本发明属于煤岩体力学领域，尤其是一种煤岩体在单轴压缩时裂纹扩展全过程的全方位动态观测方法，是对现有裂纹扩展观测方法的补充，适用于全方位动态观测煤岩体在单轴压缩时裂纹扩展的全过程。
背景技术：
分析煤岩体裂纹扩展全过程是认识煤岩体的力学特性的途径之一，对于煤矿巷道、采场的稳定性分析具有重要的意义。目前对于煤岩体裂纹扩展的观测一般有三种方法，分别为单轴压缩时单摄像机拍摄、巴西圆盘单摄像机拍摄、CT实时扫描，其中巴西圆盘单摄像机拍摄应用最多，这是由于巴西圆盘实验近似为平面应力，其前后两边裂纹扩展具有对称性，对于单面拍摄就可以反映裂纹整体扩展。而对于单轴压缩，为三轴应力状态，其裂纹扩展具有不对称性，单摄像机的拍摄难以反映裂纹整体扩展情况，甚至会出现以偏概全的问题，导致分析失真，而采用CT实时扫描虽然具有立体显示裂纹扩展的优点，但是也具有裂纹扩展严重依赖于后期处理的缺点。
因此，有必要寻找一种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全方位动态观测方法，目的是提供一种可以全方位动态观测煤岩体在单轴压缩时裂纹扩展的全过程，最终实现煤岩体在单轴压缩时任一时刻、任一平面裂纹扩展的呈现，这对煤岩体稳定性研究及相关工程实践具有参考价值。
基于以上思想，设计了该种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全方位动态观测方法。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的问题，目的是提供一种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全方位动态观测方法，最终能准确地提供煤岩体在单轴压缩过程中任意时刻的全方位的裂纹扩展图，以便对煤岩体在单轴压缩时的裂纹扩展路径进行研究，突破以往以单面裂纹扩展图代替全方位裂纹扩展图造成以偏概全的不足，对于煤岩体力学性质的研究具有重要意义。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全方位动态观测方法包括以下步骤：
S101：在矿井煤炭开采工作面选择煤体块体，并钻取φ50mm×100mm的标准压缩试验圆柱体，试样加工精度、压缩仪器要求及准备、试样放置要求均按照国际岩石力学学会标准。
S102：在煤样上刻画8条竖直直线使之两两夹角为45°，标号为A1、A2、A3、…、A8。用直尺分别测出八条竖直直线的中点并使用田岛手卷式墨斗墨线PS-RAKT将8个点依次连接为一条闭合的水平曲线。S103：以圆柱体煤体在工作台上的具体位置为中心，在其8个方位角上分别安放8个摄像机。由于每台摄像机夹角为45°，而该摄像机的视角可以达到60°，因此采用8台摄像机依次拍摄步骤S102中所标注的圆柱体煤体的A1-A2、A2-A3、A3-A4……A8-A1部分。
S104：依次打开摄像机，然后进行单轴压缩试验，随后用铁质小锤用力敲击麦尔TRI20B 8寸三角铁。单轴压缩试验结束后，再次用铁质小锤用力敲击上述三角铁。
S105：对实验中8台摄像机拍摄的录像进行后期整合。利用步骤S102中的竖直线A1、A2……A8进行空间整合，利用步骤S104中的声音帮助进行录像的时间整合。
S106：导出裂纹扩展全过程的视频，并获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图。
其中，步骤S102所述的单轴压缩的前期工作方法具体包括以下步骤：
步骤1、对步骤S101中按照国际岩石力学学会标准的加工精度钻取的φ50mm×100mm的标准压缩试验圆柱体煤体，的上表面的圆心为参考点，在试验圆柱体煤体的上下表面同时刻画四个任意点，两两连成一条直线，分别作出这两条直线的中垂线交于一点，交点即为试验圆柱体煤体上下表面的圆心。
步骤2、以步骤1中获得的圆心为参考点，用直径为2.00mm的红色得力S502易擦白板笔画先在上表面过参考点刻画一条直径，然后用90°等腰直角三角尺在之前刻画的直径的基础上再刻画出另一条与之垂直的直径，得到第一组两两垂直的直径；再次以第一条直径为参考直径，将等腰直角三角尺的其中一个锐角的底边与直径重合，尖角与圆心重合，沿着等腰三角尺的另一个锐角刻画出一条直线，再以之前刻画直径的方法刻画另一条直径，得到第二组两两垂直的直径。故两组4条直径形成的8个夹角的大小均为45°。
步骤3、将上表面刻画好的圆柱体煤体水平固定在试验台上，下表面与绝对平整的、规格为100mm×100mm×20mm的金属材质的方块相垂直，用三角尺的直角底边紧靠方块，使之与圆柱体下底面垂直，沿直径与外圆的交点刻画一条与上下表面都垂直的水平直线，将剩下的7条直线按照同样的方法刻画，使8条直线所在的4个平面两两夹角为45°的平面；
步骤4、以侧面的8条直线中的其中一条直线为起点逆时针的依次标记8条直线，标号为A1、A2、A3、…、A8。用直尺分别测出八条竖直直线的中点并标为B1、B2、B3、…、B8，使用田岛手卷式墨斗墨线PS-RAKT将8个点依次连接为一条闭合的水平曲线。
其中，步骤S103所述的摄像机的安放方法具体包括以下步骤：
步骤1、由于本实验所用的万能试验机控制柜尺寸的参数为:1020mm×620mm×810mm,主机尺寸：约940mm×630mm×2010mm。因此为了能够直观、清晰地拍摄出煤体在试验机压缩时4裂纹扩展的全过程，在距工作台上圆柱体煤体圆心400mm的位置用教学时使用的白色粉笔画出一个圆。
步骤2、将8台索尼PXW-FS7专业4K数字电影摄影机FS7K安置在步骤1中的圆上，调整摄像机三脚架的中心使之与圆柱体上下表面4条直径形成的8个方位角的延长线与半径为400mm的圆的交点位置(即：每两台摄像机的夹角为45°)，同时调节摄像机三脚架的的高度使之与万能试验机工作台上圆柱体煤体侧面刻画的中线均距离地面820mm，保证每台摄像机的镜头中心对焦在其所在延长线的右侧区域。
步骤3、以S102中步骤1中位置参考原点的逆时针方向依次对8台摄像机进行标记，记为：C1、C2、C3、…、C8。由于每台摄像机夹角为45°，而该摄像机的视角可以达到60°，因此采用C1摄像机拍摄圆柱体煤体的A1-A2部分、C2摄像机拍摄圆柱体煤体的A2-A3部分、C3摄像机拍摄圆柱体煤体的A3-A4部分……C8摄像机拍摄圆柱体煤体的A8-A1部分。
其中，步骤S104所述的两种仪器的打开方法具体包括以下步骤：
步骤1、按照C1、C2、C3、…、C8的顺序依次打开摄像机。
步骤2、将摄像机的声音调到最大位置，待摄像机工作一小段时间之后，点击单轴压缩试验软件界面中“开始”按钮，随后用铁质小锤用力敲击麦尔TRI20B 8寸三角铁，使其发出清脆且尖锐的声响。在整个实验进行的过程中必须保证实验环境的安静，防止其他噪声对实验结果造成影响。
步骤3、观察单轴压缩仪器上的应力应变曲线，当曲线达到残余强度时，停止试验。然后再次敲击麦尔TRI20B8寸三角铁，按照C1、C2、C3、…、C8的顺序依次关闭摄像机。
其中，步骤S105所述的对实验中8台摄像机拍摄的录像进行后期整合具体包括以下步骤：
步骤1、将C1摄像机的录像导入adobe premiere cc软件，使用剃刀工具把第一次敲击三角铁前的部分摄像去除，把第二次敲击后的部分摄像给去除，将A1摄像机所拍摄的录像放置在软件界面起始处，完成录像时间整合。
步骤2、随后在竖直面上用裁剪工具切出A1线到A2线的部分。再水平面上用裁剪工具切出试样上端面到下端面的部分。新的录像另存为D1。同样的对C2、C3、…、C8的摄像进行同样操作，依次切出A2-A3、A3-A4、…、A7-A8的部分。并且另存为D2、D3、…、D8，完成录像空间整合。
其中，步骤S106所述的导出裂纹扩展全过程的视频和获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图具体包括以下步骤：
步骤1、将D1、D2、D3、…、D8视频同时导入adobe premiere cc软件的一个项目中，并将8个视频的时间轴对齐，并将8个视频的画面从左到右依次排列，并将D1视频中的A2线与B2点与D2视频中的A2线与B2点对齐，将D2视频中的A3线与B3点与D3视频中的A3线与B3点对齐，以此类推。点击软件的“文件”—“导出”将整个裂纹的视频文件进行导出为mp4格式。
步骤2、以获得开始试验后的20分钟时的裂纹扩展图片为例，使用QQ影音播放器打开导出后的视频，将时间轴拖动至20分钟处，使用播放器内的截屏工具，将此时的图片保存为JPG格式，这时获得的图片就是20分钟时候的裂纹扩展曲线，同样的可以获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图。
与现有相关方法相比，本发明具有如下优点：
当前对煤岩体的单轴压缩实验中，裂纹变化图像都是围绕着平面亦或者是类平面而进行的，没有对煤岩的裂纹变化进行全方位的观测分析，不能反映裂纹整体扩展情况；而我们专利中提供的方法刚好满足这一要求，通过运用摄影技术与视频后期处理方法，较为全面地对单轴压缩实验过程中煤岩体任意时刻全方位的裂纹变化都做了准确的记录，保证我们实验数据的准确性，这对煤岩体稳定性研究及相关工程实践具有参考价值。
附图说明
图1煤体前期准备工作和摄像机安放位置示意图；
具体实施方式
一种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全方位动态观测方法包括以下步骤：
S101：在矿井煤炭开采工作面选择煤体块体，并钻取φ50mm×100mm的标准压缩试验圆柱体，试样加工精度、压缩仪器要求及准备、试样放置要求均按照国际岩石力学学会标准。
S102：在煤样上刻画8条竖直直线使之两两夹角为45°，标号为A1、A2、A3、…、A8。用直尺分别测出八条竖直直线的中点并使用田岛手卷式墨斗墨线PS-RAKT将8个点依次连接为一条闭合的水平曲线。
S103：以圆柱体煤体在工作台上的具体位置为中心，在其8个方位角上分别安放8个摄像机。由于每台摄像机夹角为45°，而该摄像机的视角可以达到60°，因此采用8台摄像机依次拍摄步骤S102中所标注的圆柱体煤体的A1-A2、A2-A3、A3-A4……A8-A1部分。
S104：依次打开摄像机，然后进行单轴压缩试验，随后用铁质小锤用力敲击麦尔TRI20B 8寸三角铁。单轴压缩试验结束后，再次用铁质小锤用力敲击上述三角铁。
S105：对实验中8台摄像机拍摄的录像进行后期整合。利用步骤S102中的竖直线A1、A2……A8进行空间整合，利用步骤S104中的声音帮助进行录像的时间整合。
S106：导出裂纹扩展全过程的视频，并获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图。
其中，步骤S102所述的单轴压缩的前期工作方法具体包括以下步骤：
步骤1、对步骤S101中按照国际岩石力学学会标准的加工精度钻取的φ50mm×100mm的标准压缩试验圆柱体煤体，的上表面的圆心为参考点，在试验圆柱体煤体的上下表面同时刻画四个任意点，两两连成一条直线，分别作出这两条直线的中垂线交于一点，交点即为试验圆柱体煤体上下表面的圆心。
步骤2、以步骤1中获得的圆心为参考点，用直径为2.00mm的红色得力S502易擦白板笔画先在上表面过参考点刻画一条直径，然后用90°等腰直角三角尺在之前刻画的直径的基础上再刻画出另一条与之垂直的直径，得到第一组两两垂直的直径；再次以第一条直径为参考直径，将等腰直角三角尺的其中一个锐角的底边与直径重合，尖角与圆心重合，沿着等腰三角尺的另一个锐角刻画出一条直线，再以之前刻画直径的方法刻画另一条直径，得到第二组两两垂直的直径。故两组4条直径形成的8个夹角的大小均为45°。
步骤3、将上表面刻画好的圆柱体煤体水平固定在试验台上，下表面与绝对平整的、规格为100mm×100mm×20mm的金属材质的方块相垂直，用三角尺的直角底边紧靠方块，使之与圆柱体下底面垂直，沿直径与外圆的交点刻画一条与上下表面都垂直的水平直线，将剩下的7条直线按照同样的方法刻画，使8条直线所在的4个平面两两夹角为45°的平面；
步骤4、以侧面的8条直线中的其中一条直线为起点逆时针的依次标记8条直线，标号为A1、A2、A3、…、A8。用直尺分别测出八条竖直直线的中点并标为B1、B2、B3、…、B8，使用田岛手卷式墨斗墨线PS-RAKT将8个点依次连接为一条闭合的水平曲线。
其中，步骤S103所述的摄像机的安放方法具体包括以下步骤：
步骤1、由于本实验所用的万能试验机控制柜尺寸的参数为:1020mm×620mm×810mm,主机尺寸：约940mm×630mm×2010mm。因此为了能够直观、清晰地拍摄出煤体在试验机压缩时4裂纹扩展的全过程，在距工作台上圆柱体煤体圆心400mm的位置用教学时使用的白色粉笔画出一个圆。
步骤2、将8台索尼PXW-FS7专业4K数字电影摄影机FS7K安置在步骤1中的圆上，调整摄像机三脚架的中心使之与圆柱体上下表面4条直径形成的8个方位角的延长线与半径为400mm的圆的交点位置(即：每两台摄像机的夹角为45°)，同时调节摄像机三脚架的的高度使之与万能试验机工作台上圆柱体煤体侧面刻画的中线均距离地面820mm，保证每台摄像机的镜头中心对焦在其所在延长线的右侧区域。
步骤3、以S102中步骤1中位置参考原点的逆时针方向依次对8台摄像机进行标记，记为：C1、C2、C3、…、C8。由于每台摄像机夹角为45°，而该摄像机的视角可以达到60°，因此采用C1摄像机拍摄圆柱体煤体的A1-A2部分、C2摄像机拍摄圆柱体煤体的A2-A3部分、C3摄像机拍摄圆柱体煤体的A3-A4部分……C8摄像机拍摄圆柱体煤体的A8-A1部分。
其中，步骤S104所述的两种仪器的打开方法具体包括以下步骤：
步骤1、按照C1、C2、C3、…、C8的顺序依次打开摄像机。
步骤2、将摄像机的声音调到最大位置，待摄像机工作一小段时间之后，点击单轴压缩试验软件界面中“开始”按钮，随后用铁质小锤用力敲击麦尔TRI20B 8寸三角铁，使其发出清脆且尖锐的声响。在整个实验进行的过程中必须保证实验环境的安静，防止其他噪声对实验结果造成影响。
步骤3、观察单轴压缩仪器上的应力应变曲线，当曲线达到残余强度时，停止试验。然后再次敲击麦尔TRI20B8寸三角铁，按照C1、C2、C3、…、C8的顺序依次关闭摄像机。
其中，步骤S105所述的对实验中8台摄像机拍摄的录像进行后期整合具体包括以下步骤：
步骤1、将C1摄像机的录像导入adobe premiere cc软件，使用剃刀工具把第一次敲击三角铁前的部分摄像去除，把第二次敲击后的部分摄像给去除，将A1摄像机所拍摄的录像放置在软件界面起始处，完成录像时间整合。
步骤2、随后在竖直面上用裁剪工具切出A1线到A2线的部分。再水平面上用裁剪工具切出试样上端面到下端面的部分。新的录像另存为D1。同样的对C2、C3、…、C8的摄像进行同样操作，依次切出A2-A3、A3-A4、…、A7-A8的部分。并且另存为D2、D3、…、D8，完成录像空间整合。
其中，步骤S106所述的导出裂纹扩展全过程的视频和获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图具体包括以下步骤：
步骤1、将D1、D2、D3、…、D8视频同时导入adobe premiere cc软件的一个项目中，并将8个视频的时间轴对齐，并将8个视频的画面从左到右依次排列，并将D1视频中的A2线与B2点与D2视频中的A2线与B2点对齐，将D2视频中的A3线与B3点与D3视频中的A3线与B3点对齐，以此类推。点击软件的“文件”—“导出”将整个裂纹的视频文件进行导出为mp4格式。
步骤2、以获得开始试验后的20分钟时的裂纹扩展图片为例，使用QQ影音播放器打开导出后的视频，将时间轴拖动至20分钟处，使用播放器内的截屏工具，将此时的图片保存为JPG格式，这时获得的图片就是20分钟时候的裂纹扩展曲线，同样的可以获取该实验任意时刻的煤样的全方位裂纹扩展图。
本发明是为了寻找一种煤岩体单轴压缩裂纹扩展全过程的全方位动态观测方法，目的是提供一种可以全方位动态观测煤岩体在单轴压缩时裂纹扩展全过程的方法，最终实现煤岩体在单轴压缩时任一时刻、全方位裂纹扩展的呈现，这对煤岩体稳定性研究及相关工程实践具有参考价值。