無線光纖陀螺測斜儀和計(jì)米器在鉆孔測斜中的應(yīng)用

許國明，邵興隆

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0 二地質(zhì)隊(duì)，四川成都 611730）

傳統(tǒng)的測斜儀多為不防磁的羅盤測斜儀，由于價(jià)格便宜，羅盤測斜儀在當(dāng)今地勘測斜行業(yè)仍占有較大比重。在用羅盤測斜儀對鉆孔進(jìn)行測斜時(shí)需要拔出鉆桿或?qū)y斜儀伸出鉆桿底部一段距離進(jìn)行裸孔測量，以排除鐵質(zhì)鉆桿的干擾；在含磁性巖石或電磁干擾大的地區(qū)，羅盤測斜儀由于不防磁只能測傾角而不能測方位，大大降低了對鉆孔的監(jiān)測和指導(dǎo)意義；加之裸孔測斜時(shí)孔壁難以保證平整和堅(jiān)固，時(shí)常有掉塊、垮孔而使得測斜儀損毀的事故出現(xiàn)，而后續(xù)打撈被卡測斜儀時(shí)容易遭成更大的孔內(nèi)事故而導(dǎo)致整個(gè)鉆孔的報(bào)廢，從而造成較大的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失；傳統(tǒng)測斜方法主要采用打撈鋼繩加測斜儀的組合進(jìn)行定點(diǎn)深度的測斜，在鉆進(jìn)過程中每隔一定距離將測斜儀通過打撈鋼繩放入孔底進(jìn)行測量，若想對任意深度進(jìn)行測斜，則需人工丈量放入孔內(nèi)鋼繩的長度，以確定測斜儀的位置，測量效率低、誤差大，后續(xù)雖出現(xiàn)了改良型的自帶可讀數(shù)鋼繩絞盤的陀螺測斜儀，但外置的鋼繩笨重，需在各鉆機(jī)之間來回搬運(yùn)，人工和時(shí)間成本高。綜上，傳統(tǒng)的測斜方法精度差、測量勞動(dòng)強(qiáng)度大、易出孔內(nèi)事故，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程對于高精度快速鉆孔測斜的要求。本文將介紹一種新的測斜儀器和測量方法，采用無線光纖陀螺測斜儀和計(jì)米器的組合，利用鉆機(jī)自帶的打撈鋼繩及提升系統(tǒng)，在不提鉆桿的情況下，實(shí)現(xiàn)了對某鐵多金屬礦鉆孔軌跡的一次性準(zhǔn)確測量。

2 新的測斜裝置及效果

2.1 測斜裝置

新測斜裝置由三大系統(tǒng)構(gòu)成：無線光纖陀螺測斜儀、計(jì)米器和鉆機(jī)打撈提升系統(tǒng)（圖1）。無線光纖陀螺測斜儀負(fù)責(zé)對鉆孔傾角及方位角的測量，計(jì)米器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示測斜儀所處的孔深，鉆機(jī)打撈提升系統(tǒng)負(fù)責(zé)將測斜儀提升或放入鉆孔內(nèi)的特定位置。開始進(jìn)行連續(xù)測斜時(shí)，先通過掌上機(jī)藍(lán)牙連接測斜儀，進(jìn)行GPS定位并設(shè)置測量參數(shù)，以便滿足測量要求，如將測斜儀設(shè)置成間隔每2分鐘測量一次，每次測量時(shí)長為1分鐘；設(shè)置好后即可開始測量，測量的深度體則顯示在計(jì)米器上，如測量間隔為20m，則需在儀器測量時(shí)間間隔2分鐘內(nèi)將儀器從孔口放置到20m的位置，以此類推完成整個(gè)鉆孔的測量。若想進(jìn)行單次測量則設(shè)置測斜儀為特定的某個(gè)時(shí)間開始測量。該套測斜裝置中，打撈提升系統(tǒng)每個(gè)鉆機(jī)都有，故而有測量需求時(shí)測斜儀和計(jì)米器可以移動(dòng)到下一個(gè)鉆機(jī)進(jìn)行配套測量，測斜儀和計(jì)米器重量輕、體積小、靈活方便，大大省去了搬運(yùn)成本。

圖1 新型測斜裝置構(gòu)成示意圖

2.2 主要儀器

（1）無線光纖陀螺測斜儀

光纖陀螺儀（fibreopticgyroscope）是一種利用薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)測量測量旋轉(zhuǎn)角速率的新型全固態(tài)慣性儀表［1］。與其他陀螺儀相比光纖陀螺儀具有價(jià)格低、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)（表1），隨著工藝和信號處理方案的發(fā)展，精度也可以和激光陀螺相當(dāng)［2］。

無線光纖陀螺測斜儀以小型化的光纖陀螺儀為主要部件［3］，主要由陀螺儀探棒和一個(gè)掌上機(jī)組成，兩個(gè)設(shè)備之間通過藍(lán)牙進(jìn)行連接。探棒用來測量和采集鉆孔的傾角和方位數(shù)據(jù)，掌上機(jī)用于設(shè)置測量參數(shù)和讀取測量數(shù)據(jù)。無線光纖陀螺測斜儀不靠地磁進(jìn)行方位的測量而是采用自尋北的方式測量方位，其工作原理是通過陀螺儀測量地球自轉(zhuǎn)速度（15°/小時(shí)），結(jié)合測量地區(qū)的緯度值，計(jì)算出當(dāng)?shù)氐牡厍蜃赞D(zhuǎn)分量，從而得出方位。

表1 各類陀螺儀性能對比表

（2）計(jì)米器

新的測斜裝置采用的計(jì)米器為線纜計(jì)米器，線纜計(jì)米器分為機(jī)械式和電子式兩類，實(shí)際工作中又分激光計(jì)米器、履帶式計(jì)米器和輪式計(jì)米器［4-5］。

本次測量采用的是輪式線纜計(jì)米器，它主要由壓線輪和電子計(jì)數(shù)器組成，電子計(jì)數(shù)器與壓線輪同步，從電子計(jì)數(shù)器上可反應(yīng)鋼繩放入鉆孔的深度。本次采用外圓周長為0.5m的壓線輪，鋼繩帶動(dòng)壓線輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，電子計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次，并在通過計(jì)數(shù)器內(nèi)部換算后再面板上顯示0.5m。工作時(shí)將測斜儀連接到鋼繩上并放置到孔口，使計(jì)數(shù)器清零即可開始測量。

（3）測斜效果

本次測量的鉆孔為鐵多金屬礦勘查鉆孔，見礦段巖石帶有磁性，故選用新型防磁的無線光纖陀螺測斜儀進(jìn)行測斜，并通過在鉆機(jī)上加裝計(jì)米器開展測量工作。使用新設(shè)備和新裝置后，本次工作順利實(shí)現(xiàn)了對鉆孔軌跡的一次性準(zhǔn)確測量。

以孔深660.25m的斜孔為例，規(guī)范要求的測斜間距為每50m，按該間距，用無線光纖陀螺測斜儀進(jìn)行測量，在沒有加裝計(jì)米器時(shí)，連續(xù)測完整個(gè)鉆孔需要至少8小時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且測出的鉆孔軌跡平滑度較差。無線光纖陀螺測斜儀和計(jì)米器組合后，設(shè)置測斜間距到20m，測完整個(gè)鉆孔僅需要不到2小時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度低，測出的鉆孔軌跡更加平滑。無線光纖陀螺測斜儀的傾角誤差±0.1°，方位誤差±1°，計(jì)米器的測量誤差控制在3‰以內(nèi)，均滿足規(guī)范的測量精度要求，效果令人滿意。

3 結(jié)論

通過使用新型防磁抗干擾的無線光纖陀螺測斜儀，在原鉆機(jī)上加裝計(jì)米器使得測量精度和勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，使得測出的鉆孔軌跡更為平滑，得到了滿意的高精度測斜效果，有效的監(jiān)測了鉆孔的施工質(zhì)量，對后續(xù)勘查施工提供了有力的支持。