准确的测量数据是计算钻孔轨迹空间位置的基础。由于仪器和操作者自身的原因及孔内环境的影响,测量结果往往与真实情况有一定差别,即为测量误差。施工中应采取措施保证测量误差在允许范围内。
(一)减小仪器测量误差
误差理论把测量误差分为系统误差、随机误差和异常误差三类,都可以设法消除或减小。
1.系统误差及其消除方法
测量仪器的系统误差是指仪器出厂时总误差范围,即仪器测量精度。加工、组装、运输、使用环境等因素都会影响仪器的测量误差。
消除系统误差的方法是将仪器置于校验台上,通过重复测出不同顶角和360°范围内不同方位角的误差值及其重复状况,找出仪器系统误差范围及规律性,然后采用地表仪器读数补偿或求其修正值的办法来消除。
2.随机误差及其消除方法
受钻孔测量环境(温度、口径、钻孔轨迹形态等)、人的操作技能等因素影响,造成同点测值波动产生的误差称为随机误差。清除随机误差的主要方法是在同一测点进行多次测量。测值波动越大,重复测量次数就要越多,采用算术平均值或通过数理统计取得测量误差置信区,以减小钻孔测量中的随机误差。
3.异常误差及其消除方法
异常误差是仪器故障(绝缘性差、钻孔中撞击损坏等)、人为错误等粗大误差,使读数重复性差值大,且无规律性。应查明原因后在统计数据中予以剔除。
4.减小钻孔轨迹参数测量误差的其他方法
1)在确保孔内测量安全的前提下,减小测量仪器与钻孔间的环状间隙;有条件时测量仪上下安装扶正器,以确保仪器轴线与钻孔一致。
2)适当增加井下仪探管长度,给短仪器加配长杆,给轻探管加配重管。
3)将磁性测量仪放置在无磁钻杆中,或在测量时将绳索取心钻杆上提,使仪器露出钻头一段距离(一般大于5m)避让铁磁物质的影响。
4)条件允许时,在仪器下放和上提过程中各测量一次,然后取两组数据的平均值。对于精度要求较高的钻孔,可选择两种以上仪器对比测量,分析测量数据的可信度。若结果都在允许误差范围内,取测量精度高的测量数值或取平均值。
(二)合理的选择钻孔测量间距
钻孔测量间距也是影响钻孔轨迹测量精度的一个指标。如表7-4、表7-5所列,测距越密误差越小。尤其施工受控定向孔、自然弯曲严重的钻孔更应加密测量间距,提高钻孔轨迹控制精度。
表7-4 NLSD-1孔易斜、纠斜孔段50m间距测斜参数及坐标计算表
表7-5 NLSD-1孔易斜、纠斜孔段10m间距测斜参数及坐标计算表
例如,NLSD-1孔800～1000m易斜、纠斜段采用KXP-2型测斜仪测量,分别选择50m、10m测量间距,并进行坐标计算对比(表7-6)。在200m孔段内X、Y、Z坐标累计误差差值分别为0.269m、0.246m、0.063m。表明,在易斜或纠偏孔段测量间距越大,钻孔轨迹坐标误差越大;在钻孔各测点全弯曲角变化越大的情况下,测距越小,钻孔轨迹坐标值误差越小,反之越大;在全弯曲角变化不大的孔段,测距大小对钻孔轨迹坐标误差影响较小。
表7-6 测量间距分别为10m、50m时对应孔深累计坐标误差差值
(三)提高小顶角钻孔方位角测量精度的措施
据规范要求,垂直钻孔顶角≤5°时可不测方位角。所以在垂直孔施工中,只测钻孔的小顶角,无方位角,无法确定钻孔轨迹方向,只能凭地质人员主观推论。这对浅孔影响不大,但对深部钻探将产生显著影响。
假如,设计1000m孔深的垂直孔,以0.5°/100m的增斜率终孔为5°,那么终孔轨迹的水平偏移约43.6m。若3000m钻孔终孔顶角为5°(假设方位角不变,只有顶角变化0.17°/100m),水平偏距约为133.3m。地质人员如何来作钻孔轨迹水平投影图,也是一个难题。在矿区普查中,只有多布孔才能推断矿体真实形态。经验表明,有些经详查和勘探验证的陡矿体、异形矿体的产状、空间形态与普查阶段获得的地质资料差异较大,这与普查阶段的测斜方法和精度有很大关系。
针对这一问题,我们进行了大量试验研究工作。在同一条件下,用常规测斜仪器测量顶角0.3°～5°的钻孔方位角,探求误差范围和规律。在同点每回次进行多次(≥30次)测量,并在地表校验台上以同点参数进行验证,求得均差值。其结果是:钻孔顶角在0.3°≤θ≤1°时,方位角误差Δα≤±15°;1＜θ≤5°时,Δα≤±4°;θ＞5°时,Δα≤±2°,如图7-15所示。利用这一规律,在几个普查矿区垂直孔施工中,我们均在钻孔顶角θ≥0.3°时,也测量方位角,并提供给地质人员。分析矿区勘探资料表明:所施工钻孔的测斜精度较高,由多孔资料相互验证揭示的矿体产状、空间形态较为准确,使地质布孔更为科学,也降低了矿区勘探成本。
图7-15 钻孔小顶角测斜方位角误差范围
A—钻孔实际方位;BC—方位角误差范围
在矿山工程孔施工中,采用这种方法也取得了较高的测量精度。近年来,我们在安徽霍邱铁矿吴集、草楼两矿区相继施工了6组12个尾砂充填孔,完成总工作量2520.20m,平均孔深210m,钻孔实测终孔最大偏斜率0.49%,最大水平偏距1.11m。针对这些小顶角钻孔,我们选择KXP-1型轻便式钻孔测斜仪和STL-1GW型陀螺仪两种仪器,用同点多次测量求平均值的方法提供钻孔方位角,以获取钻孔参数。各孔终孔实测参数坐标计算结果见表7-7。
表7-7 充填孔施工实际钻孔坐标计算结果
注:表中钻孔实际坐标ΔZ值应加上开孔处绝对高程,表中θ、α分别为钻孔终孔顶角和方位角,ΔX、ΔY、ΔZ为坐标实际增量,∑S为钻孔最大水平偏距。
施工的12个钻孔,经矿山按据实测值计算的坐标在井下巷道内开挖,均准确地找到了实际钻孔孔底,最大误差只有0.3m。由此表明,在小顶角情况下用常规测斜仪同点多次测量,去除异常值,采用算术平均法求得方位角值能提高钻孔坐标测量精度。