鄭祥鳳，張懷東，王現(xiàn)紅，江勇，汪進(jìn)超，胡勝，王益騰，張臣

（1 安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站， 安徽合肥 230001；2 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊， 安徽六安 237010；3 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 四川成都 610059；4 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071；5 中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室， 湖北武漢 430074）

數(shù)字鉆孔攝像在周集鐵礦深部普查中的應(yīng)用

鄭祥鳳1，張懷東2，王現(xiàn)紅2，江勇3，汪進(jìn)超4，胡勝4，王益騰4，張臣5

（1 安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站， 安徽合肥 230001；2 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊， 安徽六安 237010；3 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 四川成都 610059；4 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071；5 中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室， 湖北武漢 430074）

在安徽霍邱周集鐵礦深部普查項目中，采用了數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，并獲得了大量鐵礦區(qū)地質(zhì)資料。數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)形成的鉆孔圍巖三維立體攝像圖像清晰可辨，能夠直觀識別出鐵礦典型區(qū)域孔壁，通過優(yōu)化算法精確計算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和隙寬，并劃分出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，確定出結(jié)構(gòu)面的變化規(guī)律，與實際巖芯對比基本一致，獲取的鉆孔信息資料可靠、直觀，為深部普查提供了重要參數(shù)依據(jù)。從中可以得出的結(jié)論為：①數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)在鐵礦深部普查中能夠發(fā)揮重要作用；②數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地勘測出鐵礦鉆孔內(nèi)地質(zhì)特征；③數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)能夠劃分出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和確定結(jié)構(gòu)面的變化規(guī)律。

鉆孔攝像技術(shù)；鐵礦普查；結(jié)構(gòu)面；產(chǎn)狀；隙寬；

0　引言

鐵是世界上發(fā)現(xiàn)最早，利用最廣，用量也是最多的一種金屬，其消耗量約占金屬總消耗量的95%左右。鐵礦石是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的重要原材料。 我國鐵礦資源多而不富，以中低品位礦為主，富礦資源儲量只占1.8%，而貧礦儲量占47.6%。中小礦多，大礦少，特大礦更少。今年來，由于我國鋼鐵工業(yè)的快速增長，對鐵礦石需要大幅度增加，而國內(nèi)可供開發(fā)的鐵礦資源短缺，原有的大中型鐵礦山多數(shù)已進(jìn)入開采晚期階段。此背景將霍邱周集鐵礦的開發(fā)利用推上進(jìn)程［1］。為了合理開發(fā)鐵礦資源，有必要開展鐵礦普查。開展“安徽省霍邱縣周集鐵礦深部普查項目”可以為下部繼續(xù)找礦提供堅實的地質(zhì)依據(jù)，將探礦工作推向深入，振興地方經(jīng)濟(jì)，造福當(dāng)?shù)厝嗣瘛?/p>

為了充分獲取鐵礦深部地質(zhì)信息，本次周集鐵礦深部普查采用了數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，分別對ZK1314號鉆孔和ZK2118號鉆孔進(jìn)行了數(shù)字鉆孔攝像，測試孔深分別為980m和841m，獲得了大量鐵礦區(qū)地質(zhì)資料。

1　鉆孔攝像技術(shù)

圖1　全景成像示意圖Fig. 1 Sketch of imaging principle of borehole camera system

數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)［2～6］的基本原理是采用一種特定的光學(xué)變換，即截頭的錐面反射鏡，它實現(xiàn)了將360°鉆孔孔壁圖像反射成為平面圖像。如圖1所示，經(jīng)過這種光學(xué)變換，形成的全景圖像呈環(huán)形狀，然后通過計算機(jī)算法實現(xiàn)逆變換，將全景圖像還原成原鉆孔形狀。數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全景圖像到平面展開圖或虛擬鉆孔巖芯圖的同步顯示。該系統(tǒng)還能夠?qū)︺@孔孔壁圖像進(jìn)行數(shù)字分析和處理，從而準(zhǔn)確地獲得孔內(nèi)特征的定量信息，例如，平面特征的傾向和傾角、裂隙的隙寬和某些介質(zhì)中的缺陷。

數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)主要功能包括： ①對巖石的顏色、組成、顆粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)等進(jìn)行分辨，辨識軟弱夾層是否有泥化現(xiàn)象等；②觀察斷層、裂隙、節(jié)理、破碎帶、巖脈、巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的原始狀態(tài)，估算其規(guī)模，測量其產(chǎn)狀等；③通過對孔壁圖像的觀察，給出全景圖像和虛擬巖芯圖，并進(jìn)行相應(yīng)的分析。

2　地質(zhì)概況

霍邱鐵礦地處淮河流域中上游沖積平原，地勢較平坦，西部為豫皖交界的四十里長山丘陵區(qū)，其南部白大山主峰海拔420m，其余為海拔100～200m低山，向北綿延入沒于淮河南岸平原中。鐵礦床位于中長山，屬淮河二級階地區(qū)，地勢較平坦。 礦區(qū)階面標(biāo)高28.1～44.9m，南部稍有起伏?；羟耔F礦為鞍山式貧磁鐵礦石，呈典型條帶狀構(gòu)造，黑色磁鐵礦和白色石英條帶平行相間，夾層厚度多為1～3mm，有用礦物與脈石礦物共生關(guān)系不密切，容易解離。

圖2　鉆孔圖像典型特征圖Fig. 2 Typical features of borehole image

周集鎮(zhèn)地處霍邱縣西北，周集鎮(zhèn)有豐富的鐵礦資源，霍邱鐵礦是國內(nèi)罕見的大型鞍山式鐵礦，礦區(qū)由周集、張莊、周油坊、李樓、吳集等9個礦床組成，已探明儲量16.5×108t，居華東第一、中國第五。

3　鐵礦區(qū)的勘察應(yīng)用

數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)能夠?qū)崟r地呈現(xiàn)鉆孔孔壁的圖像，并且通過對全孔地質(zhì)信息的提取和存儲，形成鉆孔孔壁的圖像，分別具有方位的平面展開圖和虛擬的三維巖芯圖像，從圖像中可以獲取鉆孔孔壁的眾多地質(zhì)信息，如傾向和傾角、裂隙的隙寬和某些介質(zhì)中的缺陷等。在對霍邱縣周集鐵礦的數(shù)字鉆孔攝像勘察中，該系統(tǒng)主要有以下四方面的應(yīng)用。

3.1識別典型區(qū)域

數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)形成的圖像能夠幫助識別鐵礦深部地質(zhì)特殊區(qū)域，如：孔壁裂隙，巖體節(jié)理，空洞區(qū)域，完整帶，破碎帶，顏色差異等。

如圖2所示，在a圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出鉆孔內(nèi)巖體存在裂隙現(xiàn)象，便于后續(xù)的裂隙分析；在b圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出鉆孔內(nèi)巖體存在節(jié)理面，便于后續(xù)的節(jié)理面統(tǒng)計；在c圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出鉆孔內(nèi)巖體存在空洞區(qū)域，便于地質(zhì)判斷；在d圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出該段鉆孔壁巖體較均勻完整，可能為巖體完整區(qū)；在e圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出該段鉆孔壁巖體較破碎，可能為破碎帶；在f圖中，可以從鉆孔圖像柱狀圖中直觀看出該段鉆孔壁巖體存在顏色差異，為后續(xù)整孔地質(zhì)分析提供重要資料。通過識別典型的鉆孔地質(zhì)區(qū)域，后續(xù)的分析研究更具有針對性，對鐵礦深部普查具有重要參考意義。

3.2統(tǒng)計產(chǎn)狀和隙寬

數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)形成鉆孔圖像后，計算機(jī)通過各種算法，可以精確計算出結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和寬度。在一個完整的鉆孔中，存在大量的結(jié)構(gòu)面，通過對結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計，可以得出更多的地質(zhì)信息。在結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計方法中，通常以結(jié)構(gòu)面傾角和結(jié)構(gòu)面寬度為統(tǒng)計對象。

在結(jié)構(gòu)面傾角的統(tǒng)計中，按照角度大小，將結(jié)構(gòu)面劃分成3組，分別為：緩傾角、中等傾角和陡傾角裂隙，在劃分后的每組結(jié)構(gòu)面中，按照結(jié)構(gòu)面的傾向進(jìn)行分類統(tǒng)計。表1為ZK1314號鉆孔的傾角結(jié)構(gòu)面分組表。

表1　按傾角結(jié)構(gòu)面分組表Table 1 Structural surface grouping by dipping angle

從對ZK1314號鉆孔的傾角結(jié)構(gòu)面分組統(tǒng)計表明：①整個鉆孔內(nèi)探測到的所有結(jié)構(gòu)面中，中等傾角結(jié)構(gòu)面所占的比重最大，約為58.3%，陡傾角結(jié)構(gòu)面所占比例次之，約為38.3%，緩傾角結(jié)構(gòu)面數(shù)量最少，僅占3.4%；結(jié)構(gòu)面傾向主要集中在NW和SE兩個象限；②巖礦脈節(jié)理中，中等傾角所占比例最大，陡傾角次之，緩傾角結(jié)構(gòu)面數(shù)量最少；結(jié)構(gòu)面傾向集中在NW象限；③裂隙結(jié)構(gòu)面中，中等傾角占55.3%，陡傾角占40.5%，緩傾角僅占4.2%；裂隙傾向主要集中在SE和NW象限中。

在結(jié)構(gòu)面寬度的統(tǒng)計中，根據(jù)結(jié)構(gòu)面寬度的大小進(jìn)行分組，分別統(tǒng)計不同類型結(jié)構(gòu)面。表2為ZK1314號鉆孔的結(jié)構(gòu)面寬度分組表。

表2　按結(jié)構(gòu)面寬度分組Table 2 Structural surface grouping by width

從對ZK1314號鉆孔的結(jié)構(gòu)面寬度分組統(tǒng)計表明：①整個鉆孔內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)面中，隙寬在2～4mm和4～6mm范圍所占的比例最大，隙寬在0～2mm和大于10mm范圍所占的比例最??；②巖礦脈節(jié)理中，隙寬大于10mm范圍所占的比例明顯增加，約為27%，通過孔壁圖像觀察，主要原因是存在數(shù)量較多的白色巖脈；③裂隙的統(tǒng)計結(jié)果中，2～4mm范圍所占的比例最大，約為53.8%，4～6mm范圍次之，其余寬度范圍的裂隙所占比例較少。

3.3劃分優(yōu)勢產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面

巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育具有一定的規(guī)律性和方向性，即成組定向?？梢砸罁?jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的分組，劃分出優(yōu)勢產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面。利用地質(zhì)統(tǒng)計軟件DIPS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以繪制出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布極點密度圖，并按照整個鉆孔內(nèi)所有結(jié)構(gòu)面、巖礦脈結(jié)構(gòu)面、裂隙三種類型可以進(jìn)行區(qū)分統(tǒng)計。

如對ZK1314號鉆孔進(jìn)行劃分優(yōu)勢產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面，繪制的結(jié)構(gòu)面分布密度圖如圖3所示，繪制的巖礦脈節(jié)理產(chǎn)狀分布密度圖如圖4所示，繪制的裂隙產(chǎn)狀分布密度圖如圖5所示。

圖3　結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分布密度圖Fig. 3 Distribution density map of occurrences of structural surfaces

表3　結(jié)構(gòu)面分組結(jié)果Table 3 Structural surface grouping results

圖4　巖礦脈節(jié)理產(chǎn)狀分布密度圖Fig. 4 Distribution density of occurrences of joints of rock and ore veins

圖5　裂隙產(chǎn)狀分布密度圖Fig. 5 Distribution density of occurrences of gaps

在表3中，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了分組統(tǒng)計，其結(jié)果顯示：①ZK1314號鉆孔內(nèi)探測到的所有結(jié)構(gòu)面表現(xiàn)出了成組定向的特征，形成了三個優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面分組，其優(yōu)勢產(chǎn)狀分別為：NW281°∠56°，NE10°∠65°，SE152°∠53°，分布在這三個分組中的結(jié)構(gòu)面比例達(dá)到73%；②巖礦脈節(jié)理主要集中在一個分組中，優(yōu)勢產(chǎn)狀為NW281°∠58°，在這一分組中的結(jié)構(gòu)面比例為75.6%；③裂隙的產(chǎn)狀分布與所有結(jié)構(gòu)面的分布特征基本一致，能夠劃分到這三個分組內(nèi)的結(jié)構(gòu)面比例為77.8%。

3.4確定結(jié)構(gòu)面變化規(guī)律

結(jié)構(gòu)面寬度是指結(jié)構(gòu)面兩界面間的垂直距離，能夠間接反映巖礦脈節(jié)理的延展特征、裂隙的張開程度、巖體的滲透特性等地質(zhì)信息。研究結(jié)構(gòu)面寬度隨深度的變化規(guī)律，可以繪制出不同結(jié)構(gòu)面類型的統(tǒng)計曲線，ZK1314號孔鉆孔的勘察深度達(dá)1100m。結(jié)構(gòu)面分布密度變化圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)面寬度變化圖如圖7所示，巖礦脈節(jié)理寬度分布圖如圖8所示，裂隙寬度分布曲線如圖9所示。

以上的各項統(tǒng)計結(jié)果顯示：

圖6　結(jié)構(gòu)面分布密度變化圖Fig. 6 Distribution density change of structural surfaces

①鉆孔內(nèi)探測到的所有結(jié)構(gòu)面在整個深度范圍內(nèi)都有分布，隨著鉆孔深度的增大，裂隙的分布密度逐漸變小，裂隙寬度也有逐漸變小的趨勢；②巖礦脈節(jié)理的寬度較大，隨著鉆孔深度的變化，結(jié)構(gòu)面寬度沒有明顯的變化規(guī)律；③裂隙寬度隨著鉆孔深度的增大，有逐漸變小的趨勢，且主要的裂隙寬度集中在0～10mm范圍內(nèi)。

圖7　結(jié)構(gòu)面寬度變化圖Fig. 7 Change of widths of structural surfaces

圖8　巖礦脈節(jié)理寬度分布Fig. 8 Distribution of widths of joints of rock and ore veins

4　結(jié)語

在安徽霍邱周集鐵礦深部普查項目中，采用了數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，并獲得了大量鐵礦區(qū)地質(zhì)資料。數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)形成的鉆孔圍巖三維立體攝像圖像清晰可辨，能夠直觀識別出鐵礦典型區(qū)域孔壁，通過優(yōu)化算法精確計算出結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和隙寬，并劃分出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，確定出結(jié)構(gòu)面的變化規(guī)律，與實際巖芯對比基本一致，獲取的鉆孔信息資料可靠、直觀，為深部普查提供了重要參數(shù)依據(jù)。從中可以得出的結(jié)論為：①數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)在鐵礦深部普查中能夠發(fā)揮重要作用；②數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地勘測出鐵礦鉆孔內(nèi)地質(zhì)特征；③數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)能夠劃分出優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面和確定結(jié)構(gòu)面的變化規(guī)律。

圖9　裂隙寬度分布曲線圖Fig. 9 Gap width distribution curve

［1］李良軍，常丹燕，杜建國. 安徽霍邱鐵礦資源合理開發(fā)與環(huán)境保護(hù)［J］.安徽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005，29（2）： 85～89.

［2］Prensky S E. Advances in borehole imaging technology and application［C］// borehole imaging： applications and case histories. London： Geological Society，1999： 1～43.

［3］John H W， Carole D J. Acoustic and optical borehole-wall imaging for fractured-rock aquifer studies［J］. Journal of applied geophysics， 2004，55： 151～159.

［4］王川嬰， 葛修潤， 白世偉. 數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)及應(yīng)用［J］. 巖土力學(xué)， 2001， 22（4）： 522～525.

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APPLICATION OF DIGITAL BOREHOLE CAMERA IN DEEP EXPLORATION OF THE ZHOUJI IRON ORE DEPOSIT

ZHENG Xiang-feng1， ZHANG Huai-dong2， WANG Xian-hong2，JIANG Yong3， WANG Jin-chao4， HU Sheng4，WANG Yi-teng4， ZHANG Chen5
（1 Anhui Institute of Geo-environment Monitoring， Hefei， Anhui 230001， China ；2 No.313 Unit， Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Lu'an， Anhui 237010， China；3College of Earth Science of Chengdu University of Technology，Chen
gdu Shichuan 610059，China； 4 State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan ，Hubei 430071， China；5 Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources Ministry of Education， China University of Geosciences， Wuhan，Hubei 430074， China）

Digital borehole camera was adopted in deep exploration of the Zhouji iron ore deposit in Huoqiu，Anhui， and brought a great deal of geological data on the iron ore district. Borehole wallrock 3D image formed by the camera can clearly display borehole wall in typical iron ore district， by optimizing algorithm we can precisely calculate the occurrences of structural surfaces and gap length， divide advantageous structural surfaces and determine the change law of structural surfaces， which is consistent with the real core. So the acquired data is reliable， visualized providing important reference data for deep exploration.

borehole camera technique； iron ore general survey； structural surface； occurrences； gap length

1005－6157（2016）03－0207－5

P634；TE928；P618.52

A

2016-04-12

鄭祥鳳（1985－ ），女，安徽六安人，助理工程師，主要從事礦產(chǎn)地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)工作。