/V ;根据k ljPp计算摄像 机镜头（6)中心点相对于Μ点的图上坚直距离h/p和水平距离1/p，从而确定摄像机镜头 (6)中轴线与刻度板（3)平面β的图上交点〇"'，将其作为图上坐标原点，量测所提取的 不同时刻图片上目标岩块（5)匕相对于坐标原点〇"'的位置坐标[Xi〃 '，yi"']，并将 其换算成刻度板（3)平面β上的实际位置坐标[Xi〃， yi"]，即为[pXi〃 '，pyi"']; E. 将摄像机镜头（6)中轴线与目标岩块（5)实际运动平面α的交点作为实际运动平 面α坐标原点〇'，〇'和〇"点均为摄像机镜头（6)的直射点，不存在视角偏差，刻度板平 面β与岩块实际运动平面α上点的相对位置关系是以摄像机镜头（6)中轴线为轴，以摄 像机镜头（6)焦点为顶点的放射投影关系，存在一定比例的缩放，根据刻度板（3)平面β， 摄像机镜头（6)平面和目标岩块（5)实际运动平面α的相对位置关系，计算目标岩块（5) 在实际运动平面α上的坐标与在刻度板平面β上的坐标比值为q= [lrl^/li，根据缩放 比例将目标岩块（5)在刻度板（3)平面β上的位置坐标转换为实际运动平面α上的坐标 [Xi'，y/ ]，即为[qpXi" '，qpy/' ']; F. 在目标岩块（5)实际运动平面α上将以〇'为原点的坐标系转化为以岩样（1)中 心点0为原点的坐标系，即以目标岩块（5)弹射的大致初始位置为原点，则目标岩块（5)在 该坐标系下的实际位置坐标[Xi，yi]，即为[qpXi" ' +(^-4, cipyj ']; G. 目标岩块（5)脱离岩样（1)母体后做斜抛运动，运动轨迹为抛物线，则以初始弹射位 置为坐标原点，目标岩块（5)在实际运动平面α内的运动轨迹的一般方程为 ： y = mx2+nx 式 1 根据不同时刻目标岩块（5)在实际运动平面α上的位置坐标[Xi，yj，通过二次多项 式曲线拟合，确定式1中运动轨迹方程系数m、n，即获得目标岩块（5)的弹射轨迹方程； H. 目标岩块（5)以初速度V(l弹射飞出做斜抛运动，根据运动学理论，初速度大小V(l和 抛射角Y与m、η的关系为：
式2 式2中，g为重力加速度。根据式2计算获得目标岩块（5)弹射时的初速度大小V(l和 抛射角Y。
【文档编号】G01P3/36GK104155183SQ201410368215
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】江权, 崔洁, 苏国韶, 冯夏庭, 李邵军, 龚彦华, 宋吕博 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所