一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法

摘要

本发明提供了一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，首先，在采空区上方布置导水裂缝高度探测钻孔，以黄土层底界面为目标层位进行钻孔，并取黄土样并取其图像B；然后采集钻孔内壁的图像A，将获得的图像A和B进行后处理，分别从后处理后的图像中确定出距离煤层底板最远的裂缝发育图像HA、HB，同一钻孔中的导水裂缝高度H为H＝max(HA，HB)。本发明方法简单易实施，可以规避黄土中泥饼对导水裂缝高度判定的影响，提高导水裂缝高度探测准确率。

说明书

【技术领域】

本发明涉及矿井水文地质领域，尤其涉及一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，特别适用于陕北生态脆弱区浅埋厚煤层导水裂缝高度在黄土层中的探测方法。

【背景技术】

我国陕北地区煤炭资源丰富，但该区生态环境脆弱，煤层上覆普遍存在一重要含水层，与当地生态需水、生活供水及煤炭开采水资源保护息息相关，煤层开采后会在上覆岩层中产生裂缝，若沟通上覆含水层，则会将含水层中水导入矿井，即导水裂缝。如果含水层中水进入矿井，一方面造成水害事故，一方面加大区域水资源保护的难度。

如何协调煤炭资源开采、水资源保护、矿井安全这三者之间的平衡，确定导水裂缝高度至关重要，目前普遍认为陕北地区煤炭资源开采的导水裂缝已发育到地表，尚未提供可靠依据，因此，黄土层中的导水裂缝高度探测具有里程碑的意义。

目前，导水裂缝探测方法很多，应用较多的有三种。

第一种为冲洗液消耗量探测法，这种方法主要是通过钻孔中岩芯完整性状况描述及循环的冲洗液消耗量的显著变化来判定导水裂缝高度。

第二种是钻孔电视法，这种方法主要是通过在地下钻孔中放入防水摄像探管，在地面监视器上观察孔壁裂缝的发育形态来判定导水裂缝高度。

第三种是钻孔电法，主要是通过测定地层通电后电阻率的变化来判定导水裂缝高度。

以上方法在黄土层探测中应用较差，存在以下问题：

(1)钻孔冲洗液在基岩中能够观测到漏失量的显著变化，但在黄土中，由于冲洗液与黄土混合后具有隔水效果，冲洗液漏失量变化不显著，无法准确判定导水裂缝高度；

(2)钻孔电视在基岩中可以观测到裂缝，但由于在黄土中钻进导水裂缝被本身充填，难以直接、清晰观测到裂缝，无法判定导水裂缝带高度；

(3)在钻孔电法实施过程中，由于黄土中泥饼的存在影响了电阻率的观测，进而影响了判定效果，另外，通过采集的电法数据反演而成的电剖面图分析获得导水裂缝高度，增加了判定误差；

(4)钻孔电法操作复杂，线路接触不良会导致探测失败，数据无法显示。

鉴于以上缺陷，实有必要提出一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，以克服上述技术问题。

【发明内容】

本发明为了解决上述问题，提供一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，对钻孔电视法进行改善，以提高裂缝观测的清晰度，为判定导水裂缝带高度提供可靠保证。

一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，包括以下步骤：

(1)在采空区上方布置导水裂缝高度探测钻孔，以黄土层底界面为目标层位进行钻孔，并取黄土样，其中黄土样按照距离煤层底板由近及远的顺序进行编号；

(2)采集钻孔内壁的图像A，以获取钻孔内壁的裂缝发育状态，对获取的图像按照距离煤层由近及远的顺序存储，分别为A1、A2……；

(3)将步骤(1)获得的黄土样剖开，采集该剖面的图像B，对获取的图像按照距离煤层底板由近及远的顺序存储，分别为B1、B2……；

(4)对步骤(2)和步骤(3)获得的图像A和B进行后处理，处理后的图像中黑色区域为裂缝，分别从步骤(2)和步骤(3)后处理后的图像中确定出距离煤层底板最远的裂缝发育图像H_A、H_B；

(5)同一钻孔中的导水裂缝高度H为H＝max(H_A，H_B)。

步骤(1)中，布置导水裂缝高度探测钻孔的要求为：钻孔所在采空区范围沿走向和倾向的长度均大于50m，多个钻孔的中心连线所形成的区域，距离回采工作面的始采线的最小距离为30米，距离回采工作面的终采线的最小距离15米，每个回采工作面布置的导水裂缝高度探测钻孔数量至少为两个。

所述导水裂缝高度探测钻孔布置在回风巷和运输巷以内。

在步骤(1)的钻孔过程中，首先以麻花钻干钻，当钻到黄土层时，采用含有荧光粉的清水循环双层岩芯管取芯钻进，其中，荧光粉的浓度为1.04g/cm³～1.07g/cm³。

在步骤(1)的循环双层岩芯管取芯钻进过程中，控制每个回次长度小于4m，裂缝小于2m。

黄土样取样时，黄土的取芯率大于等于60％。

采集钻孔内壁的图像A的具体方法是：将带紫外光摄像头的摄像探管从钻孔内逐渐放至孔底，通过摄像头获取每个深度的孔内影像，从与摄像头连接的监视器内观测钻孔壁的裂缝发育状况。

所述步骤(2)和步骤(3)的图像是采用相同技术参数的摄像头获取的。

所述紫外光的波长为365nm～400nm，透射比T≥60％。

所述紫外光的透射比为T＝I/I₀，I₀是入射光的强度，I是透过光的强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明首先在钻孔过程中，提取黄土样，然后将其剖开，采集图像，然后在钻孔内放入摄像设备，采集钻孔内的裂缝图像，然后对该两组图像进行处理后，取其最大者为该孔内的导水裂缝高度。该方法简单易实施，可以规避黄土中泥饼对导水裂缝高度判定的影响，提高导水裂缝高度探测准确率。

【附图说明】

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的导水裂缝高度探测钻孔布置示意图；

图3为紫外光摄像头构造图；

图4为紫外光谱图；

图5为MATLAB软件处理前、后的图像，其中，图(a)为处理前的图像，图(b)为处理后的图像。

图中：1—始采线；2—回风巷；3—运输巷；4—终采线；5—紫外光；6—摄像头；7—摄像探管；8—电缆线；9—监视器。

【具体实施方式】

如图1所示，一种黄土层中利用紫外光探测导水裂缝高度的方法，包括下述步骤：

步骤一：导水裂缝高度探测钻孔的布置。在煤炭开采后的采空区上方施工导水裂缝高度探测钻孔，其位置需满足要求，即钻孔所在采空区范围沿走向和倾向的长度均大于50m，钻孔距回采工作面的始采线1的最小距离L₁>30m，距终采线4的最小距离L₂>15m(是否是最小距离，请确认并核实)，且导水裂缝高度探测钻孔处于回风巷2和运输巷3以内。一个回采工作面，导水裂缝高度探测钻孔数量≥2。

步骤二：导水裂隙高度探测钻孔在黄土层中施工至黄土层底界面。在黄土层中施工，钻孔倾角≤3°，钻进过程中携带含有荧光粉的清水，目标层位为黄土层底界面。成孔工艺为：首先，钻孔以91mm～108mm的孔径开孔，开孔要求采用麻花钻干钻，当钻进到黄土层时，采用含有荧光粉的清水循环双层岩芯管取芯钻进，荧光粉的浓度控制范围为1.04g/cm³～1.07g/cm³，并控制每个回次长度＜4m，裂缝＜2m。然后，将取得的黄土样按照距离煤层底板的距离由近及远编号，黄土样高度为10cm～40cm，黄土的取芯率≥60％。

步骤三：带紫外光摄像头进行钻孔内孔壁观测。请特别参阅图3所示，所示带紫外光摄像头包括摄像探管7，该摄像探管的末端为摄像头，且该摄像探管连接有紫外光。该带紫外光摄像头通过电缆线8与地面的监视器连接，以便观测裂缝发育状况。具体操作为：将带紫外光摄像头从孔口逐渐放至孔底，同时通过摄像头6获取每个深度的孔内图像A，从地面的监视器9中观测钻孔内孔壁的裂缝发育状况，紫外光5可优化孔内摄像环境，辅助光源照度，增加所摄图像的清晰度。对获取的图像按照距煤层由近及远的顺序进行存储，并编号A1、A2、A3……。

步骤四：进行步骤二所取黄土样剖面涂荧光粉观测。将步骤(二)所取的黄土样采用切土刀从中间剖开，并采用与步骤三相同技术参数的摄像头拍摄剖面，得到图像B，拍摄顺序按照距离煤层底板获得导水裂缝高度图像。对获取的图像按照距煤层由近及远的顺序进行存储，并编号B1、B2、B3……。

荧光粉特征如下：

荧光粉类型选用光致储能型，发光时间t≥12h，密度ρ为3.6～4g/cm³,发光颜色为白色。无毒无害、无放射，对环境无污染，化学稳定性好，厚度H≥130um。

紫外光特征如下：

波长λ为365nm～400nm，透射比T≥60％，T＝I/I₀，I₀是入射光的强度，I是透过光的强度。紫外光谱如图4。

摄像头6特征如下：

彩色低照度0.0004LUX～0.1LUX，像素≥800万，360°全景，防水。

步骤五：对步骤三和步骤四所获取的图像A、B进行后处理。采用MATLAB软件的图像处理功能，将步骤三和步骤四的图像进行处理，软件处理经过图像灰度化、中值滤波、图像二值化及平滑处理得到增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，最终获得处理后的图像，其中异常区域即图5中黑色区域为裂缝，从步骤三和步骤四中处理后的图像中找出距煤层底板最远的裂缝发育图像，裂缝距离煤层底板的距离分别为H_A、H_BA，即导水裂缝高度分别为H_A、H_B。

步骤六：导水裂缝高度判定。对比分析同一个钻孔中导水裂缝高度H_A、H_B，取H＝max(H_A，H_B)为导水裂缝最终高度。综合同一采煤工作面不同钻孔导水裂缝高度，取最大值Hm为该采煤工作面导水裂缝高度。

步骤七：建立煤层开采厚度M与不同采煤工作面导水裂缝高度Hm的经验函数Hm＝f(M)，指导煤矿安全开采及水资源保护。

运行原理：

本发明主要利用荧光粉和紫外光增强拍摄图像清晰度的方法进行黄土层中采煤导水裂缝高度探测，同时采用MATLAB软件对图像进行了后处理。

其中，荧光粉在受到自然光、日光灯光、紫外光等照射后，把光能储存起来，在停止光照射后，再缓慢地以荧光的方式释放出来，所以在夜间或者黑暗处，仍能看到发光，持续时间长达几小时至十几小时。主要作用有：(1)增加钻孔中摄像亮度，使较黑暗的钻孔内尽量达到日光条件下的拍摄环境；(2)增加黄土样剖面裂缝的辨识度，为导水裂缝高度的判定提供基础资料。

紫外光是电磁波谱中波长从100nm～400nm辐射的总称，紫外光波长比可见光短，不能引起人们的视觉，但比X射线长。紫外光被划分为A射线、B射线和C射线(简称UVA、UVB和UVC)，波长范围分别为400～315nm，315～280nm，280～190nm。

由于紫外线比一般的可见光更具有穿透能力，常以紫外线来进行透视或鉴定的工作，例如，利用紫外线来检查金属上细微的裂缝、图画的真伪、食品安全，甚至于在探索太空时，紫外线都可以派上用场。本发明正是利用紫外光的透视功能，观测、找出黄土层中导水裂缝，为判别煤层开采的导水裂缝高度提供清晰的图像。

MATLAB软件的应用主要是将钻孔内拍摄的图像和黄土样剖面的图像进行深度处理，利用图像在裂缝发育区域与非裂缝发育区域具有不同的像素，从而对其二值化处理，获得最佳的效果，辅助判别导水裂缝高度。

应用实例：

某煤矿黄土层厚度158m，1209工作面煤层开采后，形成了导水裂缝，采用以下步骤探测了黄土层中煤层开采后导水裂缝高度，并指导了后续1210、1211等工作面的安全开采，保护了水资源。

步骤一：在该采煤工作面布置3个钻孔，分别为孔1、孔2、孔3，其在采空区范围沿走向和倾向的长度均大于50m，距回采工作面的始采线1的距离L₁＝43m，距终采线4的距离L₂＝21m，且处于回风巷2和运输巷3以内。

步骤二：在黄土层中施工导水裂缝高度钻孔，即孔1、孔2、孔3，钻孔倾角1.8°。成孔工艺为：首先，各钻孔以108mm的孔径开孔，使用麻花钻干钻，钻探进尺为25m后，至黄土层位；然后，采用浓度为1.05g/cm³的荧光粉与水的混合液进行循环钻进，并使用双层岩芯管取芯，控制每个回次长度为3.5m，裂缝为1.6m，荧光粉类型为光致储能型，发光时间t＝20h，密度ρ为3.8g/cm³，发光颜色为白色，厚度H＝167um；接下来，将取得的黄土样按照距离煤层底板的距离由近及远编号，黄土样高度为38cm，黄土的取芯率达到68％。

步骤三：将带紫外光摄像探管7从孔口逐渐放至孔底，紫外光波长λ为368nm，透射率为65％，同时通过摄像头6获取每个深度的孔内影像，摄像头彩色低照度0.006LUX，像素1200万，360°全景，防水。从地面监视器9中观测钻孔内孔壁的裂缝发育状况。对获取的图像按照距煤层由近及远的顺序进行存储。

步骤四：进行步骤二所取黄土样剖面涂荧光粉观测。将所取的黄土样采用切土刀从中间剖开，并采用与步骤三相同技术参数的摄像头拍摄剖面，拍摄顺序按照距离煤层底板获得导水裂缝高度图像。对获取的图像按照距煤层由近及远的顺序进行存储。

步骤五：对步骤三和步骤四所获取的图像进行后处理。采用MATLAB软件的图像处理功能，将步骤三和步骤四的图像进行处理，软件处理经过图像灰度化、中值滤波、图像二值化及平滑处理得到增强低灰度图、中值滤波后图、二进制图及平滑处理后的图，最终获得处理后的图像，其中异常区域即图5中黑色区域为裂缝，从步骤三中处理后的图像中获得孔1、孔2、孔3的煤层底板至导水裂缝发育最远的距离H₁分别为68m、74m、71m，从步骤四中处理后的图像中获得孔1、孔2、孔3的煤层底板至导水裂缝发育最远的距离H₂分别为67m、73m、70m。

步骤六：导水裂隙高度判定。对比分析同一个钻孔中导水裂缝高度H_A、H_B，取H＝max(H_A，H_B)为导水裂缝最终高度，即孔1的导水裂缝高度为68m，孔2的导水裂缝高度为74m，孔3的导水裂缝高度为71m。同一采煤工作面不同钻孔导水裂缝高度取H中的最大值，即74m。

步骤七：通过多个采煤工作面的导水裂缝高度探测建立建立煤层开采厚度M与不同采煤工作面导水裂缝高度Hm的经验函数Hm＝f(M)，即Hm＝23.2M+9.6。未采工作面1210煤层平均厚度为3m，根据经验函数Hm＝23.2M+9.6，得出该工作面煤层开采后导水裂缝高度为79.2m，指导煤矿安全开采及水资源保护。