基于钻孔图像的结构面分布分维数计算方法

在工程实践中,对岩体结构面分布的分维数进行实测往往存在一定的难度,但是采用钻孔摄像技术既能够准确获取布设的钻孔内各项地质信息,而且形成的钻孔图像能够直观地反映钻孔中岩体结构面的特征参数,因此提出了一种基于钻孔图像的岩体结构面分布分维数计算方法。该方法的原理是:首先,通过钻孔图像获取研究区域内各钻孔内的岩体结构面的特征参数(包括倾角、倾向、隙宽、间距);然后,根据各钻孔之间的连通判断准则,判断区域内各钻孔结构面的连通性,并估算出研究区域内结构面的迹长值,同时参照钻孔的孔位及深度信息,来界定研究区域模型的范围;最后,结合Monte-Carlo法,建立岩体结构面分布的三维网络模型,根据分维数计算方法,求解模型各研究面的分形维数,并将3个钻孔的整体连通模型和各钻孔模型所得到的分维数开展对比分析。结果表明,该方法的计算结果与其他评价方法的结论一致。     

全景钻孔图像中结构面全自动识别方法研究

 数字全景钻孔摄像技术在实际工程上得到了广泛的应用,获得大量的高精度实测钻孔图像。这些钻孔图像准确记录了地质特征信息,特别是结构面的几何形态特征。然而,这些特征信息的获取通常是由人工完成的,工作量大,人为因素较多。针对该问题,提出一种针对全景钻孔图像的结构面全自动识别方法。该方法首先提出用图像灰度梯度合成信号在钻孔深度方向的投影的方法来划分结构面所在区域及其产状范围;然后提出用标准模板正弦函数迭代匹配结构面特征量的方法来搜寻区域内结构面的所有可能正弦曲线,并从中筛选出最优的正弦曲线作为结构面的特征曲线;最后结合区域划分和模板函数匹配的结果,分析特征曲线参数,并进行再匹配和转换,最终得到工程所需的结构面位置、倾向、倾角和隙宽等参数,从而实现钻孔图像结构面的全自动识别。结果表明该方法能够连续快速地全自动识别整个钻孔图像内的结构面,并获得对应的高精度几何参数,算法稳定可靠、结构面识别率高。与传统方法相比,该方法首次实现了整个钻孔图像中结构面的全自动识别与几何参数提取,极大地提高了工作效率,为钻孔图像的后期处理与信息获取提供一种实际可行的有效方法。     

基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法

在大型水利水电、能源交通等基础设施的建设中,查明岩体结构中存在的不良地质特征是保证工程顺利建设的重要基础,而常规物探方法很难探测到钻孔围岩结构的精细特征以及异常区域的范围和走向,为此,本文在实验室岩样缺陷检测方法的基础上,提出了一种基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法,该方法为了适用于钻孔围岩结构特征探测,采用了定向声波探头、旋转部件以及定位装置相结合的技术方法来实现。首先,根据扫描探测数据建立了环形扫描矩阵,提出了构建环形扫描图的数据处理方法;随后,构建了声波数据和环形扫描矩阵的映射关系,将对应的声波处理数据按照映射关系进行对应匹配,形成了钻孔围岩结构断面图,在叠加深度信息之后实现了钻孔围岩结构的立体图重建;最后,针对钻孔围岩缺陷区域的岩石声速及缺陷位置参数难确定问题,通过利用不同频率声波在岩石中传递的相位特征关系,构建了声速维和距离维二维扫描向量,采用数值分析方法来求解岩石的声速以及异常区域的位置,实现了钻孔围岩的结构特征立体呈现和参数提取,并将该方法应用到了实际工程中,验证了方法的可行性和准确性。     

基于孔内超声扫描技术的空区立体轮廓确定方法

深部地下空区探测环境极其复杂,往往只能获取有限的探测数据点,常规的拟合方法只能得到较为粗糙的轮廓形态。鉴于此,结合孔内超声扫描技术,开展了空区立体轮廓确定的方法研究。首先,提出了针对超声扫描数据的预处理方法,判断有效数据点,并平滑处理非有效探测点,实现超声数据的有效筛选。其次,引入二次Bezier曲线,并提出了适用于空区水平断面拟合特点的曲线拟合方法,使Bezier曲线能够通过每一个有效探测点,实现空区轮廓的高精度拟合;水平断面轮廓拟合之后,叠加深度信息,采用线性插值完成空区轮廓的纵向插值拟合,实现空区的立体轮廓确定,并通过MatLab软件进行数据的计算和图像生成。最后,通过具体数据进行分析,并与其他拟合方法进行对比。结果表明:①孔内超声扫描系统能够为空区建模提供有效数据;②改进的Bezier曲线能够适用于空区水平断面轮廓的拟合;③基于超声扫描的空区轮廓拟合方法具有可行性和准确性。研究成果可为解决地下空区立体轮廓的绘制和地下深部的空区探测提供参考。     

数字钻孔摄像技术在页岩气勘探中的应用

由于页岩气成藏模式有别于常规油气藏,为了更好地开发和利用页岩气资源,仅靠传统的地球物理探测方法很难精细解释其存在状态,而数字钻孔摄像技术能够直观观测页岩勘探孔的地质特征,为此,本文结合实际的页岩气勘探项目,将数字钻孔摄像技术应用到了页岩气勘探中,并获得了大量的页岩地质资料。由于数字钻孔摄像技术形成的钻孔围岩三维立体摄像图像清晰可辨,从而能够通过光学图像识别出页岩层所在的埋深位置,并较精确地计算出优质页岩层的厚度,同时,钻孔摄像图像能够直观反映出页岩层的差异现象,为查明页岩层的特殊区域提供了基本判断依据,最后,在弄清了页岩层的基本状态信息之后,结合优化算法可以精确计算出页岩层构造的产状和隙宽特征,为页岩层的统计分析提供更为量化的数据参数。     

基于孔内立体像对成像的地应力方向测量方法研究

深部岩体地应力的测量对岩土力学与工程地质具有重要的意义。由于传统的地应力测试过程较为复杂,在深孔中更是难以实现,因此,本文提出了一种利用全景立体钻孔成像技术和受力状态下钻孔形态特征来快速、有效、准确地确定地应力方向的测量方法。该方法利用基于双锥镜成像原理的全景立体钻孔成像技术获得钻孔孔壁同一位置不同视角的两幅立体像对图像,通过对像对图像构建钻孔孔径形态数值,进而刻画钻孔孔壁的几何形态特征。再根据地应力的作用下圆形钻孔孔壁变成椭圆形孔壁,进而推导并给出了圆形孔壁变成椭圆之后的标准椭圆方程,并建立了椭圆形态参数与地应力方向的关系。据此,再结合全景立体钻孔成像技术获得钻孔孔壁的几何形态（椭圆形孔径）,从而计算出椭圆长轴与坐标轴的方向,进而测得了孔内的地应力方向。最后利用标准模型进行模拟测试,结果表明该方法测量的钻孔几何形态方向与实际的应力方向保持一致,验证了该方法的正确性和可靠性。该方法应用了最新的钻孔成像技术,在不依赖于岩体物性参数的前提下,实现了基于钻孔形态的地应力方向的直接获取,为深部岩体地应力的测量提供了一种新的途径和测试方法。     

基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化研究

鉴于目前地质钻孔中孔壁光学图像信息在反映孔壁轮廓特征方面存在的局限性问题，同时，也为了丰富地质钻孔岩壁纹理和几何轮廓信息来源，提出一种基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化方法，通过融合钻孔周向和轴向上的纹理图像与扫描轮廓信息来直观呈现钻孔岩壁的三维形貌特征，并解决孔壁光学图像重构、孔壁轮廓曲线重构、基于光学图像信息与声波数据同步融合的三维建模与数据可视化优化等一系列难题。首先，以能够实现钻孔精细化测量的光学和声学同步测量技术原理为基础，提出孔壁光学图像重构与孔壁轮廓曲线重构方法，实现不同深度钻孔孔壁纹理图像的拼接与孔壁三维轮廓建模；随后，在孔壁表面纹理和孔壁几何轮廓的基础上，建立光声组合测量数据之间的映射关系与融合机制，形成基于光声组合测量的地质钻孔三维可视化体系；最后，结合具体案例，完成地质钻孔的三维可视化与形貌特征分析，并验证了该方法的可行性和优越性。研究表明，利用光声组合测量方式获取到的钻孔数据更加丰富，形成的地质钻孔三维可视化模型能够有效提高地质钻孔孔壁数据解译和判读的准确性和客观性，为岩体结构的探测技术研究提供了一种新的技术方法与技术手段。