无线光纤陀螺测斜仪和计米器在钻孔测斜中的应用

许国明，邵兴隆

（四川省地质矿产勘查开发局四0 二地质队，四川成都 611730）

传统的测斜仪多为不防磁的罗盘测斜仪，由于价格便宜，罗盘测斜仪在当今地勘测斜行业仍占有较大比重。在用罗盘测斜仪对钻孔进行测斜时需要拔出钻杆或将测斜仪伸出钻杆底部一段距离进行裸孔测量，以排除铁质钻杆的干扰；在含磁性岩石或电磁干扰大的地区，罗盘测斜仪由于不防磁只能测倾角而不能测方位，大大降低了对钻孔的监测和指导意义；加之裸孔测斜时孔壁难以保证平整和坚固，时常有掉块、垮孔而使得测斜仪损毁的事故出现，而后续打捞被卡测斜仪时容易遭成更大的孔内事故而导致整个钻孔的报废，从而造成较大的经济和财产损失；传统测斜方法主要采用打捞钢绳加测斜仪的组合进行定点深度的测斜，在钻进过程中每隔一定距离将测斜仪通过打捞钢绳放入孔底进行测量，若想对任意深度进行测斜，则需人工丈量放入孔内钢绳的长度，以确定测斜仪的位置，测量效率低、误差大，后续虽出现了改良型的自带可读数钢绳绞盘的陀螺测斜仪，但外置的钢绳笨重，需在各钻机之间来回搬运，人工和时间成本高。综上，传统的测斜方法精度差、测量劳动强度大、易出孔内事故，不能适应现代工程对于高精度快速钻孔测斜的要求。本文将介绍一种新的测斜仪器和测量方法，采用无线光纤陀螺测斜仪和计米器的组合，利用钻机自带的打捞钢绳及提升系统，在不提钻杆的情况下，实现了对某铁多金属矿钻孔轨迹的一次性准确测量。

2 新的测斜装置及效果

2.1 测斜装置

新测斜装置由三大系统构成：无线光纤陀螺测斜仪、计米器和钻机打捞提升系统（图1）。无线光纤陀螺测斜仪负责对钻孔倾角及方位角的测量，计米器负责实时显示测斜仪所处的孔深，钻机打捞提升系统负责将测斜仪提升或放入钻孔内的特定位置。开始进行连续测斜时，先通过掌上机蓝牙连接测斜仪，进行GPS定位并设置测量参数，以便满足测量要求，如将测斜仪设置成间隔每2分钟测量一次，每次测量时长为1分钟；设置好后即可开始测量，测量的深度体则显示在计米器上，如测量间隔为20m，则需在仪器测量时间间隔2分钟内将仪器从孔口放置到20m的位置，以此类推完成整个钻孔的测量。若想进行单次测量则设置测斜仪为特定的某个时间开始测量。该套测斜装置中，打捞提升系统每个钻机都有，故而有测量需求时测斜仪和计米器可以移动到下一个钻机进行配套测量，测斜仪和计米器重量轻、体积小、灵活方便，大大省去了搬运成本。

图1 新型测斜装置构成示意图

2.2 主要仪器

（1）无线光纤陀螺测斜仪

光纤陀螺仪（fibreopticgyroscope）是一种利用萨格奈克（Sagnac）效应测量测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表［1］。与其他陀螺仪相比光纤陀螺仪具有价格低、可靠性高、环境适应性强、动态误差小等优点（表1），随着工艺和信号处理方案的发展，精度也可以和激光陀螺相当［2］。

无线光纤陀螺测斜仪以小型化的光纤陀螺仪为主要部件［3］，主要由陀螺仪探棒和一个掌上机组成，两个设备之间通过蓝牙进行连接。探棒用来测量和采集钻孔的倾角和方位数据，掌上机用于设置测量参数和读取测量数据。无线光纤陀螺测斜仪不靠地磁进行方位的测量而是采用自寻北的方式测量方位，其工作原理是通过陀螺仪测量地球自转速度（15°/小时），结合测量地区的纬度值，计算出当地的地球自转分量，从而得出方位。

表1 各类陀螺仪性能对比表

（2）计米器

新的测斜装置采用的计米器为线缆计米器，线缆计米器分为机械式和电子式两类，实际工作中又分激光计米器、履带式计米器和轮式计米器［4-5］。

本次测量采用的是轮式线缆计米器，它主要由压线轮和电子计数器组成，电子计数器与压线轮同步，从电子计数器上可反应钢绳放入钻孔的深度。本次采用外圆周长为0.5m的压线轮，钢绳带动压线轮每转动1周，电子计数器计数1次，并在通过计数器内部换算后再面板上显示0.5m。工作时将测斜仪连接到钢绳上并放置到孔口，使计数器清零即可开始测量。

（3）测斜效果

本次测量的钻孔为铁多金属矿勘查钻孔，见矿段岩石带有磁性，故选用新型防磁的无线光纤陀螺测斜仪进行测斜，并通过在钻机上加装计米器开展测量工作。使用新设备和新装置后，本次工作顺利实现了对钻孔轨迹的一次性准确测量。

以孔深660.25m的斜孔为例，规范要求的测斜间距为每50m，按该间距，用无线光纤陀螺测斜仪进行测量，在没有加装计米器时，连续测完整个钻孔需要至少8小时，劳动强度大，且测出的钻孔轨迹平滑度较差。无线光纤陀螺测斜仪和计米器组合后，设置测斜间距到20m，测完整个钻孔仅需要不到2小时，劳动强度低，测出的钻孔轨迹更加平滑。无线光纤陀螺测斜仪的倾角误差±0.1°，方位误差±1°，计米器的测量误差控制在3‰以内，均满足规范的测量精度要求，效果令人满意。

3 结论

通过使用新型防磁抗干扰的无线光纤陀螺测斜仪，在原钻机上加装计米器使得测量精度和劳动强度大大降低，使得测出的钻孔轨迹更为平滑，得到了满意的高精度测斜效果，有效的监测了钻孔的施工质量，对后续勘查施工提供了有力的支持。