马城铁矿声学井下电视测试成果分析研究

＊张 涛

（河北昕佳工程勘查设计有限公司 河北 050022）

提要：声学井下电视测井是一种统计基岩裂隙，确定优势结构面的重要试验。在岩体工程地质稳定性评价中，统计岩石的优势结构面非常重要。本文介绍了声学井下电视的数据采集和软件处理，以马城铁矿SK01、SK20钻孔为例，分别对其井下电视测试成果进行了分析研究，总结了井下电视试验结果和矿区岩体稳定性之间的重要关系。

在地质勘查中，常采用声波、电法等传统手段进行钻孔试验，间接地测得地层分布、厚度、岩土体的动力学参数等。随着勘查精度要求的提高，这些参数往往不能满足要求，而声学井下电视能直观准确地展示钻孔的原位情况，与声波测井、电法等其他传统方法进行互补。

马城铁矿位于河北省滦南县，总储量接近10.5亿吨。在进行地质勘查中，采用了声学井下电视对岩体的裂隙进行统计分析，为矿区岩体工程地质稳定性评价提供了有效支持。

1.金项区地质条件概况

（1）地质地貌。马城铁矿为冲洪积平原地貌，地势平坦，滦河从矿区东侧自北向南流过。

矿体赋存于太古界单塔子群白庙组变质岩中，该基岩底部以黑云变粒岩为主，中部主要为黑云变粒岩夹薄—厚层磁铁石英岩；顶部主要由片麻岩、黑云变粒岩、钾长变粒岩及石英岩组成。其上覆巨厚层的第四系为河床、河漫滩冲洪积物，从北向南逐渐增厚，主要由粉质黏土、黏土、砂层、砂砾卵石层及淤泥质粉砂层组成。第四系与基岩之间存在风化带。

（2）地质构造。矿区为走向近南北、西倾的单斜构造，矿体从北向南明显呈波浪状起伏，背斜北翼II、IV号矿体向北北西倾伏，倾角约48°，背斜南翼I、III号矿体向南南东倾伏，向斜南翼轴大体走向北东东，倾角约79°。

矿区主要发育三组断裂构造。

北北东向断裂：主要有青龙河断裂带、沙窝铺断裂带，均具压扭性质，规模较大。

北北西向断裂：主要有响嘡断裂、芩菜山断裂、芝麻山断裂、古马断裂，与北北东向的断裂具有共同的力学性质和空间的组合形式。

近东西向断裂：主要有矿区北侧的沙河驿断裂，南侧的倴城断裂。总体倾向南或北，倾角约75°，由压扭性片理化带组成。

2.声学井下电视原理及设备

（1）工作原理。声学探头用固定的声波发生器和旋转声波发射镜，以聚焦的超声波束对井壁进行扫描。从井壁反射回来的声波信号振幅和走时作为独立的图像被同时记录下来[1]。地层的不同岩体、裂隙会引起回波振幅、波速的改变，并在记录结果中显示为暗色的正弦轨迹。通过配套软件将测量的反射波振幅和波速按照钻孔内360°方位显示成高分辨率解译图像，直观的反映井壁的地层情况。

（2）工程特点。由于井下电视测井采用的是发射超声波而采用非可见光成像，因此可以在水下进行工作，虽然在护壁的泥浆中会发生声波过度散射，但仍可以反映出孔壁岩层的断面及裂隙分布情况。

（3）试验仪器。本次测试使用英国Robertson Geologging公司生产的RG综合测井系统，包含Micrologger2地面采集系统、1000m绞车、HRAT高分辨率声学井下电视探头、Winlogger数据采集软件、WellCAD数据处理软件。

3.钻孔声学井下电视成果统计分析

选取SK01、SK20钻孔的测试结果进行分析。其中SK01位于矿区中南部，孔深275m；SK20位于矿区中部，孔深460m，矿区主要地层均被揭露。

（1）原始数据采集和处理。采用MicroLogger2采集系统记录原始图像，并通过WellCAD软件标定计算层面裂隙的产状。左侧为钻孔孔壁柱状展开图像，展开方位依次为N—E—S—W—N，右侧为相应地层深度上的裂隙分布图及描述，根据裂隙分布图上的标定线条，可以直接计算出每条裂隙的产状。

根据马城矿区特点，结合钻孔的测井数据解译图像，统计出每个测试钻孔的裂隙数据，为后续矿区岩体稳定性评价提供可靠的数据支撑，详见表1。

采用WellCAD软件将两个钻孔井下电视测量解译的数据进行统计[3]，包括裂隙条数，裂隙密度，发育深度等数据，从而确定裂隙的优势倾向、倾角等。运用Dips分别绘制出裂隙等密度图（详见图1）。

图1 SK01、SK20钻孔裂隙等密度图

（2）成果数据分析。根据实测数据统计分析后可知，矿区范围内的结构面以断层、层理、节理裂隙为主。根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》，可划分出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-Ⅴ级三个结构面。

①Ⅱ级结构面。F1断层，走向北东东，倾向南东，倾角64°，工程控制部份走向长约700m，水平宽约150m，主要由角砾岩、碎裂岩、断层泥及岩石碎屑组成，糜棱岩化强，多绢云岩化。

F2断层位于矿床西部，工程控制部分以辉绿岩脉充填为主，其表现形式为断续出现的辉绿岩脉群。走向近南北，倾角65°～79°。

②Ⅲ级结构面。F3断层，主要由角砾岩、断层泥及岩石碎屑组成。走向北东—北东东，倾向北西，倾角62°～85°，走向长约730m，水平宽25m。

③Ⅳ-Ⅴ级结构面。矿区Ⅳ、Ⅴ级结构面主要是指大小不等的层面及节理裂隙，地表岩石无露头，节理裂隙面分布特征不是特别明显，但以W、E两个方向较为集中展布。一部分裂隙面比较陡，倾向260°～270°，倾角70°；另一部分较平缓，倾向100°，倾角45°。

4.钻孔声学井下电视成果验证

（1）SK01钻孔。由表2可知该钻孔在259.4～263.1m深度范围发育有两组主要结构面，结构面优势倾向主要为N20°～N40°、N180°～N210°，优势倾角主要为41°～50°、62°～79°。

表2 SK01钻孔局部深度裂隙统计分析表

（2）SK20钻孔。由表3可知该钻孔在195.0～202.2m深度范围发育有两组主要结构面，结构面优势倾向主要为N105°～N135°，优势倾角主要为71°～78°。

表3 SK20钻孔局部深度裂隙统计分析表

续表

图2 SK01钻孔部分层位数据解译图

图3 SK20钻孔部分层位数据解译图

图4为SK01和SK02钻孔在不同深度范围内的岩心情况。

图4 SK01、SK20号钻孔岩芯照片

其中，SK01钻孔的岩性为灰黑色磁铁石英岩，细粒变晶结构，条带状构造，主要矿物成分为：磁铁矿、石英。裂隙较发育，轴夹角为45°～50°，65°～80°，宽度＜1mm，裂隙面平直，暗色矿物薄膜充填，局部有红褐色铁锈及绿泥石出现，发育密度小于2条/米；岩芯较完整，多呈长柱状。

SK20钻孔的岩性为灰白色-浅肉红色的混合花岗岩，花岗变晶结构，块状构造，主要矿物成分为：长石、石英，黑云母。裂隙较发育，轴夹角70°，宽度＜1mm，绿泥石薄膜充填，发育密度2条/米；岩芯较完整，以柱状、长柱状为主，局部破碎。

钻探岩芯反应出的地层岩性情况、结构面产状、裂隙的特征、岩体的完整性等与井下电视的解译结果基本一致。

5.小结

通过对比岩芯发现，井下电视更直观的展现了地层的原位状态，具有不受钻孔内环境限制、定位准确、成像分辨率高等优点，在马城矿区工程地质稳定性评价中起到了重要的作用。声学井下电视技术不仅广泛用于地质、矿产、石油等领域，也多用于公铁路岩土工程勘察[2]、水利水电工程勘察[3]等项目。