小直徑測斜儀的應(yīng)用研究

周策,陳文俊,劉一民,湯國起

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 610081)

小直徑測斜儀的應(yīng)用研究

周策,陳文俊,劉一民,湯國起

(中國地質(zhì)科學(xué)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(gòu)成、數(shù)據(jù)計(jì)算過程及處理原理、儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、測斜工藝流程及野外試驗(yàn)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(shù)是我國地質(zhì)勘查關(guān)鍵技術(shù)之一,在我國地質(zhì)調(diào)查和國民經(jīng)濟(jì)其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,特別是我國地質(zhì)勘查,需打很多鉆孔才能評價(jià)和確定礦產(chǎn)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(jīng)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(nèi)徑,不能用鉆桿保護(hù)進(jìn)行鉆孔測斜,將面臨中深部裸眼鉆孔測斜不安全性和風(fēng)險(xiǎn),且地勘現(xiàn)用鉆孔測斜儀沒有考慮與鉆探工藝相結(jié)合多功能多用性。現(xiàn)用鉆孔測斜儀不能融合定向鉆進(jìn)、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(shù)不僅可避免事故,操作簡單,還可在鉆進(jìn)回次下鉆過程中,測斜儀下入鉆桿內(nèi)進(jìn)行測斜,因此節(jié)約測量時間,提高測斜效益,增加鉆進(jìn)的時間,提高效率和質(zhì)量,保證快速鉆探的需求,融合定向鉆進(jìn)、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(gòu)成

本系統(tǒng)由傳感器和單片機(jī)為核心組成,原理結(jié)構(gòu)框圖如下圖1。

(1)測量傳感器有三維加速度計(jì)和三維磁阻計(jì),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(jī)用于數(shù)據(jù)采集與初步處理;

圖1 CXJ測斜儀原理結(jié)構(gòu)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(jì)算處理過程原理

2.1 坐標(biāo)系與角度定義

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

圖2 坐標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)為正。沿Z軸順時針旋轉(zhuǎn)。

(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(jì)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(jì)算:

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

③若實(shí)際測量值為MMx,MMy,MMz,則修正后的值為Mx,My,Mz,計(jì)算如下:

(7)按照映射關(guān)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(jì)算模:

(9)求歸一化值:

(10)計(jì)算頂角:

(11)計(jì)算工具面角:

βG根據(jù)Gy與Gz情況計(jì)算為0～360°,計(jì)算如下:

(12)計(jì)算方位角:

3 小直徑鉆孔測斜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)

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(jī)界面

測斜儀人機(jī)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(jì)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(nèi)投入探頭量測,并將測得的數(shù)據(jù)存入存儲器內(nèi);

圖4 測斜儀人機(jī)界面圖

圖5 測斜工藝流程圖

(2)探頭隨鉆桿下入孔內(nèi),并將測得的數(shù)據(jù)存入存儲器內(nèi)。

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(yàn)

為了為由中南勘測設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)施工的湖南省洪江市托口鎮(zhèn)托口電站三號試驗(yàn)鉆孔測斜定向提供重要的科學(xué)依據(jù),采用我所研制的CXJ-1型小直徑深孔測斜儀。其技術(shù)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(jìn)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(nèi)下放及上拉探管進(jìn)行單、多點(diǎn)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(yàn)鉆孔測斜結(jié)果,完全滿足工程設(shè)計(jì)要求。其測斜是可行的,有相當(dāng)?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(diǎn)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(yīng)用[J].探礦工程,2002,(1).

[3] 周策,陳文俊.時空多點(diǎn)連續(xù)定向取心技術(shù)應(yīng)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(zhì)科學(xué)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(zhì)災(zāi)害機(jī)電儀器儀表設(shè)備研制開發(fā)工作,四川省成都市一環(huán)路北二段1號。