专利名称：一种地下工程施工钻孔产状组合量测装置及其量测方法
技术领域：
本发明涉及地下工程钻探注浆领域中钻孔产状的量测技术，主要提出一种快速、准确测量正在施工钻孔、或依照设计现场定位时钻孔产状的量测方法和装置。
背景技术：
钻探工程是地下工程开挖及运营期重要活动之一，涉及到地下水害的治理、围岩注浆加固、矿产探查及水源探查等领域。钻探工程设计及钻孔产状确定对相关工程实施往往具有决定性作用。如注浆工程因钻孔产状信息错误引起堵水效果欠佳、或围岩加固范围出现偏差；井下探矿工程因钻孔产状误差致使矿产资源规模及储量估算失实；井下富水区探查因钻孔产状误差而影响到含水层评价结果。目前地下工程钻孔产状确定的方法主要有三种，即罗盘法、挂线定位法及坡度规法。罗盘测量方位角操作简便，但精度低，抗干扰能力弱，尤其是在一些金属矿山或定位精度要求较高的工程内难以利用；挂线法测量方位角精度相对较高，但效率低下、操作复杂，且随着倒角次数增加误差逐渐积累，在一些时间紧迫 的工程中难以发挥作用，如地下水害治理等抢险工程。此外，钻孔倾角可利用罗盘或坡度规进行测量，但不能和方位角测量设备完好地结合为整套装置，功效性差。因此，地下工程钻孔产状的精确、快速定位成为了一个必须解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地下工程钻孔产状快速量测方法和装置，使其可实现正在施工钻孔及现场钻孔定位时产状快速、精确定位，提高钻探工程效率，保障相关工程质量。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种地下工程施工钻孔产状组合量测装置，包括侧壁水平固定器、可伸缩悬臂、夹角量测装置、钻杆夹持器及倾角量测装置；所述侧壁水平固定器包括横杆和铰链，横杆上设置管水准器；所述可伸缩悬臂包括内框架和外框架，外框架通过所述铰链与横杆连接，外框架上设置圆水准器，外框架的两侧边上设有滑槽，内框架通过旋钮装置沿滑槽与外框架滑动连接；所述夹角量测装置包括1/4圆的夹角量测器，夹角量测器的圆弧边上设有夹角量测器刻槽，夹角量测器外侧边一端通过螺栓与内框架连接，另一端通过第一旋紧螺栓与内框架连接，且第一旋紧螺栓位于夹角量测器刻槽内，工作时夹角量角测器以螺栓为中心转动，第一旋紧螺栓在夹角量测器刻槽内滑动；所述倾角量测装置包括倾角量测器，倾角量测器通过第二旋紧螺栓垂直设置在夹角量测器外侧边的中心处；所述钻杆夹持器包括第二横杆和用于固定钻杆的夹持器，夹持器固定在第二横杆上，第二横杆通过第二旋紧螺栓与夹角量测器的外侧边连接，且夹持器横杆能够绕第二旋紧螺栓转动。所述外框架包括左竖杆和右竖杆，左竖杆和右竖杆的上下两端分别通过第一垂直连杆和第二垂直连杆连接，左竖杆和右竖杆的内侧均设有滑槽；所述内框架包括左滑杆和右滑杆，左、右滑杆分别通过滑槽与左竖杆和右竖杆滑动连接，左、右滑杆的下端通过第三垂直连杆连接；所述旋钮装置包括旋钮和旋杆；旋杆穿过左、右竖杆并与左、右滑杆相接触，旋杆和左、右滑杆的接触面通过相互啮合的齿相连。所述旋杆横截面为齿轮状，两端固定旋钮，旋杆穿过左、右竖杆并固定在左、右滑杆上，旋钮转动时，带动旋杆上齿条做圆周运动，通过与左、右竖杆上滑槽上表面齿条的咬合力实现左、右滑杆的同速伸缩。所述夹角量角器上设有刻度，该刻度为在90度范围被均匀划分且精度为I度。所述第三垂直连杆的右端设有夹角观测槽，该夹角观测槽与夹角量角器上的刻度相对应。所述倾角量测器上沿其圆周设置两半圆的倾角量测器刻槽，沿倾角量测器刻槽周边设有刻度，所述夹持器横杆上设有与倾角量测器刻槽相匹配的旋转导向轴。所述刻度在倾角量测器上水平两端设置为0度，竖直两端设置为90度，之间精度为I度。所述夹持器包括左、右夹持器。本发明还提供了一种地下工程施工钻孔产状组合量测方法，其具体工艺步骤如下I)根据钻杆与隧道或巷道侧壁空间关系确定合适的量测位置，确定侧壁与钻杆距离d ；2)旋转旋钮装置，左、右滑杆向外延伸，调整内框架外侧边距离侧壁长度至d，即夹持器大致达到了连接钻杆的位置；3)将横杆外侧边紧贴侧壁，若侧壁凹凸不平，在横杆与侧壁间垫一木板，确保横杆长边方向与隧道或巷道轴向平行，初步调整横杆，使气泡处于管水准器中心，即横杆呈水平状态，且轴向与隧道或巷道轴向平行；通过铰链转动调整可伸缩悬臂的外框架，使左滑杆及右中圆水准器气泡居中，使外框架处于与隧道或巷道中轴面相垂直的水平面内；铰链的旋转保证了装置可适应于侧壁弧度变化，满足不同位置的量测需要；旋转夹角量测器，使夹持器横杆达到可连接钻杆的位置；旋转钻杆夹持器使之与钻杆平行，将夹持器固定在钻杆上；4)微调旋钮，保证可伸缩悬臂矩形框架长度精确满足要求；微调铰链，使左右滑杆、中圆水准器气泡居中，使可伸缩悬臂处在平面严格水平；微调夹角量测器角度和钻杆夹持器角度，使夹持器横杆与钻杆严格平行，分别旋紧第一旋紧螺栓及第二旋紧螺栓，固定夹角量测器及钻杆夹持器位置；5)通过第二垂直连杆右端夹角观测槽读取数值，即为钻孔与隧道或巷道轴向夹角；读取旋转导向轴指示刻度，即为钻孔倾角。根据上述方法，若现场不具备直接读取的条件，在4)步骤后松动旋钮和夹持器，将量测装置取下，再进行读取数据。根据上述方法，根据隧道或巷道轴线方位角数据，计算钻孔方位角，求取钻孔产状；方位角计算时，应遵循“左减右加”的原则，即钻孔偏离在隧道或巷道轴线右侧，则钻孔方位角为轴线方位角与求取夹角之和；钻孔偏离在轴线方位左侧，则钻孔方位角为轴线方位与求取夹角之差；最终结果应加上或减去360度，并落在(T360度区间内。本发明利用面面角求解的几何原理，计算钻孔轴线所在平面与隧道或巷道中轴面夹角，利用夹持器横杆在钻孔轴线所在平面内的旋转计算钻孔倾角，原理方法具有普遍适用性。本发明用于任意产状钻孔放线，或施工钻孔的现场量测，方便快捷。本发明与挂线方位角测量法相比，通过刻度读数、计算确定钻孔方位角，操作过程简单，可快捷完成多个不同方位钻孔的测量和放线，而挂线法需要针对每个钻孔分别实施控制测量，过程繁琐，效率低。同时，本发明避免了挂线方位角测量法挂线过程中多次操作误差累计的缺点，具有高精度的优点。本发明与罗盘方位角测量相比，不受现场条件及磁偏角的影响，适应能力强，精度高，尤其适应于罗盘无法正常使用的金属矿山等环境。此外，本发明将钻孔方位角测量与倾角测量实现完好融合，可一次性测量钻孔方位角、倾角等产状，具有精度高、适应能力强、快捷方便及组合性的特点，可满足不同条件下钻孔产状的测量。
图1施工钻孔产状组合量测装置主体结构示意图；图2施工钻孔产状组合量测装置A-A’线断面图；图3施工钻孔产状组合量测装置B-B’线断面图；图4可伸缩悬臂矩形框架闭合及延伸图；图5夹角量测器及倾角量测器俯视图；图6倾角量测器刻度分布及量测示意图；图7旋杆与左滑杆/右滑杆接触面示意图；图8夹角量测器工作状态中的示意图；图9圆形倾角量测器工作状态中的示意图。其中，1.横杆；2.管水准器；3.铰链；4.第一垂直连杆；5-1.左竖杆,5-2.右滑杆，6-1.右竖杆，6-2.右滑杆，7.固定螺栓，8.圆水准器，9.旋钮，10.旋杆，11.左垂直连杆刻槽，12.右垂直连杆刻槽，13.螺栓，14.第一旋紧螺栓，15.夹角观测槽，16.夹角量测器，17.夹角量测器刻槽，18.圆形倾角量测器，19.倾角量测器刻槽，20.第二旋紧螺栓，21.夹持器横杆，22.第一夹持器,23.第二夹持器,24.第二垂直连杆,25.旋转导向轴,26.第三垂直连杆，27.钻杆。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1-7所示，一种施工钻孔产状组合量测装置，由侧壁水平固定器、可伸缩悬臂、夹角量测装置、钻杆加持器及倾角量测装置组成。所述的侧壁水平固定器由横杆I和铰链3构成，其中心处设置管水准器2 ;所述可伸缩悬臂由外框架和内框架组成，所述外框架包括左竖杆5-1和右竖杆6-1，左竖杆5-1和右竖杆6-1的上下两端分别通过第一垂直连杆4和第二垂直连杆24连接，左竖杆5-1和右竖杆6-1的内侧均设有滑槽；所述内框架包括左滑杆5-2和右滑杆6-2,左、右滑杆5-2、6-2分别通过滑槽与左竖杆5-1和右竖杆6-1滑动连接，左、右滑杆5-2、6-2的下端通过第三垂直连杆26连接；所述旋钮装置包括旋钮9和旋杆10 ;旋杆10穿过左、右竖杆5-1、6-1并与左、右滑杆5-2、6-2相接触，旋杆10和左、右滑杆5-2、6-2的接触面通过相互啮合的齿相连。所述旋杆10两端固定旋钮9，穿过左、右竖杆5-1、6-1并固定在左、右滑杆5-2、6-2上，通过旋钮转动9时旋杆10上齿条与滑槽上表面齿条间的咬合力使左、右滑杆5-2、6-2同速伸缩。左竖杆5-1和右竖杆6-1的中心位置均设置圆水准器8，左竖杆5-1和右竖杆6_1通过螺栓7与第一垂直连杆4、第二垂直连杆24组成稳固矩形框架。左、右滑杆5-2、6-2通过旋钮9和旋杆10沿左、右滑杆5-2、6-2内侧的凹槽同速伸缩；所述夹角量测装置包括1/4圆的夹角量测器16，90度范围被均匀划分且精度为I度。夹角量测器16的圆弧边上设有夹角量测器刻槽17，夹角量测器16外侧边一端通过螺栓13与左滑杆5-2的下端连接，另一端通过第一旋紧螺栓14与右滑杆6-2的下端连接，且第一旋紧螺栓14位于夹角量测器刻槽17内，工作时夹角量角测器16以螺栓13为中心转动，第一旋紧螺栓14在夹角量测器刻槽17内滑动，测量时，旋紧第一旋紧螺栓14以沿夹角量测器刻槽17固定夹角量测器16。所述第三垂直连杆26的右端设有夹角观测槽15，该夹角观测槽15与夹角量角器16上的刻度相对应，夹角观测槽15内显示刻度值即为钻孔夹角值。所述倾角量测装置包括倾角量测器18，倾角量测器18通过第二旋紧螺栓20垂直设置在夹角量测器16外侧边的中心处，且该夹角量测器16与内框架垂直。所述钻杆夹持器包括第二横杆21和用于固定钻杆的夹持器，夹持器固定在第二横杆21上，第二横杆21通过第二旋紧螺栓20与夹角量测器16的外侧边连接，且夹持器横杆21能够绕第二旋紧螺栓20转动。所述倾角量测器18上沿其圆周设置两半圆的倾角量测器刻槽19，倾角量测器刻槽19周边进行刻度划分，即水平两端设置为0度，竖直两端设置为90度，之间精度为I度。第二横杆21上焊接与倾角量测器刻槽19相匹配的旋转导向轴25。所述夹角量测器、倾角量测器及钻杆夹持器以第二旋紧螺栓20固定；所述钻杆夹持器由横杆21及第一夹持器22和第二夹持器23组成，第一夹持器22和第二夹持器23可根据钻杆直径大小进行调整。夹持器旋转时，所述旋转导向轴25在倾角量测器刻槽19内移动，旋转导向轴25指向刻度即为钻孔倾角值。为但于将内框架拉出和推进，在外框架第二垂直连杆24上设有与螺栓13相对应的左垂直连杆刻槽11，和与第一旋紧螺栓14相对应的右垂直连杆刻槽12。一种施工钻孔产状组合量测方法，其具体工艺步骤如下I)假设隧道轴线方位角为N25° E，施工钻孔开孔位置在隧道拱顶位置2)如图8所示，根据钻杆开孔点确定合适的量测位置，确定侧壁与钻杆距离d。2)旋转旋钮装置9，左、右滑杆5-2、6_2向外延伸，调整矩形框架长度至d，即第一夹持器22、第二夹持器23大致达到了连接钻杆的位置。3)将横杆I外侧边紧贴侧壁，初步调整横杆，使气泡处于管水准器3中心，即横杆I呈水平状态，且轴向与隧道轴向平行；通过铰链3转动调整可伸缩悬臂的矩形框架，使左竖杆5-1及右竖杆6-1中圆水准器8气泡居中，使矩形框架处于与隧道中轴面相垂直的水平面内；旋转夹角量测器16，使夹持器横杆21达到可连接钻杆的位置；旋转钻杆夹持器使之与钻杆27平行，将第一夹持器22、第二夹持器23分别固定在钻杆27上。4)微调旋钮9，保证可伸缩悬臂矩形框架长度精确满足要求；微调铰链3，使左、右竖杆5-1、6-1中圆水准器8气泡居中，使可伸缩悬臂处在平面严格水平；微调夹角量测器16角度和钻杆夹持器角度，使夹持器横杆21与钻杆27严格平行，分别旋紧第一、第二旋紧螺栓14、20，固定夹角量测器及钻杆夹持器位置。
5)如图9所示，垂直连杆24右端夹角观测槽15对应刻度值为45度，旋转导向轴25对应刻度值为30度，可确定钻孔所在平面与隧道中轴面夹角为45度，钻孔倾角为30度。6)钻孔轴线偏向隧道轴线右侧，根据“左减右加”原则，钻孔方位角为a =25+45=70度，因此可确定钻孔产状为70° Z 30°。
权利要求
1.一种地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于包括侧壁水平固定器、可伸缩悬臂、夹角量测装置、钻杆夹持器及倾角量测装置；所述侧壁水平固定器包括横杆(I)和铰链(3 )，横杆(I)上设置管水准器(2 );所述可伸缩悬臂包括内框架和外框架，外框架通过所述铰链(3)与横杆(I)连接，外框架上设置圆水准器(8)，外框架的两侧边上设有凹槽，内框架通过旋钮装置沿凹槽与外框架滑动连接；所述夹角量测装置包括1/4圆的夹角量测器(16)，夹角量测器(16)的圆弧边上设有夹角量测器刻槽(17)，夹角量测器(16)外侧边一端通过螺栓(13)与内框架连接，另一端通过第一旋紧螺栓(14)与内框架连接，且第一旋紧螺栓(14)位于夹角量测器刻槽(17)内，工作时夹角量角测器(16)以螺栓(13)为中心转动，第一旋紧螺栓(14)在夹角量测器刻槽(17)内滑动；所述倾角量测装置包括倾角量测器(18)，倾角量测器(18)通过第二旋紧螺栓(20)垂直设置在夹角量测器(16)外侧边的中心处；所述钻杆夹持器包括第二横杆(21)和用于固定钻杆的夹持器，夹持器固定在第二横杆(21)上，第二横杆(21)通过第二旋紧螺栓(20)与夹角量测器(16)的外侧边连接，且夹持器横杆(21)能够绕第二旋紧螺栓(20)转动。
2.根据权利要求I所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述外框架包括左竖杆(5-1)和右竖杆(6-1 )，左竖杆(5-1)和右竖杆(6-1)的上下两端分别通过第一垂直连杆(4)和第二垂直连杆(24)连接，左竖杆(5-1)和右竖杆(6-1)的内侧均设有滑槽；所述内框架包括左滑杆(5-2)和右滑杆(6-2)，左、右滑杆(5-2)、(6-2)分别通过滑槽与左竖杆(5-1)和右竖杆(6-1)滑动连接，左、右滑杆(5-2)、(6-2)的下端通过第三垂直连杆(26)连接；所述旋钮装置包括旋钮(9)和旋杆(10);旋杆(10)穿过左、右竖杆(5-1)、(6-1)并与左、右滑杆(5-2 )、( 6-2 )相接触，旋杆(10 )和左、右滑杆(5-2 )、( 6-2 )的接触面通过相互啮合的齿相连。
3.根据权利要求I所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述夹角量角器(16)上设有刻度，该刻度为在90度范围被均匀划分且精度为I度。
4.根据权利要求3所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述第三垂直连杆(26)的右端设有夹角观测槽(15)，该夹角观测槽(15)与夹角量角器(16)上的刻度相对应。
5.根据权利要求I所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述倾角量测器(18)上沿其圆周设置两半圆的倾角量测器刻槽(19)，沿倾角量测器刻槽(19)周边设有刻度，所述夹持器横杆(21)上设有与倾角量测器刻槽(19)相匹配的旋转导向轴(25)。
6.根据权利要求5所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述刻度在倾角量测器(18)上水平两端设置为O度，竖直两端设置为90度，之间精度为I度。
7.根据权利要求I所述的地下工程施工钻孔产状组合量测装置，其特征在于所述夹持器包括左、右夹持器(22)、(23)。
8.地下工程施工钻孔产状组合量测方法，其特征在于其具体工艺步骤如下 1)根据钻杆与隧道或巷道侧壁空间关系确定合适的量测位置，确定侧壁与钻杆距离d ； 2)旋转旋钮装置，左滑杆(5-2)、右滑杆(6-2)向外延伸，调整内框架外侧边距离侧壁长度至d，即夹持器大致达到了连接钻杆的位置；3)将横杆(I)外侧边紧贴侧壁，若侧壁凹凸不平，在横杆(I)与侧壁间垫一木板，确保横杆(I)长边方向与隧道或巷道轴向平行，初步调整横杆(1)，使气泡处于管水准器(2)中心，即横杆(I)呈水平状态，且轴向与隧道或巷道轴向平行；通过铰链(3)转动调整可伸缩悬臂的外框架，使左滑杆(5-1)及右滑杆(6-1)中圆水准器(8)气泡居中，使外框架处于与隧道或巷道中轴面相垂直的水平面内；旋转夹角量测器(16)，使夹持器横杆(21)达到可连接钻杆的位置；旋转钻杆夹持器使之与钻杆平行，将夹持器固定在钻杆上； 4)微调旋钮(9)，保证可伸缩悬臂矩形框架长度精确满足要求；微调铰链(3)，使左右滑杆(5-1)、(6-1)中圆水准器(8)气泡居中，使可伸缩悬臂处在平面严格水平；微调夹角量测器(16)角度和钻杆夹持器角度，使夹持器横杆(21)与钻杆严格平行，分别旋紧第一旋紧螺栓(14)及第二旋紧螺栓(20)，固定夹角量测器(16)及钻杆夹持器位置； 5)通过第二垂直连杆(24)右端夹角观测槽(15)读取数值，即为钻孔与隧道或巷道轴向夹角；读取旋转导向轴(25)指示刻度，即为钻孔倾角。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于若现场不具备直接读取的条件，在4)步骤后松动旋钮(9)和夹持器，将量测装置取下，再进行读取数据。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于根据隧道或巷道轴线方位角数据，计算钻孔方位角，求取钻孔产状；方位角计算时，应遵循“左减右加”的原则，即钻孔偏离在隧道或巷道轴线右侧，则钻孔方位角为轴线方位角与求取夹角之和；钻孔偏离在轴线方位左侧，则钻孔方位角为轴线方位与求取夹角之差；最终结果应加上或减去360度，并落在(Γ360度区间内。
全文摘要
本发明涉及一种地下工程施工钻孔产状组合量测装置，包括侧壁水平固定器、可伸缩悬臂、钻杆加持器、夹角量测器及倾角量测器。本发明还提供了地下工程施工钻孔产状组合量测方法。本发明研究了钻孔施工过程中其产状的量测装置，可以快速、准确量测钻孔轴线所在平面与隧道或巷道中轴面之间夹角及钻孔倾角，根据已知的隧道或巷道走向确定地下工程中施工钻孔的产状，即方位角及倾角。本发明操作简单、快捷、测量结果精度高，避免了钻孔产状量测过程中多次放线带来的累计误差，并极大提高了工作效率。
文档编号E21B47/022GK102979506SQ20121050766
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者张庆松, 张伟杰, 韩伟伟, 惠冰, 张连震, 王德明 申请人:山东大学