基于測斜監測技術的鉆孔質量分析及對策研究

周發陸，楊錫祥，魏海濤，王少勇，張愛卿

(1.伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什 410083；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

基于測斜監測技術的鉆孔質量分析及對策研究

周發陸1，楊錫祥1，魏海濤1，王少勇2，張愛卿2

(1.伽師縣銅輝礦業有限責任公司，新疆 喀什 410083；2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

為了準確掌握深部巖體鉆孔的偏斜情況。采用現場測試和理論分析的方法，以新疆伽師銅礦項目為依托，借助EXCEL編輯校正平均角法公式，處理現場實測數據，利用CAD繪制鉆孔傾斜平面圖及縱斷面透視圖，分析深部鉆孔質量并提出相應的對策。研究表明：現場采用KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀進行鉆孔測斜，可測得較為準確的數據。由于礦體自身穩定性差，鉆孔深度較深，導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，鉆孔底部出現塌孔的現象，其中5排和6排的鉆孔鉆進圍巖中，影響鉆孔的質量。因此，對于鉆孔鉆進圍巖的礦體，按照潛孔鑿巖爆破法開采，對于在礦體內的鉆孔采用VCR法，以滿足采礦過程中安全性和經濟性的要求。

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，東距西克爾鎮約20km，礦區地處天山南麓，喀什喀爾套山的南緣。礦體頂板圍巖為含細粉砂泥巖，由于泥質含量高，遇水變軟，穩定性差。原采礦方法采用無底柱連續開采分段崩落留礦采礦法，雖然具有采礦回收率高、采礦成本低等優勢，同時隨著開采地壓的顯現，也存在采礦生產能力小、回采作業不安全、作業環境不佳等不足，回采效率、作業安全性遠遠不能滿足生產要求。針對原采礦方法存在的問題，結合該礦體的特殊性，現提出VCR法。VCR法爆破效果的好壞，與鉆孔質量密切相關。鉆孔偏斜率則是衡量鉆孔質量的主要指標之一。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，需要詳細了解鉆孔準確可靠的偏斜情況和鉆進軌跡，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據進行處理，利用CAD繪制鉆孔軌跡，分析鉆孔質量并制定相應的對策，該研究成果對于深孔鉆孔工作和爆破設計具有重要的指導意義。

1 鉆孔軌跡測量原理

鉆孔的實際偏斜情況是用測斜儀器測量出來的，即測斜的結果。測斜通常是逐點進行的(連續測斜也可以看作是測點很密的逐點測斜)。測斜儀器直接測出的參數為鉆孔軌跡基本參數，在基本參數基礎上計算出來的鉆孔軌跡參數為計算參數。

鉆孔軌跡基本參數包括孔深、頂角和方位角。孔深是指從孔口到測點的鉆孔長度，即鉆孔斜深，用L表示。頂角是指又稱孔斜角或斜度，指測點處鉆孔方向線與鉛垂線之間的夾角，用θ表示。方位角：測點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，順時針方向旋轉到孔斜方位線所轉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

本項目選取KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀進行鉆孔測斜，該儀器是適用于非磁性或弱磁性地區使用的鉆進方向檢測儀器。可用于地質、石油、煤田等行業在鉆探過程中指導鉆進、檢測成孔質量。在水利建設、公路、鐵路、橋梁、遂道等基礎工程鉆孔中也得到廣泛的應用。

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，需進行充電后才可以進行測量。

步驟2：在鋼絲繩上提前將測點的長度進行標定，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打結等情況。

步驟3：鋼絲繩下井前要按規范打好繩扣，保證和儀器連接牢靠，以免丟失儀器。

步驟4：啟動儀器，根據儀器操作手冊設定好儀器啟動測量時間和測點數量，測點間隔時間設定為第一個點3min，后面的點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時。

步驟6：在第一個測點間隔的設定時間內即3min之內，將儀器放置到目標深度，現場可以通過事先在鋼絲繩上做好的標記，當達到目標深度時，將鋼絲繩拉緊固定，保證儀器在鉆孔內處于靜止狀態，儀器自動計數。

步驟7：第一個測點測量完成后，可以松開鋼絲繩，在第2個設定的間隔時間內將儀器送至下一個目標深度，到達目標深度后，將鋼絲繩拉緊固定，保證儀器在鉆孔內處于靜止狀態，儀器自動計數。

步驟8：后面測點重復步驟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到達目標深度，否則測量的是儀器在運動過程的錯誤結果。

步驟9：測量完成后，取出儀器，開始讀數并做好記錄。

3 鉆孔軌跡分析理論

根據國、內外相關鉆孔軌跡文獻資料，已提出的鉆孔軌跡數學模型有20多種。在地質勘探和煤礦井下鉆孔工作中應用主要有以下幾種：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用最為廣泛，以下將詳細介紹這三種方法。

3.1 均角全距法

均角全距法又稱為平均角法。假設鉆進中相鄰測點間孔段為直線，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，1′、2′分別是1、2兩個測點在水平面上的投影，根據圖示的三角函數關系，可得到平均角法的坐標增量計算公式見式(1)。

(1)

式中：θc為前后兩個點頂角均值，°；αc為前后兩個點方位角均值，°；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。假設相鄰兩測點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。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、下兩測點的間距。如圖3所示，1、2是鉆孔軌跡上任意相鄰兩個測點，1′、2′分別是1、2兩個測點在水平面上的投影。

(2)

圖2 均角全距法軌跡計算坐標示意圖

圖3 曲率半徑法軌跡計算坐標示意圖

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上，通過采用麥克勞林無窮級數的展開，而導出的一種曲率半徑法的簡化方法。

(3)

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

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

4 鉆孔傾斜數據結果分析及對策研究

基于上述理論研究，綜合地質勘探和煤礦鉆孔的經驗，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據通過EXCEL編程進行處理，以鉆孔孔口為原點，以正北方向(N)和正東方向(E)為坐標軸，建立1個直角坐標系。假設第i個測點的頂角為θ，方位角為α，該測點距上一測點的測段長度L，則正北方向增量△Y，正東方向增量△X，利用EXCEL編輯式(3)，將測量數據代入，為其部分計算結果見表1。

觀察表1可以發現，鉆孔總長度比測段長度大，且當鉆孔深度超過25m后，出現塌孔的概率較大。引起該現象的主要原因是由于新疆伽師銅礦的礦體自身穩定性差，鉆孔結束后，在地應力的作用下出現塌孔，影響了鉆孔的質量，并對VCR法爆破帶來不利的影響。因此，應在鉆孔結束后，及時的進行清孔處理，并在清孔結束后進行安放炸藥，進行爆破，避免出現鉆孔出現大面積的塌孔，影響VCR法爆破的實施。

表1 試驗采場部分鉆孔軌跡參數計算結果

鉆孔軌跡參數計算出來后，應用CAD繪制鉆孔偏斜平面圖，以便直觀地反映鉆孔軌跡，有利于進一步分析。通常需要繪制的是鉆孔偏斜平面圖，即根據計算結果繪制出鉆孔各測點及測段在水平面上的投影圖，并以一定間隔在測點處標上深度值(1個鉆孔1條軌跡曲線)。采用直角坐標系繪圖，將孔口中心作為坐標原點，將大地坐標中的E軸作為X軸，N軸作為Y軸。繪制出十中段試驗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鉆出礦體，鉆進上盤或下盤巖石中，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，進而影響VCR法實施的效果，因此，為了保證VCR法的順利實施，應根據圖5的結果，選取鉆孔都在礦體中的深度范圍進行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濟性要求。

5 現場施工記錄

通過現場施工記錄數據，見表2。

通過圖5與現場施工記錄數據對比可以看出，鉆孔測斜結果與現場施工記錄結果相吻合。

6 結 論

1)采用KXP-2D小孔徑羅盤測斜儀對實驗采場鉆孔的偏斜進行測量，根據孔深每個5m布置一個監測點，每個孔的測量點3～5個，保證了數據的可靠性。通過對鉆孔軌跡常用研究理論分析，并綜合地質勘探和煤礦鉆孔領域的經驗，選取精確度較高的校正平均角法對實測數據進行修正。

表2 現場施工記錄數據

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

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

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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”科技支撐計劃項目資助(編號：2012BAB08B02)；國家自然科學基金項目資助(編號：51304011；50934002)；中央高校基本科研業務費專項資金項目資助(編號：FRF-TP-15-044A2)

周發陸(1976-)，男，工程師，主要從事采礦工程技術工作。

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