覆巖結構裂隙數字式全景鉆孔攝像觀測分析

李蘭新

(河北省煤田地質研究所，河北省邢臺市，054022)

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

1 數字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)簡介

數字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)是一套全新的先進智能型勘探設備。該系統(tǒng)可觀測鉆孔中地質體的各種特征和細微變化，對巖石的顏色、組成、顆粒結構、形態(tài)等進行分辨，辨識軟弱夾層是否有泥化現象等；觀察斷層、裂隙、節(jié)理、破碎帶、巖脈等地質構造的原始狀態(tài)，估計其規(guī)模，量測其產狀等；通過對全孔孔壁的觀察，給出全景圖像和虛擬巖芯圖，并進行相應的分析。數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、監(jiān)視器、計算機、絞車及專用電纜等組成。其中全景攝像探頭是該系統(tǒng)的關鍵設備，它的內部包含有可獲得全景圖像的截頭錐面反射鏡、提供探測照明的光源、用于定位的磁性羅盤以及微型CCD攝像機。深度脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)的定位設備之一，它由測量輪、光電轉角編碼器、深度信號采集板以及接口板組成。深度是一個數字量，它有兩個作用：一是確定探頭的準確位置；二是對系統(tǒng)進行自動探測的控制。

軟件部分主要用于室內處理分析，其功能特點主要包括：用于室內的統(tǒng)計分析以及結果輸出；單純的軟件系統(tǒng)，不單獨對硬件進行控制；圖像數據來源于實時監(jiān)視系統(tǒng)的結果；優(yōu)化的還原變換算法，保證探測的精度；具有單幀和連續(xù)播放能力；能夠對圖像進行處理，形成各種結果圖像，包括圖像的無縫拼接，三維鉆孔巖芯圖和平面展開圖；具有計算與分析能力，包括計算結構面產狀、隙寬等；能夠對探測結果進行統(tǒng)計分析，并建立數據庫；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°，整個煤層的可采儲量約150萬t。T1091工作面老頂為灰色細砂巖，厚度約14.5 m；直接頂為灰色砂質泥巖，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；老底為深灰色砂質泥巖，厚度2 m。

離層觀測鉆孔布設在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。

對唐山礦T1091工作面觀測孔進行了數字式全景鉆孔攝像測試，本次數字全景鉆孔攝像完成1個鉆孔的測試工作，測試范圍為174.3～539.7 m，累計測試深度為365.4 m。

數字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)工作流程如下：平整場地，安放絞車；設備連接；全景探頭進入鉆孔，設定初始化；攝像光源照明孔壁上的攝像區(qū)域，孔壁圖像經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入攝像機；攝像頭攝取的圖像數據流由專用電纜傳輸至位于地面的視頻分配器中，進入錄像機保存測試過程；位于絞車上的測量輪通過電子脈沖實時測量探頭所處的位置，并通過接口板將深度值置于計算機內的專用端口中，疊加到全景圖像中并保存；下降探頭直至整個探測結束；室內分析。

3 鉆孔攝像觀測成果分析

3.1 測試結果

在總長度為365.4 m的測量段中，數字全景攝像觀測共發(fā)現279條節(jié)理裂隙(含層理、夾層、界面等)，能判明產狀的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)理在整個測量段均有出現，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測量段；陡傾角及垂直節(jié)理在孔深266 m以下均有出現，以266～414.05 m和435～520 m測量段較為集中。測試段內發(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影響巖體的完整性，從而減低巖體強度，可以總結為取芯深度越大節(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，在整個鉆孔中均有分布。若以鉆孔直徑91 mm統(tǒng)計，則全測段鉆孔總體積為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測段中，節(jié)理密度最小為0.36條/m，在504.3～539.7 m測段中，節(jié)理密度最大為0.90條/m。因此可以得出在整個覆巖中距離工作面越近節(jié)理的密度越大，即覆巖受采動影響，距離工作面越近破壞越嚴重。

3.2 兩次測孔的節(jié)理裂隙的對比分析

采前測孔的測試范圍為200.56～415.05 m，采后測孔的測試范圍174.30 ～539.70 m，采前、采后鉆孔不同深度的節(jié)理裂隙對比圖如圖1所示。對比兩次鉆孔結果可知，地層巖體結構、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，由于現測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)向深度擴展，所以在現孔中未見具體的特征表現。

表3 節(jié)理密度表

圖1 采前、采后鉆孔不同深度的節(jié)理裂隙對比圖

由圖1(a)可以看出，前孔在東面局部出現，而現孔在西面局部出現，且基本在同一水平面，深度為201 m。根據空間關系和形態(tài)，推測可能是同一條裂隙的不完全延伸。由圖1(b)可以看出，根據空間計算關系，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，從攝像結果推測，為上部一出水口。由圖1(c)可以看出，現孔中250.1 m處空隙可能對應于前孔248.7 m處的空隙，現孔中還有一陡裂隙的切割，該裂隙的透水貫通性可能較強。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，而在現孔中未發(fā)現，這主要與兩鉆孔的空間關系有關。從裂隙的形態(tài)上來看，裂隙的主體延展方位大致在SE，因此可能是在現孔中未發(fā)現，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，兩者應該是不貫通的，現孔中裂隙空隙較大，易透水。由圖1(f)可以看出，同一標高巖段，現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行，第一段為174.3～470 m，第二段為470～539.7 m。在第一段測試中，發(fā)現地下水位為454 m，但在470 m處堵孔。在第二段測試中，發(fā)現地下水位為484 m，全孔段通暢?？v觀整個鉆孔，可以發(fā)現在456.8～509 m區(qū)段內，裂隙較發(fā)育，規(guī)模較大，具備構成透水通道的特征。470 m處的堵孔和全孔通暢時的地下水位變化更能反映476～509 m區(qū)段內的巖體具有更好的透水能力。

4 結論

利用數字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)觀測手段，獲取了不同覆巖深度結構裂隙受采動影響的分布規(guī)律，可以得到以下結論：

(1)緩傾角節(jié)理分布鉆孔探測范圍的全部，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影響越明顯，節(jié)理傾角越陡。

(2)從采動前后的對比圖中分析出，由于采動的影響，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。

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

參考文獻：

[1] 孫利輝.西部弱膠結地層大采高工作面覆巖結構演化與礦壓活動規(guī)律研究[D].北京科技大學,2017

[2] 宋冬梅.煤礦地質災害特征及預測方法探討[J].西部探礦工程,2016(5)

[3] 侯海平.煤礦地質工作與防治水工作結合的必要性研究[J].機械管理開發(fā),2016(4)

[4] 師修昌.煤炭開采上覆巖層變形破壞及其滲透性評價研究[D].中國礦業(yè)大學(北京),2016

[5] 汪進超,王川嬰,胡勝等.全景鉆孔攝像技術勘測精度分析[J].巖石力學與工程學報,2015(S2)

[6] 靖洪文,李元海,梁軍起等.鉆孔攝像測試圍巖松動圈的機理與實踐[J].中國礦業(yè)大學學報,2009(5)

[7] 王川嬰,Lawk Tim.鉆孔攝像技術的發(fā)展與現狀[J].巖石力學與工程學報,2005(19)

[8] 楊會軍,韓文峰,諶文武等.基巖裂隙水滲流特性探討與工程實例[J].巖石力學與工程學報,2003(S2)