CN110985009A - 倾斜钻孔施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倾斜钻孔施工方法，步骤为：（一）完成施工过程中各所涉及巷道的定点工作；（二）如果倾斜钻孔起始位置所在巷道的坐标***与终点位置所在巷道的坐标***并非同一坐标***，则测量出两个坐标***之间的固定误差，统一倾斜钻孔起始位置与终点位置处的坐标***；（三）根据钻头自重所导致的钻孔轨迹偏差，调整钻孔参数，然后开始钻孔。本发明通过钻头倾斜钻孔时的抛物线轨迹公式，校正钻机角度，保证了斜钻孔施工到位准确，同时借助陀螺仪快速完成现场定点，代替了传统的一井定向导点方式，还通过复测实现了坐标***的统一，消除了固有误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种施工倾斜钻孔的方法。
背景技术
矿山改造施工过程中，经常需要在已有巷道、矿井的基础上，施工出新的井道，尤其是倾斜的井道，来满足生产需要。施工过程中会遇到以下问题：（1）倾斜钻孔属于非垂直钻孔施工，因钻头自重，其运动轨迹会出现偏移，施工到位不准确，容易对其它巷道或运输***造成影响，甚至引发事故；（2）由于历史原因，井下巷道坐标***较多，经常存在不同巷道采用不同坐标***的情况，尽管可以根据原设计施工数据进行各坐标***之间的坐标值变换，但是坐标***之间的固定误差并不精准明确，钻孔起始位置与终点位置的坐标***无法明确统一，给施工的开展造成障碍；（3）同样由于历史原因，需要巷道只有一个控制点，无后视方向，无法实现准确定点。
发明内容
本发明提出了一种倾斜钻孔施工方法，其目的是：（1）对非垂直钻孔产生的偏移进行补偿，保证施工到位准确；（2）统一钻孔施工中涉及的坐标***；（3）实现只有一个控制点的巷道的定点。
本发明技术方案如下：
一种倾斜钻孔施工方法，步骤为：
（一）完成施工过程中各所涉及巷道的定点工作；
（二）如果倾斜钻孔起始位置所在巷道的坐标***与终点位置所在巷道的坐标***并非同一坐标***，则测量出两个坐标***之间的固定误差，统一倾斜钻孔起始位置与终点位置处的坐标***；
（三）根据钻头自重所导致的钻孔轨迹偏差，调整钻孔参数，然后开始钻孔。
作为本方法的进一步改进：在步骤（一）中，如果某巷道只具备一个已知控制点，则通过以下方式完成该巷道的定点工作：
在该巷道中随机取一个控制点作为后视点，然后通过陀螺仪找出真北方位，再将所述已知控制点作为仪器的测站点，测出测站点至后视点的水平夹角，并测取已知控制点与上述后视点之间的距离和高差，计算出上述后视点在已知控制点所在坐标***中的坐标值，完成定点。
作为本方法的进一步改进：在步骤（二）中，设起始位置所在巷道与终点位置所在巷道之一为第一巷道，另一为第二巷道，第一巷道与第二巷道所在的坐标***分别为第一坐标***和第二坐标***；
找到第一坐标***中的某一与所述第二巷道相连通的巷道作为中间巷道，并在中间巷道中设置若干已知的中间控制点，然后从第二巷道通过连通路径复测至中间巷道的所述中间控制点，获得各中间控制点在第二坐标***中的坐标值，记为各中间控制点的测量坐标值；同时，利用已知的原有第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换公式，计算各中间控制点在第二坐标***中的坐标值，记为各中间控制点的转换坐标值；再求得各中间控制点的测量坐标值与转换坐标值之间的偏差，求取所有中间控制点的该偏差的均值作为固定误差，将该固定误差补偿到原有第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换公式中，得到新的坐标值转换公式，用于第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换，达到统一倾斜钻孔起始位置与终点位置处的坐标***的目的。
作为本方法的进一步改进：如果第二巷道与中间巷道之间的连通路径中的两个节点之间存在两个以上的不同的连通通道，则在两个节点分别选取两个测量点——第一测量点和第二测量点，然后从第一测量点经过不同的连通通道复测至第二测量点，然后对分别测得的第二测量点坐标值做闭合平差计算，将计算结果作为第二测量点的复测值。
作为本方法的进一步改进：步骤（三）中，首先在统一后的坐标***下，得到钻头倾斜钻孔时的轨迹公式，然后将起始位置与终点位置之间的相对坐标值代入到该公式中，求得新的施工角度，依此角度进行钻孔。
作为本方法的进一步改进：建立轨迹公式时，在倾斜钻孔所在竖直平面内、以钻孔起始位置为原点、以钻孔方向矢量在水平面内的投影矢量方向为X轴方向、以竖直向下为Y轴方向建立直角坐标系，则倾斜钻孔轨迹为：Y=Xtagθ+g(X/(Vcosθ))²/2，式中，θ为钻孔施工方向与水平面之间的夹角，V为钻孔速度；
求取新钻孔角度时，将起始位置与终点位置之间的高差作为Y代入、起始位置与终点位置之间在X轴方向上的投影距离作为X代入，反算出的θ作为施工角度。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）本发明通过钻头倾斜钻孔时的抛物线轨迹公式，校正钻机角度，保证施工到位准确；（2）对于只有一个已知控制点的巷道，借助陀螺仪快速完成现场定点，代替了传统的一井定向导点方式，节约大量时间及人力物力，同时不需要经过其它井道，不影响正常生产；（3）通过复测手段，借助中间巷道，将两个坐标***联系到一起，并测得坐标转换的固定误差，通过补偿更正，实现坐标***的统一，为倾斜钻孔和以后的贯通工程提供数据支撑；（4）复测过程中，对于可通过多个通道进行连通的节点，采取多路径复测、闭合平差的方式，实现两个节点之间的复测，可以减少复测误差，保证复测、坐标***测量修正的准确。
附图说明
图1为实施例中涉及的井下巷道结构示意图。
图2为轨迹预测和起始位置调整的坐标图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
如图1和2，新城金矿-466m粉矿***改造，需要施工一条-466m至-530m粉矿回收井（待施工孔）。该孔设计自-466m施工钻机硐室，采用反井钻井施工一条长约58m、倾角81°的钻孔，贯通至-530m存渣硐室后，再反刷成φ1.4m的粉矿回收井。
图中：1、主竖井，2、提升井，3、辅助斜坡道，4、人行设备井，5、待施工孔。
存在的施工难点：
1、由于-466m粉矿回收巷为上世纪90年代的工程，测量控制点已基本毁坏，其坐标***为-383m导入现场只有1个顶板控制点，没有后视方向，无法准确定点。另一方面，-466m粉矿回收巷为独立的一条辅巷，只有一条粉矿回收电梯井与-383m联系，测量导线导入需要进行一井定向，工作较为繁琐。因此，-466m巷道的定点工作难以进行。
2、-530m中段控制点为主北风井，首级控制导线经1500m有轨巷导点后存在累积误差。同时，-466m仅有的控制点为-383m坐标***导入，而-383m坐标***为斜坡道首级控制导线经1000m有轨巷道导入。因此，-530m坐标***与-383m坐标***（-466m所在坐标***）实质上是两个坐标***，存在一定的坐标***误差（即将一个坐标***中的坐标值转换至另一坐标***中后得到的坐标值存在误差），且此误差在平时工作中已经有所体现，给钻孔施工造成障碍。
3、-530m存渣硐室周边6m为有轨运输巷道，要确保钻孔施工到位准确，否则将对XI#矿体运输***造成影响。同时，由于是非垂直钻孔施工，必然存在因钻头自重导致的偏移。为确保到位准确，需要解决自重导致的偏移问题。
项目施工方式：
（一）完成施工过程中各所涉及巷道的定点工作。
-466m粉矿回收巷只有一个已知顶板控制点，需要在顶板随机做一个控制点作为后视点，通过陀螺仪找出真北方位，然后测出设站点至后视点的水平夹角，通过其后视方位算出已知顶板点与后视点的后视方位。
之后，再测得已知控制点（即设站点）与后视点两点间距离及高差，量取设站点的仪器高与后视点的觇标高，计算出后视点的坐标值（x,y,z）。自此，-466m粉矿回收巷定点完成。
（二）修正固定误差，统一坐标***。
将-466m巷道作为第一巷道，-530m巷道作为第二巷道，-383m坐标***即第一坐标***，-530m坐标***即第二坐标***，将-383m巷道作为中间巷道。从-530m巷道复测至-383m巷道，经过两个阶段：
第一阶段，从-530m巷道（第一节点）复测至-422m（第二节点），如图1，该阶段的路径有提升井2和辅助斜坡道3两个通道，一方面通过提升井2进行一井定向，即通过在提升井2中自-422m垂下钢丝，从-530m平巷架设仪器及-422m架设仪器，将-530m平巷的第二测量点的水平坐标数据通过一井定向模式传导至-422m平巷的第一测量点处，并使用竖直的钢尺确定二者之间的高度差；另一方面，自-530m平巷经辅助斜坡道3复测导线至-422m的第二测量点。两次测量的起点与终点相同（即第一测量点和第二测量点），经过闭合平差计算，得第二测量点在-530m坐标***中的坐标值。
第二阶段，借助第一阶段复测时选择的-422m巷道中的两个互为通视的点位，分别作为设站点与后视点，经-422m至-383m的辅助斜坡道3联测至-383m平巷的多个中间控制点，得到各中间控制点的经过复测的、在-580m坐标***下的测量坐标值，再利用已知的原有-383m坐标***与-580m坐标***之间的坐标值转换公式，计算各中间控制点在-580m坐标***中的转换坐标值，求得各中间控制点的测量坐标值与转换坐标值之间的偏差，求取所有中间控制点的该偏差的均值作为目前坐标转换的固定误差，将该固定误差补偿到原有坐标值转换公式中，得到新的坐标值转换公式，达到统一-383m坐标***与-580m坐标***的目的。
由于-466m仅有的控制点为-383m平巷坐标***导入的坐标值，因此-466m坐标***与-383m坐标***可视为同一坐标***。
（三）根据钻头自重所导致的钻孔轨迹偏差，调整钻孔参数，然后开始钻孔。
首先在统一后的坐标***下，得到钻头倾斜钻孔时的轨迹公式：如图2，在倾斜钻孔所在竖直平面内、以钻孔起始位置为原点、以钻孔方向矢量在水平面内的投影矢量方向为X轴方向、以竖直向下为Y轴方向建立直角坐标系，则倾斜钻孔轨迹为：Y=Xtagθ+g(X/(Vcosθ))²/2，式中，θ为钻孔施工方向与水平面之间的夹角，V为钻孔速度，由钻机功率求得。
然后将起始位置与终点位置之间的高差作为Y、起始位置与终点位置之间在X轴方向上的投影距离作为X代入代入上述轨迹公式，反算出的θ作为施工角度，依此角度进行钻孔。
施工提前校正其施工角度后，校准钻机正常施工，确保施工准确到位。
本实施例中，钻机是根据现场位置安放，其开钻点未在设计起始位置。现场由-466m陀螺定点的坐标数据测算出钻机施工钻孔点位坐标值，引入-530m与-383m坐标转换的固定误差进行修正，得到钻孔起始位置的坐标值，再结合-530m的钻孔终点位置坐标，反算得出指导方位角及坡度（方位角是指水平面内的方位，坡度是相对于竖直垂线的方位），并按照方位角标记钻孔施工中线和钻孔施工腰线，指导钻孔初始施工方向与坡度。
经改正后的钻孔施工到位准确贯通，未进行现场片帮找钻孔。从而印证了此固定误差的真实性。
该项目创新点如下：
1、通过一个已知控制点加上一条陀螺加强边，在-466m粉矿回收巷仅用2个小时即可完成现场定点，替代了传统的一井定向导点方式，节约大量时间及人力物力，同时不需要经过粉矿回收井进行一井定向，不影响粉矿回收工作。
2、通过已有的两套坐标***联测，加入一井定向陀螺改正，确定两坐标***的误差改正值，加入到现场钻孔放样中，且经精确贯通验证后确定***误差值准确，为以后两***间贯通工程提供数据支撑。
3、在非垂直钻孔施工中加入钻头自重的抛物线轨迹进行修正，及时校正钻机施工坡度，确保了钻孔准确贯通，为非垂直钻孔施工提供了参考依据。
4、通过两种方式验证两个坐标***的误差，一条自提升井做一井定向再经辅助斜坡道联测到-380m，一条自-530m经人行设备井、辅助斜坡道联测到-380m大巷控制点，两种途径联测得到的两坐标***误差经过闭合平差，确定最终的两坐标***误差，确保了坐标值修正的准确性。
项目经济效益和社会效益:
1、此钻孔的顺利贯通，为后续单点指导双坐标***贯通工程施工提供了重要的借鉴资料。
2、钻孔后续反刷可形成粉矿回收自流井，使主竖井提升产生的粉矿自流至-530m硐室，沉淀后由铲车清理，节省人工清理费用：每天产生粉矿约为6m³，一年按照355天（10天检修）算，产生粉矿约2130m³，人工清理费用为156.25元/m³，铲车清理费用为14.55元/m³，预计每年节约成本为（156.25-14.55）*2130=301821元。
3、此工程贯通后，粉矿回收电梯井将不再承担拉矿任务，经安全改造后只提升人员，杜绝安全隐患，有很大的安全效益。
4、两种方式联测进行加权改正确定两坐标***固定误差的方法，可供多种坐标***共用的老矿区借鉴。
5、非垂直钻工施工偏斜曲线计算方法可以进行推广应用。
Claims (6)
1.一种倾斜钻孔施工方法，其特征在于步骤为：
（一）完成施工过程中各所涉及巷道的定点工作；
（二）如果倾斜钻孔起始位置所在巷道的坐标***与终点位置所在巷道的坐标***并非同一坐标***，则测量出两个坐标***之间的固定误差，统一倾斜钻孔起始位置与终点位置处的坐标***；
（三）根据钻头自重所导致的钻孔轨迹偏差，调整钻孔参数，然后开始钻孔。
2.如权利要求1所述的倾斜钻孔施工方法，其特征在于：在步骤（一）中，如果某巷道只具备一个已知控制点，则通过以下方式完成该巷道的定点工作：
在该巷道中随机取一个控制点作为后视点，然后通过陀螺仪找出真北方位，再将所述已知控制点作为仪器的测站点，测出测站点至后视点的水平夹角，并测取已知控制点与上述后视点之间的距离和高差，计算出上述后视点在已知控制点所在坐标***中的坐标值，完成定点。
3.如权利要求1所述的倾斜钻孔施工方法，其特征在于：在步骤（二）中，设起始位置所在巷道与终点位置所在巷道之一为第一巷道，另一为第二巷道，第一巷道与第二巷道所在的坐标***分别为第一坐标***和第二坐标***；
找到第一坐标***中的某一与所述第二巷道相连通的巷道作为中间巷道，并在中间巷道中设置若干已知的中间控制点，然后从第二巷道通过连通路径复测至中间巷道的所述中间控制点，获得各中间控制点在第二坐标***中的坐标值，记为各中间控制点的测量坐标值；同时，利用已知的原有第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换公式，计算各中间控制点在第二坐标***中的坐标值，记为各中间控制点的转换坐标值；再求得各中间控制点的测量坐标值与转换坐标值之间的偏差，求取所有中间控制点的该偏差的均值作为固定误差，将该固定误差补偿到原有第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换公式中，得到新的坐标值转换公式，用于第一坐标***与第二坐标***之间的坐标值转换，达到统一倾斜钻孔起始位置与终点位置处的坐标***的目的。
4.如权利要求3所述的倾斜钻孔施工方法，其特征在于：如果第二巷道与中间巷道之间的连通路径中的两个节点之间存在两个以上的不同的连通通道，则在两个节点分别选取两个测量点——第一测量点和第二测量点，然后从第一测量点经过不同的连通通道复测至第二测量点，然后对分别测得的第二测量点坐标值做闭合平差计算，将计算结果作为第二测量点的复测值。
5.如权利要求1至4任一所述的倾斜钻孔施工方法，其特征在于：步骤（三）中，首先在统一后的坐标***下，得到钻头倾斜钻孔时的轨迹公式，然后将起始位置与终点位置之间的相对坐标值代入到该公式中，求得新的施工角度，依此角度进行钻孔。
6.如权利要求5所述的倾斜钻孔施工方法，其特征在于：建立轨迹公式时，在倾斜钻孔所在竖直平面内、以钻孔起始位置为原点、以钻孔方向矢量在水平面内的投影矢量方向为X轴方向、以竖直向下为Y轴方向建立直角坐标系，则倾斜钻孔轨迹为：Y=Xtagθ+g(X/(Vcosθ))²/2，式中，θ为钻孔施工方向与水平面之间的夹角，V为钻孔速度；
求取新钻孔角度时，将起始位置与终点位置之间的高差作为Y代入、起始位置与终点位置之间在X轴方向上的投影距离作为X代入，反算出的θ作为施工角度。
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| GR01 | Patent grant | ||
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