覆巖結(jié)構(gòu)裂隙數(shù)字式全景鉆孔攝像觀測(cè)分析

李蘭新

(河北省煤田地質(zhì)研究所，河北省邢臺(tái)市，054022)

覆巖中的裂隙、節(jié)理、層理、斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面是工程地質(zhì)研究的基礎(chǔ)。數(shù)字式全景鉆孔攝像技術(shù)具有三維和高精度的特征，很容易識(shí)別圖像在分界處的變化，觀察斷層、裂隙、節(jié)理、破碎帶、巖脈等地質(zhì)構(gòu)造的原始狀態(tài)，量測(cè)其產(chǎn)狀等，也能夠清晰地辨別出巖層和巖性的變化，判斷出結(jié)構(gòu)裂隙的分布，為工程地質(zhì)的研究提供重要依據(jù)。

1 數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)簡介

數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)是一套全新的先進(jìn)智能型勘探設(shè)備。該系統(tǒng)可觀測(cè)鉆孔中地質(zhì)體的各種特征和細(xì)微變化，對(duì)巖石的顏色、組成、顆粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)等進(jìn)行分辨，辨識(shí)軟弱夾層是否有泥化現(xiàn)象等；觀察斷層、裂隙、節(jié)理、破碎帶、巖脈等地質(zhì)構(gòu)造的原始狀態(tài)，估計(jì)其規(guī)模，量測(cè)其產(chǎn)狀等；通過對(duì)全孔孔壁的觀察，給出全景圖像和虛擬巖芯圖，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。

硬件部分由全景攝像探頭、圖像捕獲卡、深度脈沖發(fā)生器、錄像機(jī)、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)、絞車及專用電纜等組成。其中全景攝像探頭是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，它的內(nèi)部包含有可獲得全景圖像的截頭錐面反射鏡、提供探測(cè)照明的光源、用于定位的磁性羅盤以及微型CCD攝像機(jī)。深度脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)的定位設(shè)備之一，它由測(cè)量輪、光電轉(zhuǎn)角編碼器、深度信號(hào)采集板以及接口板組成。深度是一個(gè)數(shù)字量，它有兩個(gè)作用：一是確定探頭的準(zhǔn)確位置；二是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)的控制。

軟件部分主要用于室內(nèi)處理分析，其功能特點(diǎn)主要包括：用于室內(nèi)的統(tǒng)計(jì)分析以及結(jié)果輸出；單純的軟件系統(tǒng)，不單獨(dú)對(duì)硬件進(jìn)行控制；圖像數(shù)據(jù)來源于實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的結(jié)果；優(yōu)化的還原變換算法，保證探測(cè)的精度；具有單幀和連續(xù)播放能力；能夠?qū)D像進(jìn)行處理，形成各種結(jié)果圖像，包括圖像的無縫拼接，三維鉆孔巖芯圖和平面展開圖；具有計(jì)算與分析能力，包括計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、隙寬等；能夠?qū)μ綔y(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并建立數(shù)據(jù)庫；擁有良好的用戶界面，便于二次開發(fā)。

2 工程概況及觀測(cè)孔布置

T1091工作面位于唐山礦12水平鐵二區(qū)二采區(qū)，走向長度為1062 m，傾向長度138 m，煤層平均厚度10 m，煤層平均埋深約636 m，煤層傾角約12°，整個(gè)煤層的可采儲(chǔ)量約150萬t。T1091工作面老頂為灰色細(xì)砂巖，厚度約14.5 m；直接頂為灰色砂質(zhì)泥巖，厚度約4 m；偽頂為灰色泥巖，厚度約0.5 m；直接底為深灰色泥巖，厚度約4.5 m；老底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度2 m。

離層觀測(cè)鉆孔布設(shè)在T1091工作面的中部，沿工作面走向鉆孔距開切眼的距離為350 m，在工作面傾斜方向上，鉆孔與上、下方平巷的距離均為69 m。

對(duì)唐山礦T1091工作面觀測(cè)孔進(jìn)行了數(shù)字式全景鉆孔攝像測(cè)試，本次數(shù)字全景鉆孔攝像完成1個(gè)鉆孔的測(cè)試工作，測(cè)試范圍為174.3～539.7 m，累計(jì)測(cè)試深度為365.4 m。

數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)工作流程如下：平整場(chǎng)地，安放絞車；設(shè)備連接；全景探頭進(jìn)入鉆孔，設(shè)定初始化；攝像光源照明孔壁上的攝像區(qū)域，孔壁圖像經(jīng)錐面反射鏡變換后形成全景圖像，全景圖像與羅盤方位圖像一并進(jìn)入攝像機(jī)；攝像頭攝取的圖像數(shù)據(jù)流由專用電纜傳輸至位于地面的視頻分配器中，進(jìn)入錄像機(jī)保存測(cè)試過程；位于絞車上的測(cè)量輪通過電子脈沖實(shí)時(shí)測(cè)量探頭所處的位置，并通過接口板將深度值置于計(jì)算機(jī)內(nèi)的專用端口中，疊加到全景圖像中并保存；下降探頭直至整個(gè)探測(cè)結(jié)束；室內(nèi)分析。

3 鉆孔攝像觀測(cè)成果分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

在總長度為365.4 m的測(cè)量段中，數(shù)字全景攝像觀測(cè)共發(fā)現(xiàn)279條節(jié)理裂隙(含層理、夾層、界面等)，能判明產(chǎn)狀的191條，其中SE向92條，SW向45條，NW向19條，NE向25條，垂直裂隙或近垂直裂隙3條，水平7條。節(jié)理裂隙按傾角分組情況見表1，按隙寬節(jié)理分組情況見表2，分段節(jié)理密度統(tǒng)計(jì)見表3。

表1 節(jié)理裂隙按傾角分組表

由表1可以看出，緩傾角節(jié)理在整個(gè)測(cè)量段均有出現(xiàn)，其中SE以層面為主，其他方向緩傾角節(jié)理多為次生節(jié)理；中等傾角的節(jié)理主要分布在268.39～314.90 m、385.90～414.05 m及454.6～518.0 m測(cè)量段；陡傾角及垂直節(jié)理在孔深266 m以下均有出現(xiàn)，以266～414.05 m和435～520 m測(cè)量段較為集中。測(cè)試段內(nèi)發(fā)育的陡傾角或近垂直節(jié)理，與緩傾角或中等傾角節(jié)理組合切割巖體必然會(huì)影響巖體的完整性，從而減低巖體強(qiáng)度，可以總結(jié)為取芯深度越大節(jié)理傾角越陡。

表2 按隙寬節(jié)理分組表

由表2可以看出，全段以小寬度裂隙為主，在整個(gè)鉆孔中均有分布。若以鉆孔直徑91 mm統(tǒng)計(jì)，則全測(cè)段鉆孔總體積為2.375 m3，空隙總體積約0.116 m3，空隙體積占鉆孔體積的比例約為5%。

由表3可以看出，在224.3～274.3 m測(cè)段中，節(jié)理密度最小為0.36條/m，在504.3～539.7 m測(cè)段中，節(jié)理密度最大為0.90條/m。因此可以得出在整個(gè)覆巖中距離工作面越近節(jié)理的密度越大，即覆巖受采動(dòng)影響，距離工作面越近破壞越嚴(yán)重。

3.2 兩次測(cè)孔的節(jié)理裂隙的對(duì)比分析

采前測(cè)孔的測(cè)試范圍為200.56～415.05 m，采后測(cè)孔的測(cè)試范圍174.30 ～539.70 m，采前、采后鉆孔不同深度的節(jié)理裂隙對(duì)比圖如圖1所示。對(duì)比兩次鉆孔結(jié)果可知，地層巖體結(jié)構(gòu)、層面、節(jié)理的發(fā)育情況等均吻合得較好，局部發(fā)育有陡傾角的節(jié)理段，由于現(xiàn)測(cè)孔不在空間延展方位上，或由于界面層面等切割作業(yè)，未能繼續(xù)向深度擴(kuò)展，所以在現(xiàn)孔中未見具體的特征表現(xiàn)。

表3 節(jié)理密度表

圖1 采前、采后鉆孔不同深度的節(jié)理裂隙對(duì)比圖

由圖1(a)可以看出，前孔在東面局部出現(xiàn)，而現(xiàn)孔在西面局部出現(xiàn)，且基本在同一水平面，深度為201 m。根據(jù)空間關(guān)系和形態(tài)，推測(cè)可能是同一條裂隙的不完全延伸。由圖1(b)可以看出，根據(jù)空間計(jì)算關(guān)系，前孔203.03 m處的裂隙可能延至前孔中201 m左右的裂隙，而現(xiàn)孔204.5 m處的裂隙傾角較陡且寬度較大，水易流通透過，從攝像結(jié)果推測(cè)，為上部一出水口。由圖1(c)可以看出，現(xiàn)孔中250.1 m處空隙可能對(duì)應(yīng)于前孔248.7 m處的空隙，現(xiàn)孔中還有一陡裂隙的切割，該裂隙的透水貫通性可能較強(qiáng)。由圖1(d)可以看出，在277.5～282 m段，前孔存在近垂直裂隙發(fā)育段，而在現(xiàn)孔中未發(fā)現(xiàn)，這主要與兩鉆孔的空間關(guān)系有關(guān)。從裂隙的形態(tài)上來看，裂隙的主體延展方位大致在SE，因此可能是在現(xiàn)孔中未發(fā)現(xiàn)，并不是由于裂隙未延續(xù)。由圖1(e)可以看出，存在兩條比較類似的裂隙，且基本在同一標(biāo)高356.5 m，從形態(tài)和方位上都比較相似，但兩者是完全不同的兩條裂隙，從延伸角度講，兩者應(yīng)該是不貫通的，現(xiàn)孔中裂隙空隙較大，易透水。由圖1(f)可以看出，同一標(biāo)高巖段，現(xiàn)孔中裂隙明顯較前孔發(fā)育，裂隙比較雜亂，易于透水。

本次攝像工作分兩段進(jìn)行，第一段為174.3～470 m，第二段為470～539.7 m。在第一段測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)地下水位為454 m，但在470 m處堵孔。在第二段測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)地下水位為484 m，全孔段通暢?？v觀整個(gè)鉆孔，可以發(fā)現(xiàn)在456.8～509 m區(qū)段內(nèi)，裂隙較發(fā)育，規(guī)模較大，具備構(gòu)成透水通道的特征。470 m處的堵孔和全孔通暢時(shí)的地下水位變化更能反映476～509 m區(qū)段內(nèi)的巖體具有更好的透水能力。

4 結(jié)論

利用數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)觀測(cè)手段，獲取了不同覆巖深度結(jié)構(gòu)裂隙受采動(dòng)影響的分布規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

(1)緩傾角節(jié)理分布鉆孔探測(cè)范圍的全部，中傾角節(jié)理分布于鉆探范圍的中下部，陡傾角節(jié)理分布于取芯范圍的下部，歸納為距離工作面越近受采動(dòng)影響越明顯，節(jié)理傾角越陡。

(2)從采動(dòng)前后的對(duì)比圖中分析出，由于采動(dòng)的影響，距離工作面越近采后的覆巖裂隙發(fā)育越明顯，透水性越強(qiáng)。

(3)采動(dòng)裂隙和節(jié)理傾角的變化和覆巖與工作面距離有關(guān)，受煤層采動(dòng)影響，離工作面距離越近，覆巖破壞越嚴(yán)重，碎裂度越大，節(jié)理傾角越大，反之離工作面距離越遠(yuǎn)則覆巖破壞程度越小。

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