CN102419457B - 一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法，包括以下顺序步骤：一、在钻孔口上标出地理方位点，并进行钻孔电视及图像提取；二、在电视平展图像上标出相应的地理方位点，并建立二维坐标系；三、将需要确定产状的岩体结构面在图像上标出，选取结构面上不共线三点并且量测其平面坐标值；四、将图像按钻孔形状卷成圆筒，竖直放置，建立三维直角坐标系；五、运用空间向量几何理论，计算结构面法线的向量，计算该结构面的产状。本发明克服了三钻孔确定深部结构面费用昂贵及同一结构面辨识误差和其它物探方法探测相对小规模结构面精度很差等不足，充分利用了单个钻孔的结构面信息，适应于各类结构面产状的统计分析。

Description

一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于深部岩体结构面产状测量及统计的方法。

背景技术

本发明中所提到的“深部”是指地表以下或开挖面以内一定深度，即采用常规的探勘等(如探洞和探槽等)措施不便施工或无法到达的深部岩体，但钻探技术完全可以到达的地下岩体。目前，对于深部岩体结构面产状的测量，主要是根据相邻三个钻孔揭露的同一结构面空间位置，通过空间几何理论计算得出。这一方法存在三个方面的缺点：不同钻孔揭露的同一结构面的识别易于误判；三个钻孔并不一定能同时揭露出一些规模不大的结构面；深部钻探费用昂贵，三个钻孔成本过高。现也有采用高密度电法和EH4电磁探测成像系统等高科技手段测量深部相对较大规模的矿脉或断层等产状，但这类方法仅仅适应于大规模的地质结构面，对于小规模的裂隙性结构面并不适宜。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

一、在钻孔口上标出地理方位点，并进行钻孔电视及图像提取；

二、在电视平展图像上标出相应的地理方位点，并建立二维坐标系；

三、将需要确定产状的岩体结构面在图像上标出，选取结构面上不共线三点并且量测其平面坐标值；

四、将图像按钻孔形状卷成圆筒，竖直放置，建立三维直角坐标系；

五、运用空间向量几何理论，计算结构面法线的向量n(n₁，n₂，n₃)，计算该结构面的产状；

倾角：

倾向：

式中：m表示点N(n₁，n₂)所在象限数(1、2、3、4)，当在第一象限时，m值为1，在第二象限时，m值为2，在第三象限时，m值为3，在第四象限时，m值为4。

本发明克服了三钻孔确定深部结构面费用昂贵及同一结构面辨识误差和其它物探方法探测相对小规模结构面精度很差等不足，本发明的方法不仅经济地充分利用了单个钻孔的结构面信息，而且适应于各类结构面(特别是小规模裂隙等)产状的统计分析。由于电视图像为钻孔表壁成像，不存在钻孔扰动影响，非常客观地反映了结构面的局部产状特征。

附图说明

图1含有结构面的钻孔电视图像平展示意图及二维坐标系；

图2含有结构面的钻孔电视图像圆柱图及三维空间直角坐标系；

图3空间向量示意图；

图4结构面法向量投影图；

图5实际钻孔电视图像a；

图6实际钻孔电视图像b。

图中标记为：件1为结构面；件2为钻孔表壁；件3为三维直角坐标系(x，y，z)；件4为二维直角坐标系(d，h)；A、B、C为待测结构面钻孔电视图像上的点；n为待测结构面的法向矢量。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

具体的步骤如下：

(1)首先对钻孔冲洗干净，并最好用鼓风机吹干孔壁。采用罗盘在孔口标出地理方位(NESW)点位置。按钻孔电视摄像设备操作规程完成成像工作。

(2)在钻孔电视平展图像上标注钻孔孔口相应标注的地理方位点位置，在平展图上建立相应的图像深度与孔周位置二维直角坐标系(d，h)，坐标原点为平展图中地理方位N点。如图1所示，其中H为钻孔的深度。

(3)将需要确定产状的结构面在电视图像用笔标出，选取该结构面上任意三个点A、B、C，并且在如图1中量测和读其相应的位置坐标：A(A₁，A₂)，B(B₁，B₂)，C(C₁，C₂)，量测三点在钻孔方向的深度。

(4)将已标注方位点的电视图像按钻孔形状卷成圆筒，在钻孔口部圆心建立三维空间直角坐标系，如图2所示。以圆筒筒口圆心为坐标原点、正北地理方位为坐标轴y方向、坐标轴z竖直向上。

(5)运用数学几何换算，将平展图像的二维坐标转化为相应的空间三维直角坐标。如二维坐标A(A₁，A₂)，B(B₁，B₂)，C(C₁，C₂)转化成相应的空间三维直角坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}A(\sin (A_1/r)\·r,\cos (A_1/r)\·r,-A_2)\\ B(\sin (B_1/r)\·r,\cos (B_1/r)\·r,-B_2)\\ C(\sin (C_1/r)\·r,\cos (C_1/r)\·r,-C_2)\end{array}\right.,$ 记为 $\left\{\begin{array}{c}A(a_1,a_2,a_3)\\ B(b_1,b_2,b_3)\\ C(c_1,c_2,c_3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：r为钻孔的内径；

(6)运用空间向量几何理论，计算结构面法线的向量n(x，y，z)，如图3所示。通过结构面在空间直角坐标系中三个点的坐标：A(a₁，a₂，a₃)，B(b₁，b₂，b₃)，C(c₁，c₂，c₃)，求取向量

向量积即为法向量n(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=(a_2-b_2)(a_3-c_3)-(a_3-b_3)(a_2-c_2)\\ y=(a_3-b_3)(a_1-c_1)-(a_1-b_1)(a_3-c_3)\\ z=(a_1-b_1)(a_2-c_2)-(a_2-b_2)(a_1-c_1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

为便于记录，将向量n(x，y，z)记录为n(n₁，n₂，n₃)。

(7)运用数学向量关系，计算该结构面的产状。

确定倾角：倾角即为该结构面与水平面xy平面的夹角α(锐角)，求得夹角(二面角)：

确定倾向：将结构面的法向量n(n₁，n₂，n₃)(由于结构面倾向的唯一性，若n₃为负则取n(-n₁，-n₂，-n₃))投影到水平面xy平面，求得xy平面向量N(n₁，n₂)，向量N(n₁，n₂)与y轴正方向(正北方向)夹角即为倾向方位角θ(如图4所示)，可由下式计算获得θ：

式中：m表示点N(n₁，n₂)所在象限数(1、2、3、4)，如图4所示，

如第1象限m＝1，第四象限m＝4。

以上二维和三维坐标原点可以任意选取，其确定产状方法及原理一样。上面步骤中分别选取地理方位N点及圆筒顶部中心为坐标原点，是为了计算简单和规范化。

实例1：

根据现场钻孔实际情况；钻孔深度为12m，孔径为130mm钻孔电视图像进行处理(如图5所示)，读取图像中结构面中不共线三个点的位置坐标(单位为m)：A₁(0，-4.25)、B₁(0.21，-4.35)、C₁(0.3266，-4.3)；进行坐标转化代人公式(1)得到空间直角坐标：A₁(0，0.065，-4.25)、B₁(-0.0058，-0.0647，-4.35)、C₁(-0.0619，0.02，-4.3)；代人法向量公式(2)求得结构面法向量为n(0.001985，0.00648，-0.0083)；代人公式(3)求取倾角为39.3°；截取平面投影图求得N(n₁，n₂)为：N(-19.85，-64.8)，位于第3象限；代人公式(4)求得其倾向为197°；则确定结构面产状为197°∠39.3°。

实例2：

根据现场钻孔实际情况，提取竖直钻孔深度为12m，孔径为130mm钻孔电视图像进行处理(如图6所示)，读取图像中结构面不共线三个点的位置坐标(单位为m)：A₂(0，-10.7)、B₂(0.16，-10.55)、C₂(0.3266，-10.65)；进行坐标转化代人公式(1)得到空间直角坐标：A₂(0，0.065，-10.7)、B₂(0.0408，-0.0505，-10.55)、C₂(-0.0619，0.02，-10.65)；代人法向量公式(2)求得结构面法向量为；n(0.000975，-0.011325，-0.008985)；代人公式(3)求取倾角为51.68°；截取平面投影图求得N(n₁，n₂)为：N(-9.75，113.25)，位于第4象限；代人公式(4)求得其倾向为315°；则确定两结构面产状为315°∠51.68°。

岩体结构面并不一定呈现平面展布，可能存在起伏或弯折等特征。由于钻孔孔径大小的局限性，因此根据单一竖向钻孔图像确定的结构面产状为局部产状特征，但是如果根据邻近多个钻孔图像的结构面局部产状，就可以非常准确地确定结构面的空间展布规律及整体产状特征。

本发明所述的方法使用操作方便，通过简单的测量和程序计算就能准确得出深部岩体结构面的产状，而且可以对钻孔揭露的全孔岩体结构面产状进行测量和统计分析。钻孔电视图像一般是物探领域用来分析岩体的破碎程度的勘探方法，本发明是对已有资料附加应用，其不但易操作和较准确，且充分利用了钻孔电视图像，并可编写成简单的程序软件，适合推广应用。

Claims (1)

1.一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

一、在钻孔口上标出地理方位点，并进行钻孔电视及图像提取；

二、在电视平展图像上标出相应的地理方位点，并建立二维坐标系；

三、将需要确定产状的岩体结构面在图像上标出，选取结构面上不共线三点并且量测其平面坐标值；

四、将图像按钻孔形状卷成圆筒，竖直放置，建立三维直角坐标系，运用数学几何换算，将平展图像的二维坐标转化为相应的空间三维直角坐标；

五、运用空间向量几何理论，计算结构面法线的向量n(n₁,n₂,n₃)，计算该结构面的产状；

倾角： $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arcsin \left(\frac{\left(\mathrm{0,0,1}\right)(n_1,n_2,n_3)}{\left|\mathrm{0,0,1}\right||n_1,n_2,n_3|}\right)$ 或 $\arccos \left(\frac{\left(\mathrm{0,0,1}\right)(n_1{,n}_2,n_3)}{\left|\mathrm{0,0,1}\right||n_1,n_2,n_3|}\right)$

倾向： 

式中：m表示点（n₁，n₂）所在象限数，可取的值为1、2、3或4。

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