1.本發(fā)明涉及緩斜井開挖導孔軌跡控制技術(shù)，屬于斜井開挖工程精度控制、施工技術(shù)，特別涉及一種傾角在25

°

～35

°

緩斜井導孔軌跡精度控制方法。

背景技術(shù)：

2.在水利水電及礦山工程中，由于水道、電纜、通風、通行等需要，大量應(yīng)用到斜井類地下洞室。斜井掘進特別是水電項目緩坡斜井施工建設(shè)難度大，需要采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施及技術(shù)研究成果來解決緩坡斜井施工面臨的大量難題。

3.對于斜井施工，無法采用平洞或?qū)к墶V山法施工，因為傾角較大，不能保證施工開挖和支護的安全、施工效率低；采用反井法施工，現(xiàn)有的反井鉆機施工角度一般為60

°

～90

°

，緩坡斜井超出反井鉆機施工范圍，施工安全及質(zhì)量得不到保證，同時還會出現(xiàn)溜渣困難、鉆孔偏差等一系列問題。由于緩傾角斜井傾角越小，定向鉆機鉆桿本身會產(chǎn)生豎向分力及軟弱夾層產(chǎn)生斜向分力，致使鉆桿會出現(xiàn)額外的向下或斜向作用力，導致鉆機會出現(xiàn)額外向下的作用力，客觀上造成導孔除了沿軸向鉆進外還會向下或斜向發(fā)展而造成導孔偏離，形成曲線使得導孔偏斜，導孔難以準確貫通，而導孔的準確性，關(guān)系到緩坡斜井施工的成敗。

4.傳統(tǒng)水利水電行業(yè)導孔鉆孔采用鉆頭+扶正器+普通鉆桿組成，結(jié)構(gòu)簡單不具備定位及糾偏功能，對于25

°

～35

°

的緩斜井，采用反井法施工，傳統(tǒng)的反井鉆機偏斜率行業(yè)規(guī)范為1％，而部分工程中緩斜井深度較大，導孔軌跡的精度要求較高，偏斜率要求遠低于1％，因此需要在施工過程中采取各種防偏糾偏措施，控制好緩傾角斜井導孔軌跡，以確保高精度導孔的施工。傳統(tǒng)的施工方法緩斜井導孔軌跡難以控制，無法滿足長緩斜井施工精度要求，確保偏斜率難度較大。

5.斜井施工中常用的相關(guān)術(shù)語：

6.緩斜井：斜井介于平洞和豎井之間的一類地下洞室，緩斜井為傾角低于45

°

的斜井。

7.導孔：在斜井斷面上首先開挖的面積較小的部分稱為導孔。

8.反井法：斜井從下往上開挖，反向全斷面爆破開挖。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

9.本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足公開了一種緩斜井導孔軌跡控制方法。本發(fā)明提供一種傾角為25

°

～35

°

緩斜井定向鉆機導孔軌跡精度控制方法，解決目前緩斜井導孔沿預定傾角鉆進時發(fā)生偏離造成的問題，保證緩斜井導孔的軌跡精度。

10.本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

11.一種緩斜井導孔軌跡控制方法，其特征在于包括以下步驟：

12.步驟一：確定導孔預定軌跡，建立導孔及斜井三維模型；

13.步驟二：選定施工用定向鉆機、測斜儀、磁性測量儀器及糾偏組合鉆具；

14.步驟三：全站儀放樣導孔入鉆點及方向點，定向鉆機就位進行導孔鉆孔；

15.步驟四：導孔鉆孔采用定向鉆機進行，鉆頭定位采用mwd測斜儀測量獲得井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量獲得磁偏角δ；

16.步驟五：獲得高斯平面子午線收斂角γ，γ由下式計算獲得，γ＝sinb

×△

l；

17.其中：b為測量點緯度，單位：度；

△

l為測量點與中央子午線經(jīng)度差，單位：度；

18.步驟六：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用下式計算校正后方位角；φˊ＝φ+δ

?

γ；其中：

19.φˊ為經(jīng)過方位校正后用于軌跡計算的方位角，單位：度；

20.φ為mwd測斜儀測得的井斜方位角，單位：度；

21.δ為rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測得的磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值，單位：度；

22.γ為高斯平面子午線收斂角，東收斂角為正值，西收斂角為負值，單位：度；

23.步驟七：計算測量點x1、y1坐標，以abs(φˊ

?

φ)角度作為判斷；

24.當計算的abs(φˊ

?

φ)＜180時，測量點x1＝x+cos((φˊ+φ)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；當abs(φˊ

?

φ)＞180時，測量點x1＝x+cos((φˊ+φ+360)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；

25.當計算的abs(φˊ

?

φ)＜180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φˊ+φ)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；當abs(φˊ

?

φ)＞180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φˊ+φ+360)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；其中：

26.x為斜井口導孔x軸坐標，單位：米；

27.pˊ為測點平均井斜角度，單位：度；

28.p為井斜角度，單位：度；

29.l為測點距井口的距離，單位，米；

30.y為斜井口導孔y軸坐標，單位：米；

31.φˊ為測點方位角，單位：度；

32.φ為導孔點方位角，單位：度；

33.步驟八：計算測量點高程h1＝h

?

cos(pˊ)

×

l；其中：h為斜井口導孔高程，單位：米；h1為測點高程，單位：米；

34.步驟九：根據(jù)測點x1、y1坐標與測點設(shè)計坐標進行比較，確定導孔平面偏斜長度及方向；根據(jù)mwd測斜儀測得導孔井斜與設(shè)計井井斜比較，確定導孔偏移方向，以便后續(xù)對導孔進行糾偏操作；

35.步驟十：采用定向鉆機配定向組合鉆具和0.5

°

彎螺桿進行導孔糾偏，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。

36.所述緩傾角斜井是鉆孔為傾斜角25

°

～35

°

的斜井。所述鉆孔為傾斜角25

°

～35

°

的斜井鉆孔。

37.本發(fā)明鉆頭定位采用mwd測斜儀及rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量井斜角度和磁方位角；mwd測斜儀測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力，地面泥漿壓力傳感器將獲得數(shù)據(jù)發(fā)送給地面計算機，計算機處理后顯示井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量探管測量顯示磁偏角δ，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值。

38.本發(fā)明研究認為：斜井鉆孔體現(xiàn)為從鉆進起始端開始向下呈螺旋形狀，隨著時間推移，逐漸會加速向下及左右偏移，但隨著斜井長度增加，其極限軌跡可近似為螺旋狀。

39.本發(fā)明方法在緩斜井反井鉆機開挖導孔軌跡精度控制應(yīng)用中，通過采用mwd測斜儀和rmrs測距儀獲取相關(guān)參數(shù)，利用相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)計算分析，構(gòu)建導孔測斜、磁偏角、導井三維模型，實現(xiàn)緩斜井導孔施工中的隨鉆糾偏和高精度測斜，保證緩斜井的導孔開挖精度。

40.本發(fā)明利用mwd無線隨鉆測斜技術(shù)的研究，實現(xiàn)緩斜井導孔施工的精準定位，將rmrs磁性測距儀配合使用，有效的彌補了mwd測斜儀的不足，可消除其帶來的誤差影響，適用于各種場景情況下緩斜井導孔軌跡控制。

41.本發(fā)明有益性：本發(fā)明利用mwd無線隨鉆測斜技術(shù)、rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距技術(shù)結(jié)合，取得無線測斜精準定位隨鉆糾偏，導孔的偏斜率可控制在0.1～0.5％之間，目前傳統(tǒng)水電行業(yè)仍在大量采用反井鉆機盲打的方式，同時，現(xiàn)有反井鉆機能夠開挖的角度一般為60

°

～90

°

，掘進45

°

以下斜井極少，而掘進25

°

～35

°

斜井導孔目前還沒有先例，該緩傾角斜井導孔軌跡控制方法，可實現(xiàn)25

°

～35

°

緩斜井施工中反井法鉆進的精準定位，隨鉆糾偏，達到智能化水電建設(shè)斜井施工的目的，同時該發(fā)明填補了緩斜井導孔施工高精度測斜和糾偏方面的空白，可實現(xiàn)高精度的緩斜井導孔鉆進施工。

附圖說明

42.圖1是本發(fā)明導孔鉆井示意圖；其中，a、b為導孔軌跡測點，фa、фb分別為測點a、b網(wǎng)格方位角，圖中粗線條表示導孔軌跡。

43.圖2是本發(fā)明實施例斜井導孔縱向軌跡示意圖；其中，c為導孔縱向入鉆點，d為導孔縱向軌跡，e為斜井設(shè)計縱向軌跡，f為導孔縱向出鉆點。

44.圖3是本發(fā)明實施例斜井導孔平面軌跡示意圖；其中h為導孔平面入鉆點，i為導孔平面軌跡，j為斜井設(shè)計平面軌跡，k為導孔平面出鉆點。

具體實施方式

45.下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進一步說明，具體實施方式是對本發(fā)明原理的進一步說明，不以任何方式限制本發(fā)明，與本發(fā)明相同或類似技術(shù)均沒有超出本發(fā)明保護的范圍。

46.緩斜井導孔軌跡控制方法，包括以下步驟：

47.步驟一：確定導孔預定軌跡，建立導孔及斜井三維模型；

48.步驟二：選定施工用定向鉆機、測斜儀、磁性測量儀器及糾偏組合鉆具；

49.步驟三：全站儀放樣導孔入鉆點及方向點，定向鉆機就位進行導孔鉆孔；

50.步驟四：導孔鉆孔采用定向鉆機進行，鉆頭定位采用mwd測斜儀及rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量井斜角度和磁方位角。

51.其中mwd測斜儀測量數(shù)據(jù)通過調(diào)制器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力，地面泥漿壓力傳感器將獲得數(shù)據(jù)發(fā)送給地面計算機，計算機進行數(shù)據(jù)處理，顯示井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量顯示磁偏角δ，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值。

52.步驟五：高斯平面子午線收斂角γ由下式計算獲得，γ＝sinb

×△

l；

53.其中：b為測量點緯度，單位度；

△

l為測量點與中央子午線經(jīng)度差，單位度；

54.步驟六：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用下式計算校正后方位角；φˊ＝φ+δ

?

γ；其中：

55.φˊ經(jīng)過方位校正之后用于軌跡計算的方位角，單位度；

56.φ為mwd測斜儀測得的井斜方位角，單位度；

57.δ為rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測得的磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值，單位度；

58.γ為高斯平面子午線收斂角，東收斂角為正值，西收斂角為負值，單位度；

59.步驟七：計算測量點x1、y1坐標，以abs(φˊ

?

φ)角度作為判斷；

60.當計算的abs(φˊ

?

φ)＜180時，測量點x1＝x+cos((φˊ+φ)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；當abs(φˊ

?

φ)＞180時，測量點x1＝x+cos((φˊ+φ+360)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；

61.當計算的abs(φˊ

?

φ)＜180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φˊ+φ)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；當abs(φˊ

?

φ)＞180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φˊ+φ+360)/2)

×

sin((pˊ+p)/2)

×

l；

62.其中：

63.x為斜井口導孔x軸坐標，單位米；

64.pˊ為測點平均井斜角度，單位度；

65.p為井斜角度，單位度；

66.l為測點距井口的距離，單位米；

67.y為斜井口導孔y軸坐標，單位米；

68.φˊ為測點方位角，單位度；

69.φ為導孔點方位角，單位度。

70.步驟八：計算測量點高程h1＝h

?

cos(pˊ)

×

l；其中：

71.h為斜井口導孔高程，單位米；

72.pˊ為測點平均井斜角度，單位度；

73.l為測點距井口的距離(即井深)，單位米；

74.h1為測點高程，單位米；

75.步驟九：根據(jù)測點x1、y1坐標與測點設(shè)計坐標進行比較，確定導孔平面偏斜長度及方向；根據(jù)mwd測斜儀測得導孔井斜與設(shè)計井井斜比較，確定導孔豎直方向上下；

76.步驟十：采用定向鉆機配定向組合鉆具和0.5

°

彎螺桿進行導孔糾偏，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。

77.本發(fā)明運用大地磁場定位原理、高斯平面直角坐標系及大地坐標系結(jié)合進行導孔軌跡分析，利用mwd測斜儀和rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建導孔測斜、磁偏角、導井三維模型，為導孔軌跡精度控制方法提供依據(jù)。

78.本發(fā)明方法在定向鉆機開挖導孔軌跡精度控制應(yīng)用中，通過獲得井深、井斜、磁偏角等相關(guān)參數(shù)，制定導孔糾偏方案，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，從而對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。

79.本發(fā)明在斜井施工中，形成了實時定位糾偏技術(shù)，破解了鉆桿自重和復雜地質(zhì)帶來的緩傾角導孔鉆進偏斜難題。采用該方法糾偏的某工程，長263m、36

°

斜井導孔貫通與設(shè)計點位偏差25cm，施工貫通達到精度1

‰

。

80.本發(fā)明在緩傾角斜井導孔施工過程中能保證導孔實時軌跡監(jiān)測及糾偏，確保導孔精度滿足規(guī)范要求及避免因?qū)Э浊瘦^大而發(fā)生卡鉆風險。技術(shù)特征：

1.一種緩斜井導孔軌跡控制方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一：確定導孔預定軌跡，建立導孔及斜井三維模型；步驟二：選定施工用定向鉆機、測斜儀、磁性測量儀器及糾偏組合鉆具；步驟三：全站儀放樣導孔入鉆點及方向點，定向鉆機就位進行導孔鉆孔；步驟四：導孔鉆孔采用定向鉆機進行，鉆頭定位采用mwd測斜儀測量獲得井斜角度p和井斜方位角φ；rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量獲得磁偏角δ；步驟五：獲得高斯平面子午線收斂角γ，γ由下式計算獲得，γ＝sinb

×△

l，其中：b為測量點緯度，單位：度；

△

l為測量點與中央子午線經(jīng)度差，單位：度；步驟六：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用下式計算校正后方位角；φ

′

＝φ+δ

?

γ；其中：φ

′

為經(jīng)過方位校正后用于軌跡計算的方位角，單位：度；φ為mwd測斜儀測得的井斜方位角，單位：度；δ為rmrs旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測得的磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值，單位：度；γ為高斯平面子午線收斂角，東收斂角為正值，西收斂角為負值，單位：度；步驟七：計算測量點x1、y1坐標，以abs(φ

′?

φ)角度作為判斷；當計算的abs(φ

′?

φ)＜180時，測量點x1＝x+cos((φ

′

+φ)/2)

×

sin((p

′

+p)/2)

×

l；當abs(φ

′?

φ)＞180時，測量點x1＝x+cos((φ

′

+φ+360)/2)

×

sin((p

′

+p)/2)

×

l；當計算的abs(φ

′?

φ)＜180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φ

′

+φ)/2)

×

sin((p

′

+p)/2)

×

l；當abs(φ

′?

φ)＞180時，測量點y1＝y(tǒng)+sin((φ

′

+φ+360)/2)

×

sin((p

′

+p)/2)

×

l；其中：x為斜井口導孔x軸坐標，單位：米；p

′

為測點平均井斜角度，單位：度；p為井斜角度，單位：度；l為測點距井口的距離，單位，米；y為斜井口導孔y軸坐標，單位：米；φ

′

為測點方位角，單位：度；φ為導孔點方位角，單位：度；步驟八：計算測量點高程h1＝h

?

cos(p

′

)

×

l；其中：h為斜井口導孔高程，單位：米；h1為測點高程，單位：米；步驟九：根據(jù)測點x1、y1坐標與測點設(shè)計坐標進行比較，確定導孔平面偏斜長度及方向；根據(jù)mwd測斜儀測得導孔井斜與設(shè)計井井斜比較，確定導孔偏移方向，以便后續(xù)對導孔進行糾偏操作；步驟十：采用定向鉆機配定向組合鉆具和0.5

°

彎螺桿進行導孔糾偏，在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動鉆進，對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緩斜井導孔軌跡控制方法，其特征在于：所述緩傾角斜井是鉆孔為傾斜角25

°

～35

°

的斜井。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緩斜井導孔軌跡控制方法，其特征在于：所述mwd測斜儀是通過調(diào)制器控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生泥漿壓力，通過地面泥漿壓力傳感器將獲得數(shù)據(jù)并處理顯示井斜角度p和井斜方位角φ。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種緩斜井導孔軌跡控制方法。包括：建立導孔及斜井三維模型，選定定向鉆機進行導孔鉆孔，采用MWD測斜儀測量獲得井斜角度P和井斜方位角φ，RMRS旋轉(zhuǎn)磁場測距系統(tǒng)測量獲得磁偏角δ，獲得高斯平面子午線收斂角γ，計算校正后方位角φˊ＝φ+δ

技術(shù)研發(fā)人員：宋安瑞 王強 李勇 王峻 王印 劉振庚 英鵬濤 王智 韓飛 鄭堯

受保護的技術(shù)使用者：中國水利水電第七工程局有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.17

技術(shù)公布日：2021/9/3