覆岩结构裂隙数字式全景钻孔摄像观测分析

李兰新

(河北省煤田地质研究所，河北省邢台市，054022)

覆岩中的裂隙、节理、层理、断层等不连续结构面是工程地质研究的基础。数字式全景钻孔摄像技术具有三维和高精度的特征，很容易识别图像在分界处的变化，观察断层、裂隙、节理、破碎带、岩脉等地质构造的原始状态，量测其产状等，也能够清晰地辨别出岩层和岩性的变化，判断出结构裂隙的分布，为工程地质的研究提供重要依据。

1 数字式全景钻孔摄像系统简介

数字式全景钻孔摄像系统是一套全新的先进智能型勘探设备。该系统可观测钻孔中地质体的各种特征和细微变化，对岩石的颜色、组成、颗粒结构、形态等进行分辨，辨识软弱夹层是否有泥化现象等；观察断层、裂隙、节理、破碎带、岩脉等地质构造的原始状态，估计其规模，量测其产状等；通过对全孔孔壁的观察，给出全景图像和虚拟岩芯图，并进行相应的分析。数字式全景钻孔摄像系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分由全景摄像探头、图像捕获卡、深度脉冲发生器、录像机、监视器、计算机、绞车及专用电缆等组成。其中全景摄像探头是该系统的关键设备，它的内部包含有可获得全景图像的截头锥面反射镜、提供探测照明的光源、用于定位的磁性罗盘以及微型CCD摄像机。深度脉冲发生器是该系统的定位设备之一，它由测量轮、光电转角编码器、深度信号采集板以及接口板组成。深度是一个数字量，它有两个作用：一是确定探头的准确位置；二是对系统进行自动探测的控制。

软件部分主要用于室内处理分析，其功能特点主要包括：用于室内的统计分析以及结果输出；单纯的软件系统，不单独对硬件进行控制；图像数据来源于实时监视系统的结果；优化的还原变换算法，保证探测的精度；具有单帧和连续播放能力；能够对图像进行处理，形成各种结果图像，包括图像的无缝拼接，三维钻孔岩芯图和平面展开图；具有计算与分析能力，包括计算结构面产状、隙宽等；能够对探测结果进行统计分析，并建立数据库；拥有良好的用户界面，便于二次开发。

2 工程概况及观测孔布置

T1091工作面位于唐山矿12水平铁二区二采区，走向长度为1062 m，倾向长度138 m，煤层平均厚度10 m，煤层平均埋深约636 m，煤层倾角约12°，整个煤层的可采储量约150万t。T1091工作面老顶为灰色细砂岩，厚度约14.5 m；直接顶为灰色砂质泥岩，厚度约4 m；伪顶为灰色泥岩，厚度约0.5 m；直接底为深灰色泥岩，厚度约4.5 m；老底为深灰色砂质泥岩，厚度2 m。

离层观测钻孔布设在T1091工作面的中部，沿工作面走向钻孔距开切眼的距离为350 m，在工作面倾斜方向上，钻孔与上、下方平巷的距离均为69 m。

对唐山矿T1091工作面观测孔进行了数字式全景钻孔摄像测试，本次数字全景钻孔摄像完成1个钻孔的测试工作，测试范围为174.3～539.7 m，累计测试深度为365.4 m。

数字式全景钻孔摄像系统工作流程如下：平整场地，安放绞车；设备连接；全景探头进入钻孔，设定初始化；摄像光源照明孔壁上的摄像区域，孔壁图像经锥面反射镜变换后形成全景图像，全景图像与罗盘方位图像一并进入摄像机；摄像头摄取的图像数据流由专用电缆传输至位于地面的视频分配器中，进入录像机保存测试过程；位于绞车上的测量轮通过电子脉冲实时测量探头所处的位置，并通过接口板将深度值置于计算机内的专用端口中，叠加到全景图像中并保存；下降探头直至整个探测结束；室内分析。

3 钻孔摄像观测成果分析

3.1 测试结果

在总长度为365.4 m的测量段中，数字全景摄像观测共发现279条节理裂隙(含层理、夹层、界面等)，能判明产状的191条，其中SE向92条，SW向45条，NW向19条，NE向25条，垂直裂隙或近垂直裂隙3条，水平7条。节理裂隙按倾角分组情况见表1，按隙宽节理分组情况见表2，分段节理密度统计见表3。

表1 节理裂隙按倾角分组表

由表1可以看出，缓倾角节理在整个测量段均有出现，其中SE以层面为主，其他方向缓倾角节理多为次生节理；中等倾角的节理主要分布在268.39～314.90 m、385.90～414.05 m及454.6～518.0 m测量段；陡倾角及垂直节理在孔深266 m以下均有出现，以266～414.05 m和435～520 m测量段较为集中。测试段内发育的陡倾角或近垂直节理，与缓倾角或中等倾角节理组合切割岩体必然会影响岩体的完整性，从而减低岩体强度，可以总结为取芯深度越大节理倾角越陡。

表2 按隙宽节理分组表

由表2可以看出，全段以小宽度裂隙为主，在整个钻孔中均有分布。若以钻孔直径91 mm统计，则全测段钻孔总体积为2.375 m3，空隙总体积约0.116 m3，空隙体积占钻孔体积的比例约为5%。

由表3可以看出，在224.3～274.3 m测段中，节理密度最小为0.36条/m，在504.3～539.7 m测段中，节理密度最大为0.90条/m。因此可以得出在整个覆岩中距离工作面越近节理的密度越大，即覆岩受采动影响，距离工作面越近破坏越严重。

3.2 两次测孔的节理裂隙的对比分析

采前测孔的测试范围为200.56～415.05 m，采后测孔的测试范围174.30 ～539.70 m，采前、采后钻孔不同深度的节理裂隙对比图如图1所示。对比两次钻孔结果可知，地层岩体结构、层面、节理的发育情况等均吻合得较好，局部发育有陡倾角的节理段，由于现测孔不在空间延展方位上，或由于界面层面等切割作业，未能继续向深度扩展，所以在现孔中未见具体的特征表现。

表3 节理密度表

图1 采前、采后钻孔不同深度的节理裂隙对比图

由图1(a)可以看出，前孔在东面局部出现，而现孔在西面局部出现，且基本在同一水平面，深度为201 m。根据空间关系和形态，推测可能是同一条裂隙的不完全延伸。由图1(b)可以看出，根据空间计算关系，前孔203.03 m处的裂隙可能延至前孔中201 m左右的裂隙，而现孔204.5 m处的裂隙倾角较陡且宽度较大，水易流通透过，从摄像结果推测，为上部一出水口。由图1(c)可以看出，现孔中250.1 m处空隙可能对应于前孔248.7 m处的空隙，现孔中还有一陡裂隙的切割，该裂隙的透水贯通性可能较强。由图1(d)可以看出，在277.5～282 m段，前孔存在近垂直裂隙发育段，而在现孔中未发现，这主要与两钻孔的空间关系有关。从裂隙的形态上来看，裂隙的主体延展方位大致在SE，因此可能是在现孔中未发现，并不是由于裂隙未延续。由图1(e)可以看出，存在两条比较类似的裂隙，且基本在同一标高356.5 m，从形态和方位上都比较相似，但两者是完全不同的两条裂隙，从延伸角度讲，两者应该是不贯通的，现孔中裂隙空隙较大，易透水。由图1(f)可以看出，同一标高岩段，现孔中裂隙明显较前孔发育，裂隙比较杂乱，易于透水。

本次摄像工作分两段进行，第一段为174.3～470 m，第二段为470～539.7 m。在第一段测试中，发现地下水位为454 m，但在470 m处堵孔。在第二段测试中，发现地下水位为484 m，全孔段通畅。纵观整个钻孔，可以发现在456.8～509 m区段内，裂隙较发育，规模较大，具备构成透水通道的特征。470 m处的堵孔和全孔通畅时的地下水位变化更能反映476～509 m区段内的岩体具有更好的透水能力。

4 结论

利用数字式全景钻孔摄像系统观测手段，获取了不同覆岩深度结构裂隙受采动影响的分布规律，可以得到以下结论：

(1)缓倾角节理分布钻孔探测范围的全部，中倾角节理分布于钻探范围的中下部，陡倾角节理分布于取芯范围的下部，归纳为距离工作面越近受采动影响越明显，节理倾角越陡。

(2)从采动前后的对比图中分析出，由于采动的影响，距离工作面越近采后的覆岩裂隙发育越明显，透水性越强。

(3)采动裂隙和节理倾角的变化和覆岩与工作面距离有关，受煤层采动影响，离工作面距离越近，覆岩破坏越严重，碎裂度越大，节理倾角越大，反之离工作面距离越远则覆岩破坏程度越小。

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