CN106772678A - 一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法，本发明采用BOTDR分布式光纤单端测试的方式，在深钻全孔深采集应变数据，有利于反映工作面采动后上覆地层的不同深度位置、不同岩层在变形过程中的地质体表现出的挤压、拉张、剪切等变形特征。形成有效的线性测试全钻孔控制深度地层的变形，弥补原有点式数据采集容易出现数据体遗漏的不足。并且测试方法在测试更加清晰直观，拥有更高的准确度和精度，能够实现对垮落带和导水裂缝带高度的准确判断。其结合并行电法测试技术的地电场响应分析，能够实现定性到定量的精确化判断，有效提高测试准确性，控制其他干扰因素。

Description

一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，尤其涉及一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法。

背景技术

地面深钻是地质勘探中一种重要的获取地质资料的手段，它可以通过钻孔获得从地面到探测目标深度地质体中不同岩层的基本特性。目前，对于上覆岩层变化的测试主要通过离层指示仪、钻孔全景摄像、钻孔高密度电法等方法进行地层变形的监测，但是上述方法均无法做到实时线性测试，其现场数据采集量少，容易受测试环境与条件的影响，也很难做到定量分析。尤其对于深钻体空间范围的测试难度大，结果剖面对地层变形、破坏的分辨能力存在相应的局限性。目前利用钻孔中布置相应的常规的电法或地震观测系统也可以获得钻孔体空间上的变形异常特征，但是其对于工作面回采过程中地层的沉降、挤压，拉伸等变形不能实现有效全面的认识，数据采集过程工序复杂，成本昂贵，并且点式和准分布式的数据采集容易漏失形变特征的关键数据，其所形成结果可靠性不足。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法，包括有如下步骤：（1）构建深钻分布式全空间测试系统，首先在地面施工钻孔，钻孔深度是从地面垂向经岩层抵工作面回采深度，其次将温度补偿光缆、应变光缆、探测电极单侧固定于PVC套管外侧（当钻孔倾角大于80度时可不使用PVC套管，利用重锤牵引即可放至孔底），制成观测线束，通过牵引绞车和牵引重锤将观测线束牵引入钻孔，其中所述的应变光缆采用两种测试光缆，即钢绞线式应变传感光缆和定点式应变传感光缆，将钢绞线式应变传感光缆和定点式应变传感光缆同时固定在PVC套管的外侧，所述的钢绞线式应变传感光缆为全分布式测点捕捉，定点式应变传感光缆为定点间距2m，其中探测电极采用不同间距布置方式，观测线束由牵引重锤引至目标深度后，依据地层条件分段注浆，使得观测线束能够与钻孔围岩全面耦合，可以协调地层变形，感测被测区域地球物理场中地电场及应力应变场参数的变化特征，最后在控制测区范围内获得综合数据体；

（2）深钻分布式全空间数据采集，使用BOTDR数据采集装置分别采集应变测试光缆和温度补偿光缆的测试数据，二者采用相同的数据采集参数，当上覆地层产生变形，观测线将随地层的形变发生同步变形，此时观测线外侧应变传感光缆将产生相应的应变，可以获得应变传感光缆沿观测线方向各自的应变数据特征，温度补偿光缆为松套铠装，在变形过程中不受协同变形的影响，用以配准地层不同深度温度差异对于应变光缆测试结果的影响。其中地电场相关数据采集使用并行电法仪，采用单极供电、偶极子供电两种方式进行数据采集与处理；整个的数据采集是设计工作面通过钻孔位置前150m和经过钻孔位置后150m的区间范围为测试敏感区域，实施数据监测采集；

（3）数据的分析，获得深钻测试区域范围内全空间应变与地电场的特征剖面，其过程包括两种组合方法数据单独解编，1）对测试数据解编，剔除数据异常点及数据采集全区段异常时间下的测试数据，并转换成所需的文件格式，2）对测线范围内应变数据做温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起温度异常干扰，3）测试数据的配准，用于应变数据的配准，由于BOTDR分布式光纤在测试过程中其同时敏感于应变和温度，通过温度补偿光缆测试数据对应变传感光缆测试数据进行配准，消除温度干扰影响，使得测试数据准确性得到提高，4）数据分析与表达，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对回采过程中岩体结构变形的连续比较，其中应变数据通过积分计算获得相应二维空间内的位移场变化情况；并行电法数据采取钻孔测线全电场解编，对数据进行异常校正，剔除异常点位电流，根据电极供电特征，置换数据反演文本格式，建立地面深钻区域范围内的空间坐标，并开展网格划分，单元格划分为矩形网格，借助数据反演软件，采用收敛程度较好的最小二乘法，通过有限元法计算测试区域模型相应数据，之后对比实测视电阻率和计算视电阻率，取最小误差分析解，获得网格单元内反演电阻率情况，最后提取数据并绘制应变场与位移场的分布曲线、等值线图及相关剖面图，综合由应变与地电场信息反映测试区域的破坏情况；

（4）深钻分布式光纤测试技术的分析与评价，结合区域钻孔的成果及不同岩性的相关基础岩石力学参数，对测试区域内上覆岩层在变形过程中的变形机理进行分析，进而解释、评价地层形变特征，光纤测试技术规定拉应变为正，压应变为负，并行电法则以电阻率信息变化表示，其岩体结构的密实程度、破碎及含水状况不同表现出不同的电阻率值变化特征。通过地层位移及电阻率值两种方法综合评价，获得变形与破坏特征，实现测试技术中定性到定量目的。结合钻孔测试地质条件，探测孔深控制区域内地层的下沉、离层、裂隙发育、挤压破碎等异常位置，并根据异常差异定量评价岩层结构变形特征，根据钻孔布置与工作面回采位置的空间关系，钻孔可以连续观测工作面推进至钻孔位置前200m至推过孔位处200m的数据，进一步认识与研究工作面采动前至破坏稳定的全空间变形特征。

本发明利用地面深钻布置BOTDR分布式光纤与并行电法形成一套综合观测系统，将采集装置布置地面钻孔中，通过注浆技术使得钻孔与围岩更好地耦合，利用其变形之间的协调性来进行线长范围内的应变、温度及地球物理场电位信号的变化特征的测试与分析。其测试结果具有立体全空间特点，数据量丰富，可利用价值高，对于地层变形、破坏特征等实际地质参量判断结果能够直接为生产服务，具有重要的指导意义。

本发明采用单端发射BOTDR分布式光纤测试技术以及并行电法技术，通过测试方法，装置系统，数据处理技术改进，获得一套完整的地面钻孔的地层形变测试方法与系统。本方法与系统的发明具备稳定性强好，对比性强，准确性高，测试便捷，控制成本低等特点，基于地质条件对地面深钻控制深度范围内的地层形变、沉降等变化情况进行精细解释，为资源、地质及工程测量提供更好的技术服务。

本发明的优点是：1、本发明实现对深钻测试区域深度由底部变形引起自下而上变化的地层结构连续数据特征体，更真实反映上覆岩层变形、破坏的机制，圈定破坏范围，最大限度保证测试数据从测试过程中的完整性。

2、本发明设计牵引重锤与测试装置一体化，实现沉降深度自由化。同时通过设计不同定点光缆点距以及电极距随同钢绞线式应变传感光缆能够满足钻孔在协同地层变形过程中较大范围内的变形数据的捕捉与采集，定点光缆和电极极距能够灵活调整测量精度，满足测试需求。

3、本发明采用BOTDR分布式光纤单端测试的测试方式，在深钻全孔深应变数据有利于反映工作面采动后上覆地层的不同深度位置、不同岩层在变形过程中的地质体表现出的挤压、拉张、剪切等变形特征。形成有效的线性测试全钻孔控制深度地层的变形，弥补原有点式数据采集容易出现数据体遗漏的不足。并且测试方法的测试更加清晰直观，拥有更高的准确度和精度，能够实现对垮落带和导水裂缝带高度的准确判断。其结合并行电法测试技术的地电场响应分析，能够实现定性到定量的精确化判断，有效提高测试准确性，控制其他干扰因素。

4、本发明测试方法在获得变形分布特征同时还能在开采工作面逐步向监测孔靠近时，能够获得采场上覆岩层的影响圈即采动到钻孔所在位置前、后的覆岩变化区域范围，即通过两种方法的数据解释方式，判断结合变形破坏高度，可获取钻孔控制区域范围地层全空间在开采过程中的变形规律。

附图说明

图1为测试系统元件布设示意图。

图2为分布式光纤地面深钻测试示意图。

图3为全空间变形特征观测示意图，（a）为开采前全空间变形特征观测示意图，（b）为开采中全空间变形特征观测示意图，（c）为开采后全空间变形特征观测示意图。

具体实施方式

一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法，包括有如下步骤：1、构建深钻分布式全空间测试系统。首先设计钻孔，钻孔深度要求从地面垂向经岩层抵工作面回采深度。其次将应变光缆3、探测电极2单侧固定于PVC套管1外侧，如图1、2所示，制作钻孔观测测线束，通过专用重锤5将测线牵引入钻孔。其中应变光缆采用两种测试光缆，即钢绞线式应变传感光缆和定点式应变传感光缆相组合的形式，同时设计温度补偿光缆一套。对于两种应变传感光缆，其中前者对地层小变形捕捉更为敏感，后者对于大变形捕捉更为适用，可以满足对地层不同程变形的同时量测。钢绞线式应变传感光缆设计为全分布式测点捕捉，定点式应变传感光缆设计为定点间距2m。其中探测电极采用不同间距布置方式，按照探查进度需求设计探测电极数量，以满足探查要求。测试装置由牵引重锤将光纤测线牵引至目标深度后，依据地层条件设计分段注浆4，使得综合观测装置能够与钻孔围岩全面耦合，可以协调地层变形，感测被测区域地球物理场中地电场及应力应变场参数的变化特征，最后在控制测区范围内获得综合数据体。

深钻分布式全空间数据采集。数据采集时，分别获得分布式光纤应变特征和探测电极控制区域的电场分布情况。其中使用BOTDR数据采集装置6分别采集分布式光纤测线的应变测试光缆和温度补偿光缆的测试数据，二者设计相同的数据采集参数，当上覆地层产生变形，分布式光纤测线将随地层的形变发生同步变形，此时测线外侧应变传感光缆将产生相应的应变，可以获得传感光缆沿测线方向各自的应变数据特征。温度补偿光缆射击为松套铠装，在变形过程中小范围内基本不受协同变形的影响，用以配准地层不同深度温度差异对于应变光缆测试结果的影响。并行电法测试装置则采用单极供电、偶极子供电两种方式进行数据采集与处理。数据采集设计工作面通过钻孔位置前150m和经过钻孔位置后150m的区间范围为测试敏感区域，实施数据监测采集。

数据的分析。获得深钻测试区域范围内全空间应变与电场的特征剖面。其过程包括两种组合方法数据单独解编，即：1）对测试数据解编，剔除数据异常点及数据采集全区段异常时间下的测试数据，并转换成所需的文件格式。2）对测线范围内应变数据做温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起温度异常干扰。3）测试数据的配准，主要用于应变数据的配准，由于BOTDR分布式光纤在测试过程中其同时敏感于应变和温度，故通过温度补偿光缆测试数据对应变传感光缆测试数据进行配准，消除温度干扰影响，使得测试数据准确性得到提高。4）数据分析与表达，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对回采过程中岩体结构变形的连续比较。其中应变数据还可以通过积分计算可以获得相应二维空间内的位移场变化情况。并行电法数据采取钻孔测线全电场解编，对数据进行异常校正，剔除异常点位电流，根据电极供电特征，置换数据反演文本格式，建立地面深钻区域范围内的空间坐标，并开展网格划分，考虑后期数据的计算精度，其中单元格划分为矩形网格，借助数据反演软件，采用收敛程度较好的最小二乘法，通过有限元法计算测试区域模型相应数据，之后对比实测视电阻率和计算视电阻率，取最小误差分析解，获得网格单元内反演电阻率情况。最后提取数据并绘制应变场与位移场的分布曲线、等值线图及相关剖面图，综合由应变与地电场信息反映测试区域的破坏情况。

深钻分布式光纤测试技术的分析与评价。结合区域钻孔的成果及不同岩性的相关基础岩石力学参数，对测试区域内上覆岩层在变形过程中的变形机理进行分析，进而解释、评价地层形变特征。通常光纤测试技术规定拉应变为正，压应变为负，并行电法则以电阻率信息变化表示，其岩体结构的密实程度、破碎及含水状况不同表现出不同的电阻率值变化特征。通过地层位移及电阻率值两种方法综合评价，获得变形与破坏特征，实现测试技术中定性到定量目的。结合钻孔测试地质条件，精确探测孔深控制区域内地层的下沉、离层、裂隙发育、挤压破碎等异常位置，并根据异常差异定量评价岩层结构变形特征。根据钻孔布置与工作面回采位置的空间关系，该钻孔可以连续观测工作面推进至钻孔位置前200m至推过孔位处200m的数据，因此，可进一步认识与研究工作面采动前至破坏稳定的全空间变形特征，如图3（a）（b）(c)所示。

Claims (1)

1.一种岩层变形破坏特征的井孔多参量探查方法，其特征在于：包括有如下步骤：（1）构建深钻分布式全空间测试系统，首先在地面施工钻孔，钻孔深度是从地面垂向经岩层抵工作面回采深度，其次将温度补偿光缆、应变光缆、探测电极单侧固定于PVC套管外侧，制成观测线束，通过牵引绞车和牵引重锤将观测线束牵引入钻孔，其中所述的应变光缆采用两种测试光缆，即钢绞线式应变传感光缆和定点式应变传感光缆，将钢绞线式应变传感光缆和定点式应变传感光缆同时固定在PVC套管的外侧，所述的钢绞线式应变传感光缆为全分布式测点捕捉，定点式应变传感光缆为定点间距2m，其中探测电极采用不同间距布置方式，观测线束由牵引重锤引至目标深度后，依据地层条件分段注浆，使得观测线束能够与钻孔围岩全面耦合，可以协调地层变形，感测被测区域地球物理场中地电场及应力应变场参数的变化特征，最后在控制测区范围内获得综合数据体；

（2）深钻分布式全空间数据采集，使用BOTDR数据采集装置分别采集应变测试光缆和温度补偿光缆的测试数据，二者采用相同的数据采集参数，当上覆地层产生变形，观测线束将随地层的形变发生同步变形，此时观测线束外侧应变传感光缆将产生相应的应变量，可以获得应变传感光缆沿观测线方向各自的应变数据特征，温度补偿光缆为松套铠装，在变形过程中不受协同变形的影响，用以配准地层不同深度温度差异对于应变光缆测试结果的影响；其中地电场相关数据采集使用并行电法仪，采用单极供电、偶极子供电两种方式进行数据采集与处理；整个的数据采集是设计工作面通过钻孔位置前150m和经过钻孔位置后150m的区间范围为测试敏感区域，实施数据监测采集；

（3）数据的分析，获得深钻测试区域范围内全空间应变与地电场的特征剖面，其过程包括两种组合方法数据单独解编，1）对测试数据解编，剔除数据异常点及数据采集全区段异常时间下的测试数据，并转换成所需的文件格式，2）对测线范围内应变数据做温度补偿数据解编，校准地层不同深度位置的温度补偿光缆测试结果，剔除由于环境影响引起温度异常干扰，3）测试数据的配准，用于应变数据的配准，由于BOTDR分布式光纤在测试过程中其同时敏感于应变和温度，通过温度补偿光缆测试数据对应变传感光缆测试数据进行配准，消除温度干扰影响，使得测试数据准确性得到提高，4）数据分析与表达，设置第一次数据采集为初始数据，后期采集数据体作为对比数据，与之进行作差实现对回采过程中岩体结构变形的连续比较，其中应变数据通过积分计算获得相应二维空间内的位移场变化情况；并行电法数据采取钻孔测线全电场解编，对数据进行异常校正，剔除异常点位电流，根据电极供电特征，置换数据反演文本格式，建立地面深钻区域范围内的空间坐标，并开展网格划分，单元格划分为矩形网格，借助数据反演软件，采用收敛程度较好的最小二乘法，通过有限元法计算测试区域模型相应数据，之后对比实测视电阻率和计算视电阻率，取最小误差分析解，获得网格单元内反演电阻率情况，最后提取数据并绘制应变场与位移场的分布曲线、等值线图及相关剖面图，综合由应变与地电场信息反映测试区域的破坏情况；

（4）深钻分布式光纤测试技术的分析与评价，结合区域钻孔的成果及不同岩性的相关基础岩石力学参数，对测试区域内上覆岩层在变形过程中的变形机理进行分析，进而解释、评价地层形变特征，光纤测试技术规定拉应变为正，压应变为负，并行电法则以电阻率信息变化表示，其岩体结构的密实程度、破碎及含水状况不同表现出不同的电阻率值变化特征，通过地层位移及电阻率值两种方法综合评价，获得变形与破坏特征，实现测试技术中定性到定量目的，结合钻孔测试地质条件，探测孔深控制区域内地层的下沉、离层、裂隙发育、挤压破碎等异常位置，并根据异常差异定量评价岩层结构变形特征，根据钻孔布置与工作面回采位置的空间关系，钻孔可以连续观测工作面推进至钻孔位置前200m至推过孔位处200m的数据，进一步认识与研究工作面采动前至破坏稳定的全空间变形特征。