CN103983228A - 利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，属于工程地球物理检测领域。该方法利用钻孔电视获取的钻孔孔壁二维展开图，依据钻孔参数钻孔半径R、孔口标高D和孔深H生成三维坐标系下的电子岩芯，用平面P1水平穿过电子岩芯任一裂隙，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和，再通过平面P1的法向量来计算选定裂隙的产状。该方法真实还原了钻孔裂隙的三维形态，具有高直观性、准确性，避免了测量人员经验不足导致的粗差，测量结果更可靠。

Description

利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法

技术领域

本发明涉及钻孔裂隙产状的测量方式，具体是通过钻孔电视获取钻孔孔壁二维图像，建立三维电子岩芯，采用平面来拟合裂隙，从而实现裂隙产状测量，属于工程地球物理检测领域。

背景技术

钻孔中裂隙的倾角可通过钻孔测斜仪来测得，但无法测得裂隙的倾向。随着钻孔电视技术的发展，倾向的测量已主要由钻孔电视来完成。通过钻孔电视测量产状的过程是：钻孔完成后清洗孔壁，下放钻孔电视探头获取孔壁图像，再通过探头所携带的罗盘获取方位信息并将图像展开成二维展开图，然后将二维展开图按深度拼接成连续的图像。裂隙在二维展开图中呈现近似于正弦曲线的形态，通过量测裂隙的最高点和最低点的深度差H1，以及孔的直径2×R，基于公式计算夹角，在正弦曲线的最低点作方位标度的垂线，从而标示出倾向。

该方式存在以下缺点：

1.量测裂隙是基于二维的钻孔平面展开图的，对于裂隙宽度不均匀的情况，容易产生测量误差或粗差。

2.通过二维的钻孔平面展开图上测量裂隙的最高点与最低点来量测产状在探头居中、孔壁光滑的情况下是相对准确的。如不具备该条件，二维的钻孔平面展开图上测量裂隙的最高点与最低与实际位置会存在偏差，则无法保证产状的准确性。

发明内容

针对二维钻孔电视平面图上量测裂隙的产状不准确的问题，本发明的目的在于提供一种利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，通过钻孔电视获取钻孔孔壁二维展开图，依据钻孔参数钻孔半径R、孔口标高D和孔深H生成三维坐标系下的电子岩芯，用平面P1水平穿过电子岩芯任一裂隙，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和，再通过平面P1的法向量来计算选定裂隙的产状，其具体步骤如下：

一建立电子岩芯

①以磁北向为分割方向，将钻孔电视获取的钻孔孔壁从孔口至孔底的全景图展开为二维展开图，二维展开图横向宽度为2×π×R，纵向宽度为H，钻孔裂隙面由三维空间投影到二维空间的正弦曲线；

②以二维展开图横向宽度一半处为中心线将二维展开图对称翻转，生成新的二维展开图并替代原二维展开图。

③以X轴正方向朝北，Z轴正向朝西，Y轴正向朝上建立三维坐标系。

④建立一个以点pt₁为中心点、半径为R的三维圆柱体,pt₁点坐标为：

⑤将二维展开图以纹理方式顺时针映射在三维圆柱体外侧面，形成电子岩芯，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面；

二利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状，测量步骤如下：

①选择电子岩芯上任一裂隙，用平面P1水平穿过电子岩芯，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和。

②计算调整后的平面P1与水平面P2的夹角；将水平面P2与平面P1相交于直线L，P2的法向量为a，P1的法向量为b，则平面P1与水平面P2的夹角

③计算平面P1与水平面P2相交直线L在XZ轴平面投影后与X轴逆时针方向的夹角γ；直线L的向量c＝a×b＝{x₁,y₁,z₁}，则

④计算裂隙倾向α；α＝γ-90°。

⑤在三维坐标系XZ轴平面中根据象限确定裂隙倾向α代表的方位M。

⑥确定的裂隙产状为Mα∠θ。

由于采用了以上技术方案，本发明利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，克服了通过二维展开图量测裂隙产状时由于测量方式的局限性导致的误差和由于人为导致的粗差，实现了从二维测量到三维测量的转变。该方法基于电子岩芯的三维特征还原了裂隙的真实三维形态，通过平面拟合并计算裂隙的产状。该方法的优点是：①可直观的观察电子岩芯上的裂隙面与三维平面的吻合情况；②测量的裂隙产状更准确；③该方法避免了由于测量人员的经验不足导致的粗差，测量结果更可靠。

本发明中提到的裂隙面是地层岩石中以平面形式呈现的层状裂隙。钻孔电视的孔壁二维展开图将裂隙由三维空间投影到二维空间，将裂隙面投影成为正弦曲线。而电子岩芯实现了二维向三维的转变，真实还原了裂隙的三维空间形态——裂隙面，因此在用平面拟合裂隙时是通过三维旋转调整平面与裂隙面重合来实现的。

本发明的积极意义是：

⑴发明了利用电子岩芯测量裂隙产状的新方法，该方法通过三维可视化平台测量钻孔裂隙的产状；

⑵该方法解决了钻孔电视二维展开图中测量裂隙产状时由于不直观导致的裂隙误判；

⑶该方法将裂隙产状测量由二维方式升级为三维方式，测量更准确，避免了人为测量粗差。

附图说明

图1是三维平面拟合电子岩芯中的裂隙图

图2是利用钻孔电视二维展开图测量裂隙产状图

图3是裂隙粗糙的钻孔电视二维展开图及产状结果

图4是利用电子岩芯测量粗糙裂隙产状图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法进一步详细说明，见附图。

利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，利用钻孔电视获取的钻孔孔壁二维展开图，依据钻孔参数钻孔半径R、孔口标高D和孔深H生成三维坐标系下的电子岩芯，用平面P1水平穿过电子岩芯任一裂隙，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和，再通过平面P1的法向量来计算选定裂隙的产状，其具体步骤如下：

一建立电子岩芯

①以磁北向为分割方向，将钻孔电视获取的钻孔孔壁从孔口至孔底的全景图展开为二维展开图，二维展开图横向宽度为2×π×R，纵向宽度为H，钻孔裂隙面由三维空间投影到二维空间的正弦曲线。

②以二维展开图横向宽度一半处为中心线将二维展开图对称翻转，生成新的二维展开图并替代原二维展开图。

③以X轴正方向朝北，Z轴正向朝西，Y轴正向朝上建立三维坐标系。

④建立一个以点pt₁为中心点、半径为R的三维圆柱体,pt₁点坐标为：

⑤将二维展开图以纹理方式顺时针映射在三维圆柱体外侧面，形成电子岩芯，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面。

二利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状，测量步骤如下：

①选择电子岩芯上任一裂隙，用平面P1水平穿过电子岩芯，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和。

②计算调整后的平面P1与水平面P2的夹角；将水平面P2与平面P1相交于直线L，P2的法向量为a，P1的法向量为b，两平面的夹角可通过两平面的法向量点乘关系计算得出，则平面P1与水平面P2的夹角

③计算平面P1与水平面P2相交直线L在XZ轴平面投影后与X轴逆时针方向的夹角γ；直线L的向量为两平面法向量叉乘计算得出，直线L的向量c＝a×b＝{x₁,y₁,z₁}，则 $\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\frac{z_1}{x_1}.$

④计算裂隙倾向α；α＝γ-90°。

⑤对裂隙倾向α进行校正，如裂隙倾向α≥360°，则裂隙倾向为α-360°；如裂隙倾向α＜0，则裂隙倾向为α+360°。

⑥在三维坐标系XZ轴平面中根据象限确定裂隙倾向α代表的方位M。

⑦裂隙的产状为Mα∠θ。

本发明在建立电子岩芯库时将二维钻孔电视展开图像以图像宽度的一半处中心线对称翻转，是因为电子岩芯技术是基于孔壁与岩芯的耦合原理建立的，钻孔电视获取的图像是孔壁内侧图像，在将图像映射到圆柱体外侧形成电子岩芯时需要翻转以实现耦合关系。

具体实施例

下面结合实施实例对本发明作进一步详细介绍：

实施例一

云南乌东德水电站ZK158号钻孔半径为0.0455m，孔口标高为845m，孔深129m。孔深124.2m处存在充填裂隙，该裂隙有岩脉充填，裂隙光滑。通过钻孔电视二维展开图测量的倾向为：SE206°∠50°(如图2所示)；通过电子岩芯测量的产状为：SE209.31°∠49.03°如图1所示)。在裂隙光滑的情况下，人工判读误差较小，钻孔电视二维展开图测量结果与利用电子岩芯测量的结果相近，但电子岩芯库更为准确。用电子岩芯量测产状的过程如下：

一、建立ZK158号钻孔电子岩芯

①以磁北向为分割方向将获取的ZK158钻孔从孔口至孔底的钻孔电视孔壁全景图展开为二维展开图，二维展开图横向宽度为2×0.0455×3.1415926＝0.29m，纵向宽度为129m，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面。

②以二维展开图横向宽度一半处中心线将二维展开图对称翻转，生成新的二维展开图并替代原二维展开图。

③以X轴正方向朝北，Z轴正向朝西，Y轴正向朝上建立三维坐标系。

④按间距1m将二维展开图分段切割为129段。

⑤建立一个以点pt₁为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₁点坐标为(0,0,843.5)；将第一段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第一段电子岩芯。

⑥建立一个以点pt₂为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₂点坐标为(0,0,833.5)；将第二段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第二段电子岩芯。

⑦依次类推，建立第129个以点pt₁₂₉为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₁₂₉点坐标为(0,0,715.5)。

⑧依次类推，将第129段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第129段电子岩芯。

⑨将每段电子岩芯拼接成一个整体，实现了电子岩芯，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面。

二利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状，测量步骤如下：

①选择孔深124.2m处的裂隙，用平面P1水平穿过电子岩芯，通过三维旋转调整平面P1，使其与裂隙面完全重合。

②计算调整后的平面P1与水平面P2的夹角；将水平面P2与平面P1相交于直线L，P2的法向量为a＝(0,1,0)，P1的法向量为b＝(-0.66,0.66,-0.36)，两平面的夹角可通过两平面的法向量点乘关系计算得出，则夹角

③计算裂隙的倾向；将水平面P2与平面P1相交于直线L，直线L的向量为两平面法向量叉乘计算得出，直线L向量c＝a×b＝{x₁,y₁,z₁}＝{0.36,0,-0.66}；直线L向量在XZ轴平面的投影中与X轴的逆时针方向的夹角则裂隙倾向为α＝γ-90°＝209.31°。

④在三维坐标系XZ轴平面中根据象限确定裂隙倾向α代表的方位SE。

⑤裂隙产状为SE209.31°∠49.03°。

实施例二

云南乌东德水电站ZK158号钻孔半径为0.0455m，孔口标高为845m，孔深129m。孔深124.4m处存在裂隙，该裂隙无充填物，裂隙粗糙。人工选取裂隙最高点和最低点容易出现偏差，通过钻孔电视二维展开图测量的倾向为：NW37°∠52°(如图3所示)；通过电子岩芯测量的产状为：NW4.87°∠51.57°(如图4所示)。可以看出通过钻孔电视二维展开图人工选取的误差非常大。用电子岩芯量测产状的过程如下：

一、建立ZK158号钻孔电子岩芯

①以磁北向为分割方向将获取的ZK158钻孔从孔口至孔底的钻孔电视孔壁全景图展开为二维展开图，二维展开图横向宽度为2×0.0455×3.1415926＝0.29m，纵向宽度为129m，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面。

②以二维展开图横向宽度一半处为中心线将二维展开图对称翻转，生成新的二维展开图并替代原二维展开图。

③以X轴正方向朝北，Z轴正向朝西，Y轴正向朝上建立三维坐标系。

④按间距1米将二维展开图分段切割为129段。

⑤建立一个以点pt₁为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₁点坐标为(0,0,843.5)；将第一段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第一段电子岩芯。

⑥建立一个以点pt₂为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₂点坐标为(0,0,833.5)；将第二段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第二段电子岩芯。

⑦依次类推，建立第129个以点pt₁₂₉为中心点、半径为0.0455m的三维圆柱体,pt₁₂₉点坐标为(0,0,715.5)。

⑧依次类推，将第129段二维展开图以X轴为起点，按顺时针方向映射于圆柱体外侧面，形成第129段电子岩芯。

⑨将每段电子岩芯拼接成一个整体，实现了电子岩芯，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面。

二利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状，测量步骤如下：

①选择孔深124.4m处的裂隙，用平面P1水平穿过电子岩芯，通过三维旋转调整平面P1，使其与裂隙面完全重合。

②计算调整后的平面P1与水平面P2的夹角；将水平面P2与平面P1相交于直线L，P2的法向量为a＝(0,1,0)，P1的法向量为b＝(0.78,0.62,0.07)，两平面的夹角可通过两平面的法向量点乘关系计算得出，则夹角

③计算裂隙的倾向；将水平面P2与平面P1相交于直线L，直线L的向量为两平面法向量叉乘计算得出，直线L向量c＝a×b＝{x₁,y₁,z₁}＝{-0.07,0,0.78}；直线L向量在XZ轴平面上的投影与X轴逆时针的夹角则平面P1倾向为α＝γ-90°＝4.87°。

④在三维坐标系XZ轴平面中根据象限确定裂隙倾向α代表的方位NW。

⑤裂隙产状为NW4.87°∠51.57°。

Claims (1)

1.利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状的方法，其特征在于：利用钻孔电视获取的钻孔孔壁二维展开图，依据钻孔参数钻孔半径R、孔口标高D和孔深H生成三维坐标系下的电子岩芯，用平面P1水平穿过电子岩芯任一裂隙，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和，再通过平面P1的法向量来计算选定裂隙的产状，其具体步骤如下：

一建立电子岩芯

①以磁北向为分割方向，将钻孔电视获取的钻孔孔壁从孔口至孔底的全景图展开为二维展开图，二维展开图横向宽度为2×π×R，纵向宽度为H,钻孔裂隙面由三维空间投影到二维空间的正弦曲线；

②以二维展开图横向宽度一半处为中心线将二维展开图对称翻转，生成新的二维展开图并替代原二维展开图；

③以X轴正方向朝北，Z轴正向朝西，Y轴正向朝上建立三维坐标系；

④建立一个以点pt₁为中心点、半径为R的三维圆柱体,pt₁点坐标为：

⑤将二维展开图以纹理方式顺时针映射在三维圆柱体外侧面，形成电子岩芯，裂隙形态由二维平面上的正弦曲线还原为三维形态下的裂隙面；

二利用电子岩芯测量钻孔裂隙产状，测量步骤如下：

①选择电子岩芯上任一裂隙，用平面P1水平穿过电子岩芯，三维旋转调整平面P1，使平面P1与选定的裂隙面完全吻和；

②计算调整后的平面P1与水平面P2的夹角；将水平面P2与平面P1相交于直线L，P2的法向量为a，P1的法向量为b，则平面P1与水平面P2的夹角

③计算平面P1与水平面P2相交直线L在XZ轴平面投影后与X轴逆时针方向的夹角γ；直线L的向量c＝a×b＝{x₁,y₁,z₁}，则

④计算裂隙倾向α；α＝γ-90°；

⑤在三维坐标系XZ轴平面中根据象限确定裂隙倾向α代表的方位M；

⑥确定的裂隙产状为Mα∠θ。