本發(fā)明屬于煤巖體力學領域，尤其是一種煤巖體在單軸壓縮時裂紋擴展全過程的全方位動態(tài)觀測方法，是對現(xiàn)有裂紋擴展觀測方法的補充，適用于全方位動態(tài)觀測煤巖體在單軸壓縮時裂紋擴展的全過程。
背景技術：
分析煤巖體裂紋擴展全過程是認識煤巖體的力學特性的途徑之一，對于煤礦巷道、采場的穩(wěn)定性分析具有重要的意義。目前對于煤巖體裂紋擴展的觀測一般有三種方法，分別為單軸壓縮時單攝像機拍攝、巴西圓盤單攝像機拍攝、CT實時掃描，其中巴西圓盤單攝像機拍攝應用最多，這是由于巴西圓盤實驗近似為平面應力，其前后兩邊裂紋擴展具有對稱性，對于單面拍攝就可以反映裂紋整體擴展。而對于單軸壓縮，為三軸應力狀態(tài)，其裂紋擴展具有不對稱性，單攝像機的拍攝難以反映裂紋整體擴展情況，甚至會出現(xiàn)以偏概全的問題，導致分析失真，而采用CT實時掃描雖然具有立體顯示裂紋擴展的優(yōu)點，但是也具有裂紋擴展嚴重依賴于后期處理的缺點。
因此，有必要尋找一種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全方位動態(tài)觀測方法，目的是提供一種可以全方位動態(tài)觀測煤巖體在單軸壓縮時裂紋擴展的全過程，最終實現(xiàn)煤巖體在單軸壓縮時任一時刻、任一平面裂紋擴展的呈現(xiàn)，這對煤巖體穩(wěn)定性研究及相關工程實踐具有參考價值。
基于以上思想，設計了該種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全方位動態(tài)觀測方法。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，目的是提供一種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全方位動態(tài)觀測方法，最終能準確地提供煤巖體在單軸壓縮過程中任意時刻的全方位的裂紋擴展圖，以便對煤巖體在單軸壓縮時的裂紋擴展路徑進行研究，突破以往以單面裂紋擴展圖代替全方位裂紋擴展圖造成以偏概全的不足，對于煤巖體力學性質(zhì)的研究具有重要意義。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
一種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全方位動態(tài)觀測方法包括以下步驟：
S101：在礦井煤炭開采工作面選擇煤體塊體，并鉆取φ50mm×100mm的標準壓縮試驗圓柱體，試樣加工精度、壓縮儀器要求及準備、試樣放置要求均按照國際巖石力學學會標準。
S102：在煤樣上刻畫8條豎直直線使之兩兩夾角為45°，標號為A1、A2、A3、…、A8。用直尺分別測出八條豎直直線的中點并使用田島手卷式墨斗墨線PS-RAKT將8個點依次連接為一條閉合的水平曲線。S103：以圓柱體煤體在工作臺上的具體位置為中心，在其8個方位角上分別安放8個攝像機。由于每臺攝像機夾角為45°，而該攝像機的視角可以達到60°，因此采用8臺攝像機依次拍攝步驟S102中所標注的圓柱體煤體的A1-A2、A2-A3、A3-A4……A8-A1部分。
S104：依次打開攝像機，然后進行單軸壓縮試驗，隨后用鐵質(zhì)小錘用力敲擊麥爾TRI20B 8寸三角鐵。單軸壓縮試驗結束后，再次用鐵質(zhì)小錘用力敲擊上述三角鐵。
S105：對實驗中8臺攝像機拍攝的錄像進行后期整合。利用步驟S102中的豎直線A1、A2……A8進行空間整合，利用步驟S104中的聲音幫助進行錄像的時間整合。
S106：導出裂紋擴展全過程的視頻，并獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖。
其中，步驟S102所述的單軸壓縮的前期工作方法具體包括以下步驟：
步驟1、對步驟S101中按照國際巖石力學學會標準的加工精度鉆取的φ50mm×100mm的標準壓縮試驗圓柱體煤體，的上表面的圓心為參考點，在試驗圓柱體煤體的上下表面同時刻畫四個任意點，兩兩連成一條直線，分別作出這兩條直線的中垂線交于一點，交點即為試驗圓柱體煤體上下表面的圓心。
步驟2、以步驟1中獲得的圓心為參考點，用直徑為2.00mm的紅色得力S502易擦白板筆畫先在上表面過參考點刻畫一條直徑，然后用90°等腰直角三角尺在之前刻畫的直徑的基礎上再刻畫出另一條與之垂直的直徑，得到第一組兩兩垂直的直徑；再次以第一條直徑為參考直徑，將等腰直角三角尺的其中一個銳角的底邊與直徑重合，尖角與圓心重合，沿著等腰三角尺的另一個銳角刻畫出一條直線，再以之前刻畫直徑的方法刻畫另一條直徑，得到第二組兩兩垂直的直徑。故兩組4條直徑形成的8個夾角的大小均為45°。
步驟3、將上表面刻畫好的圓柱體煤體水平固定在試驗臺上，下表面與絕對平整的、規(guī)格為100mm×100mm×20mm的金屬材質(zhì)的方塊相垂直，用三角尺的直角底邊緊靠方塊，使之與圓柱體下底面垂直，沿直徑與外圓的交點刻畫一條與上下表面都垂直的水平直線，將剩下的7條直線按照同樣的方法刻畫，使8條直線所在的4個平面兩兩夾角為45°的平面；
步驟4、以側(cè)面的8條直線中的其中一條直線為起點逆時針的依次標記8條直線，標號為A1、A2、A3、…、A8。用直尺分別測出八條豎直直線的中點并標為B1、B2、B3、…、B8，使用田島手卷式墨斗墨線PS-RAKT將8個點依次連接為一條閉合的水平曲線。
其中，步驟S103所述的攝像機的安放方法具體包括以下步驟：
步驟1、由于本實驗所用的萬能試驗機控制柜尺寸的參數(shù)為:1020mm×620mm×810mm,主機尺寸：約940mm×630mm×2010mm。因此為了能夠直觀、清晰地拍攝出煤體在試驗機壓縮時4裂紋擴展的全過程，在距工作臺上圓柱體煤體圓心400mm的位置用教學時使用的白色粉筆畫出一個圓。
步驟2、將8臺索尼PXW-FS7專業(yè)4K數(shù)字電影攝影機FS7K安置在步驟1中的圓上，調(diào)整攝像機三腳架的中心使之與圓柱體上下表面4條直徑形成的8個方位角的延長線與半徑為400mm的圓的交點位置(即：每兩臺攝像機的夾角為45°)，同時調(diào)節(jié)攝像機三腳架的的高度使之與萬能試驗機工作臺上圓柱體煤體側(cè)面刻畫的中線均距離地面820mm，保證每臺攝像機的鏡頭中心對焦在其所在延長線的右側(cè)區(qū)域。
步驟3、以S102中步驟1中位置參考原點的逆時針方向依次對8臺攝像機進行標記，記為：C1、C2、C3、…、C8。由于每臺攝像機夾角為45°，而該攝像機的視角可以達到60°，因此采用C1攝像機拍攝圓柱體煤體的A1-A2部分、C2攝像機拍攝圓柱體煤體的A2-A3部分、C3攝像機拍攝圓柱體煤體的A3-A4部分……C8攝像機拍攝圓柱體煤體的A8-A1部分。
其中，步驟S104所述的兩種儀器的打開方法具體包括以下步驟：
步驟1、按照C1、C2、C3、…、C8的順序依次打開攝像機。
步驟2、將攝像機的聲音調(diào)到最大位置，待攝像機工作一小段時間之后，點擊單軸壓縮試驗軟件界面中“開始”按鈕，隨后用鐵質(zhì)小錘用力敲擊麥爾TRI20B 8寸三角鐵，使其發(fā)出清脆且尖銳的聲響。在整個實驗進行的過程中必須保證實驗環(huán)境的安靜，防止其他噪聲對實驗結果造成影響。
步驟3、觀察單軸壓縮儀器上的應力應變曲線，當曲線達到殘余強度時，停止試驗。然后再次敲擊麥爾TRI20B8寸三角鐵，按照C1、C2、C3、…、C8的順序依次關閉攝像機。
其中，步驟S105所述的對實驗中8臺攝像機拍攝的錄像進行后期整合具體包括以下步驟：
步驟1、將C1攝像機的錄像導入adobe premiere cc軟件，使用剃刀工具把第一次敲擊三角鐵前的部分攝像去除，把第二次敲擊后的部分攝像給去除，將A1攝像機所拍攝的錄像放置在軟件界面起始處，完成錄像時間整合。
步驟2、隨后在豎直面上用裁剪工具切出A1線到A2線的部分。再水平面上用裁剪工具切出試樣上端面到下端面的部分。新的錄像另存為D1。同樣的對C2、C3、…、C8的攝像進行同樣操作，依次切出A2-A3、A3-A4、…、A7-A8的部分。并且另存為D2、D3、…、D8，完成錄像空間整合。
其中，步驟S106所述的導出裂紋擴展全過程的視頻和獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖具體包括以下步驟：
步驟1、將D1、D2、D3、…、D8視頻同時導入adobe premiere cc軟件的一個項目中，并將8個視頻的時間軸對齊，并將8個視頻的畫面從左到右依次排列，并將D1視頻中的A2線與B2點與D2視頻中的A2線與B2點對齊，將D2視頻中的A3線與B3點與D3視頻中的A3線與B3點對齊，以此類推。點擊軟件的“文件”—“導出”將整個裂紋的視頻文件進行導出為mp4格式。
步驟2、以獲得開始試驗后的20分鐘時的裂紋擴展圖片為例，使用QQ影音播放器打開導出后的視頻，將時間軸拖動至20分鐘處，使用播放器內(nèi)的截屏工具，將此時的圖片保存為JPG格式，這時獲得的圖片就是20分鐘時候的裂紋擴展曲線，同樣的可以獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖。
與現(xiàn)有相關方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
當前對煤巖體的單軸壓縮實驗中，裂紋變化圖像都是圍繞著平面亦或者是類平面而進行的，沒有對煤巖的裂紋變化進行全方位的觀測分析，不能反映裂紋整體擴展情況；而我們專利中提供的方法剛好滿足這一要求，通過運用攝影技術與視頻后期處理方法，較為全面地對單軸壓縮實驗過程中煤巖體任意時刻全方位的裂紋變化都做了準確的記錄，保證我們實驗數(shù)據(jù)的準確性，這對煤巖體穩(wěn)定性研究及相關工程實踐具有參考價值。
附圖說明
圖1煤體前期準備工作和攝像機安放位置示意圖；
具體實施方式
一種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全方位動態(tài)觀測方法包括以下步驟：
S101：在礦井煤炭開采工作面選擇煤體塊體，并鉆取φ50mm×100mm的標準壓縮試驗圓柱體，試樣加工精度、壓縮儀器要求及準備、試樣放置要求均按照國際巖石力學學會標準。
S102：在煤樣上刻畫8條豎直直線使之兩兩夾角為45°，標號為A1、A2、A3、…、A8。用直尺分別測出八條豎直直線的中點并使用田島手卷式墨斗墨線PS-RAKT將8個點依次連接為一條閉合的水平曲線。
S103：以圓柱體煤體在工作臺上的具體位置為中心，在其8個方位角上分別安放8個攝像機。由于每臺攝像機夾角為45°，而該攝像機的視角可以達到60°，因此采用8臺攝像機依次拍攝步驟S102中所標注的圓柱體煤體的A1-A2、A2-A3、A3-A4……A8-A1部分。
S104：依次打開攝像機，然后進行單軸壓縮試驗，隨后用鐵質(zhì)小錘用力敲擊麥爾TRI20B 8寸三角鐵。單軸壓縮試驗結束后，再次用鐵質(zhì)小錘用力敲擊上述三角鐵。
S105：對實驗中8臺攝像機拍攝的錄像進行后期整合。利用步驟S102中的豎直線A1、A2……A8進行空間整合，利用步驟S104中的聲音幫助進行錄像的時間整合。
S106：導出裂紋擴展全過程的視頻，并獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖。
其中，步驟S102所述的單軸壓縮的前期工作方法具體包括以下步驟：
步驟1、對步驟S101中按照國際巖石力學學會標準的加工精度鉆取的φ50mm×100mm的標準壓縮試驗圓柱體煤體，的上表面的圓心為參考點，在試驗圓柱體煤體的上下表面同時刻畫四個任意點，兩兩連成一條直線，分別作出這兩條直線的中垂線交于一點，交點即為試驗圓柱體煤體上下表面的圓心。
步驟2、以步驟1中獲得的圓心為參考點，用直徑為2.00mm的紅色得力S502易擦白板筆畫先在上表面過參考點刻畫一條直徑，然后用90°等腰直角三角尺在之前刻畫的直徑的基礎上再刻畫出另一條與之垂直的直徑，得到第一組兩兩垂直的直徑；再次以第一條直徑為參考直徑，將等腰直角三角尺的其中一個銳角的底邊與直徑重合，尖角與圓心重合，沿著等腰三角尺的另一個銳角刻畫出一條直線，再以之前刻畫直徑的方法刻畫另一條直徑，得到第二組兩兩垂直的直徑。故兩組4條直徑形成的8個夾角的大小均為45°。
步驟3、將上表面刻畫好的圓柱體煤體水平固定在試驗臺上，下表面與絕對平整的、規(guī)格為100mm×100mm×20mm的金屬材質(zhì)的方塊相垂直，用三角尺的直角底邊緊靠方塊，使之與圓柱體下底面垂直，沿直徑與外圓的交點刻畫一條與上下表面都垂直的水平直線，將剩下的7條直線按照同樣的方法刻畫，使8條直線所在的4個平面兩兩夾角為45°的平面；
步驟4、以側(cè)面的8條直線中的其中一條直線為起點逆時針的依次標記8條直線，標號為A1、A2、A3、…、A8。用直尺分別測出八條豎直直線的中點并標為B1、B2、B3、…、B8，使用田島手卷式墨斗墨線PS-RAKT將8個點依次連接為一條閉合的水平曲線。
其中，步驟S103所述的攝像機的安放方法具體包括以下步驟：
步驟1、由于本實驗所用的萬能試驗機控制柜尺寸的參數(shù)為:1020mm×620mm×810mm,主機尺寸：約940mm×630mm×2010mm。因此為了能夠直觀、清晰地拍攝出煤體在試驗機壓縮時4裂紋擴展的全過程，在距工作臺上圓柱體煤體圓心400mm的位置用教學時使用的白色粉筆畫出一個圓。
步驟2、將8臺索尼PXW-FS7專業(yè)4K數(shù)字電影攝影機FS7K安置在步驟1中的圓上，調(diào)整攝像機三腳架的中心使之與圓柱體上下表面4條直徑形成的8個方位角的延長線與半徑為400mm的圓的交點位置(即：每兩臺攝像機的夾角為45°)，同時調(diào)節(jié)攝像機三腳架的的高度使之與萬能試驗機工作臺上圓柱體煤體側(cè)面刻畫的中線均距離地面820mm，保證每臺攝像機的鏡頭中心對焦在其所在延長線的右側(cè)區(qū)域。
步驟3、以S102中步驟1中位置參考原點的逆時針方向依次對8臺攝像機進行標記，記為：C1、C2、C3、…、C8。由于每臺攝像機夾角為45°，而該攝像機的視角可以達到60°，因此采用C1攝像機拍攝圓柱體煤體的A1-A2部分、C2攝像機拍攝圓柱體煤體的A2-A3部分、C3攝像機拍攝圓柱體煤體的A3-A4部分……C8攝像機拍攝圓柱體煤體的A8-A1部分。
其中，步驟S104所述的兩種儀器的打開方法具體包括以下步驟：
步驟1、按照C1、C2、C3、…、C8的順序依次打開攝像機。
步驟2、將攝像機的聲音調(diào)到最大位置，待攝像機工作一小段時間之后，點擊單軸壓縮試驗軟件界面中“開始”按鈕，隨后用鐵質(zhì)小錘用力敲擊麥爾TRI20B 8寸三角鐵，使其發(fā)出清脆且尖銳的聲響。在整個實驗進行的過程中必須保證實驗環(huán)境的安靜，防止其他噪聲對實驗結果造成影響。
步驟3、觀察單軸壓縮儀器上的應力應變曲線，當曲線達到殘余強度時，停止試驗。然后再次敲擊麥爾TRI20B8寸三角鐵，按照C1、C2、C3、…、C8的順序依次關閉攝像機。
其中，步驟S105所述的對實驗中8臺攝像機拍攝的錄像進行后期整合具體包括以下步驟：
步驟1、將C1攝像機的錄像導入adobe premiere cc軟件，使用剃刀工具把第一次敲擊三角鐵前的部分攝像去除，把第二次敲擊后的部分攝像給去除，將A1攝像機所拍攝的錄像放置在軟件界面起始處，完成錄像時間整合。
步驟2、隨后在豎直面上用裁剪工具切出A1線到A2線的部分。再水平面上用裁剪工具切出試樣上端面到下端面的部分。新的錄像另存為D1。同樣的對C2、C3、…、C8的攝像進行同樣操作，依次切出A2-A3、A3-A4、…、A7-A8的部分。并且另存為D2、D3、…、D8，完成錄像空間整合。
其中，步驟S106所述的導出裂紋擴展全過程的視頻和獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖具體包括以下步驟：
步驟1、將D1、D2、D3、…、D8視頻同時導入adobe premiere cc軟件的一個項目中，并將8個視頻的時間軸對齊，并將8個視頻的畫面從左到右依次排列，并將D1視頻中的A2線與B2點與D2視頻中的A2線與B2點對齊，將D2視頻中的A3線與B3點與D3視頻中的A3線與B3點對齊，以此類推。點擊軟件的“文件”—“導出”將整個裂紋的視頻文件進行導出為mp4格式。
步驟2、以獲得開始試驗后的20分鐘時的裂紋擴展圖片為例，使用QQ影音播放器打開導出后的視頻，將時間軸拖動至20分鐘處，使用播放器內(nèi)的截屏工具，將此時的圖片保存為JPG格式，這時獲得的圖片就是20分鐘時候的裂紋擴展曲線，同樣的可以獲取該實驗任意時刻的煤樣的全方位裂紋擴展圖。
本發(fā)明是為了尋找一種煤巖體單軸壓縮裂紋擴展全過程的全方位動態(tài)觀測方法，目的是提供一種可以全方位動態(tài)觀測煤巖體在單軸壓縮時裂紋擴展全過程的方法，最終實現(xiàn)煤巖體在單軸壓縮時任一時刻、全方位裂紋擴展的呈現(xiàn)，這對煤巖體穩(wěn)定性研究及相關工程實踐具有參考價值。