基于測斜監(jiān)測技術(shù)的鉆孔質(zhì)量分析及對策研究

周發(fā)陸，楊錫祥，魏海濤，王少勇，張愛卿

(1.伽師縣銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 喀什 410083；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

基于測斜監(jiān)測技術(shù)的鉆孔質(zhì)量分析及對策研究

周發(fā)陸1，楊錫祥1，魏海濤1，王少勇2，張愛卿2

(1.伽師縣銅輝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 喀什 410083；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

為了準(zhǔn)確掌握深部巖體鉆孔的偏斜情況。采用現(xiàn)場測試和理論分析的方法，以新疆伽師銅礦項(xiàng)目為依托，借助EXCEL編輯校正平均角法公式，處理現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，利用CAD繪制鉆孔傾斜平面圖及縱斷面透視圖，分析深部鉆孔質(zhì)量并提出相應(yīng)的對策。研究表明：現(xiàn)場采用KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀進(jìn)行鉆孔測斜，可測得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。由于礦體自身穩(wěn)定性差，鉆孔深度較深，導(dǎo)致鉆孔偏斜角度較大，且鉆孔偏斜角隨著鉆孔深度的增加不斷增大，鉆孔深度超過25m，鉆孔底部出現(xiàn)塌孔的現(xiàn)象，其中5排和6排的鉆孔鉆進(jìn)圍巖中，影響鉆孔的質(zhì)量。因此，對于鉆孔鉆進(jìn)圍巖的礦體，按照潛孔鑿巖爆破法開采，對于在礦體內(nèi)的鉆孔采用VCR法，以滿足采礦過程中安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

校正平均角法；測斜；鉆孔軌跡；對策

伽師銅礦位于喀什市伽師縣355°方向35km處，東距西克爾鎮(zhèn)約20km，礦區(qū)地處天山南麓，喀什喀爾套山的南緣。礦體頂板圍巖為含細(xì)粉砂泥巖，由于泥質(zhì)含量高，遇水變軟，穩(wěn)定性差。原采礦方法采用無底柱連續(xù)開采分段崩落留礦采礦法，雖然具有采礦回收率高、采礦成本低等優(yōu)勢，同時隨著開采地壓的顯現(xiàn)，也存在采礦生產(chǎn)能力小、回采作業(yè)不安全、作業(yè)環(huán)境不佳等不足，回采效率、作業(yè)安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)要求。針對原采礦方法存在的問題，結(jié)合該礦體的特殊性，現(xiàn)提出VCR法。VCR法爆破效果的好壞，與鉆孔質(zhì)量密切相關(guān)。鉆孔偏斜率則是衡量鉆孔質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。鉆孔偏斜過大不僅造成炮孔底部間距過大或過小，影響爆破效率，使大塊率上升，而且采場邊界不易控制，導(dǎo)致回采率低、貧化率上升。鉆孔偏斜率要求小于1%。為此，需要詳細(xì)了解鉆孔準(zhǔn)確可靠的偏斜情況和鉆進(jìn)軌跡，以確保爆破效果。

本文介紹鉆孔軌跡的測量原理、儀器及使用步驟，分析了鉆孔軌跡的分析理論，采用校正平均角法對KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用CAD繪制鉆孔軌跡，分析鉆孔質(zhì)量并制定相應(yīng)的對策，該研究成果對于深孔鉆孔工作和爆破設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 鉆孔軌跡測量原理

鉆孔的實(shí)際偏斜情況是用測斜儀器測量出來的，即測斜的結(jié)果。測斜通常是逐點(diǎn)進(jìn)行的(連續(xù)測斜也可以看作是測點(diǎn)很密的逐點(diǎn)測斜)。測斜儀器直接測出的參數(shù)為鉆孔軌跡基本參數(shù)，在基本參數(shù)基礎(chǔ)上計(jì)算出來的鉆孔軌跡參數(shù)為計(jì)算參數(shù)。

鉆孔軌跡基本參數(shù)包括孔深、頂角和方位角?？咨钍侵笍目卓诘綔y點(diǎn)的鉆孔長度，即鉆孔斜深，用L表示。頂角是指又稱孔斜角或斜度，指測點(diǎn)處鉆孔方向線與鉛垂線之間的夾角，用θ表示。方位角：測點(diǎn)處鉆孔方向線在水平面上的投影線稱為孔斜方位線；以正北方向線為起始邊，順時針方向旋轉(zhuǎn)到孔斜方位線所轉(zhuǎn)過的角度即為方位角，用α表示(圖1)。

圖1 KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀測量原理示意圖

2 鉆孔軌跡測量儀器及測量步驟

2.1 鉆孔軌跡測量儀器

本項(xiàng)目選取KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀進(jìn)行鉆孔測斜，該儀器是適用于非磁性或弱磁性地區(qū)使用的鉆進(jìn)方向檢測儀器?？捎糜诘刭|(zhì)、石油、煤田等行業(yè)在鉆探過程中指導(dǎo)鉆進(jìn)、檢測成孔質(zhì)量。在水利建設(shè)、公路、鐵路、橋梁、遂道等基礎(chǔ)工程鉆孔中也得到廣泛的應(yīng)用。

2.2 測量步驟

步驟1：儀器使用前需檢查儀器的電量是否滿足測量時間的要求，若電量不足以支持測量時間，需進(jìn)行充電后才可以進(jìn)行測量。

步驟2：在鋼絲繩上提前將測點(diǎn)的長度進(jìn)行標(biāo)定，并將鋼絲繩纏到輥輪上，保證儀器在測孔過程中鋼絲繩不會出現(xiàn)打結(jié)等情況。

步驟3：鋼絲繩下井前要按規(guī)范打好繩扣，保證和儀器連接牢靠，以免丟失儀器。

步驟4：啟動儀器，根據(jù)儀器操作手冊設(shè)定好儀器啟動測量時間和測點(diǎn)數(shù)量，測點(diǎn)間隔時間設(shè)定為第一個點(diǎn)3min，后面的點(diǎn)2min。

步驟5：擰上儀器帽，保證儀器密封可靠后放置于鉆孔中，地面操作人員開始計(jì)時。

步驟6：在第一個測點(diǎn)間隔的設(shè)定時間內(nèi)即3min之內(nèi)，將儀器放置到目標(biāo)深度，現(xiàn)場可以通過事先在鋼絲繩上做好的標(biāo)記，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)深度時，將鋼絲繩拉緊固定，保證儀器在鉆孔內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)，儀器自動計(jì)數(shù)。

步驟7：第一個測點(diǎn)測量完成后，可以松開鋼絲繩，在第2個設(shè)定的間隔時間內(nèi)將儀器送至下一個目標(biāo)深度，到達(dá)目標(biāo)深度后，將鋼絲繩拉緊固定，保證儀器在鉆孔內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)，儀器自動計(jì)數(shù)。

步驟8：后面測點(diǎn)重復(fù)步驟7。注意：在一個測孔測量過程中，地面操作人員需在時間間隔內(nèi)到達(dá)目標(biāo)深度，否則測量的是儀器在運(yùn)動過程的錯誤結(jié)果。

步驟9：測量完成后，取出儀器，開始讀數(shù)并做好記錄。

3 鉆孔軌跡分析理論

根據(jù)國、內(nèi)外相關(guān)鉆孔軌跡文獻(xiàn)資料，已提出的鉆孔軌跡數(shù)學(xué)模型有20多種。在地質(zhì)勘探和煤礦井下鉆孔工作中應(yīng)用主要有以下幾種：均角全距法、平衡正切法、曲率半徑法、校正平均角法、全角半距法和最小曲率法。其中均角全距法、曲率半徑法和校正平均角法應(yīng)用最為廣泛，以下將詳細(xì)介紹這三種方法。

3.1 均角全距法

均角全距法又稱為平均角法。假設(shè)鉆進(jìn)中相鄰測點(diǎn)間孔段為直線，長度等于測距，且該直線的傾角和方位角分別等于上下兩測點(diǎn)的傾角和方位角的平均值。如圖2所示，圖2(a)為鉆孔軌跡在經(jīng)過測量孔段的鉛垂面上的投影圖，圖2(b)為鉆孔軌跡在水平面上的投影圖(a，b表示同下圖)，1、2是鉆孔軌跡上任意相鄰兩個測點(diǎn)，1′、2′分別是1、2兩個測點(diǎn)在水平面上的投影，根據(jù)圖示的三角函數(shù)關(guān)系，可得到平均角法的坐標(biāo)增量計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：θc為前后兩個點(diǎn)頂角均值，°；αc為前后兩個點(diǎn)方位角均值，°；S為水平投影值，m。

3.2 曲率半徑法

曲率半徑法又稱為圓柱螺線法。假設(shè)相鄰兩測點(diǎn)之間的鉆孔軌跡為一條等變螺旋角的圓柱螺線，螺線在兩端與上、下兩測點(diǎn)處的方向相切。所謂等變螺旋角是指螺旋升角隨著螺線長度的變化為常數(shù)。圓柱螺線的水平投影圖是圓弧，其垂直剖面圖也是圓弧，剖面線圓弧長度是上、下兩測點(diǎn)的間距。如圖3所示，1、2是鉆孔軌跡上任意相鄰兩個測點(diǎn)，1′、2′分別是1、2兩個測點(diǎn)在水平面上的投影。

(2)

圖2 均角全距法軌跡計(jì)算坐標(biāo)示意圖

圖3 曲率半徑法軌跡計(jì)算坐標(biāo)示意圖

3.3 校正平均角法

校正平均角法是在曲率半徑法公式的基礎(chǔ)上，通過采用麥克勞林無窮級數(shù)的展開，而導(dǎo)出的一種曲率半徑法的簡化方法。

(3)

式中：Δθ為前后兩個點(diǎn)頂角差，°；θc為前后兩個點(diǎn)頂角均值，°；Δα為前后兩個點(diǎn)方位角差，°；αc為前后兩個點(diǎn)方位角均值，°。

由于“平均角法”假定相鄰測點(diǎn)間的孔段為直線，因此計(jì)算出的鉆進(jìn)軌跡為一空間折線。為了精確描述實(shí)際的鉆進(jìn)軌跡，可以進(jìn)行多點(diǎn)測量，即減小兩測量點(diǎn)間的距離，從而提高精度。由于此法計(jì)算簡單，加之煤礦井下定向鉆進(jìn)對測量精度要求不是很高，因此，此法在實(shí)際中經(jīng)常被采用。曲率半徑法計(jì)算復(fù)雜，且需要討論特殊情況的存在，但是假設(shè)更合理，對鉆孔軌跡的描述更準(zhǔn)確，一般只在計(jì)算機(jī)計(jì)算時采用。校正平均角法從形式上看是直線法，但實(shí)質(zhì)是曲線法的簡化形式，其假設(shè)更接近實(shí)際鉆孔軌跡，較直線法更為精確。

4 鉆孔傾斜數(shù)據(jù)結(jié)果分析及對策研究

基于上述理論研究，綜合地質(zhì)勘探和煤礦鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，本文采用校正平均角法對KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀的測量數(shù)據(jù)通過EXCEL編程進(jìn)行處理，以鉆孔孔口為原點(diǎn)，以正北方向(N)和正東方向(E)為坐標(biāo)軸，建立1個直角坐標(biāo)系。假設(shè)第i個測點(diǎn)的頂角為θ，方位角為α，該測點(diǎn)距上一測點(diǎn)的測段長度L，則正北方向增量△Y，正東方向增量△X，利用EXCEL編輯式(3)，將測量數(shù)據(jù)代入，為其部分計(jì)算結(jié)果見表1。

觀察表1可以發(fā)現(xiàn)，鉆孔總長度比測段長度大，且當(dāng)鉆孔深度超過25m后，出現(xiàn)塌孔的概率較大。引起該現(xiàn)象的主要原因是由于新疆伽師銅礦的礦體自身穩(wěn)定性差，鉆孔結(jié)束后，在地應(yīng)力的作用下出現(xiàn)塌孔，影響了鉆孔的質(zhì)量，并對VCR法爆破帶來不利的影響。因此，應(yīng)在鉆孔結(jié)束后，及時的進(jìn)行清孔處理，并在清孔結(jié)束后進(jìn)行安放炸藥，進(jìn)行爆破，避免出現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)大面積的塌孔，影響VCR法爆破的實(shí)施。

表1 試驗(yàn)采場部分鉆孔軌跡參數(shù)計(jì)算結(jié)果

鉆孔軌跡參數(shù)計(jì)算出來后，應(yīng)用CAD繪制鉆孔偏斜平面圖，以便直觀地反映鉆孔軌跡，有利于進(jìn)一步分析。通常需要繪制的是鉆孔偏斜平面圖，即根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出鉆孔各測點(diǎn)及測段在水平面上的投影圖，并以一定間隔在測點(diǎn)處標(biāo)上深度值(1個鉆孔1條軌跡曲線)。采用直角坐標(biāo)系繪圖，將孔口中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，將大地坐標(biāo)中的E軸作為X軸，N軸作為Y軸。繪制出十中段試驗(yàn)采場的鉆孔傾斜平面圖見圖4。

觀察圖4可以看出，鉆孔偏斜的角度很大，甚至某些鉆孔在一定深度時已經(jīng)鉆出礦體，鉆進(jìn)上盤或下盤巖石中，為了更深入的了解其鉆孔縱向傾斜的情況，繪制采場鉆孔縱斷面透視圖，由于篇幅限制，本文僅以1排和3排斷面鉆孔縱斷面透視圖為例，如圖5所示。

圖4 十中段試驗(yàn)采場鉆孔傾斜平面圖

圖5 采場部分鉆孔縱斷面鉆孔透視圖(單位：m)

觀察圖5可知，鉆孔在一定深度處后鉆出礦體，進(jìn)而影響VCR法實(shí)施的效果，因此，為了保證VCR法的順利實(shí)施，應(yīng)根據(jù)圖5的結(jié)果，選取鉆孔都在礦體中的深度范圍進(jìn)行VCR法爆破，而對于鉆孔在上下盤圍巖中，按照礦山原有的采礦方法進(jìn)行開采，降低礦石貧化率和大塊率，滿足采礦過程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。

5 現(xiàn)場施工記錄

通過現(xiàn)場施工記錄數(shù)據(jù)，見表2。

通過圖5與現(xiàn)場施工記錄數(shù)據(jù)對比可以看出，鉆孔測斜結(jié)果與現(xiàn)場施工記錄結(jié)果相吻合。

6 結(jié) 論

1)采用KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀對實(shí)驗(yàn)采場鉆孔的偏斜進(jìn)行測量，根據(jù)孔深每個5m布置一個監(jiān)測點(diǎn)，每個孔的測量點(diǎn)3～5個，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。通過對鉆孔軌跡常用研究理論分析，并綜合地質(zhì)勘探和煤礦鉆孔領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，選取精確度較高的校正平均角法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表2 現(xiàn)場施工記錄數(shù)據(jù)

2)利用EXCEL軟件編輯出校正平均角法的公式，將數(shù)據(jù)代入公式，求出測孔深度變化時鉆孔軌跡的變化位置坐標(biāo)，然后應(yīng)用CAD采用直角坐標(biāo)系將EXCEL軟件處理后的數(shù)據(jù)反映到鉆孔偏斜平面圖上。

3)分析鉆孔測斜分析結(jié)果和十中段試驗(yàn)采場鉆孔傾斜平面圖可知，由于其礦體自身穩(wěn)定性差，在鉆孔最深部會出現(xiàn)塌孔，且鉆孔偏斜角度很大，針對出現(xiàn)的問題，提出了鉆孔結(jié)束后及時進(jìn)行爆破，選取在礦體內(nèi)部的鉆孔進(jìn)行VCR法爆破，滿足采礦過程的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。

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Analysis of the hole drilling’s quality and countermeasures

ZHOU Falu1，YANG Xixiang1，WEI Haitao1，WANG Shaoyong2，ZHANG Aiqing2

(1.Xinjiang Jiashi Copper Industry Co.，Ltd.，Kasha 844000, China；2.School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In-situ tests and theoretical analysis were done in Jiashi copper mine Xinjiang to get the information of the quality of deep holes drilling.The measured data management were done coordinated with Excel software.And then principles of this method (plane perspective and sectional perspective) is drawn with CAD.Counter-measures for the situation were proposed after this.It shows that KXP-2D is an effective tool for the inclination survey in deep holes drilling.As the poor stability of ore-body，with the depth increase of holes，drilling axial deviation shows a trend of increase.The borehole bottom collapse when it’s depth passes 25m，rows 5 and 6 were drilled into the surrounding rocks and affect the quality of holes.So for the ore-body that the hole were drilled into surrounding rocks，short-hole shrinkage method was applied.For others that drilling holes were inside the ore-body，VCR mining method was applied to meet the need of safety and economic requirements.

corrected average angle method；survey；borehole trajectory;countermeasure

2016-03-08

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號：2012BAB08B02)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：51304011；50934002)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(編號：FRF-TP-15-044A2)

周發(fā)陸(1976-)，男，工程師，主要從事采礦工程技術(shù)工作。

簡介：張愛卿(1983-)，男，漢族，黑龍江黑河人，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作，E-mail：zhang000020@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)01-0114-05