基于數字式全景鉆孔攝像技術的礦山巖體結構面特征研究

馮興隆 ,吳坤 ,沈啟武,孫熙寧,沙有財,魏慶喜,董橋峰

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司,云南 香格里拉市 674408;2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

0 引言

巖體結構面在巖體中起著主要的控制作用,其幾何特性參數是評價巖體滲流特性和巖體穩定性的重要基礎[1]。地下礦山的開采會使上覆巖體發生擾動,從而改變巖體內部結構面的幾何特征參數[23],進而引發相關的地質與環境問題,如地表塌陷、地下水系統的破壞、巷道涌水[4]。因此,開展地下礦山采礦區巖體內部結構面幾何特征的調查與研究,具有重要的工程意義。

在傳統的現場地質測繪中,通常采用人工測量的方法來獲取巖體結構面信息。受制于測量手段,人工測量僅能收集到較低處巖石露頭的結構面信息,數據量少且受調查者的主觀影響較大[5]。數字式全景鉆孔攝像技術可以直接觀測到鉆孔內部巖體的信息,從而獲取結構面產狀和開度等數據[6]。

國內外大量學者基于數字式全景鉆孔攝像技術在巖體結構面的識別和解譯方面做了大量研究[7-8]。但由于鉆孔方向通常缺乏足夠的多樣性,不能有效地揭露巖體內結構面產狀,得到的巖體結構面數據會存在取樣偏差[9]。目前,大多數研究沒有考慮數字式全景鉆孔攝像技術測量結構面時的取樣偏差問題。

因此,本文以國內某地下礦山作為工程依托,基于數字式全景鉆孔攝像技術,掃描了巖體內部結構面圖像,識別并解譯出深部巖體結構面的線密度、產狀、開度信息。基于此,采用Terzaghi修正法對結構面產狀取樣偏差加以修正,探討了地下礦山開采對巖體結構面的擾動機理。本文的研究成果進一步完善了地下礦山巖體結構面的實測數據資料,可為后續進行礦區巖體滲流特性和巖體穩定性的定量分析提供指導。

1 技術原理

數字式全景鉆孔攝像系統主要由探頭、主機、絞車等部分組成,可以360°采集高清晰度的鉆孔孔壁全景圖像。通過采集不同區段的巖體孔壁圖像,最終可以得到連續的整孔圓柱圖像,從而清晰完整地呈現巖體結構面。通過解析圓柱圖像的展開圖,可以得到結構面產狀信息。

如圖1所示,結構面與鉆孔圓柱圖像相交平面為橢圓,其展開圖像可以擬合為固定單周期正弦曲線,計算式為:

圖1 結構面位置與正弦曲線的關系

式中,i、j分別為結構面上像素點的行數與列數;i0為正弦曲線中心點在圖像上的行數;N為圖像每行像素點的總數;T、θ分別為正弦曲線的幅值和相位。

則結構面的傾向α、傾角β可由下式求出:

式中,K為鉆孔深度方向的分辨率;D為鉆孔直徑。

由于鉆孔方向通常為一條直線,實測結構面與鉆孔的交切頻率常隨二者空間位置的變動而變動,使得觀測頻率小于真實頻率,產狀取樣偏差由此產生。本文基于Terzaghi修正法[9],以結構面傾角和鉆孔軸線夾角所表示的修正系數,對結構面頻數加以修正,從而減小結構面取樣偏差。修正系數如下:

式中,TCF為產狀修正系數;δ為鉆孔軸線與結構面夾角;αs、βs 為鉆孔軸線的傾向、傾角;α、β為結構面傾向、傾角。

當鉆孔為垂直孔時,βs為90°,則修正系數TCF可表示為:

由于結構面數量為整數,為方便后續統計分析,將一定產狀范圍內相關修正系數取為最接近的整數。因此本文中結構面傾角為[0°,48°]、[48°,66°]、[66°,77°]和[77°,90°]4個區間的TCF分別取1,2,3,4。

2 研究結果與分析

本文基于數字式全景鉆孔攝像技術,研究了某銅礦開采區附近的地下巖體結構面特征信息(見圖2)。利用數字式全景鉆孔攝像系統采集了礦山開采區中某鉆孔的孔壁圖像,并對結構面的密度、產狀、開度等信息進行解譯。其中,圖像采集分辨率為3 mm,采集深度為111.8 m。鉆孔為垂直鉆孔,開孔直徑為110 mm、在深度95 m 處變徑為91 mm。

圖2 塌陷坑位置和結構面測量位置

2.1 測量結果

基于鉆孔的孔內電視圖像,對巖體結構面的產狀進行了擬合解譯。鉆孔測試深度共111.8 m。由于鉆孔上部地層為破碎的第四系殘坡積層,主要由黏土、植物根系和巖石碎塊組成,鉆探時進行了套管護壁,0.0～2.7 m 的測試圖像為不具觀測價值的套管壁圖像。因此,實際上鉆孔的有效測試段長度為109.1 m。通過對有效段的孔內電視圖像進行擬合解譯,共提取出216條巖體結構面的產狀與開度信息。

表1為孔內電視解譯結構面線密度統計結果。由表1可知,鉆孔2.7～111.8 m 段共發育結構面216條,平均間距為0.51 m/條。其中,鉆孔10.0～60.0 m 結構面發育較多,結構面多數為張開型且表面粗糙,巖體較為破碎;60.0～110.0 m 結構面數量相對較少,結構面多為張開充填型,開度較小,巖體完整程度較好。由于鉆孔上部結構面發育,巖體破壞程度較大,結構體多呈柱狀和塊狀,局部結構面密集處為碎塊狀。

表1 孔內電視解譯結構面線密度統計

利用鉆孔孔壁展開圖像,可以對巖體結構面的產狀信息進行解譯。為對結構面產狀進行修正,根據傾角大小將結構面分為4組。其中,對應傾角為[0°,48°]、[48°,66°]、[66°,77°]和[77°,90°]4個區間的結構面條數分別為101,45,43,27 條。應用Terzaghi修正法對解譯數據進行修正,修正后結構面總數為428 條,4 個區間的結構面條數分別為101,90,129,108 條。圖3 為修正前后的結構面產狀的等值線圖(吳式網下半球投影)。經統計分析發現,修正后鉆孔內共發育4組優勢結構面,其平均產狀分別為:85°∠62°、181°∠68°、331°∠63°和211°∠6°。

圖3 結構面產狀對比

結構面相當于一個有厚度薄圓盤。利用鉆孔圖像,根據式(1)可以擬合出結構面上下邊緣的函數iu、id。則結構面開度d可由式(7)求出。

根據結構面開度計算公式,計算了巖體結構面的開度信息。經統計,各優勢結構面組的開度在0～7 mm 均有分布,不同結構面組之間相差不大。因此,可將4組結構面開度合并統計,以獲取整個鉆孔中結構面開度的幾何分布規律。表2為結構面開度分布信息。開度服從對數正態分布,平均開度為1.27 mm,方差為1.58。

表2 結構面開度分布情況

2.2 測量效果分析

為評價數字式全景鉆孔攝像測量的效果,將結構面的測井結果與鉆孔取芯的實際情況進行了抽查和對比。現場隨機抽取了3處結構面進行對比,表3為測井數據與巖芯結構面的對比結果。由表3 可知,結構面的發育深度基本一致,這說明了鉆孔攝像圖像識別結果具有可靠性。

表3 測井數據與巖芯結構面的對比

為進一步驗證孔內電視圖像解譯結果的準確性,將孔內電視圖像解譯的巖體結構面產狀信息與現場地質測繪結果進行對比。根據現場地質測繪結果可知,鉆孔附近巖體結構面較發育,主要結構面有4組,其平均產狀分別為:93°∠73°、191°∠71°、344°∠74°和216°∠15°。表4為兩種方法測得巖體結構面產狀的對比。由表4可知,孔內電視圖像解譯的巖體結構面產狀信息與現場地質測繪結果基本一致。其中,結構面傾向較為吻合,傾角存在些許偏差。主要原因有兩點:數字式全景鉆孔攝像測量的只是結構面在鉆孔空間范圍內的產狀參數,無法獲得其在橫向范圍內延展的信息;數字式全景鉆孔攝像掃描并提取了高程跨度約110 m 的結構面的信息,而現場人工測繪只測量了鉆孔孔口附近結構面的產狀。

表4 產狀對比

2.3 采礦擾動分析

自然崩落法采礦會引起巖體結構面的走向發生改變,從而影響裂隙巖體的滲流方向。數字式全景鉆孔攝像技術可以采集巖體內部結構面的展布信息,從而獲取巖體內部結構面走向的變化趨勢,可以為后續預測地下水流動方向提供依據。

圖4為采礦前后巖體結構面的走向節理玫瑰花圖。由圖4可知,采礦前結構面走向以東西向為主;采礦擾動后結構面走向在各個方向均有發育。對比發現,自然崩落法采礦后,東西向的結構面明顯增多,礦區巖體的結構面總體有向北偏移的趨勢。這是由于鉆孔攝像的位置位于采礦塌陷區北側(見圖2),受采礦擾動和地面塌陷的影響,北側巖體有向采礦區塌陷的趨勢,因此產生了較多的東西向結構面。

圖4 節理玫瑰花圖

礦區巖體結構面的發育特征與采礦活動的進行息息相關。自然崩落法采礦的核心是實現礦巖的崩落,因此,在采礦區會產生較大的地表塌陷坑。隨著礦巖的崩落,塌陷坑周圍巖體會產生不同程度的擾動和破壞,從而改變巖體結構面的發育特征。圖5為塌陷坑周圍巖體裂隙發育情況。塌陷坑周邊巖體在重力作用下,向塌陷坑崩塌,形成一個裂縫拓展區。隨著采礦活動的進行,巖體發生破壞,產生由表層向深部發展的裂縫。因此,礦區東西向結構面逐漸增多,上部巖體較下部巖體更為破碎。

圖5 巖體裂隙發育示意

3 結論

本文以某銅礦自然崩落法開采區為例,采用數字式全景鉆孔攝像技術實測了深部巖體結構面的密度、產狀、開度信息,并基于Terzaghi修正法對鉆孔產狀進行方向糾偏,探討了自然崩落法開采礦山對巖體結構面的影響,得到以下主要結論。

(1)結構面發育程度與巖體深度相關。鉆孔中共發育結構面216條,平均間距為0.51 m/條,鉆孔上部巖體破碎,結構面多為張開粗糙型;鉆孔下部巖體完整程度較好,結構面多為張開閉合型。

(2)鉆孔內共發育4 組優勢結構面,平均產狀為85°∠62°、181°∠68°、331°∠63°和211°∠6°。其中,數字式全景鉆孔攝像圖像的識別結果與鉆孔取芯的實際情況一致,結構面產狀經Terzaghi 修正糾偏后與現場地質測繪結果基本吻合。

(3)通過數字式全景鉆孔攝像技術,能夠有效觀測到自然崩落法采礦對周邊巖體造成的擾動。相對于采礦前,采礦擾動后鉆孔區域內巖體結構面在各個方向均有發育,其中東西向的結構面明顯增多,巖體有向采礦區塌陷的趨勢。