專利名稱：一種地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置及其量測方法
技術領域：
本發明涉及地下工程鉆探注漿領域中鉆孔產狀的量測技術，主要提出一種快速、準確測量正在施工鉆孔、或依照設計現場定位時鉆孔產狀的量測方法和裝置。
背景技術：
鉆探工程是地下工程開挖及運營期重要活動之一，涉及到地下水害的治理、圍巖注漿加固、礦產探查及水源探查等領域。鉆探工程設計及鉆孔產狀確定對相關工程實施往往具有決定性作用。如注漿工程因鉆孔產狀信息錯誤引起堵水效果欠佳、或圍巖加固范圍出現偏差；井下探礦工程因鉆孔產狀誤差致使礦產資源規模及儲量估算失實；井下富水區探查因鉆孔產狀誤差而影響到含水層評價結果。目前地下工程鉆孔產狀確定的方法主要有三種，即羅盤法、掛線定位法及坡度規法。羅盤測量方位角操作簡便，但精度低，抗干擾能力弱，尤其是在一些金屬礦山或定位精度要求較高的工程內難以利用；掛線法測量方位角精度相對較高，但效率低下、操作復雜，且隨著倒角次數增加誤差逐漸積累，在一些時間緊迫 的工程中難以發揮作用，如地下水害治理等搶險工程。此外，鉆孔傾角可利用羅盤或坡度規進行測量，但不能和方位角測量設備完好地結合為整套裝置，功效性差。因此，地下工程鉆孔產狀的精確、快速定位成為了一個必須解決的難題。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種地下工程鉆孔產狀快速量測方法和裝置，使其可實現正在施工鉆孔及現場鉆孔定位時產狀快速、精確定位，提高鉆探工程效率，保障相關工程質量。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，包括側壁水平固定器、可伸縮懸臂、夾角量測裝置、鉆桿夾持器及傾角量測裝置；所述側壁水平固定器包括橫桿和鉸鏈，橫桿上設置管水準器；所述可伸縮懸臂包括內框架和外框架，外框架通過所述鉸鏈與橫桿連接，外框架上設置圓水準器，外框架的兩側邊上設有滑槽，內框架通過旋鈕裝置沿滑槽與外框架滑動連接；所述夾角量測裝置包括1/4圓的夾角量測器，夾角量測器的圓弧邊上設有夾角量測器刻槽，夾角量測器外側邊一端通過螺栓與內框架連接，另一端通過第一旋緊螺栓與內框架連接，且第一旋緊螺栓位于夾角量測器刻槽內，工作時夾角量角測器以螺栓為中心轉動，第一旋緊螺栓在夾角量測器刻槽內滑動；所述傾角量測裝置包括傾角量測器，傾角量測器通過第二旋緊螺栓垂直設置在夾角量測器外側邊的中心處；所述鉆桿夾持器包括第二橫桿和用于固定鉆桿的夾持器，夾持器固定在第二橫桿上，第二橫桿通過第二旋緊螺栓與夾角量測器的外側邊連接，且夾持器橫桿能夠繞第二旋緊螺栓轉動。所述外框架包括左豎桿和右豎桿，左豎桿和右豎桿的上下兩端分別通過第一垂直連桿和第二垂直連桿連接，左豎桿和右豎桿的內側均設有滑槽；所述內框架包括左滑桿和右滑桿，左、右滑桿分別通過滑槽與左豎桿和右豎桿滑動連接，左、右滑桿的下端通過第三垂直連桿連接；所述旋鈕裝置包括旋鈕和旋桿；旋桿穿過左、右豎桿并與左、右滑桿相接觸，旋桿和左、右滑桿的接觸面通過相互嚙合的齒相連。所述旋桿橫截面為齒輪狀，兩端固定旋鈕，旋桿穿過左、右豎桿并固定在左、右滑桿上，旋鈕轉動時，帶動旋桿上齒條做圓周運動，通過與左、右豎桿上滑槽上表面齒條的咬合力實現左、右滑桿的同速伸縮。所述夾角量角器上設有刻度，該刻度為在90度范圍被均勻劃分且精度為I度。所述第三垂直連桿的右端設有夾角觀測槽，該夾角觀測槽與夾角量角器上的刻度相對應。所述傾角量測器上沿其圓周設置兩半圓的傾角量測器刻槽，沿傾角量測器刻槽周邊設有刻度，所述夾持器橫桿上設有與傾角量測器刻槽相匹配的旋轉導向軸。所述刻度在傾角量測器上水平兩端設置為0度，豎直兩端設置為90度，之間精度為I度。所述夾持器包括左、右夾持器。本發明還提供了一種地下工程施工鉆孔產狀組合量測方法，其具體工藝步驟如下I)根據鉆桿與隧道或巷道側壁空間關系確定合適的量測位置，確定側壁與鉆桿距離d ；2)旋轉旋鈕裝置，左、右滑桿向外延伸，調整內框架外側邊距離側壁長度至d，即夾持器大致達到了連接鉆桿的位置；3)將橫桿外側邊緊貼側壁，若側壁凹凸不平，在橫桿與側壁間墊一木板，確保橫桿長邊方向與隧道或巷道軸向平行，初步調整橫桿，使氣泡處于管水準器中心，即橫桿呈水平狀態，且軸向與隧道或巷道軸向平行；通過鉸鏈轉動調整可伸縮懸臂的外框架，使左滑桿及右中圓水準器氣泡居中，使外框架處于與隧道或巷道中軸面相垂直的水平面內；鉸鏈的旋轉保證了裝置可適應于側壁弧度變化，滿足不同位置的量測需要；旋轉夾角量測器，使夾持器橫桿達到可連接鉆桿的位置；旋轉鉆桿夾持器使之與鉆桿平行，將夾持器固定在鉆桿上；4)微調旋鈕，保證可伸縮懸臂矩形框架長度精確滿足要求；微調鉸鏈，使左右滑桿、中圓水準器氣泡居中，使可伸縮懸臂處在平面嚴格水平；微調夾角量測器角度和鉆桿夾持器角度，使夾持器橫桿與鉆桿嚴格平行，分別旋緊第一旋緊螺栓及第二旋緊螺栓，固定夾角量測器及鉆桿夾持器位置；5)通過第二垂直連桿右端夾角觀測槽讀取數值，即為鉆孔與隧道或巷道軸向夾角；讀取旋轉導向軸指示刻度，即為鉆孔傾角。根據上述方法，若現場不具備直接讀取的條件，在4)步驟后松動旋鈕和夾持器，將量測裝置取下，再進行讀取數據。根據上述方法，根據隧道或巷道軸線方位角數據，計算鉆孔方位角，求取鉆孔產狀；方位角計算時，應遵循“左減右加”的原則，即鉆孔偏離在隧道或巷道軸線右側，則鉆孔方位角為軸線方位角與求取夾角之和；鉆孔偏離在軸線方位左側，則鉆孔方位角為軸線方位與求取夾角之差；最終結果應加上或減去360度，并落在(T360度區間內。本發明利用面面角求解的幾何原理，計算鉆孔軸線所在平面與隧道或巷道中軸面夾角，利用夾持器橫桿在鉆孔軸線所在平面內的旋轉計算鉆孔傾角，原理方法具有普遍適用性。本發明用于任意產狀鉆孔放線，或施工鉆孔的現場量測，方便快捷。本發明與掛線方位角測量法相比，通過刻度讀數、計算確定鉆孔方位角，操作過程簡單，可快捷完成多個不同方位鉆孔的測量和放線，而掛線法需要針對每個鉆孔分別實施控制測量，過程繁瑣，效率低。同時，本發明避免了掛線方位角測量法掛線過程中多次操作誤差累計的缺點，具有高精度的優點。本發明與羅盤方位角測量相比，不受現場條件及磁偏角的影響，適應能力強，精度高，尤其適應于羅盤無法正常使用的金屬礦山等環境。此外，本發明將鉆孔方位角測量與傾角測量實現完好融合，可一次性測量鉆孔方位角、傾角等產狀，具有精度高、適應能力強、快捷方便及組合性的特點，可滿足不同條件下鉆孔產狀的測量。
圖1施工鉆孔產狀組合量測裝置主體結構示意圖；圖2施工鉆孔產狀組合量測裝置A-A’線斷面圖；圖3施工鉆孔產狀組合量測裝置B-B’線斷面圖；圖4可伸縮懸臂矩形框架閉合及延伸圖；圖5夾角量測器及傾角量測器俯視圖；圖6傾角量測器刻度分布及量測示意圖；圖7旋桿與左滑桿/右滑桿接觸面示意圖；圖8夾角量測器工作狀態中的示意圖；圖9圓形傾角量測器工作狀態中的示意圖。其中，1.橫桿；2.管水準器；3.鉸鏈；4.第一垂直連桿；5-1.左豎桿,5-2.右滑桿，6-1.右豎桿，6-2.右滑桿，7.固定螺栓，8.圓水準器，9.旋鈕，10.旋桿，11.左垂直連桿刻槽，12.右垂直連桿刻槽，13.螺栓，14.第一旋緊螺栓，15.夾角觀測槽，16.夾角量測器，17.夾角量測器刻槽，18.圓形傾角量測器，19.傾角量測器刻槽，20.第二旋緊螺栓，21.夾持器橫桿，22.第一夾持器,23.第二夾持器,24.第二垂直連桿,25.旋轉導向軸,26.第三垂直連桿，27.鉆桿。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖1-7所示，一種施工鉆孔產狀組合量測裝置，由側壁水平固定器、可伸縮懸臂、夾角量測裝置、鉆桿加持器及傾角量測裝置組成。所述的側壁水平固定器由橫桿I和鉸鏈3構成，其中心處設置管水準器2 ;所述可伸縮懸臂由外框架和內框架組成，所述外框架包括左豎桿5-1和右豎桿6-1，左豎桿5-1和右豎桿6-1的上下兩端分別通過第一垂直連桿4和第二垂直連桿24連接，左豎桿5-1和右豎桿6-1的內側均設有滑槽；所述內框架包括左滑桿5-2和右滑桿6-2,左、右滑桿5-2、6-2分別通過滑槽與左豎桿5-1和右豎桿6-1滑動連接，左、右滑桿5-2、6-2的下端通過第三垂直連桿26連接；所述旋鈕裝置包括旋鈕9和旋桿10 ;旋桿10穿過左、右豎桿5-1、6-1并與左、右滑桿5-2、6-2相接觸，旋桿10和左、右滑桿5-2、6-2的接觸面通過相互嚙合的齒相連。所述旋桿10兩端固定旋鈕9，穿過左、右豎桿5-1、6-1并固定在左、右滑桿5-2、6-2上，通過旋鈕轉動9時旋桿10上齒條與滑槽上表面齒條間的咬合力使左、右滑桿5-2、6-2同速伸縮。左豎桿5-1和右豎桿6-1的中心位置均設置圓水準器8，左豎桿5-1和右豎桿6_1通過螺栓7與第一垂直連桿4、第二垂直連桿24組成穩固矩形框架。左、右滑桿5-2、6-2通過旋鈕9和旋桿10沿左、右滑桿5-2、6-2內側的凹槽同速伸縮；所述夾角量測裝置包括1/4圓的夾角量測器16，90度范圍被均勻劃分且精度為I度。夾角量測器16的圓弧邊上設有夾角量測器刻槽17，夾角量測器16外側邊一端通過螺栓13與左滑桿5-2的下端連接，另一端通過第一旋緊螺栓14與右滑桿6-2的下端連接，且第一旋緊螺栓14位于夾角量測器刻槽17內，工作時夾角量角測器16以螺栓13為中心轉動，第一旋緊螺栓14在夾角量測器刻槽17內滑動，測量時，旋緊第一旋緊螺栓14以沿夾角量測器刻槽17固定夾角量測器16。所述第三垂直連桿26的右端設有夾角觀測槽15，該夾角觀測槽15與夾角量角器16上的刻度相對應，夾角觀測槽15內顯示刻度值即為鉆孔夾角值。所述傾角量測裝置包括傾角量測器18，傾角量測器18通過第二旋緊螺栓20垂直設置在夾角量測器16外側邊的中心處，且該夾角量測器16與內框架垂直。所述鉆桿夾持器包括第二橫桿21和用于固定鉆桿的夾持器，夾持器固定在第二橫桿21上，第二橫桿21通過第二旋緊螺栓20與夾角量測器16的外側邊連接，且夾持器橫桿21能夠繞第二旋緊螺栓20轉動。所述傾角量測器18上沿其圓周設置兩半圓的傾角量測器刻槽19，傾角量測器刻槽19周邊進行刻度劃分，即水平兩端設置為0度，豎直兩端設置為90度，之間精度為I度。第二橫桿21上焊接與傾角量測器刻槽19相匹配的旋轉導向軸25。所述夾角量測器、傾角量測器及鉆桿夾持器以第二旋緊螺栓20固定；所述鉆桿夾持器由橫桿21及第一夾持器22和第二夾持器23組成，第一夾持器22和第二夾持器23可根據鉆桿直徑大小進行調整。夾持器旋轉時，所述旋轉導向軸25在傾角量測器刻槽19內移動，旋轉導向軸25指向刻度即為鉆孔傾角值。為但于將內框架拉出和推進，在外框架第二垂直連桿24上設有與螺栓13相對應的左垂直連桿刻槽11，和與第一旋緊螺栓14相對應的右垂直連桿刻槽12。一種施工鉆孔產狀組合量測方法，其具體工藝步驟如下I)假設隧道軸線方位角為N25° E，施工鉆孔開孔位置在隧道拱頂位置2)如圖8所示，根據鉆桿開孔點確定合適的量測位置，確定側壁與鉆桿距離d。2)旋轉旋鈕裝置9，左、右滑桿5-2、6_2向外延伸，調整矩形框架長度至d，即第一夾持器22、第二夾持器23大致達到了連接鉆桿的位置。3)將橫桿I外側邊緊貼側壁，初步調整橫桿，使氣泡處于管水準器3中心，即橫桿I呈水平狀態，且軸向與隧道軸向平行；通過鉸鏈3轉動調整可伸縮懸臂的矩形框架，使左豎桿5-1及右豎桿6-1中圓水準器8氣泡居中，使矩形框架處于與隧道中軸面相垂直的水平面內；旋轉夾角量測器16，使夾持器橫桿21達到可連接鉆桿的位置；旋轉鉆桿夾持器使之與鉆桿27平行，將第一夾持器22、第二夾持器23分別固定在鉆桿27上。4)微調旋鈕9，保證可伸縮懸臂矩形框架長度精確滿足要求；微調鉸鏈3，使左、右豎桿5-1、6-1中圓水準器8氣泡居中，使可伸縮懸臂處在平面嚴格水平；微調夾角量測器16角度和鉆桿夾持器角度，使夾持器橫桿21與鉆桿27嚴格平行，分別旋緊第一、第二旋緊螺栓14、20，固定夾角量測器及鉆桿夾持器位置。
5)如圖9所示，垂直連桿24右端夾角觀測槽15對應刻度值為45度，旋轉導向軸25對應刻度值為30度，可確定鉆孔所在平面與隧道中軸面夾角為45度，鉆孔傾角為30度。6)鉆孔軸線偏向隧道軸線右側，根據“左減右加”原則，鉆孔方位角為a =25+45=70度，因此可確定鉆孔產狀為70° Z 30°。
權利要求
1.一種地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于包括側壁水平固定器、可伸縮懸臂、夾角量測裝置、鉆桿夾持器及傾角量測裝置；所述側壁水平固定器包括橫桿(I)和鉸鏈(3 )，橫桿(I)上設置管水準器(2 );所述可伸縮懸臂包括內框架和外框架，外框架通過所述鉸鏈(3)與橫桿(I)連接，外框架上設置圓水準器(8)，外框架的兩側邊上設有凹槽，內框架通過旋鈕裝置沿凹槽與外框架滑動連接；所述夾角量測裝置包括1/4圓的夾角量測器(16)，夾角量測器(16)的圓弧邊上設有夾角量測器刻槽(17)，夾角量測器(16)外側邊一端通過螺栓(13)與內框架連接，另一端通過第一旋緊螺栓(14)與內框架連接，且第一旋緊螺栓(14)位于夾角量測器刻槽(17)內，工作時夾角量角測器(16)以螺栓(13)為中心轉動，第一旋緊螺栓(14)在夾角量測器刻槽(17)內滑動；所述傾角量測裝置包括傾角量測器(18)，傾角量測器(18)通過第二旋緊螺栓(20)垂直設置在夾角量測器(16)外側邊的中心處；所述鉆桿夾持器包括第二橫桿(21)和用于固定鉆桿的夾持器，夾持器固定在第二橫桿(21)上，第二橫桿(21)通過第二旋緊螺栓(20)與夾角量測器(16)的外側邊連接，且夾持器橫桿(21)能夠繞第二旋緊螺栓(20)轉動。
2.根據權利要求I所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述外框架包括左豎桿(5-1)和右豎桿(6-1 )，左豎桿(5-1)和右豎桿(6-1)的上下兩端分別通過第一垂直連桿(4)和第二垂直連桿(24)連接，左豎桿(5-1)和右豎桿(6-1)的內側均設有滑槽；所述內框架包括左滑桿(5-2)和右滑桿(6-2)，左、右滑桿(5-2)、(6-2)分別通過滑槽與左豎桿(5-1)和右豎桿(6-1)滑動連接，左、右滑桿(5-2)、(6-2)的下端通過第三垂直連桿(26)連接；所述旋鈕裝置包括旋鈕(9)和旋桿(10);旋桿(10)穿過左、右豎桿(5-1)、(6-1)并與左、右滑桿(5-2 )、( 6-2 )相接觸，旋桿(10 )和左、右滑桿(5-2 )、( 6-2 )的接觸面通過相互嚙合的齒相連。
3.根據權利要求I所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述夾角量角器(16)上設有刻度，該刻度為在90度范圍被均勻劃分且精度為I度。
4.根據權利要求3所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述第三垂直連桿(26)的右端設有夾角觀測槽(15)，該夾角觀測槽(15)與夾角量角器(16)上的刻度相對應。
5.根據權利要求I所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述傾角量測器(18)上沿其圓周設置兩半圓的傾角量測器刻槽(19)，沿傾角量測器刻槽(19)周邊設有刻度，所述夾持器橫桿(21)上設有與傾角量測器刻槽(19)相匹配的旋轉導向軸(25)。
6.根據權利要求5所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述刻度在傾角量測器(18)上水平兩端設置為O度，豎直兩端設置為90度，之間精度為I度。
7.根據權利要求I所述的地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，其特征在于所述夾持器包括左、右夾持器(22)、(23)。
8.地下工程施工鉆孔產狀組合量測方法，其特征在于其具體工藝步驟如下 1)根據鉆桿與隧道或巷道側壁空間關系確定合適的量測位置，確定側壁與鉆桿距離d ； 2)旋轉旋鈕裝置，左滑桿(5-2)、右滑桿(6-2)向外延伸，調整內框架外側邊距離側壁長度至d，即夾持器大致達到了連接鉆桿的位置；3)將橫桿(I)外側邊緊貼側壁，若側壁凹凸不平，在橫桿(I)與側壁間墊一木板，確保橫桿(I)長邊方向與隧道或巷道軸向平行，初步調整橫桿(1)，使氣泡處于管水準器(2)中心，即橫桿(I)呈水平狀態，且軸向與隧道或巷道軸向平行；通過鉸鏈(3)轉動調整可伸縮懸臂的外框架，使左滑桿(5-1)及右滑桿(6-1)中圓水準器(8)氣泡居中，使外框架處于與隧道或巷道中軸面相垂直的水平面內；旋轉夾角量測器(16)，使夾持器橫桿(21)達到可連接鉆桿的位置；旋轉鉆桿夾持器使之與鉆桿平行，將夾持器固定在鉆桿上； 4)微調旋鈕(9)，保證可伸縮懸臂矩形框架長度精確滿足要求；微調鉸鏈(3)，使左右滑桿(5-1)、(6-1)中圓水準器(8)氣泡居中，使可伸縮懸臂處在平面嚴格水平；微調夾角量測器(16)角度和鉆桿夾持器角度，使夾持器橫桿(21)與鉆桿嚴格平行，分別旋緊第一旋緊螺栓(14)及第二旋緊螺栓(20)，固定夾角量測器(16)及鉆桿夾持器位置； 5)通過第二垂直連桿(24)右端夾角觀測槽(15)讀取數值，即為鉆孔與隧道或巷道軸向夾角；讀取旋轉導向軸(25)指示刻度，即為鉆孔傾角。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于若現場不具備直接讀取的條件，在4)步驟后松動旋鈕(9)和夾持器，將量測裝置取下，再進行讀取數據。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于根據隧道或巷道軸線方位角數據，計算鉆孔方位角，求取鉆孔產狀；方位角計算時，應遵循“左減右加”的原則，即鉆孔偏離在隧道或巷道軸線右側，則鉆孔方位角為軸線方位角與求取夾角之和；鉆孔偏離在軸線方位左側，則鉆孔方位角為軸線方位與求取夾角之差；最終結果應加上或減去360度，并落在(Γ360度區間內。
全文摘要
本發明涉及一種地下工程施工鉆孔產狀組合量測裝置，包括側壁水平固定器、可伸縮懸臂、鉆桿加持器、夾角量測器及傾角量測器。本發明還提供了地下工程施工鉆孔產狀組合量測方法。本發明研究了鉆孔施工過程中其產狀的量測裝置，可以快速、準確量測鉆孔軸線所在平面與隧道或巷道中軸面之間夾角及鉆孔傾角，根據已知的隧道或巷道走向確定地下工程中施工鉆孔的產狀，即方位角及傾角。本發明操作簡單、快捷、測量結果精度高，避免了鉆孔產狀量測過程中多次放線帶來的累計誤差，并極大提高了工作效率。
文檔編號E21B47/022GK102979506SQ20121050766
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者張慶松, 張偉杰, 韓偉偉, 惠冰, 張連震, 王德明 申請人:山東大學