鉆探工藝教案第7章 鉆孔彎曲

第七章鉆孔彎曲第一節(jié)概述為了探明地下礦產(chǎn)資源而施工的每一個鉆孔，都必須按地質(zhì)設(shè)計的要求，準(zhǔn)確地鉆到預(yù)計的空間位置或礦體部位。但是，在鉆孔施工過程中，由于種種原因，經(jīng)常會使鉆孔軸線偏離既定的空間位置，發(fā)生程度不同的鉆孔彎曲。鉆孔彎曲是鉆探質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。因此，了解鉆孔彎曲情況，分析彎曲原因，找出彎曲規(guī)律，采取一切措施防止鉆孔彎曲或?qū)@孔彎曲控制在一定范圍內(nèi)是鉆探工作的一項艱巨任務(wù)。鉆孔的空間位置鉆孔軸線在空間的位置稱為鉆孔軌跡。鉆孔軌跡可能是直線、曲線或直線和曲線混合。直線分垂直線、傾斜線和水平線；曲線分平面曲線和空間曲線。在地質(zhì)勘探中，常設(shè)計直線型和平面曲線型孔。（一）直線型鉆孔為了研究鉆孔的空間位置。一般采用三維空間坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的原點代表孔口，x軸代表南北方向，y軸代表東西方向，z軸代表鉛直方向。對于直線型鉆孔來說，鉆孔的孔口坐標(biāo)，開孔頂角和方位角三者就完全決定了鉆孔軌跡（見REF_Ref182797811\h圖71）。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s11直線型鉆孔軌跡圖孔口位置即開孔點，通常由地形測量或礦山測量確定。頂角θ是鉆孔軸線與鉛垂線之間的夾角。它的余角（90°-θ）稱為鉆孔傾角。當(dāng)θ＝0°時，鉆孔為垂直孔；θ＝90°時，鉆孔為水平孔；0°<θ<90°時，鉆孔為傾斜孔。方位角α是鉆孔軸線的水平投影與正北方向之間的夾角。從正北方向起按順時針方向計算。用羅盤測量鉆孔方位角時，測得的數(shù)值為磁方位角，應(yīng)該加入鉆孔所在地的磁偏角修正值，換算成真方位角（即地址方位角）。方位角變化范圍為0～360°。測斜的孔深是指孔口到測點鉆孔軸線的長度。在直線型鉆孔情況下，鉆孔軸線上任一點的坐標(biāo)按下式計算，（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC\s11）zA＝z0＋LAcosθ式中：x0，y0，z0—孔口坐標(biāo)；xA，yA，zA—鉆孔軸線上點A的坐標(biāo)；θ—開孔頂角；α—開孔方位角；LA—孔口至測點以鉆孔軸線的長度。在勘探礦床時，通常鉆孔沿勘探線布置，勘探線的方位角與鉆孔開孔方位角一致，這時鉆孔軌跡的水平投影與勘探線相吻合，而孔身的剖面就代表鉆孔的真實位置。（二）曲線型鉆孔對于曲線型鉆孔來說，鉆孔軌跡上的每一點可能具有不同頂角和方位角。在這種情況下，鉆孔軌跡上任一點的頂角應(yīng)理解為該點鉆孔軸線的切線與鉛垂線的夾角；而方位角則是該點鉆孔軸線切線的水平投影與正北方向的夾角，見REF_Ref182798384\h圖72。如果鉆孔軌跡只有頂角變化，而無方位角變化，則這樣的鉆孔軌跡是垂直平面內(nèi)的曲線。頂角變化亦稱為頂角彎曲。頂角增大時，稱頂角上漂；頂角減小時，稱頂角下垂。在這種情況下鉆孔軌跡的水平投影是一直線，而它的剖面是一曲線。這種曲線可能擬合為單一的圓弧、拋物線或其它曲線；也可能擬合為不同直徑的圓弧或其它曲線組成的復(fù)雜曲線。如果鉆孔軌跡既有頂角變化，又有方位角變化，則這樣的鉆孔軌跡既可能是空間曲線，也可能是傾斜平面內(nèi)的曲線。方位角變化稱為方位彎曲。方位角增大時，方位彎曲為正值；方位角減小時，方位彎曲為負(fù)值。在這種情況下，鉆孔軌跡的水平投影和孔身剖面都是曲線。如果只有方位角變化，而無頂角變化，則鉆孔軌跡呈螺旋狀，為一空間曲線。對于曲線型鉆孔，鉆孔軌跡上每一點坐標(biāo)可按曲線形狀具體計算。為了方便起見，在生產(chǎn)實踐中有時把曲線化為折線。用均角全距法進(jìn)行計算。REF_Ref182798422\h圖73。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s12曲線型鉆孔軌跡圖圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s13曲線型鉆孔軌跡坐標(biāo)按折線計算圖（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC2）式中：x0，y0，z0—孔口坐標(biāo)，m；l—測點間距，m；θi—測點的頂角（°）；αi—測點的方位角（°）；i—測點編號；n—測點數(shù)。（三）鉆孔軌跡彎曲程度為了說明曲線型鉆孔軌跡的彎曲程度，采用彎曲強(qiáng)度（簡稱彎強(qiáng)）的概念。單位孔身長度的頂角變化，稱為頂角彎強(qiáng)。單位孔身長度的方位角變化，稱為方位角彎強(qiáng)。彎強(qiáng)與數(shù)學(xué)上曲率的概念等同。前者的單位是（°）/m；后者的單位是rad/m。頂角彎強(qiáng)用iθ表示。若某一孔段頂角變化均勻，則有：（°）/m（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC3）式中：△θ——相鄰兩測點頂角的增量，（°）；△L——相鄰兩測點的孔身長度，m。方位角彎強(qiáng)用iα表示。若某一孔段方位角變化均勻。則有：（°）/m（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC4）式中：△α——相鄰兩測點方位角的增量，（0）；△L——相鄰兩測點的孔身長度，m。如果把既有頂角變化、又有方位角變化的鉆孔軌跡看成是鉆進(jìn)速度向量變化的軌跡，則在某一孔段這種向量的變化，反映了鉆孔軸線的全彎曲角。全彎曲角用下式計算。見REF_Ref182804467\h圖74：（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC5）式中：γ—相鄰兩測點之間的全彎曲角；μ1，γ1，λ1—上測點A鉆進(jìn)速度方向分別與X，Y，Z軸方向之間夾角的余弦；μ2，γ2，λ2—下測點B鉆進(jìn)速度方向分別與X，Y，Z軸方向之間夾角的余弦。由式7-1知：；（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC6）式中：θ1，α1—上測點A的頂角和方位角，（°）；θ2，α2—下測點B的頂角和方位角，（°）。將7-6代入7-5，就得到：而，所以有：（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC7）（°）（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC8）經(jīng)過變換和整理7-7式可以寫成：式中：△θ1、△α—分別為上、下兩測點的頂角差值和方位角差值，（°）。亦即：（°）（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC9）鉆孔軌跡的全彎強(qiáng)是單位孔身長度的全身變化量，即：（°）/m（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC10）式中：γ—相鄰兩測點全彎曲角，（°）；△L—相鄰兩測點的孔身長度，m。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s14曲線型鉆孔某段全彎曲角和全彎強(qiáng)計算圖例如，有一鉆孔的軌跡為空間曲線，上測點的頂角θ1＝5°，方位角α1＝30°；下測點頂角θ2＝8°，方位角α2＝41°。兩測點同孔身長度△L=25m鉆孔軌跡彎強(qiáng)與曲率的關(guān)系為：（STYLEREF\s17-SEQ公式標(biāo)簽\*ARABIC11）式中：i—彎強(qiáng)，（°）/m；K—曲率，rad/m；R—曲率半徑，m。曲線鉆孔各點的切線與鉛垂線所組成的垂直平面稱為終點平面。因此，垂直孔沒有終點平面；傾斜直線孔，只有一個終點平面，該平面與鉆孔方位一致；當(dāng)鉆孔只發(fā)生頂角彎曲，而無方位角彎曲時，也只有一個終點平面；當(dāng)鉆孔發(fā)生方位角彎曲時，在鉆孔不同點終點平面有自己的方向，這一方向與開孔方位角不同。（四）鉆孔彎曲度在施工過程中，凡是鉆孔實際軸線偏離了設(shè)計的鉆孔軸線（包括頂角和方位），都叫做鉆孔彎曲。簡稱為孔斜。鉆孔彎曲度，就是實際鉆孔軸線偏離設(shè)計鉆孔軸線的度數(shù)或程度。它是衡量鉆探質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在施工過程中，對各種類型的鉆孔軸心線允許偏離的范圍是根據(jù)各項工程的性質(zhì)與要求確定的。地質(zhì)巖心鉆探操作規(guī)程規(guī)定：鉆孔頂角的最大允許彎曲度，在每100m間距內(nèi)，直孔不得超過2°，斜孔不得超過3°，隨著鉆孔的加深可以遞增計算。鉆孔方位角的最大允許偏離度，應(yīng)根據(jù)鉆孔的深度和礦床的類型等情況而定。如勘探煤礦的鉆孔，其方位角的偏離規(guī)定為：不超過設(shè)計方位20°的為甲級鉆孔，不超過30°的為乙級鉆孔。目前，有的隊也以見礦點不超過勘探網(wǎng)距±1/3～±1/4鉆孔彎曲的影響鉆孔彎曲度若超過了地質(zhì)設(shè)計的要求，不僅給鉆進(jìn)工作帶來很多困難，重要的是對地質(zhì)勘探成果造成嚴(yán)重的危害。（一）在地質(zhì)工作方面。鉆孔過度彎曲不僅會降低取心質(zhì)量，而且不能穿過預(yù)定的見礦點，或者從設(shè)計的勘探線偏到另一條勘探線，從而得不到符合客觀實際的地質(zhì)資料，造成地質(zhì)情況失真，影響對礦床的合理評價，也給礦山開采設(shè)計帶來錯誤。例如REF_Ref182804484\h圖75所示的情況。（1）鉆孔彎曲不能按設(shè)計要求穿過預(yù)定的構(gòu)造帶（未發(fā)現(xiàn)斷層）時。會使地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)和位置被歪曲，如REF_Ref182804484\h圖75a所示。（2）鉆孔彎曲使控礦的間距減小或增加時，會造成礦產(chǎn)儲量計算失真。REF_Ref182804484\h圖75b為控礦間距減小，就會減少可計算的礦產(chǎn)儲量；圖7-5c右為控礦間距增大，會使儲量級別降低。（3）鉆孔彎曲未見到礦時，會使預(yù)計要見到的礦層被打漏掉。如REF_Ref182804484\h圖75c所示。（4）鉆孔順層跑，與礦體平行鉆進(jìn)時，就不能穿透礦體，歪曲礦體厚度，如REF_Ref182804484\h圖75d所示。（5）相鄰兩個鉆孔，若相向彎曲時，可能把小礦體歪曲成大礦體。如REF_Ref182804484\h圖75e所示。（二）在鉆探工作方面圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s15鉆孔彎曲對地質(zhì)成果的影響情況（1）鉆孔彎曲過大，鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大，造成鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)困難。（2）鉆孔彎曲過大，容易引起鉆具折斷，同時升降鉆具、起下套管也很困難。（3）因鉆具的一部分緊貼孔壁，難于確定合理的真實的孔底鉆壓，壓力損失大，不僅增大了動力消耗，而且金剛石鉆進(jìn)開不出高轉(zhuǎn)速。（4）彎曲嚴(yán)重的孔段，如巖（礦）層破碎不完整，受鉆具的強(qiáng)烈敲擊。極易引起孔壁坍塌、掉塊，從而造成卡、埋鉆事故。（5）在彎曲的鉆孔中發(fā)生孔內(nèi)事故不易處理，往往使孔內(nèi)事故更加復(fù)雜化。（6）因鉆孔彎曲而達(dá)不到地質(zhì)設(shè)計要求，就必須糾斜，從而增加工作量，影響施工進(jìn)度。綜上所述，鉆孔彎曲既影響鉆探施工的速度，又關(guān)系到礦產(chǎn)儲量計算、礦體空間位置和巖層構(gòu)造的準(zhǔn)確性，因此，在鉆探工作中必須根據(jù)引起鉆孔彎曲的原因，積極預(yù)防鉆孔彎曲，并按規(guī)定要求及時準(zhǔn)確地測量鉆孔彎曲度，掌握鉆進(jìn)中孔身的空間位置，如果鉆孔偏斜的方向和角度超過地質(zhì)設(shè)計要求，就應(yīng)采取措施進(jìn)行矯正，將鉆孔彎曲度控制在允許范圖內(nèi)。第二節(jié)鉆孔彎曲的原因鉆孔之所以發(fā)生彎曲，是粗徑鉆具在回轉(zhuǎn)碎巖過程中偏離設(shè)計鉆孔軸線方向而引起的。一般促使粗徑鉆具偏斜的因素有二：一是鉆頭底面受到偏斜力矩或粗徑鉆具受到與設(shè)計鉆孔軸線不一致的斜向力；二是孔壁對粗徑鉆具導(dǎo)向不夠或粗徑鉆具剛性差。造成粗徑鉆具的偏斜條件主要有：巖層的巖性及產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及某些特殊地層等；鉆探設(shè)備的質(zhì)量及安裝、開孔鉆進(jìn)以及粗徑鈷具結(jié)構(gòu)尺寸等；鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)及操作技術(shù)等。因此，產(chǎn)生鉆孔彎曲的原因可以簡單歸納為：地質(zhì)構(gòu)造、施工技術(shù)和鉆進(jìn)工藝三個方面。一、地質(zhì)構(gòu)造方面的原因由于鉆進(jìn)不同的地層以及巖層的產(chǎn)狀不規(guī)則，軟硬不均或松散無膠結(jié)或膠結(jié)差的破碎帶、礫石層、斷層、溶洞等地質(zhì)條件的因素是造成鉆孔彎曲的重要原因之一。1.各向異性的巖層對有層理和片理構(gòu)造的巖石。當(dāng)外力垂直其層面或平行其片理作用時，它們表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)是不一致的，稱為巖石的各向異性。在層理和片理構(gòu)造的巖石中鉆進(jìn)。由于層狀巖石的各向異性，鉆頭朝著鉆進(jìn)阻力最小的垂直于層面方向偏斜。因此，鉆孔的頂角和方位角都趨向垂直巖層層面方向彎曲。異向性越強(qiáng)的巖石，鉆孔彎曲的程度越大。一般來說，火成巖體巖石的各向異性不明顯，鉆孔彎曲程度小些；變質(zhì)巖類（如片麻巖）和層理發(fā)育的沉積巖（如片巖、頁巖等）的各向異性強(qiáng)，鉆孔彎曲程度也大。目前，衡量巖石各向異性的指標(biāo)尚未統(tǒng)一。REF_Ref182805244\h表71所列，是按照可鉆性、壓人硬度、夾層特點將巖石分類，作為按孔斜彎曲程度劃分的巖石分類。對I類巖石，孔底鉆速差最大，故對鉆具產(chǎn)生多種偏斜力，使孔斜率的變化最大。對Ⅱ類巖石，孔底存在鉆速差，孔斜率有所增大，但變化較平穩(wěn)。對Ⅲ類巖石，由于成分均一，各向異性不明顯，故孔斜率小。若遇偶然情況，如局部裂隙帶，硬夾層，礫石層等，會引起孔斜率增大，但穿過上述層位之后，鉆孔方向又趨穩(wěn)定。表STYLEREF1\s7SEQ表\*ARABIC\s11孔斜彎曲程度劃分的巖石分類巖石分類巖石成分均質(zhì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)不同巖性的夾層各向異性各向異性系數(shù)換層程度夾層硬度差按可鉆性按硬度壓入硬度9.8×106Pa可鉆性等級Ⅰ成分極不均勻，變化大強(qiáng)各向異性（片理等）1～0.51.25～2.0頻繁（層厚數(shù)毫米至數(shù)厘米）200～5002～6級之差Ⅱ成分不均勻各向異性1～0.81.06～1.25中等（層厚幾米至教十米）50～2001～2級之差Ⅲ成分均勻弱各向異性或均質(zhì)的1～0.951～1.05少量（層厚至數(shù)百米）0～50小于1級之差鉆孔彎曲規(guī)律如下：（1）鉆孔頂角的變化鉆進(jìn)直孔或斜孔，當(dāng)遇層角α為銳角時，鉆孔一般趨向于與巖層層面或?qū)永砻嫦啻怪钡姆较驈澢?，如REF_Ref182804552\h圖76所示。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s16鉆孔頂角變化圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s17鉆孔方位角變化1-設(shè)計鉆孔軸線；2-理論鉆孔軸線：2′-實際鉆孔軸線（2）鉆孔方位角的變化當(dāng)鉆孔軸線與巖層走向交角較大時，鉆孔方位角逐漸趨向于垂直巖層走向偏斜，如REF_Ref182804568\h圖77所示。其中，遇層角（鉆孔軸線與巖層走向線之間小于90°的夾角）γ在鉆孔軸線左側(cè)時，向左偏斜；γ在鉆孔軸線右側(cè)時，向右偏斜；γ等于90°時，鉆孔方位角不易偏斜。此外，方位角偏斜程度與鉆具旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)：當(dāng)鉆具順時針方向旋轉(zhuǎn)時，γ在鉆孔軸線右側(cè)比它在左側(cè)時的偏斜程度更大。2.傾斜的軟硬不均的交錯巖層鉆孔穿過傾斜的軟硬互層時，因軟硬巖石抵抗破碎的能力不同，使孔底產(chǎn)生不均勻破碎，造成鉆速差，引起鉆孔頂角及方位角的變化。鉆孔偏斜的方向和頂角變化率，取決于鉆孔軸線與巖層面的夾角（遇層角）和軟硬巖石的硬度差，差值越大，鉆孔彎曲率越大。鉆孔彎曲規(guī)律如下：（1）鉆孔頂角的變化由軟巖層向硬巖層鉆進(jìn)：如REF_Ref182804606\h圖78所示，頂角的變化隨遇層角δ的大小及軟硬巖層的硬度差而有不同。當(dāng)遇層角δ小于15°，且互層的軟硬相差較大時，鉆孔則沿硬巖層上盤彎曲，俗稱“順層跑”（a）；當(dāng)遇層角δ大于30°時，鉆孔將向與硬巖層層面相垂直的方向彎曲，俗稱“頂層進(jìn)”（b）。當(dāng)遇層角δ在15°～30°之間時，鉆孔彎曲一般沒有規(guī)律，可能沿巖層接觸面彎曲，也可能沿相反方向彎曲。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s18鉆孔由軟至硬巖時的彎曲情況（a）δ<15°；（b）δ<30°由硬巖層向軟巖層鉆進(jìn)：如REF_Ref182804620\h圖79所示。當(dāng)遇層角艿為銳角時，鉆孔頂角向硬巖層慣向彎曲，若遇層角越大，且軟硬巖層接觸面的傾角越大，則彎曲程度也越大。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s19鉆孔由硬至軟巖彎曲情況鉆進(jìn)軟硬互層，由硬巖層再進(jìn)人軟巖層，當(dāng)后兩巖層的硬度差小，且硬巖的厚度較大。鉆孔頂角不再彎曲。仍是頂層進(jìn)；當(dāng)后兩巖層的硬度差大。硬巖層厚度較小。鉆孔頂角也可能向下彎曲。如REF_Ref182804632\h圖710所示。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s110鉆孔穿過軟硬互層的彎曲情況(2)鉆孔方位角的變化有兩種情況：由軟巖層向硬巖層鉆進(jìn)：由于鉆頭順時針方向旋轉(zhuǎn)，硬巖界面阻力A大于軟巖界面阻力B，見REF_Ref182804648\h圖711（a）。鉆頭圍繞A點產(chǎn)生附加力矩M促使鉆頭發(fā)生偏斜；同時鉆頭受到水平力R（P2-P1）的作用也使其偏斜。加之，粗徑鉆具位于軟巖層中易擴(kuò)大孔壁。因此，鉆孔的方位角，沿巖層走向往右偏斜（順巖層傾斜方向看）。由硬巖層向軟巖層鉆進(jìn)：由于鉆頭順時針方向旋轉(zhuǎn)，硬巖層界面B點阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A點阻力。見REF_Ref182804648\h圖711（b）鉆頭圍繞B點產(chǎn)生附加力矩M促使鉆頭偏斜，同樣鉆頭受到水平力R（P2-P1）也使之發(fā)生偏斜。但粗徑鉆具處于硬巖層中而偏斜程度有所減小。因此總的趨勢是：鉆孔的方位角向后，并沿巖層走向往左偏斜（順巖層傾斜方向看）。3.地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜和自然破碎的地層在這類地層鉆進(jìn)，鉆孔也會發(fā)生頂角和方位角的變化。（1）在松散的流砂層或破碎層鉆進(jìn)斜孔時，因其具有流散性，故在鉆具的自重作用下，鉆孔極易下垂。（2）遇大溶洞時，斜孔鉆進(jìn)由于重力作用，鉆孔頂角會急劇縮小而向下彎曲，直孔鉆進(jìn)由于孔底不規(guī)則，粗徑鉆具也易偏離鉆孔軸線而發(fā)生彎曲。（3）鉆進(jìn)中，遇到大的裂隙或斷層，其方向和角度又與鉆孔的方向和角度相近似時，鉆孔會沿裂隙或斷層的方向和傾角發(fā)生彎曲。（4）在松散的地層中遇到大的礫石、卵石等堅硬的包裹體時，鉆孔會沿其斜面彎曲。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s111鉆孔方位角的變化P1-軟巖層中旋轉(zhuǎn)阻力；P2-硬巖層中旋轉(zhuǎn)阻力二、施工技術(shù)工藝方面的原因1.設(shè)備性能及安裝鉆機(jī)陳舊或性能不良，不能保證粗徑鉆具的一定方向和角度時，就會發(fā)生鉆孔彎曲。如鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)給進(jìn)部件導(dǎo)向性能差，立軸導(dǎo)管松曠，立軸箱固定不牢，油壓鉆機(jī)滑道松曠等。鉆機(jī)沒有水平地安裝在固定的基礎(chǔ)上或地基填方多，不堅固，使得基臺枕受力不均，造成鉆機(jī)傾斜；塔上滑車、鉆機(jī)立軸和鉆孔沒在同一軸線上；鉆機(jī)立軸（或轉(zhuǎn)盤）沒有準(zhǔn)確地固定在既定的傾角和方位上，這些都會導(dǎo)致鉆孔的嚴(yán)重彎曲。如REF_Ref182804679\h圖712所示。原設(shè)計鉆孔為直孔。其軸線為OO1，孔深為L1，在安裝時，若立軸偏斜θ角，則R=L1tgθ，R為偏離原孔底（O1點）的半徑O1A1，θ角越大，L1越長，則R值越大。2.開孔換徑鉆孔在開孔時，使用的鉆具同心度差；隨著鉆孔的延深而沒及時加長粗徑鉆具；在下定向管時，它與鉆孔不同心，上下固定不牢而曠動，不起導(dǎo)向作用也會引起鉆孔彎曲。換徑或擴(kuò)孔時，沒有使用導(dǎo)向鉆具，或?qū)蜚@具太短等都容易造成鉆孔彎曲。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s112鉆機(jī)立軸偏離設(shè)計的鉆孔軸線3.鉆進(jìn)方法及鉆進(jìn)工藝技術(shù)鉆進(jìn)方法不同時，孔徑與鉆具（主要是粗徑鉆具）之間的間隙也不相同，而兩者之間的間隙，是造成鉆具在孔內(nèi)偏斜的重要條件。如REF_Ref182804699\h圖713所示，間隙越大，則鉆具軸心線與鉆孔軸心線的夾角愈大，鉆具偏斜也越嚴(yán)重。其關(guān)系如下；式中：f一孔徑與粗徑鉆具外徑之差（即孔壁間隙的二倍）；L—粗徑鉆具長度。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s113鉆具在孔內(nèi)偏斜示意圖一般來說，鉆進(jìn)擴(kuò)孔現(xiàn)象為：硬質(zhì)合金鉆進(jìn)鉆孔直徑為鉆頭直徑的為1.1～1.3倍；金剛石鉆進(jìn)的孔壁間隙最小，在7～8級巖石中，間隙為1.0～3.0mm，11～12級巖石中，僅為0.2～0上述可見，硬合金鉆進(jìn)比金剛石鉆進(jìn)可能引起的鉆孔彎曲度大。但是，鉆孔的彎曲與粗徑鉆具的剛度有密切的關(guān)系。小口徑金剛石粗徑鉆具剛度相對還是比較小，因而對易孔斜地層。小口徑金剛石鉆進(jìn)的孔斜率也會增大。不視地質(zhì)和設(shè)備條件而盲目采用強(qiáng)力鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，貪圖進(jìn)尺，也會促使鉆孔彎曲率增大。如鉆壓過大，鉆桿彎曲嚴(yán)重，迫使粗徑鉆具上端靠向孔壁，使粗徑鉆具軸線偏離原孔軸線；過高的轉(zhuǎn)速，會使鉆具離心力增大，從而加劇了鉆具的橫向振動，擴(kuò)大了孔璧；鉆進(jìn)松軟地層時，沖洗液量過大，沖刷孔壁嚴(yán)重，使孔壁間隙急劇增大，所有這些不恰當(dāng)?shù)你@進(jìn)技術(shù)參數(shù)都會增大鉆孔的彎曲率。此外，在處理孔內(nèi)事故時，由于技術(shù)措施和操作不當(dāng)，也可能造成孔斜。鉆具結(jié)構(gòu)方面1.鉆具的級配鉆具在孔底工作時，當(dāng)鉆壓增加到臨界值時，鉆桿柱就失去直線穩(wěn)定的形狀而發(fā)生彎曲，且與孔壁有接觸點，稱為切點，當(dāng)鉆桿柱在鉆孔中處于彎曲狀態(tài)時，則鉆具不再保持原始孔軸線方向，而對孔壁產(chǎn)生側(cè)壓力作用，因而在鉆進(jìn)中就會發(fā)生鉆孔彎曲。當(dāng)鉆具級配不合理，鉆孔與鉆桿柱的間隙比差增大時，鉆桿柱的撓度增大，彎曲鉆桿柱對孔壁的側(cè)壓力也愈大，鉆孔彎曲率也就越大。2.鉆具的剛性鉆具在孔底鉆進(jìn)，主要是靠粗徑鉆具在孔內(nèi)導(dǎo)正。一般來說，粗徑鉆具剛性愈好，在孔內(nèi)導(dǎo)正愈好，鉆具軸線與鉆孔軸線愈接近，則孔斜率愈?。蝗绻謴姐@具剛性差，而作用力超過極限時，則鉆具發(fā)生彎曲。此時鉆具與鉆孔二軸線形成夾角（軸偏角），于是鉆頭偏斜鉆進(jìn)而造成鉆孔彎曲。因此，粗徑鉆具的剛性愈差，其彎曲越嚴(yán)重，則軸偏角越大，鉆孔彎曲也就越嚴(yán)重。3.粗徑鉆具長度如前述，根據(jù)以下公式可以看出：當(dāng)間隙一定時，增加粗徑鉆具長度L，則軸偏角θ迅速減小，孔斜率也會減小。但是，當(dāng)L增加到一定程度后，再增加L，則θ減小很少。因此，粗徑鉆具長度有一合理的長度值。4.粗徑鉆具質(zhì)量粗徑鉆具質(zhì)量差，如：不圓、不同心，鉆進(jìn)時鉆頭工作不穩(wěn)定，易擴(kuò)大孔壁而造成鉆孔彎曲。第三節(jié)鉆孔彎曲的測量在鉆孔施工中，通過對鉆孔彎曲的測量（即測斜），取得頂角和方位角數(shù)據(jù)?？梢赃_(dá)到以下三個目的：（1）及時了解施工鉆孔在地下孔間的延伸趨勢，以便及早防斜和糾斜，使鉆孔彎曲度控制在允許范圍以內(nèi)。（2）掌握已施工的鉆孔軸線在地下空間的座標(biāo)位置，以及摸清鉆孔彎曲規(guī)律，設(shè)計施工定向鉆孔。（3）控制鉆孔穿礦部位的座標(biāo)位置，以便計算礦產(chǎn)儲量和進(jìn)行礦山開采設(shè)計。在鉆進(jìn)過程中，必須按規(guī)定的測點間距及時測量鉆孔彎曲度，不應(yīng)只在終孔后對各測點一起連續(xù)測量，一般要求直孔每50m測一點，斜孔每25孔深、頂角和方位角三個測斜參效要齊全、對應(yīng)，測斜記錄要正確、完全，必要時應(yīng)選用精確的作圖方法，按測點畫圖以指導(dǎo)防斜、治斜等工作。為了得到完全切合實際的鉆孔資料，必須隨時掌握與控制鉆孔空間位置的變化，以便預(yù)防和糾正鉆孔的偏斜。應(yīng)按要求及時進(jìn)行鉆孔頂角和方位角的測量工作。測量鉆孔頂角和方位角的儀器稱為測斜儀。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)和使用的測斜儀種類較多且各有特點。一、JXY一2型測斜儀JXY一2型測斜儀適用于非磁性礦區(qū)直徑大于80mm（一）儀器的主要技術(shù)性能（1）頂角θ測量范圍：0°～60°。頂角θ測量誤差：在0°～30°之間不大于±1°。在30°～60°之間不大于±2°。（2）方位角α測量范圍：0°～360°；方位角測量誤差：不大于±4°（在θ≥4°時）。（3）最大承受液壓；7×105Pa。（4）定時鐘最大工作時間：110min，最小為10min。（5）儀器尺寸：外徑75mm,全長1990mm，總重：（二）儀器作用原理該儀器利用重錘原理測量頂角，利用磁針指北原理測量方位角，在被測點依靠定時鐘鎖卡裝置達(dá)到測量目的。（三）儀器結(jié)構(gòu)儀器的主體是由測量系組成。如REF_Ref182804872\h圖714所示。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s114JXY一2型測斜儀結(jié)構(gòu)圖1-上軸；2-定時挺針；3-下軸；4-定位齒條；5-傾斜角刻度盤；6-框架；7-里套筒；8-重錘；9-膠木蓋；10-羅盤盒蓋；11-磁針；12-定時旋紐；13-保護(hù)筒；14-水平軸承；15-軸承座；16-埋頭螺釘；17-軸承；18-羅盤盒底；19-定位座；20-防震橡皮墊；21-鋼珠全部測量機(jī)構(gòu)都安裝在框架6上，在框架上承板開有一孔，作軸套用。在框架的下部裝有下軸3，當(dāng)框架裝入里套簡（儀器殼）7時，安裝在里套筒上面的上軸1正好插入上承板的孔內(nèi)，作為框板的上支承點，而下軸插在軸承座15的軸承17（型號為D23）內(nèi)，并依靠裝在埋頭螺釘16上的2mm鋼珠21在框架的一邊裝有鉛制重錘8，當(dāng)測量系傾斜時，由于重錘的偏心作用，使框架平面始終與傾斜面垂直，在框架上部裝有一羅盤，羅盤由羅盤盒蓋10和羅盤盒底18組成，在羅盤盒中間磁針軸上裝有一磁針11，磁針涂紅白二色，紅色指北，白色指南，以指北紅指針作為讀數(shù)依據(jù)，可以在羅盤刻度盤上讀出被測點的方位角，羅盤度數(shù)分有180格，每格2度。整個羅盤盒由水平軸承14支承，使羅盤在儀器傾斜時，在重錘的作用下始終保持在水平位置。在羅盤下面連接著傾斜角刻度器5，它既起重錘作用，使羅盤保持水平，又可根據(jù)刻度器上所列的刻度，通過定位座19上的標(biāo)線，讀出被測點的頂角。框架的下部裝有機(jī)械定時鐘12。在定時鐘的背面裝有凸輪，凸輪受定時鐘控制，當(dāng)鐘走到一定位置，凸輪就推動杠桿，杠桿抬高定時挺針2和定位齒條4，使磁針和傾斜角刻度器都處于鎖緊狀態(tài)，儀器即可讀數(shù)。此時定時鐘因儀器鎖緊而停止走動，定時鐘正面的旋鈕盤12的刻度指示正好回到零。定時鐘旋鈕盤刻度指示一格為5min，最大指示為110min，至少開動10min，定時鐘才能啟動。整個測量系統(tǒng)放在保護(hù)筒13內(nèi)，上下放有防震橡皮墊20，用膠木蓋9固定。儀器外套銅管保護(hù)測量儀器主體在密封狀況下工作。如REF_Ref182804914\h圖715所示，外套銅管由上管3和下管10組成，中間用上連接頭4連接，裝有測量系的二套保護(hù)筒可放人下管中，保護(hù)筒的上下放有防震橡皮，用螺帽5壓緊，使測量系在銅管內(nèi)不會跳動。銅管的密封可采用牛皮密封圈或O型橡皮圈。上管是作為伸長管用，使儀器的傾斜與鉆孔的傾斜更加接近，提高測量正確性。在上管的頂端開有一橫孔，供提引儀器下孔之用。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s115外套銅管1-上體；2-墊片；3-上管；4-上接頭；5-圓螺帽；6-下接頭；7-皮碗；8-下管（2）：9-下體；10-下管（1）（四）儀器的使用和維護(hù)保養(yǎng)1.儀器校驗為保護(hù)測孔的正確性，測孔前，必須對儀器進(jìn)行校對。校驗可在JJG-1型校驗臺上進(jìn)行。（1）將框架放置在里套簡內(nèi)，注意上軸要正好插入框架上承板孔內(nèi)，然后慢慢旋進(jìn)軸承座，裝好后，撥動框架，應(yīng)能非常靈活地轉(zhuǎn)動。（2）開啟定時鐘10～15min，磁針和羅盤下弧形重塊應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)動，觀察其到達(dá)鎖卡時，旋鈕上時間刻度是否恢復(fù)指示到“0”線，鎖卡的時間是否與刻度指示相符含，以便掌握其超前和滯后鎖卡的時間。鎖緊后輕拍測斜儀器主體，磁針和弧形重塊應(yīng)沒有擺動位移等情況。（3）在開放定時鐘后，將測斜儀器主體放置在校驗臺上，將校驗臺頂角放在4～60°的范圍內(nèi)，測量若干點，證明儀器頂角和方位角讀數(shù)與校驗臺讀數(shù)間的誤差符合儀器精度要求。否則。應(yīng)修理后方能使用。2.鉆孔測量（1）到達(dá)鉆孔現(xiàn)場后，首先安裝好絞車，把吊懸儀器的鋼絲繩與儀器提引孔連接牢。（2）估計定時鐘開放時間：根據(jù)儀器安裝所需時間，儀器下孔到達(dá)被測點的時間和儀器在被測點的穩(wěn)定時間等時間總和，作為儀器的定時時間，然后將定時旋鈕轉(zhuǎn)到定時時間的刻度上，將啟動儀器的時間和鎖卡定時時間分別記錄下來。（3）定時鐘開啟后，按照裝置順序?qū)x器裝人外套銅管內(nèi)，隨即將其下人孔內(nèi)欲測點。在下降過程中不要太快，避免沖擊。待鎖卡時間過后，提升儀器出孔，并取出測量系，分別記下二個測量系測出的頂角和方位角，取其平均值，作為該測點的測量結(jié)果。如果有一個測量系發(fā)生故障，則以另一個測量系的數(shù)據(jù)為測量結(jié)果；如果二個測量系都有故障，或者二個測量系的數(shù)據(jù)有明顯差別又找不出原困時，均應(yīng)重新測量。（4）儀器讀數(shù)經(jīng)過驗證與記錄無誤時，才能再一次開放定時裝置使儀器處于自由狀態(tài)，再進(jìn)行下次的測量。3.儀器的維護(hù)保養(yǎng)（1）儀器測孔完畢后，應(yīng)將外套管揩刷干凈，測量儀器主體安放在木箱內(nèi)，防止塵砂侵人。（2）若儀器下孔后發(fā)生漏水現(xiàn)象，儀器主體已浸水，應(yīng)由專業(yè)人員拆開清洗后才能再使用。（3）儀器殼上滾珠軸承應(yīng)經(jīng)常涂以防銹脂，其它如定時鐘、頂尖軸承等活動部分亦應(yīng)經(jīng)常清洗并加鐘表油保持潤滑。（4）儀器不用或運(yùn)輸移動時，應(yīng)使儀器處于鎖卡狀態(tài)，否則各軸尖部分會因受震動而造成磨損。（5）儀器應(yīng)貯存在沒有強(qiáng)力磁場和比較干燥的地方。（6）儀器附有必要的易損件備品，發(fā)現(xiàn)易損件損壞，應(yīng)及時進(jìn)行更換。二、JJX-3型測斜儀JJX-3型測斜儀是根據(jù)磁針、懸錘和非電量電測原理進(jìn)行測量工作的。即把非電量（頂角、方位角）的變化轉(zhuǎn)換成電量（電位）的變化。再把電量轉(zhuǎn)換成非電量（地面刻度盤角度），在地表直接讀數(shù)。這種儀器下孔一次，可進(jìn)行多點測量，效率高，適于全孔測量，因此是目前最常用的多點測斜儀器。（一）儀器的主要技術(shù)性能（1）頂角θ測量范圍：0°～50°。頂角θ測量誤差：不大于±30′。（2）方位角α測量范圍：4°～356°。方位角α測量誤差：在頂角2°～50°范圍內(nèi)為±4°。（3）下孔儀器直徑：不大于65mm（4）下孔儀器允許承受最大液壓：5×107Pa。（5）下孔儀器允許最高工作溫度：373K；地面操作面板的工作溫度：293～323K。（6）電源：直流90V。（二）儀器工作原理如REF_Ref182804940\h圖716所示。它的測量系統(tǒng)全部安裝在一只輕合金套管內(nèi)，且由上下頂軸2、3支承，故能靈活轉(zhuǎn)動，但其重心相對軸線呈偏心狀態(tài)。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s116JJX一3型測斜儀工作原理1-回轉(zhuǎn)框架；2，3-上、下頂尖軸承；4-頂角重錘；5-接觸片；6-頂角電阻；7-重錘軸；8-磁針帶接觸片；9一方位電阻；10-短路線圈；12-重錘方位測量系統(tǒng)由磁針8、環(huán)狀電阻盤9和接觸片組成。磁針與接觸片固定的線相接，在自由狀態(tài)時，能在電阻盤中間的頂針上靈活轉(zhuǎn)動。在鎖緊時，磁針與接觸片同時下移，接觸片使環(huán)狀電阻部分短路。方位角大小不同時，方位電阻短路的多少不同，故測定方位電阻的變化，就可相應(yīng)的確定鉆孔的方位角。頂角測量系統(tǒng)由弧形繞線電阻6，接觸片5和重錘4組成。在自由狀態(tài)時，接觸片和重錘圍繞其水平軸擺動；鎖緊時，接觸片接觸弧形繞線電阻，使其部分短路，故測量頂角電阻的變化，就可相應(yīng)的確定鉆孔頂角。（三）儀器的結(jié)構(gòu)儀器包括下孔儀器和地而測量面板兩部分。1.下孔儀器如REF_Ref182804958\h圖717所示。它主要是由外套銅管，電磁吸鐵，傳動機(jī)構(gòu)，測量系統(tǒng)等幾個部分組成。傳動機(jī)構(gòu)和測量系統(tǒng)都裝在一只鋁合金內(nèi)套管11上。整個內(nèi)套管裝在外套銅管1的下部，用頂針12、上軸承13、下頂針2、下軸承14支承著，能靈活轉(zhuǎn)動。吸鐵線圈4裝在外套銅管的上端電磁鐵套5內(nèi)。三芯電源線由外套銅管引出，紅色為測量線，白色為電磁鐵線，黑色為公用外殼線。吸鐵線圈內(nèi)有磁鐵芯6一根，鐵芯上連有壓桿7，壓桿下端用螺帽8與壓板9固定，壓板兩邊又焊有60mm長的導(dǎo)桿10圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s117JJX一3型孔內(nèi)儀器結(jié)構(gòu)圖1-外套鋼管；2-下頂葉；3-防震彈簧；4-吸鐵線圈5-電磁鐵套；6-磁鐵芯；7-壓桿；8-螺帽9-壓板；10-導(dǎo)桿；11-內(nèi)套管；12-上頂針；13-上軸承；14-下軸承；15-活動壓板；16-活動柱；17-活動柱座；18-活動撐牙；19-棘輪；20-拉線柱；21-制動塊拉簧；22-方位電阻；23-接觸片；24-磁鋼；25-小頂針；26-方位重錘；27-鎖緊桿；28-水平頂針軸；29-頂角電阻架；30-頂角量桿；31-頂角重錘；32-水平軸；33-頂角系控制機(jī)構(gòu)；34-偏重塊；35-O型橡膠圈；36一悶頭；37一線繞電阻；38-撐牙拉簧；39-制動塊；40-彈簧；41-頂角拉線；42-方位拉線；43-方位角系控制機(jī)構(gòu)；44-錒皮；45-調(diào)節(jié)螺；46-方位頂針桿；47-固定螺帽；48-吊絲；49-頂角水平軸螺釘；50-下軸套（五）儀器的使用1.儀器校驗儀器下孔測量前，應(yīng)檢查儀器的工作狀態(tài)是否正常，精度是否符合要求等。檢驗可在JJG一1型校驗臺上進(jìn)行。（1）先將JJG一1型校驗臺校驗水平，用羅盤定好向，使校驗臺的方位零刻度對準(zhǔn)磁北方向，然后將下孔儀器夾在校驗臺夾具中，此時，應(yīng)將校驗臺調(diào)整到水平位置。（2）接好電源，測量面板和下孔儀器的導(dǎo)線，如下孔儀器引出的三根線辨別不出極性時，可用萬用表一端接儀器外殼，另一端接一根線，若電阻為零，則為外殼公用線，若電阻為300Ω，則為吸鐵線；若電阻為800～3500Ω，則為測量線。（3）檢查電源，按下電源檢查按鈕，當(dāng)毫安表的指針指在表盤的兩個紅線間，則表明電源正常。否則應(yīng)增加電源電壓，使指針在兩個紅線間。（4）檢查儀器工作狀態(tài)：按下狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕，儀器的四個工作狀態(tài)的變化與測量面板中的狀態(tài)指示表（毫安表）所指示的情況應(yīng)如REF_Ref182805497\h表72所列。（5）檢驗紅線：按狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕，使孔下儀器處于自由狀態(tài)4后，再按下方位按鈕，轉(zhuǎn)動度盤旋鈕使刻度盤上的紅線與有機(jī)玻璃板上的紅線重合，此時檢流計的指針應(yīng)指零，否則應(yīng)調(diào)節(jié)電纜補(bǔ)償電阻使指針指零。表STYLEREF1\s7SEQ表\*ARABIC\s12儀器工作狀態(tài)順序方位狀態(tài)頂角狀態(tài)狀態(tài)指示1234鎖緊自由自由自由自由自由鎖緊自由電流小，表針在中線左側(cè)電流最小，表針在中線最左側(cè)電流大，表針在中線右側(cè)電流最小，表針在中線最左側(cè)（6）校驗頂角精度：將校驗臺頂角板在2～50°范圍內(nèi)的任意角度，測量儀器頂角讀數(shù)，此時，兩者讀數(shù)應(yīng)一致，其誤差不大于±30′。（7）校驗方位角精度：在校驗?zāi)骋豁斀堑耐瑫r，使儀器成任意一方位，測量儀器的方位角，此時，面板刻度盤上的方位角讀數(shù)應(yīng)與校驗臺上方位角讀數(shù)一致，其誤差不能大于±4°。在測最時，儀器從自由狀態(tài)到鎖緊狀態(tài)應(yīng)有12s以上的穩(wěn)定時間，否則由于測量系統(tǒng)在不穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，會帶來一定的測量誤差。（8）頂角、方位角精度重復(fù)校驗：經(jīng)過上述校驗后，應(yīng)將孔下儀器在校驗臺夾具中轉(zhuǎn)換成90°、180°、270°三個面，分別按上述操作步驟重復(fù)校驗頂角和方位角，所測得的結(jié)果應(yīng)與原測結(jié)果一致，其誤差應(yīng)在允許范圍以內(nèi)。校驗完畢時，將孔下儀器轉(zhuǎn)向50°頂角，180°的方位角處于方位鎖緊狀態(tài)。如果在沒有校驗臺的情況下，也可用經(jīng)緯儀或地質(zhì)羅盤進(jìn)行粗略的方位檢驗，用量角器進(jìn)行粗略的頂角檢驗，觀察儀器的工作狀態(tài)是否正常。2.鉆孔測量（1）測量前的準(zhǔn)備工作鉆孔測量前，應(yīng)對三芯電纜和下孔儀器連接后絕緣密封、拉力等情況進(jìn)行細(xì)致檢查。三芯電纜絕緣應(yīng)大于20MΩ，拉力應(yīng)不小于600做好上述準(zhǔn)備工作后，按照前述的儀器校驗方法，檢查電源、校驗紅線、儀器工作狀態(tài)，如果一切正常，即可將儀器下入孔內(nèi)測量。測量程序測量時，應(yīng)將儀器慢速下入孔內(nèi)最下一個測點，測完此點后，再向上提升，逐點測量，測點間距根據(jù)各個鉆孔要求而定，一般為25m儀器停放在某一測點后，操作測量面板，接通電源，校驗紅線，再按狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕，先測該點頂角讀數(shù)，如頂角小于2°時，則不測量方位角，可提升儀器測上一測點；當(dāng)頂角大于2°時，則應(yīng)按狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕，測最其方位角。為驗證測量數(shù)據(jù)的可靠性，每一測點應(yīng)重復(fù)測量兩次，其數(shù)據(jù)應(yīng)基本一致，不應(yīng)超過規(guī)定的誤差范圍，然后取其平均值。鉆孔測量完畢后，應(yīng)將儀器處于方位鎖緊狀態(tài)，以免在運(yùn)輸途中受到損壞。三、JTL－50型陀螺測斜儀JTL一50型陀螺測斜儀適用于強(qiáng)磁異常礦區(qū)或已經(jīng)下套管的，孔徑不小于56mm（一）儀器的主要技術(shù)性能1.測量范圍：頂角0～50°；方位角0～360°。2.測量精度：頂角誤差±30′；方位角誤差±6°（頂角≥3°時）。3.方位漂移：平均每小時不大于12°。4.儀器最大測量深度：1000m5.儀器使用單相交流50Hz，220V±10％電源，整機(jī)耗用功率約75W。6.環(huán)境溫度：一10℃～±457.儀器用抗拉斷力不少于3000N的三芯電纜（電纜內(nèi)阻不應(yīng)大于40Ω）。（二）儀器的工作原理陀螺測斜儀的頂角測量是利用懸錘原理。當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時，由于測量系的偏心重錘作用，懸錘轉(zhuǎn)動平面永遠(yuǎn)處在傾斜面上，頂角的度數(shù)即能依據(jù)懸錘偏離儀器軸線所成的角度來表示。方位角的測量，主要利用一個高速旋轉(zhuǎn)的三自由度陀螺電機(jī)的良好定軸性來定向的。如REF_Ref182804977\h圖718所示。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子1（即高速陀螺馬達(dá)）放在方位框架的支架上，這就是三自由度陀螺儀。陀螺儀的轉(zhuǎn)子通過軸承支承在內(nèi)環(huán)2，內(nèi)環(huán)2通過軸承支架在外環(huán)3上，外環(huán)又用軸承支承在基座（外管）上，其Ⅱ軸垂直于Ⅲ軸和I軸，三個軸彼此互相垂直，并相交于O點，O點也恰好是陀螺的重心。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s118陀螺儀原理示意圖1-高速轉(zhuǎn)子；2-內(nèi)環(huán)；3-外環(huán)高速旋轉(zhuǎn)的三自由度陀螺的轉(zhuǎn)子軸，在軸承無摩擦的情況下，它的空間的方向保持不變。這個特性就稱作陀螺儀的定軸性。無論外管在孔內(nèi)怎樣轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子軸在空間的方向始終保持不變。三自由度陀螺儀的另一個特性，是它在力矩作用下的運(yùn)動規(guī)律。首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動的情況下，把一重物（如鉛塊等）掛放在內(nèi)環(huán)2的任何一端，對內(nèi)環(huán)就要產(chǎn)生一個力矩，在這個力矩作用下，內(nèi)環(huán)將向掛重物的一端傾倒，但是，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)（20～30×103rpm）時，加在內(nèi)環(huán)邊上的重物，不使內(nèi)環(huán)傾倒，而是使整個陀螺儀繞外環(huán)軸（Ⅰ軸）轉(zhuǎn)動，這種在陀螺儀的內(nèi)環(huán)軸（Ⅱ軸）上加力矩之后，陀螺儀將繞外環(huán)軸（I軸）轉(zhuǎn)動，或者在外環(huán)軸I上加力矩后，陀螺儀繞內(nèi)環(huán)軸Ⅱ轉(zhuǎn)動。這個特性就稱陀螺的進(jìn)動性。由于陀螺儀的I軸和Ⅱ軸上存在干擾力矩（如摩擦力矩、靜不平衡力矩等），將使陀螺轉(zhuǎn)子繞I軸和Ⅱ軸進(jìn)動，以致使轉(zhuǎn)子軸I不能保持它的空間方向不變。這個現(xiàn)象就稱為陀螺的漂移。如果漂移發(fā)生在外環(huán)軸I上，就會造成I軸方位改變，而出現(xiàn)方位角測量誤差，但因Ⅱ軸上的干擾力矩比I軸的力矩要小，故可做到使I軸的漂移控制在允許的范圍內(nèi)，如果漂移發(fā)生在Ⅱ軸（為了區(qū)分，把它稱為進(jìn)動）就會造成陀螺房發(fā)生抬頭或低頭。少齡的抬頭或低頭并不影響定向方位，如果過高，即陀螺與外框架3相碰時，就會完全失去陀螺定軸性，從而破壞了陀螺的原定方向，為了防止陀螺進(jìn)動，可設(shè)置一套水平修正裝置，其主要作用能抵消干擾力矩對外框架的影響，用反方向的機(jī)械力矩保持內(nèi)環(huán)成水平，即Ⅲ軸成水平。陀螺測斜儀中用的是一個“方位陀螺儀”，它能自動消除因地球自轉(zhuǎn)所引起的方位誤差，但不具有自動導(dǎo)北能力，故不同于一個磁針羅盤。儀器的測量，是基于電位補(bǔ)償原理，測量信號是由三芯電纜傳至地面。（三）儀器的測量程序1.儀器的聯(lián)接圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s119儀器聯(lián)接示意圖1-電源插頭；2-晶體管變流器；3-測量面板；4-穩(wěn)壓器電源；5-電纜絞車；6-瞄準(zhǔn)器；7-井下儀器；8-三角架REF_Ref182805006\h圖719是整套儀器的聯(lián)接示意圖。其中1是穩(wěn)壓器的電源插頭，電源是220V50Hz交流電。從變流器面板接出的插頭分兩股線：一股至穩(wěn)壓器面板插頭，為輸入24V直流；另一股至測量面板插頭，為輸出三相400Hz交流。測量面板有另一股接入穩(wěn)壓器插頭，為輸入24V直流。測量面板上的插頭為輸出三相，它通過電纜絞車6及電纜，接通孔下儀器。儀器配套出廠時，均附有特別接線，采用多種不相同的接插件。所以一般不會發(fā)生接插錯誤。要注意的是從測量面板插頭輸出的三相線，通過電纜絞車接入下孔儀器時，不可將A、B、C三相接錯。應(yīng)該根據(jù)三相線及下孔儀器的A、B、C或1、2、3核對接通，如果接錯，不僅測量無法進(jìn)行，還會使陀螺逆轉(zhuǎn)，鎖緊及修正等工作失常，甚至?xí)p壞機(jī)件，所以必須仔細(xì)檢查，防止錯接。2.求測參考電壓第一次使用本儀器以及每換用一種新電纜時，由于各種電纜的感抗、阻抗、容抗的不同，必須校準(zhǔn)一次變流器的參考電壓VBC，以保證孔下儀器在正常電壓下工作。參考電壓VBC是指在陀螺電機(jī)上的電壓為36V時，地面變流器的電壓表上的電壓值。變流器參考電壓VBC的求測方法與步驟如下：（1）將整套儀器各部分連接起來，把退去外管的孔下儀器夾在JJG-1型校驗臺上，通過電纜接通相應(yīng)的A、B、C三相。儀器頂部的集流環(huán)是中心接A。中環(huán)接B，外環(huán)接C（它們與電容器接通，因此可用線夾直接夾在電容上）。（2）接通穩(wěn)壓器，調(diào)節(jié)24V細(xì)調(diào)，使之輸出電壓在21-24V范圍內(nèi)。（3）接通交流，把“啟動”—“正?！遍_關(guān)撥在“啟動”檔，此時變流器給孔下儀器供電，陀螺電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，正常情況是逆時針方向（從導(dǎo)線引出端看），多數(shù)電機(jī)刻有運(yùn)轉(zhuǎn)方向箭頭。如果方向反了，說明A、B、C三相接錯，應(yīng)立即斷電檢查，如方向無誤則調(diào)節(jié)“輸出匹配器”調(diào)在輸出電壓最高的檔上（一般在6檔），幾分鐘后，變流器的三相電壓漸漸上升，電流則在逐漸下降，電機(jī)速度在迅速加快。（4）用萬用表測量陀螺電機(jī)的三相電壓，當(dāng)電壓接近36V時，將開關(guān)由“啟動”換至“正?！?。此時可能因放大器輸出部分衰減，電壓將少許下降，但“啟動”尚未完畢，稍待幾分鐘后，電壓仍將回升。如果電壓上升并超過36V時，則可以調(diào)節(jié)“24V細(xì)調(diào)”，使輸入電壓減，保證陀螺電機(jī)上的電壓穩(wěn)定在36V左右（三相電壓相差1～2V是允許的）。當(dāng)電壓不再上升，電流在0.4～0.6A范圍內(nèi)時，即可以認(rèn)為已啟動完畢，此時，變流器電壓表上的讀數(shù)V3.下孔前的準(zhǔn)備工作（1）定向把儀器各部件按前述正確地接好，將三角架放在離鉆孔很近的地方（必須牢固可靠，防止移動）。再把儀器放在三腳架上，使它有頂角10°的傾斜，扣上定向瞄準(zhǔn)器，使瞄準(zhǔn)器邊側(cè)的一條刻線與儀器母線對準(zhǔn)。在三腳架前約10～20m地方，前后立兩根標(biāo)桿，使它與儀器瞄準(zhǔn)器成為三點一線（此時瞄準(zhǔn)水泡必須居中），用袖珍羅盤或經(jīng)緯儀測出標(biāo)桿的方位角，這個方位角度數(shù)就是儀器的定向方位。（2）啟動檢查接線無誤后，接上電源，打開穩(wěn)壓器開關(guān)B，此時指針應(yīng)有20～24V的直流電壓。打開變流器開關(guān)A，儀器就開始啟動，此時交流器面板應(yīng)該有一定的電壓和電流，穩(wěn)壓器的直流電流亦上升到約2.2A左右，起初變流器面板指示電壓較低，2、3分鐘后，電壓逐漸上升，一般陀螺電機(jī)從啟動到全速運(yùn)轉(zhuǎn)約需5min左右，這時如果變流器面板上的電壓指示超過參考電壓值，可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源面板上輸出微調(diào)，改變變流器工作，使之三相電壓輸出符合“參考電壓值”。在測量面板上，將旋鈕2撥至“（3）調(diào)零如REF_Ref182805054\h圖720，從測量面板接地插孔引一根導(dǎo)線至三腳架上，接通“自由”“鎖緊”控制電路，把狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)11撥到“鎖緊”位置，此時狀態(tài)指示電表10的指針應(yīng)指在紅色小格內(nèi)，說明儀器是處于“鎖緊狀態(tài)”。為證實是否鎖住，可將開關(guān)11撥回“自由”處，數(shù)秒鐘后再撥至“鎖緊”，這時狀態(tài)指針應(yīng)退至紅線，片刻之后再次躍入紅格，說明下孔儀器發(fā)出的是正確的“鎖緊”信號。儀器鎖緊后，把旋紐撥到“方位”位置，此時檢流計6開始偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)“方位”平衡電位器，使檢流計指針指零，此時面板讀數(shù)把它校正為羅盤測得的定向方位數(shù)。圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s120測量面板布置圖1-頂角度盤；2-開關(guān)；3-毫安表；4-輸入插座；5-調(diào)節(jié)電位器；6-微安表；7-鎖緊狀態(tài)電流調(diào)節(jié)；8-輸出插座；9-方位調(diào)節(jié)電位器；10-工作狀態(tài)指示器；11-工作類型；12-方位度盤；13-調(diào)節(jié)撥柱；14-接地插孔測好方位后，把狀態(tài)開關(guān)撥到“自由”位置，狀態(tài)指示電表10的指針應(yīng)指在綠色短線處。若不在綠色短線處可微調(diào)旋鈕7。從“鎖緊”到“自由”約需3min時間，儀器到達(dá)完全“自由”的信號是指針跳入綠色小格內(nèi)，這表明陀螺框架已屬“自由”狀態(tài)，接著將狀態(tài)開關(guān)再撥到“方位”上，觀察檢流計是否因開框架而偏動。如果有微小偏動，則應(yīng)重新校正讀數(shù)，偏動過多時應(yīng)重新定向或檢修儀器。4.下孔測量測孔準(zhǔn)備工作完畢后，取下瞄準(zhǔn)器，準(zhǔn)備下孔。下孔時應(yīng)將下孔儀器搬離三腳架，此時應(yīng)防止三腳架移動，若三腳架發(fā)生移動，測完后就無法復(fù)測漂移值。儀器在“自由”狀態(tài)下從三腳架上搬離下孔或由口口搬回三腳架上時，都必須使儀器盡量直立，不允許有很大傾斜，否則，就會把定向的狀態(tài)破壞掉，甚至?xí)p壞儀器。儀器下孔后，記下下孔時間，接著進(jìn)行鉆孔的全測。測量中，應(yīng)在每個測點記下測量時間，先測頂角，后測方位角。凡頂角在3～50°范圍內(nèi)，測得的方位角度數(shù)是有效的。一般是下降和上提儀器都要測量，在同一測點上重復(fù)測量兩次，計算后取平均值。測孔結(jié)束后，將儀器提出孔口，放回三腳架上，擰上瞄準(zhǔn)器，對準(zhǔn)標(biāo)桿與下孔前定向的同一位置上，測出方位角讀數(shù)，一般與原定向方位比較會有幾度誤差，此差值即是陀螺的漂移，記下時間和漂移值。將測量面板狀態(tài)開關(guān)撥到“鎖緊”位置，把儀器鎖緊后，關(guān)掉變流器、穩(wěn)壓器，切斷電源，將儀器擦干凈，待電機(jī)停轉(zhuǎn)后裝入避震木箱。（四）測量數(shù)據(jù)的整理1.資料的記錄現(xiàn)場測量用記錄表如REF_Ref182805291\h表73所示，將整個測量工作有關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來，測完后再進(jìn)行整理。表STYLEREF1\s7SEQ表\*ARABIC\s13陀螺測斜儀測斜記錄╳╳╳局╳╳隊ZK孔回次開始時間h：min回次終了時間h：min回次延續(xù)時間h：min定向頂角（0）定向真方位定向磁方位回次漂移（±）平均漂移（±）備注開始終了開始終了下降測上提測孔深m測量時間頂角讀數(shù)儀器讀數(shù)漂移修正終點角框架誤差方位角測量時間頂角讀數(shù)儀器讀數(shù)漂移修正終點角框架誤差方位角平均值備注頂角方位角填表說明如下： （1）回次開始時間：是從下孔儀器調(diào)好零松鎖自由時開始記錄。（2）回次終了時間：是回次測孔結(jié)束后，將儀器放回定向三腳架，復(fù)測定向方位讀數(shù)為止的時間。（3）定向頂角：是下孔儀器在定向時放在三腳架上所測出的頂角讀數(shù)。（4）定向真方位：開始方位是測量標(biāo)桿的座落方位，用經(jīng)緯儀測得。而終了方位是測孔結(jié)束后復(fù)測定向方位，從面板上測出的方位讀數(shù)。（5）定向磁方位：開始方位是用羅盤對準(zhǔn)標(biāo)桿所測得的定向方位，而終了方位則和定向真方位的終了方位一樣求得。（6）回次漂移；是指開始定向方位與終了定向方位之差。如漂移為正值，消除時取負(fù)值，否則相反。（7）平均漂移：回次漂移除以回次延續(xù)時間就得出平均漂移。（8）終點角：分兩種情況，一是當(dāng)定向方位為零時，儀器讀數(shù)即為終點角，此時可不填；二是定向方位不為零時，要先換算成終點角后再填入表中。（9）框架誤差：應(yīng)進(jìn)行計算或查表求得。（10）漂移修正：是各測點的延續(xù)時間乘平均漂移求得。2.數(shù)據(jù)的整理用陀螺儀測斜的數(shù)據(jù)有兩種情況需要整理修正，一種是漂移誤差的扣除，另一種是框架誤差的修正。（1）漂移誤差的扣除：如前所述，在陀螺儀Ⅱ軸上如果出現(xiàn)干擾力矩時，I軸也要進(jìn)動，這就是方位漂移，因而出現(xiàn)方位誤差，儀器在出廠時它的系統(tǒng)漂移值，平均每小時不大于12°。作為出廠指標(biāo)，實際漂移值可以根據(jù)每點的測量時間累計扣除。例如：從定向完畢到測好漂移值共進(jìn)行1h。漂移3°，那么平均每分鐘漂移，如果第一測點的時間是5min，那么在第一點的方位角上扣，第二測點的時間是1min，第二點上扣……以后各點，依此按累計時間扣除。（2）方位角的計算及框架誤差修正：由于三自由度陀螺儀在外環(huán)傾斜的情況下會產(chǎn)生框架誤差（所謂框架誤差就是終點角和方位角投影之差），而差值是隨著儀器頂角增大而增大，因此在頂角大于15°的情況下所測得的方位資料必須扣除框架誤差。框架誤差的關(guān)系式如下：方位角的表達(dá)式如下：式中：α—真方位（測點方位）角；α0—定向方位角；θ—鉆孔頂角；Φ—儀器終點角（儀器讀數(shù)減去定向方位角）；ΔΦ一框架誤差。誤差的數(shù)值及正負(fù)，是由頂角的大小和所在象限來決定的。其誤差變化曲線見REF_Ref182805074\h圖721框架誤差圖解所示。從REF_Ref182805074\h圖721可以看出：鉆孔頂角小于15°時，因其誤差甚小，可以忽略不計；頂角在15°～50°之間的框架誤差可按上式計算或查表進(jìn)行修正。例：儀器定向方位α0=120°，鉆孔頂角θ＝20°，儀器讀數(shù)為150°。終點角Φ=150°–120°=30°框架誤差ΔΦ＝30°–arctg（tg30°·cos20°）=30°-28°30′=1°30′方位角α=120°+30°–1°30′=148°30'圖STYLEREF1\s7SEQ圖\*ARABIC\s121框架誤差圖解（五）儀器的維護(hù)保養(yǎng)（1）儀器必須保持清潔，陀螺系統(tǒng)特別怕灰塵，除非不得已，孔下儀器盡量不要從外管內(nèi)抽出。三自由度框架軸承內(nèi)如果進(jìn)入塵土，就直接破壞儀器工作，壽命迅速減短，若必須打開孔下儀器時，應(yīng)在比較潔凈的室內(nèi)進(jìn)行，周圍最好用白紙墊襯，盡量不使塵土揚(yáng)起逸入陀螺房。（2）儀器在操作、貯放或運(yùn)輸過程中，都要注意防震，并必須在“鎖緊”的情況下才允許裝箱運(yùn)輸。運(yùn)輸時一定要裝入特別避震木箱內(nèi)并固定牢靠。遠(yuǎn)距離汽車運(yùn)輸時，就盡量置于車廂震動幅度最小的地方；如果在孔內(nèi)遇卡，只能輕輕來回提動，不