基于超声波钻孔成像技术与分形方法的岩体质量评价方法

技术领域

本发明涉工程勘察技术领域，特别是指一种基于超声波钻孔成像技术与分形方法的岩体质量评价方法。

背景技术

随着资源开采深度的增加，人类工程活动也是逐渐向深部地层发展。深部地层是由多种介质和多相物理力学场共同组成的复杂地质体，在地应力、高地温、高渗透压的赋存环境与深部空间开发建设的强扰动共同作用下，往往导致在地下工程开挖过程中发生的岩爆、突水、断层错动、局部塌陷等突发性动力灾害。工程岩体质量的精准探测与评价是预测、控制深部地下工程风险的基础，也是进行深部工程选址、设计与施工的关键依据。

在评价岩石质量指标中多采用RQD指标，广泛应用于水利水电、矿山、地下工程、交通工程等岩体稳定性评价。工程勘察过程中采用钻探方法揭露工程区域地层特征，通过岩芯完整情况来评价岩石质量。而实际操作过程中往往存在偏差，尤其是在深部地层中，现在钻探深度已经突破2000m，岩石在钻进过程中受其自身强度、钻头强度、长距离提升和工人取芯习惯的影响，此外地质编录资料的科学性、实用性还受编录人员的工程经验、责任心等主观影响较大，造成岩石的RQD值与实际存在一定差距。

针对岩体原位状态开展观测是最直接的方法，除了观察岩芯情况来判断岩石质量，还可通过直接观察孔壁特征来判断岩石质量。利用成像测井图像可以获得有关钻孔孔壁岩层性状的直观而精确的信息，比对声波成像、视频，成像和地质资料等数据，通过综合解译所获得的高精度孔壁岩层的信息能够弥补由于钻孔取芯缺失造成的数据和信息漏失。该技术在工程中应用日趋广泛，但分析主要还是处于人工分析阶段，造成分析结论离散性大，耗时费力，亟需建立一种精准、快速的智能自动分析方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于超声波钻孔成像技术与分形方法的岩体质量评价方法。

该方法包括步骤如下：

S1：开展首个工程勘察钻孔施工，确定钻孔孔径，进行全孔取芯工作；

S2：分析钻孔岩性特征，即分析岩性不同的岩石种类，进一步根据岩层地质年代划分地层，计算岩芯RQD值，分析不同地层岩石质量；

S3：钻孔施工到底后，有套管的情况下取出套管，清理钻孔；

S4：进行全钻孔的超声波钻孔成像测量，测量完成后，完成钻孔孔壁图像解析工作；

S5：计算钻孔孔壁图像的分形盒维数；

S6：分析岩芯RQD值与分形盒维数值之间的定量关系，确定该勘探区域内基于孔壁图像分形盒维数的孔壁岩体质量分级标准；

S7：该勘探区域内后续钻孔无需取芯，根据S6中得到的基于超声波钻孔成像测量与孔壁图像分形盒维数进行岩体质量快速评价。

其中，S4中超声波钻孔成像测量得到的孔壁图像能够清晰分辨出节理、裂隙构造。

S5中计算钻孔孔壁图像分形盒维数之前先对钻孔孔壁图像进行分段，根据实际的钻孔直径计算孔壁周长，以孔壁周长为基准将钻孔孔壁图像沿钻孔方向分段，再计算每段孔壁图像的分形盒维数。

S6中分级标准具体为：RQD值0～25为孔壁岩体质量很差，RQD值25～50为孔壁岩体质量差，RQD值50～75为孔壁岩体质量一般，RQD值75～90为孔壁岩体质量好，RQD值90～100为孔壁岩体质量很好。

本发明中，首先建立分形盒维数与RQD之间的回归关系式，再根据RQD的分级标准找出分形盒维数对应的值，来确定岩体质量与分形盒维数之间的定量关系和分级标准。

S7中以首个工程勘察钻孔的岩石质量与RQD值之间的关系评价该勘探区域的岩体质量，当勘探区域或者超声波钻孔成像装备、参数出现变化时重复S1～S6步骤。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，运用分形理论进行岩体质量评价是对岩石力学问题进行定量化研究，钻孔孔壁的图像分维数直接反映了岩体的结构面分布特征，也间接反映了岩体的破碎程度、扰动程度、岩体强度、岩石蚀变、岩体导水性等工程地质特征。基于此，本发明中通过计算分析获得了工程案例背景条件下基于分形盒维数的岩石质量分级特征值，通过该方法可在一定工程条件钻探过程中下基于超声波钻孔成像技术快速的对工程前方的地层岩体进行评价，具有较高的研究价值，也为工程勘探提供了便利，工程前期勘探或者施工超前勘探中可不必取芯就可实现地层岩体质量的快速精准评价，使工期大大缩短。

附图说明

图1为本发明的基于超声波钻孔成像技术与分形方法的岩体质量评价方法流程图；

图2为本发明实施例中-1354.5m～-1360.1m深度范围岩芯与钻孔成像图；

图3为本发明实施例中孔壁样图及其分形盒维数D

图4为本发明实施例中RQD值与分形盒维数D

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于超声波钻孔成像技术与分形方法的岩体质量评价方法。

如图1所示，该方法包括步骤如下：

S1：开展首个工程勘察钻孔施工，确定钻孔孔径，进行全孔取芯工作；

S2：分析钻孔岩性特征，划分特征地层，计算岩芯RQD值，分析不同地层岩石质量；

S3：钻孔施工到底后，有套管的情况下取出套管，清理钻孔；

S4：进行全钻孔的超声波钻孔成像测量，测量完成后，完成钻孔孔壁图像解析工作；

S5：计算钻孔孔壁图像的分形盒维数；

S6：分析岩芯RQD值与分形盒维数值之间的定量关系，确定该勘探区域内基于孔壁图像分形盒维数的孔壁岩体质量分级标准；

S7：该勘探区域内后续钻孔无需取芯，基于超声波钻孔成像测量与孔壁图像分形盒维数进行岩体质量快速评价。

下面结合具体实施例予以说明。

具体实施中，本发明的方法应用于金属矿深竖井建井地区的花岗岩地层为主的研究对象，包括如下步骤：

S1：详细查明工程勘察区域所述花岗岩所在的地层的地址构造，发育特征，选择测评区域，进行钻孔勘探，全孔取芯，钻孔直径98mm，钻孔深度-2017m；

S2：根据钻孔取芯状况，计算RQD值，查明所述花岗岩的岩性、工程特性、风化程度，评价钻孔覆盖范围的岩体质量等级等信息；

S3：钻孔到底后，进行钻孔洗孔工作，除去孔中的碎石等杂质，降低孔中泥浆浓度，减少其对钻孔成像质量的干扰；

S4：运用超声波钻孔成像设备(英国Robertson Geologging公司钻孔成像系统的HIRAT(High Resolution Acoustic Tel-eviewer))进行全孔超声波钻孔成像测量，可确定岩层裂隙倾向、倾角和破碎发育的详细情况，如附图2所示，实际测量过程中受钻孔质量影响，实际测量深度-1635m；

S5：钻孔直径为98mm，孔壁周长为308mm，以308mm为基准纵向对孔壁图像进行划分，划分为(1)～(16)段，计算每一段图像的分形盒维数值，如附图3所示；

S6：分析每一段图像分形盒维数值与RQD之间的关系，如附图4所示，随着分形盒维数值的增大，岩石质量越差，RQD值越低，二者之间呈线性相关关系，如图中所示，根据RQD值(很差(0～25)、差(25～50)、一般(50～75)、好(75～90)、很好(90～100))对应的分形盒维数进行划定，得出下表中基于分形盒维数D

S7：利用S6步骤中获得的基于孔壁图像分形盒维数的孔壁岩体质量分级标准，对后续钻孔(无其他特殊要求情况下可不进行取芯)进行岩体质量评价，超声波钻孔成像速度快，不取芯大大节省了钻探工作量与时间。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。