数字钻孔摄像在周集铁矿深部普查中的应用

郑祥凤，张怀东，王现红，江勇，汪进超，胡胜，王益腾，张臣

（1 安徽省地质环境监测总站， 安徽合肥 230001；2 安徽省地质矿产勘查局313地质队， 安徽六安 237010；3 成都理工大学地球科学学院， 四川成都 610059；4 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；5 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室， 湖北武汉 430074）

数字钻孔摄像在周集铁矿深部普查中的应用

郑祥凤1，张怀东2，王现红2，江勇3，汪进超4，胡胜4，王益腾4，张臣5

（1 安徽省地质环境监测总站， 安徽合肥 230001；2 安徽省地质矿产勘查局313地质队， 安徽六安 237010；3 成都理工大学地球科学学院， 四川成都 610059；4 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；5 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室， 湖北武汉 430074）

在安徽霍邱周集铁矿深部普查项目中，采用了数字钻孔摄像技术，并获得了大量铁矿区地质资料。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，能够直观识别出铁矿典型区域孔壁，通过优化算法精确计算出结构面产状和隙宽，并划分出优势结构面，确定出结构面的变化规律，与实际岩芯对比基本一致，获取的钻孔信息资料可靠、直观，为深部普查提供了重要参数依据。从中可以得出的结论为：①数字钻孔摄像系统在铁矿深部普查中能够发挥重要作用；②数字钻孔摄像系统能够准确有效地勘测出铁矿钻孔内地质特征；③数字钻孔摄像系统能够划分出优势结构面和确定结构面的变化规律。

钻孔摄像技术；铁矿普查；结构面；产状；隙宽；

0　引言

铁是世界上发现最早，利用最广，用量也是最多的一种金属，其消耗量约占金属总消耗量的95%左右。铁矿石是钢铁生产企业的重要原材料。 我国铁矿资源多而不富，以中低品位矿为主，富矿资源储量只占1.8%，而贫矿储量占47.6%。中小矿多，大矿少，特大矿更少。今年来，由于我国钢铁工业的快速增长，对铁矿石需要大幅度增加，而国内可供开发的铁矿资源短缺，原有的大中型铁矿山多数已进入开采晚期阶段。此背景将霍邱周集铁矿的开发利用推上进程［1］。为了合理开发铁矿资源，有必要开展铁矿普查。开展“安徽省霍邱县周集铁矿深部普查项目”可以为下部继续找矿提供坚实的地质依据，将探矿工作推向深入，振兴地方经济，造福当地人民。

为了充分获取铁矿深部地质信息，本次周集铁矿深部普查采用了数字钻孔摄像技术，分别对ZK1314号钻孔和ZK2118号钻孔进行了数字钻孔摄像，测试孔深分别为980m和841m，获得了大量铁矿区地质资料。

1　钻孔摄像技术

图1　全景成像示意图Fig. 1 Sketch of imaging principle of borehole camera system

数字全景钻孔摄像系统［2～6］的基本原理是采用一种特定的光学变换，即截头的锥面反射镜，它实现了将360°钻孔孔壁图像反射成为平面图像。如图1所示，经过这种光学变换，形成的全景图像呈环形状，然后通过计算机算法实现逆变换，将全景图像还原成原钻孔形状。数字全景钻孔摄像系统能够实现全景图像到平面展开图或虚拟钻孔岩芯图的同步显示。该系统还能够对钻孔孔壁图像进行数字分析和处理，从而准确地获得孔内特征的定量信息，例如，平面特征的倾向和倾角、裂隙的隙宽和某些介质中的缺陷。

数字全景钻孔摄像系统主要功能包括： ①对岩石的颜色、组成、颗粒结构、形态等进行分辨，辨识软弱夹层是否有泥化现象等；②观察断层、裂隙、节理、破碎带、岩脉、岩溶等地质构造的原始状态，估算其规模，测量其产状等；③通过对孔壁图像的观察，给出全景图像和虚拟岩芯图，并进行相应的分析。

2　地质概况

霍邱铁矿地处淮河流域中上游冲积平原，地势较平坦，西部为豫皖交界的四十里长山丘陵区，其南部白大山主峰海拔420m，其余为海拔100～200m低山，向北绵延入没于淮河南岸平原中。铁矿床位于中长山，属淮河二级阶地区，地势较平坦。 矿区阶面标高28.1～44.9m，南部稍有起伏。霍邱铁矿为鞍山式贫磁铁矿石，呈典型条带状构造，黑色磁铁矿和白色石英条带平行相间，夹层厚度多为1～3mm，有用矿物与脉石矿物共生关系不密切，容易解离。

图2　钻孔图像典型特征图Fig. 2 Typical features of borehole image

周集镇地处霍邱县西北，周集镇有丰富的铁矿资源，霍邱铁矿是国内罕见的大型鞍山式铁矿，矿区由周集、张庄、周油坊、李楼、吴集等9个矿床组成，已探明储量16.5×108t，居华东第一、中国第五。

3　铁矿区的勘察应用

数字钻孔摄像系统能够实时地呈现钻孔孔壁的图像，并且通过对全孔地质信息的提取和存储，形成钻孔孔壁的图像，分别具有方位的平面展开图和虚拟的三维岩芯图像，从图像中可以获取钻孔孔壁的众多地质信息，如倾向和倾角、裂隙的隙宽和某些介质中的缺陷等。在对霍邱县周集铁矿的数字钻孔摄像勘察中，该系统主要有以下四方面的应用。

3.1识别典型区域

数字钻孔摄像系统形成的图像能够帮助识别铁矿深部地质特殊区域，如：孔壁裂隙，岩体节理，空洞区域，完整带，破碎带，颜色差异等。

如图2所示，在a图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出钻孔内岩体存在裂隙现象，便于后续的裂隙分析；在b图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出钻孔内岩体存在节理面，便于后续的节理面统计；在c图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出钻孔内岩体存在空洞区域，便于地质判断；在d图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出该段钻孔壁岩体较均匀完整，可能为岩体完整区；在e图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出该段钻孔壁岩体较破碎，可能为破碎带；在f图中，可以从钻孔图像柱状图中直观看出该段钻孔壁岩体存在颜色差异，为后续整孔地质分析提供重要资料。通过识别典型的钻孔地质区域，后续的分析研究更具有针对性，对铁矿深部普查具有重要参考意义。

3.2统计产状和隙宽

数字钻孔摄像系统形成钻孔图像后，计算机通过各种算法，可以精确计算出结构面的产状和宽度。在一个完整的钻孔中，存在大量的结构面，通过对结构面的统计，可以得出更多的地质信息。在结构面的统计方法中，通常以结构面倾角和结构面宽度为统计对象。

在结构面倾角的统计中，按照角度大小，将结构面划分成3组，分别为：缓倾角、中等倾角和陡倾角裂隙，在划分后的每组结构面中，按照结构面的倾向进行分类统计。表1为ZK1314号钻孔的倾角结构面分组表。

表1　按倾角结构面分组表Table 1 Structural surface grouping by dipping angle

从对ZK1314号钻孔的倾角结构面分组统计表明：①整个钻孔内探测到的所有结构面中，中等倾角结构面所占的比重最大，约为58.3%，陡倾角结构面所占比例次之，约为38.3%，缓倾角结构面数量最少，仅占3.4%；结构面倾向主要集中在NW和SE两个象限；②岩矿脉节理中，中等倾角所占比例最大，陡倾角次之，缓倾角结构面数量最少；结构面倾向集中在NW象限；③裂隙结构面中，中等倾角占55.3%，陡倾角占40.5%，缓倾角仅占4.2%；裂隙倾向主要集中在SE和NW象限中。

在结构面宽度的统计中，根据结构面宽度的大小进行分组，分别统计不同类型结构面。表2为ZK1314号钻孔的结构面宽度分组表。

表2　按结构面宽度分组Table 2 Structural surface grouping by width

从对ZK1314号钻孔的结构面宽度分组统计表明：①整个钻孔内的所有结构面中，隙宽在2～4mm和4～6mm范围所占的比例最大，隙宽在0～2mm和大于10mm范围所占的比例最小；②岩矿脉节理中，隙宽大于10mm范围所占的比例明显增加，约为27%，通过孔壁图像观察，主要原因是存在数量较多的白色岩脉；③裂隙的统计结果中，2～4mm范围所占的比例最大，约为53.8%，4～6mm范围次之，其余宽度范围的裂隙所占比例较少。

3.3划分优势产状结构面

岩体结构面的发育具有一定的规律性和方向性，即成组定向。可以依据结构面产状进行结构面的分组，划分出优势产状结构面。利用地质统计软件DIPS进行数据分析，可以绘制出结构面产状分布极点密度图，并按照整个钻孔内所有结构面、岩矿脉结构面、裂隙三种类型可以进行区分统计。

如对ZK1314号钻孔进行划分优势产状结构面，绘制的结构面分布密度图如图3所示，绘制的岩矿脉节理产状分布密度图如图4所示，绘制的裂隙产状分布密度图如图5所示。

图3　结构面产状分布密度图Fig. 3 Distribution density map of occurrences of structural surfaces

表3　结构面分组结果Table 3 Structural surface grouping results

图4　岩矿脉节理产状分布密度图Fig. 4 Distribution density of occurrences of joints of rock and ore veins

图5　裂隙产状分布密度图Fig. 5 Distribution density of occurrences of gaps

在表3中，对结构面进行了分组统计，其结果显示：①ZK1314号钻孔内探测到的所有结构面表现出了成组定向的特征，形成了三个优势结构面分组，其优势产状分别为：NW281°∠56°，NE10°∠65°，SE152°∠53°，分布在这三个分组中的结构面比例达到73%；②岩矿脉节理主要集中在一个分组中，优势产状为NW281°∠58°，在这一分组中的结构面比例为75.6%；③裂隙的产状分布与所有结构面的分布特征基本一致，能够划分到这三个分组内的结构面比例为77.8%。

3.4确定结构面变化规律

结构面宽度是指结构面两界面间的垂直距离，能够间接反映岩矿脉节理的延展特征、裂隙的张开程度、岩体的渗透特性等地质信息。研究结构面宽度随深度的变化规律，可以绘制出不同结构面类型的统计曲线，ZK1314号孔钻孔的勘察深度达1100m。结构面分布密度变化图如图6所示，结构面宽度变化图如图7所示，岩矿脉节理宽度分布图如图8所示，裂隙宽度分布曲线如图9所示。

以上的各项统计结果显示：

图6　结构面分布密度变化图Fig. 6 Distribution density change of structural surfaces

①钻孔内探测到的所有结构面在整个深度范围内都有分布，随着钻孔深度的增大，裂隙的分布密度逐渐变小，裂隙宽度也有逐渐变小的趋势；②岩矿脉节理的宽度较大，随着钻孔深度的变化，结构面宽度没有明显的变化规律；③裂隙宽度随着钻孔深度的增大，有逐渐变小的趋势，且主要的裂隙宽度集中在0～10mm范围内。

图7　结构面宽度变化图Fig. 7 Change of widths of structural surfaces

图8　岩矿脉节理宽度分布Fig. 8 Distribution of widths of joints of rock and ore veins

4　结语

在安徽霍邱周集铁矿深部普查项目中，采用了数字钻孔摄像技术，并获得了大量铁矿区地质资料。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，能够直观识别出铁矿典型区域孔壁，通过优化算法精确计算出结构面产状和隙宽，并划分出优势结构面，确定出结构面的变化规律，与实际岩芯对比基本一致，获取的钻孔信息资料可靠、直观，为深部普查提供了重要参数依据。从中可以得出的结论为：①数字钻孔摄像系统在铁矿深部普查中能够发挥重要作用；②数字钻孔摄像系统能够准确有效地勘测出铁矿钻孔内地质特征；③数字钻孔摄像系统能够划分出优势结构面和确定结构面的变化规律。

图9　裂隙宽度分布曲线图Fig. 9 Gap width distribution curve

［1］李良军，常丹燕，杜建国. 安徽霍邱铁矿资源合理开发与环境保护［J］.安徽大学学报（自然科学版）， 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］王川婴， 葛修润， 白世伟. 数字式全景钻孔摄像系统及应用［J］. 岩土力学， 2001， 22（4）： 522～525.

［5］汪进超，王川婴，胡胜，等.全景钻孔摄像技术勘测精度分析［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（增2），4038～4046.

［6］汪进超，王川婴，朱长歧，等. 数字全景钻孔摄像系统在西沙琛航岛地质调查中的应用［J］.三峡大学（自然科学版）， 2014，36（5），68～72.

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

郑祥凤（1985－ ），女，安徽六安人，助理工程师，主要从事矿产地质及环境地质工作。