钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用

ＲｅｓｏｕｒｃｅｓＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏｌ􀆰３２ꎬＮｏ􀆰１Ｍａｒ.ꎬ２０１８

钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用

彭　耀ꎬ樊永生ꎬ徐联泽ꎬ刘基强ꎬ董艳平

(湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队ꎬ湖北武汉　４３００５１)

摘　要:简要介绍钻孔电视成像的设备组成和工作原理ꎬ并对其解译技术和结构面产状计算进行简要说明ꎮ该方法技术可以将地质分层精细化ꎬ对微地质构造进行识别并科学测量倾向倾角ꎮ将钻孔电视成像应用于武汉地铁岩溶勘察ꎬ观测了解岩体完整性ꎬ岩溶、裂隙发育情况ꎬ充填情况ꎬ测定地下水含水层位置并分析确定岩层产状等ꎮ此外ꎬ通过生成三维钻孔柱状图ꎬ真实、直观地再现钻孔内的地质情况ꎮ关键词:岩溶勘察ꎻ钻孔电视成像ꎻ三维钻孔柱状图ꎻ岩层产状

中图分类号:Ｐ６４２.２５ꎻＴＵ４１３　　　　文献标识码:Ａ　　　　文章编号:１６７１－１２１１(２０１８)０１－０１３４－０３ＤＯＩ:１０.１６５３６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ.１６７１－１２１１.２０１８.０１.０２９

　　钻孔电视成像是一种新型的、直观的、数字化的测

井技术手段ꎬ能够准确地反映地下岩层的原始状态[１]ꎮ主要用于观测了解岩体完整性ꎬ岩溶、裂隙发育情况ꎬ充填情况ꎬ地下水含水层位置ꎬ分析确定岩层产状等[２]ꎮ对于工程地质问题ꎬ特别是文中涉及的武汉地钻孔电视成像可以直接、清晰地观看钻孔内套管、地层、岩性、结构和构造以及岩溶、裂隙中出水的地质现象ꎮ同时ꎬ可以通过生成三维钻孔柱状图获取最直接的地质地层特征ꎮ

铁岩溶勘察所面临的工程地质条件复杂ꎬ岩层变化大ꎬ

利用电缆把探头下入井内ꎬ探头在后置光源的照射下进行信号采集ꎬ将信号进行光电转换ꎬ通过电缆传送回主机ꎬ然后通过蓝牙传送至平板电脑显示屏ꎮ探头准确的把探测到的图像实时地显示在显示屏上ꎬ是钻孔电视成像测井的关键技术ꎬ计数器通过滑轮的转数实现对深度的测量ꎮ

２　解译技术

现ꎬ前人已做过比较详尽的说明[３]ꎮ主要包括如下内容:

将柱状图按Ｎ→Ｅ→Ｓ→Ｗ→Ｎ(定义成ｘ方向)展开成平面图(图２)ꎬ可按三点法(如正弦曲线的波峰点Ａꎬ中间点Ｂꎬ波谷点Ｃ)或者两点法(正弦曲线的波峰点Ａꎬ波谷点Ｃ)来确定结构面的产状信息ꎮ

钻孔电视的解译主要根据解析几何的原理来实

１　工作原理

钻孔电视成像仪主要由电脑、主机、高清摄像探头、计数器、连接线及绞车组成ꎬ方位通过电子罗盘校准ꎬ深度通过计数器控制(图１)ꎮ

图２　结构面产状展开

图１　工作原理图

Ｆｉｇ􀆰１　Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

Ｆｉｇ􀆰２　Ｕｎｆｏｌｄｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｌａｎｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ

收稿日期:２０１７－０８－２１ꎻ改回日期:２０１７－１０－２７

资助项目:武汉轨道交通５号线工程岩溶专项勘察(ＫＣ２０１６—０７８)ꎮ

作者简介:彭耀(１９８８－)ꎬ男ꎬ技术员ꎬ硕士ꎬ地球物理专业ꎬ从事工程勘察及地球物理相关研究工作ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｐｙ８０２２５＠１２６􀆰ｃｏｍ

第１期彭　耀等:钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用

１３５

α＝

ｘ１ｒ

β＝ｔａｎ－１

式中:ｘ１为结构面迹线最低点的ｘ

ｄ＝ｄ０ｃｏｓβ

ΔｈπΔｈ＝ｔａｎ－１２ｒＣ

坐标ꎻｒ为钻孔半径ꎻα为结构面的倾向(弧度)ꎻΔｈ为最高点与最低点的高差ꎻβ为结构面的倾角(弧度)ꎻＣ为孔壁周长ꎻｄ为结构面的厚度ꎻｄ０为结构面在孔壁上的出露厚度ꎮ

３　工程实践

在武汉地铁岩溶专项勘察中ꎬ确定岩层的产状对于研究岩溶的发育特征意义重大ꎬ探明局部小构造、软弱夹层等有益于指导工程实践ꎬ发现岩溶及裂隙的发育特征有助于地下水活动规律的研究ꎮ

数据采集过程中ꎬ探头架设在套管中心ꎬ注意对孔口计数零点的校准ꎬ探头匀速下放ꎮ探头直径较导致探头卡塞ꎮ

使用处理软件对图像进行无缝拼接、结构面及深度的拾取ꎬ结合钻孔及区域地质资料进行资料解译ꎮ同时ꎬ可以生成三维钻孔柱状图ꎬ结合岩芯细化分层、精确化划分薄层位置ꎬ为地质工作提供技术支撑ꎮ

通过对比图３和图４可以发现ꎬ钻孔电视结果与钻孔岩芯照片深度及内容对应良好ꎬ二者均能较好地反映岩层的深度、岩性、溶蚀发育情况等信息ꎮ但是钻孔取样过程中ꎬ岩芯的原状信息ꎬ例如产状、裂缝宽度

图３　钻孔电视结果图及三维钻孔柱状图

Ｆｉｇ􀆰３　ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅＴＶａｎｄ３￣ｄｄｒｉｌｌｉｎｇｈｉｓｔｏｇｒａｍ

大ꎬ测井过程中注意观察岩壁及孔内情况ꎬ防止因垮孔等遭到破坏ꎬ特别是薄层状软弱夹层ꎬ而钻孔电视成像能够精确、直观地测量出岩石产状和层厚ꎮ

钻探过程中ꎬ当遇到构造破碎带、溶洞等情况时ꎬ会出现缺少岩芯ꎬ对溶洞顶底板的判断不够准确ꎮ钻孔电视成像则通过直观地观察ꎬ来确定构造破碎带、溶洞等不良地质情况的深度范围、宽度、规模等信息ꎮ

在岩体极破碎、泥灰岩夹层等情况下ꎬ会出现取芯率低ꎬ芯样以块状为主、个别短柱状ꎬ无法对岩层信息做出合理的判断ꎮ钻孔电视成像能够准确地判定破碎带及泥灰岩的埋深、规模等信息ꎮ

图４　钻孔岩芯照片

Ｆｉｇ􀆰４　Ｔｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｒｅｓ

１３６

资源环境与工程

２０１８年　

表１　信息解译成果表

Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ

孔号１

２３４５６７

异常解译层面泥灰岩夹层薄层状炭质灰岩夹层溶蚀发育ꎬ泥质填充

孔径/ｃｍ

９.１０３３.１２~３３.６９９.１０４０.１０~４０.８４９.１０４７.００~４７.５１９.１０４４.２１~４４.９５

高程范围/

ｍ

倾向/(°)ＮＥ６４/ＮＥ２８/

８１.１２/８１.９０/倾角/(°)

其他说明

３３.１０ｍ处推测有一处正断层发育

/

层面ꎬ溶隙发育１１.００３５.９０~３６.３６岩性交界面

砾岩

９.１０２８.１２~２８.１８ＳＥ１２２

/

ＮＥ４９７８.１５３１.６０/

岩体破碎ꎬ方解石脉填充

２８.１０ｍ上为深灰色中厚层状灰岩ꎬ下为褐红夹褐黄色泥灰岩、泥岩

粒径５~３５ｍｍꎬ局部４０~８０ｍｍꎬ最大达２１０ｍｍꎻ磨圆度较差ꎬ呈次棱角—棱角状ꎬ分选差ꎬ局部富集ꎻ岩体完整

隙长４.４０ｃｍꎬ宽２.３０ｃｍꎬ无充填

１１.００２８.００~２９.００

４　结论与建议

利用钻孔电视成像ꎬ可以对岩体完整性ꎬ岩溶、裂隙发育情况ꎬ充填情况ꎬ地下水含水层位置ꎬ岩层产状等进行分析和计算ꎬ进一步将地质分层精细化、对微地质构造进行识别、科学测量倾向倾角ꎬ从而为地质工作提供科学可靠的依据ꎮ

当地质构造复杂时ꎬ取芯率低使得地质特征不能很好地得到反映ꎬ钻孔电视可以弥补取芯不足的特点ꎬ并且其经济实惠ꎬ可以在地铁岩溶勘察中发挥重要作用ꎮ

钻孔电视对成孔条件要求较高ꎬ现阶段主要应用于岩体完整性较好的钻孔ꎬ且基岩面以上需要用套管进行隔离ꎮ大溶洞可能会导致探头偏离钻孔方向ꎬ覆

盖层存在垮孔的风险ꎮ

随着科技的发展及人们对于地质信息的高精度要求ꎬ钻孔电视成像越来越受到广大地质工作者的青睐ꎬ被广泛地用于矿井处理、土木工程、水文施工等领域ꎬ为设计和施工提供科学的参考依据ꎮ参考文献:

[１]　袁晓彬ꎬ王传宝.井下电视测井技术在水利水电工程中的运用[２]　樊永生ꎬ张艳涛.武汉地铁岩溶勘察主要方法及重难点分析[Ｊ].

资源环境与工程ꎬ２０１７ꎬ３１(１):６０－６５.

[３]　李攀峰.基于钻孔电视的岩体结构信息解译[Ｊ].四川水利ꎬ２００８ꎬ

２９(４):７５－７７.

[Ｊ].中国水运ꎬ２００９ꎬ９(２):１５０－１５１.

(责任编辑:于继红)

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢｏｒｅｈｏｌｅＴＶＩｍａｇｉｎｇｉｎｔｈｅＫａｒｓｔＳｕｒｖｅｙｏｆＷｕｈａｎＭｅｔｒｏ

ＰｅｎｇＹａｏꎬＦａｎＹｏｎｇｓｈｅｎｇꎬＸｕＬｉａｎｚｅꎬＬｉｕＪｉｑｉａｎｇꎬＤｏｎｇＹａｎｐｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅＴＶｉｍａｇｉｎｇａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｎｄａ

(ＷｕｈａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙꎬＷｕｈａｎꎬＨｕｂｅｉ　４３００５１)

ｂｒｉｅｆｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｉｔｓｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｄ.Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｆｉｎｅｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｅｓｔｈｅｍｉｃｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｍｅａｓｕｒｅｓｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｄｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎꎬｅｔｃ.ＴａｋｉｎｇｔｈｅｓｕｂｗａｙｋａｒｓｔｓｕｒｖｅｙｉｎＷｕｈａｎｆｏｒｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｏｂｓｅｒｖｅｓｔｈｅｒｏｃｋｉｎｔｅｇｒｉｔｙꎬｔｈｅｋａｒｓｔａｎｄｆｉｓｓｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅｉｒｆｉｌｌｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅａｑｕｉｆｅｒｌｏｃａｔｉｏｎꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｏｃｋｆｏｒ￣ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｗｉｔｈｉｎｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｋａｒｓｔｓｕｒｖｅｙꎻｂｏｒｅｈｏｌｅＴＶꎻ３ｄｄｒｉｌｌｉｎｇｈｉｓｔｏｇｒａｍꎻｒｏｃｋｆｏｒｍａｔｉｏｎ

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