鉆孔電視成像在武漢地鐵巖溶勘察中的應(yīng)用

彭 耀, 樊永生, 徐聯(lián)澤, 劉基強(qiáng), 董艷平

(湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051)

鉆孔電視成像是一種新型的、直觀的、數(shù)字化的測(cè)井技術(shù)手段,能夠準(zhǔn)確地反映地下巖層的原始狀態(tài)[1]。主要用于觀測(cè)了解巖體完整性,巖溶、裂隙發(fā)育情況,充填情況,地下水含水層位置,分析確定巖層產(chǎn)狀等[2]。對(duì)于工程地質(zhì)問題,特別是文中涉及的武漢地鐵巖溶勘察所面臨的工程地質(zhì)條件復(fù)雜,巖層變化大,鉆孔電視成像可以直接、清晰地觀看鉆孔內(nèi)套管、地層、巖性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及巖溶、裂隙中出水的地質(zhì)現(xiàn)象。同時(shí),可以通過生成三維鉆孔柱狀圖獲取最直接的地質(zhì)地層特征。

1 工作原理

鉆孔電視成像儀主要由電腦、主機(jī)、高清攝像探頭、計(jì)數(shù)器、連接線及絞車組成,方位通過電子羅盤校準(zhǔn),深度通過計(jì)數(shù)器控制(圖1)。

圖1 工作原理圖Fig.1 The diagram of working principle

利用電纜把探頭下入井內(nèi),探頭在后置光源的照射下進(jìn)行信號(hào)采集,將信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,通過電纜傳送回主機(jī),然后通過藍(lán)牙傳送至平板電腦顯示屏。探頭準(zhǔn)確的把探測(cè)到的圖像實(shí)時(shí)地顯示在顯示屏上,是鉆孔電視成像測(cè)井的關(guān)鍵技術(shù),計(jì)數(shù)器通過滑輪的轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)深度的測(cè)量。

2 解譯技術(shù)

鉆孔電視的解譯主要根據(jù)解析幾何的原理來實(shí)現(xiàn),前人已做過比較詳盡的說明[3]。主要包括如下內(nèi)容:

將柱狀圖按N→E→S→W→N(定義成x方向)展開成平面圖(圖2),可按三點(diǎn)法(如正弦曲線的波峰點(diǎn)A,中間點(diǎn)B,波谷點(diǎn)C)或者兩點(diǎn)法(正弦曲線的波峰點(diǎn)A,波谷點(diǎn)C)來確定結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息。

圖2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀展開Fig.2 Unfold of structure plane orientation

圖3 鉆孔電視結(jié)果圖及三維鉆孔柱狀圖Fig.3 The results of borehole TV and 3-d drilling histogram

式中:x1為結(jié)構(gòu)面跡線最低點(diǎn)的x坐標(biāo);r為鉆孔半徑;α為結(jié)構(gòu)面的傾向(弧度);Δh為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差;β為結(jié)構(gòu)面的傾角(弧度);C為孔壁周長(zhǎng);d為結(jié)構(gòu)面的厚度;d0為結(jié)構(gòu)面在孔壁上的出露厚度。

3 工程實(shí)踐

在武漢地鐵巖溶專項(xiàng)勘察中,確定巖層的產(chǎn)狀對(duì)于研究巖溶的發(fā)育特征意義重大,探明局部小構(gòu)造、軟弱夾層等有益于指導(dǎo)工程實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)巖溶及裂隙的發(fā)育特征有助于地下水活動(dòng)規(guī)律的研究。

數(shù)據(jù)采集過程中,探頭架設(shè)在套管中心,注意對(duì)孔口計(jì)數(shù)零點(diǎn)的校準(zhǔn),探頭勻速下放。探頭直徑較大,測(cè)井過程中注意觀察巖壁及孔內(nèi)情況,防止因垮孔導(dǎo)致探頭卡塞。

使用處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行無縫拼接、結(jié)構(gòu)面及深度的拾取,結(jié)合鉆孔及區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行資料解譯。同時(shí),可以生成三維鉆孔柱狀圖,結(jié)合巖芯細(xì)化分層、精確化劃分薄層位置,為地質(zhì)工作提供技術(shù)支撐。

通過對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),鉆孔電視結(jié)果與鉆孔巖芯照片深度及內(nèi)容對(duì)應(yīng)良好,二者均能較好地反映巖層的深度、巖性、溶蝕發(fā)育情況等信息。但是鉆孔取樣過程中,巖芯的原狀信息,例如產(chǎn)狀、裂縫寬度

等遭到破壞,特別是薄層狀軟弱夾層,而鉆孔電視成像能夠精確、直觀地測(cè)量出巖石產(chǎn)狀和層厚。

鉆探過程中,當(dāng)遇到構(gòu)造破碎帶、溶洞等情況時(shí),會(huì)出現(xiàn)缺少巖芯,對(duì)溶洞頂?shù)装宓呐袛嗖粔驕?zhǔn)確。鉆孔電視成像則通過直觀地觀察,來確定構(gòu)造破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)情況的深度范圍、寬度、規(guī)模等信息。

在巖體極破碎、泥灰?guī)r夾層等情況下,會(huì)出現(xiàn)取芯率低,芯樣以塊狀為主、個(gè)別短柱狀,無法對(duì)巖層信息做出合理的判斷。鉆孔電視成像能夠準(zhǔn)確地判定破碎帶及泥灰?guī)r的埋深、規(guī)模等信息。

圖4 鉆孔巖芯照片F(xiàn)ig.4 The photographs of borehole cores

表1 信息解譯成果表Table 1 The interpretation results

孔號(hào)異常解譯孔徑/cm高程范圍/m傾向/(°)傾角/(°)其他說明1層面9．1033．12～33．69NE6481．1233．10m處推測(cè)有一處正斷層發(fā)育2泥灰?guī)r夾層9．1040．10～40．84///3薄層狀炭質(zhì)灰?guī)r夾層9．1047．00～47．51NE2881．904溶蝕發(fā)育，泥質(zhì)填充9．1044．21～44．95//巖體破碎，方解石脈填充5層面，溶隙發(fā)育11．0035．90～36．36NE4978．15隙長(zhǎng)4．40cm，寬2．30cm，無充填6巖性交界面9．1028．12～28．18SE12231．6028．10m上為深灰色中厚層狀灰?guī)r，下為褐紅夾褐黃色泥灰?guī)r、泥巖7礫巖11．0028．00～29．00//粒徑5～35mm，局部40～80mm，最大達(dá)210mm；磨圓度較差，呈次棱角—棱角狀，分選差，局部富集；巖體完整

4 結(jié)論與建議

利用鉆孔電視成像,可以對(duì)巖體完整性,巖溶、裂隙發(fā)育情況,充填情況,地下水含水層位置,巖層產(chǎn)狀等進(jìn)行分析和計(jì)算,進(jìn)一步將地質(zhì)分層精細(xì)化、對(duì)微地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行識(shí)別、科學(xué)測(cè)量?jī)A向傾角,從而為地質(zhì)工作提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造復(fù)雜時(shí),取芯率低使得地質(zhì)特征不能很好地得到反映,鉆孔電視可以彌補(bǔ)取芯不足的特點(diǎn),并且其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,可以在地鐵巖溶勘察中發(fā)揮重要作用。

鉆孔電視對(duì)成孔條件要求較高,現(xiàn)階段主要應(yīng)用于巖體完整性較好的鉆孔,且基巖面以上需要用套管進(jìn)行隔離。大溶洞可能會(huì)導(dǎo)致探頭偏離鉆孔方向,覆蓋層存在垮孔的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著科技的發(fā)展及人們對(duì)于地質(zhì)信息的高精度要求,鉆孔電視成像越來越受到廣大地質(zhì)工作者的青睞,被廣泛地用于礦井處理、土木工程、水文施工等領(lǐng)域,為設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

[1] 袁曉彬,王傳寶.井下電視測(cè)井技術(shù)在水利水電工程中的運(yùn)用[J].中國(guó)水運(yùn),2009,9(2):150-151.

[2] 樊永生,張艷濤.武漢地鐵巖溶勘察主要方法及重難點(diǎn)分析[J].資源環(huán)境與工程,2017,31(1):60-65.

[3] 李攀峰.基于鉆孔電視的巖體結(jié)構(gòu)信息解譯[J].四川水利,2008,29(4):75-77.