周策,陳文俊,劉一民,湯國起

(中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 610081)

小直徑測斜儀的應用研究

周策,陳文俊,劉一民,湯國起

(中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 610081)

介紹了研制的深孔用小直徑測斜儀的構成、數(shù)據(jù)計算過程及處理原理、儀器的機械結構、測斜工藝流程及野外試驗情況。

深孔;小直徑測斜儀;數(shù)據(jù)處理

0 前言

鉆孔測斜技術是我國地質勘查關鍵技術之一,在我國地質調查和國民經濟其他領域有著廣泛的應用前景,特別是我國地質勘查,需打很多鉆孔才能評價和確定礦產儲量。而我國地勘現(xiàn)用鉆孔測斜儀不能配套用于將要開始或有的地區(qū)已經開始的深部找礦勘探需求,現(xiàn)用鉆孔測斜儀外徑都大,均不能通過現(xiàn)場常規(guī)鉆探所用鉆桿內徑,不能用鉆桿保護進行鉆孔測斜,將面臨中深部裸眼鉆孔測斜不安全性和風險,且地勘現(xiàn)用鉆孔測斜儀沒有考慮與鉆探工藝相結合多功能多用性。現(xiàn)用鉆孔測斜儀不能融合定向鉆進、定向取心和繩索取心測斜等多種鉆探工藝測斜和定向的需求。小直徑測斜技術不僅可避免事故,操作簡單,還可在鉆進回次下鉆過程中,測斜儀下入鉆桿內進行測斜,因此節(jié)約測量時間,提高測斜效益,增加鉆進的時間,提高效率和質量,保證快速鉆探的需求,融合定向鉆進、定向取心和繩索取心測斜等多種鉆探工藝測斜和定向的需求。

1 CXJ型小直徑測斜儀構成

本系統(tǒng)由傳感器和單片機為核心組成,原理結構框圖如下圖1。

(1)測量傳感器有三維加速度計和三維磁阻計,用于測量頂角、方位角、工具面向角,電壓傳感器用于電源的監(jiān)控;

(2)單片機用于數(shù)據(jù)采集與初步處理;

圖1 CXJ測斜儀原理結構框圖

(3)數(shù)據(jù)存儲器用于數(shù)據(jù)存儲;

(4)筆記本電腦用于地面數(shù)據(jù)提取與處理。

2 數(shù)據(jù)計算處理過程原理

2.1 坐標系與角度定義

(1)坐標系:原始位置兩個坐標系重合,α=0,θ =0,β=0,如圖2所示。

圖2 坐標系

(2)傾角:OZ與OD之間的夾角θ,即平面OXY與OEN之間的夾角。沿Y軸逆時針旋轉為正,即向下為正。

(3)方位角:OED平面與OYZ平面之間的夾角α,從北向東轉為正。沿Z軸順時針旋轉。

(4)工具面角:OZD平面與OXZ平面之間的夾角β,沿X軸順時針為正。

2.2 采集數(shù)據(jù)處理

(1)找出Axmin,Axmax;Aymin,Aymax;Azmin,Azmax;

(2)計算:ΔAx,ΔAy,ΔAz

(3)修正Ay與Az:

其中:Ky=ΔAx/ΔAy,Y0=Axmin-KyAymin

同理:Azn=KzAz+Z0

其中:Kz=ΔAx/ΔAz,Z0=Axmin-KzAzmin

(4)求中心偏移值:

(5)測量值中心偏移:

(6)Mx,My,Mz的計算:

①將Mx,My,Mz在水平狀態(tài)(AS-Z最大時)下旋轉一周,得到Mx-max,Mx-min;My-max,My-min。在垂直狀態(tài)(AS-X最大時)下旋轉一周,得到Mz-max, Mz-min。并由此計算出△Mx,△My,△Mz,并找出其中最大的為△Mmax。

③若實際測量值為MMx,MMy,MMz,則修正后的值為Mx,My,Mz,計算如下:

(7)按照映射關系給GX,GY,GZ,HX,HY,HZ賦值,即將A3nn或-A3nn賦給G3;將M3或-M3賦給H3(按照平面放置映射,即:Hx=-Mx,Hy=My,Hz=Mz;Gx=-Ax,Gy=Ay,Gz=Az)

(8)計算模:

(9)求歸一化值:

(10)計算頂角:

(11)計算工具面角:

βG根據(jù)Gy與Gz情況計算為0～360°,計算如下:

(12)計算方位角:

3 小直徑鉆孔測斜儀機械結構

小直徑鉆孔測斜儀組裝圖見圖3。

圖3 小直徑鉆孔測斜儀組裝圖

4 測斜儀人機界面

測斜儀人機界見圖4,主要作用是讀取數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù),最終計算求得鉆孔頂角、方位角、工具面向角。

5 測斜工藝流程

測斜工藝流程見圖5,主要有兩種測量方式:

(1)從孔口在鉆桿內投入探頭量測,并將測得的數(shù)據(jù)存入存儲器內;

圖4 測斜儀人機界面圖

圖5 測斜工藝流程圖

(2)探頭隨鉆桿下入孔內,并將測得的數(shù)據(jù)存入存儲器內。

最后在地面由電腦讀取數(shù)據(jù)。也可直接采用有線直接由電腦量測。

6 野外試驗

為了為由中南勘測設計研究院設計施工的湖南省洪江市托口鎮(zhèn)托口電站三號試驗鉆孔測斜定向提供重要的科學依據(jù),采用我所研制的CXJ-1型小直徑深孔測斜儀。其技術參數(shù)如下:

(1)外徑18 mm;

(2)鉆孔頂角測量范圍和精度:0～90°,≤± 0.5°;

(3)鉆孔方位角測量范圍和精度:0～360°,≤5° (頂角≤5°),≤2°(頂角>5°);

(4)測量方式:回次鉆進下鉆過程中送入或投入測斜探管,用鋼繩或用打撈器在鉆桿內下放及上拉探管進行單、多點測量;

(5)記錄方式:信息存儲讀取用存儲卡或手提電腦直接讀數(shù)和作圖;

(6)最大孔深:2000 m;

(7)適用溫度:-10～50℃。

托口電站三號試驗鉆孔測斜結果,完全滿足工程設計要求。其測斜是可行的,有相當?shù)倪m用性,解決了現(xiàn)場對測斜的要求。

[1] 周策,肖圣泗,湯國起.CQ型光電多點連續(xù)測斜儀的研制[J].探礦工程,1999,(1)

[2] 周策,趙燕來,李忠.存儲式壓電陀螺測斜儀的應用[J].探礦工程,2002,(1).

[3] 周策,陳文俊.時空多點連續(xù)定向取心技術應用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2004,31(8).

Application Study on Small Diameter Deviation Inclinometer

ZHOU Ce,CHEN Wen-jun,LIU Yi-min,TANG Guo-qi(The Institute of Exploration Technology of CAGS,Chengdu Sichuan 610081,China)

The paper introduced the small diameter deviation inclinometer for deep hole about its composition,data calcula-tion process&treatment principle,instrument structure,deviation measuring process and the field test.

deep hole;s mall diameter deviation inclinometer;data processing

P634.7

A

1672-7428(2010)12-0029-03

2010-09-10

周策(1965-),男(漢族),四川成都人,中國地質科學院探礦工藝研究所教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事鉆探和地質災害機電儀器儀表設備研制開發(fā)工作,四川省成都市一環(huán)路北二段1號。