本發(fā)明屬于破成井方法，具體涉及一種基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法和爆破成井方法。

背景技術(shù)：

1、在爆破成井過(guò)程中，鉆鑿大量垂直炮孔是必不可少的步驟。然而，炮孔在施工過(guò)程中常常會(huì)發(fā)生偏斜，這種偏斜會(huì)導(dǎo)致孔口孔底抵抗線不一致，進(jìn)而引發(fā)諸如巖體拒爆懸頂、爆破過(guò)于集中或提前衰減等問(wèn)題，最終影響天井成型效果。

2、炮孔偏斜的影響因素眾多，除了鑿巖設(shè)備本身的制造水平及定位精度外，鉆頭軸壓控制、巖體構(gòu)造和巖石性質(zhì)的變化都會(huì)對(duì)鉆孔偏斜產(chǎn)生影響。特別值得注意的是，在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，這種影響更為顯著。

3、節(jié)理裂隙可以被視為一種硬度為零的軟巖，形成了一種特殊的軟硬互層面。在鉆孔過(guò)程中，當(dāng)鉆頭遇到這種軟硬互層面時(shí)，會(huì)受到不平衡力和力矩的作用，導(dǎo)致鉆頭逐漸產(chǎn)生漂移，最終造成鉆孔偏斜。對(duì)于節(jié)理裂隙較為發(fā)育的礦山而言，這種影響尤為突出，甚至可能成為炮孔偏斜的主導(dǎo)因素。

4、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆孔偏斜對(duì)于提高鑿巖精度、保障工程質(zhì)量和提升施工效率具有重要意義。通過(guò)預(yù)測(cè)，可以在鉆孔施工前就掌握待預(yù)測(cè)鉆孔的偏斜率，從而更加合理地規(guī)劃和調(diào)整鉆孔設(shè)計(jì)方案，必要時(shí)甚至可以重新選定鑿巖區(qū)域。

5、然而，目前針對(duì)鉆孔偏斜的預(yù)測(cè)方法尚不完善。傳統(tǒng)方法主要依賴于鑿巖工人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)設(shè)備型號(hào)及成井區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性判斷，缺乏科學(xué)性和精確性，難以為施工決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

6、雖然已有一些技術(shù)方案嘗試解決這個(gè)問(wèn)題，如中國(guó)發(fā)明專利cn116677370a公開的一種基于歷史鉆探數(shù)據(jù)的鉆孔偏斜程度預(yù)測(cè)方法及裝置。但該方案仍存在明顯不足：它需要大量的歷史鉆探數(shù)據(jù)，包括歷史鉆孔的鉆桿參數(shù)、巖層參數(shù)和實(shí)時(shí)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于大多數(shù)礦山來(lái)說(shuō)難以在短時(shí)間內(nèi)獲取。此外，該方案還需要獲取多個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的鉆頭實(shí)時(shí)位置和速度等參數(shù)，而大部分礦山的鑿巖設(shè)備智能化程度不足，無(wú)法滿足這一要求。

7、特別是對(duì)于節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法往往難以準(zhǔn)確把握其特殊性，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。這不僅影響了施工效率，還可能帶來(lái)安全隱患。

8、因此，亟需開發(fā)一種專門針對(duì)節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)背景技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其通過(guò)巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描獲得成井區(qū)域巖體節(jié)理信息，包括節(jié)理傾向、傾角、間距；構(gòu)建考慮節(jié)理產(chǎn)狀的豎直向下鑿巖的鉆頭力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域的科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明公開了一種基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，在成井區(qū)域?qū)Y(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙進(jìn)行非接觸掃描，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組；基于優(yōu)勢(shì)節(jié)理組構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型，基于二維節(jié)理巖體模型確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組中各個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位；確定對(duì)每個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔工序時(shí)鉆頭穿越各節(jié)理界面時(shí)的狀態(tài)參數(shù)；當(dāng)鉆頭通過(guò)節(jié)理裂隙且鉆頭發(fā)生偏載時(shí)，基于狀態(tài)參數(shù)和鉆頭的受力分析確定炮孔偏斜率。

3、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，在成井區(qū)域?qū)Y(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙進(jìn)行非接觸掃描的方法包括，s1，節(jié)理掃描點(diǎn)位確定；s2，節(jié)理裂隙非接觸掃描。

4、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，s1中，在成井區(qū)域上下部巷道均劃分約50～100m作為節(jié)理掃描區(qū)域，并選擇10～20處節(jié)理裂隙發(fā)育，且未進(jìn)行噴漿支護(hù)的點(diǎn)位作為節(jié)理掃描點(diǎn)位。

5、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，s2中，s21，將標(biāo)桿垂直地表立于所測(cè)巖體前，測(cè)量標(biāo)桿控制點(diǎn)間距a；s22，采用智能手機(jī)或相機(jī)在左右兩個(gè)位置對(duì)巖體照相，鏡頭離所測(cè)巖體的距離d以及兩次成像位置之間的距離b需滿足關(guān)系：b＝d/8～d/5；s23，用羅盤測(cè)量所測(cè)巖體面的傾角及傾向；s24，將所獲取的左右視圖導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，通過(guò)基準(zhǔn)標(biāo)定、像素點(diǎn)匹配、圖像變形偏正糾正，合成巖體表面三維圖像；s25，輸入標(biāo)桿控制點(diǎn)間距a及巖體面的傾角、傾向，使三維圖像的方位和尺寸、距離真實(shí)化；s26，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別、分組、分析，導(dǎo)出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果，獲取優(yōu)勢(shì)節(jié)理組及其產(chǎn)狀，產(chǎn)狀包括傾角α、傾向φ、間距h。

6、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型的方法包括：

7、節(jié)理裂隙現(xiàn)場(chǎng)掃描及數(shù)據(jù)處理完成后，共得到q組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，其中第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的傾角αi、傾向間距hi，其中i∈{1,2,3,...,q}，天井高度為h，則鉆頭在鉆鑿過(guò)程中穿過(guò)第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的次數(shù)mi計(jì)算公式如下：

8、

9、鉆頭在穿越全部節(jié)理組的總次數(shù)記為m，計(jì)算公式如下：

10、

11、結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描得到的多組優(yōu)勢(shì)節(jié)理產(chǎn)狀，以天井中部為對(duì)稱軸，將i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理按傾角及間距對(duì)稱布置，構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型。

12、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，在鉆孔過(guò)程中，鉆頭從上到下依次穿過(guò)第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的點(diǎn)位為oi1、oi2、…、oij，其中oij表示鉆頭第j次穿越第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理時(shí)的點(diǎn)位，其中j∈{1,2,3,...,mi}，當(dāng)鉆頭穿過(guò)點(diǎn)位oij時(shí)，在節(jié)理巖體內(nèi)鉆桿長(zhǎng)度lij的計(jì)算公式為：

13、

14、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，所述狀態(tài)參數(shù)包括索引參數(shù)、節(jié)理參數(shù)、位置參數(shù)和偏斜參數(shù)，索引參數(shù)k為鉆頭鉆鑿到oij點(diǎn)位時(shí)所穿過(guò)節(jié)理的次數(shù)，k∈{1,2,3,...,m}；三個(gè)節(jié)理參數(shù)lk、αk、為鉆頭第k次穿過(guò)節(jié)理的參數(shù)，四個(gè)位置參數(shù)xk、yk、為鉆頭目前狀態(tài)相對(duì)與原始設(shè)計(jì)位置的坐標(biāo)，四個(gè)偏斜參數(shù)δxk、δyk、為當(dāng)前節(jié)理對(duì)鉆頭的偏斜量。

15、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，炮孔偏斜率s：

16、其中xm、ym為鉆孔經(jīng)過(guò)q組優(yōu)勢(shì)節(jié)理后的偏斜坐標(biāo)。

17、本發(fā)明還公開了爆破成井方法，在井體內(nèi)的節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工，施工前基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法確定炮孔偏斜率s，施工鉆孔時(shí)，基于炮孔偏斜率s補(bǔ)償鉆頭的偏斜。

18、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，井體包括切割井、風(fēng)井、溜井。

19、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明首先采用巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描技術(shù)獲取成井區(qū)域巖體的優(yōu)勢(shì)節(jié)理及產(chǎn)狀，繼而構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型，并定義了包含索引參數(shù)、節(jié)理參數(shù)、位置參數(shù)和偏斜參數(shù)的鉆頭狀態(tài)參數(shù)。通過(guò)構(gòu)建考慮節(jié)理產(chǎn)狀的豎直向下鑿巖的鉆頭力學(xué)模型，本方法實(shí)現(xiàn)了在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域的科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)。由于該方法基于現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理實(shí)測(cè)情況構(gòu)建鉆頭力學(xué)模型，因此顯著減少了炮孔偏斜預(yù)測(cè)的不確定性。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明不僅提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，還為在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域進(jìn)行鉆孔施工提供了可靠的依據(jù)。此外，該方法無(wú)需依賴大量歷史鉆探數(shù)據(jù)和高度智能化的鑿巖設(shè)備，具有廣泛的適用性和實(shí)用價(jià)值，為優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)方案、提高施工質(zhì)量和效率提供了有力支持。

技術(shù)特征：

1.一種基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在成井區(qū)域?qū)Y(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙進(jìn)行非接觸掃描，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組；基于優(yōu)勢(shì)節(jié)理組構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型，基于二維節(jié)理巖體模型確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組中各個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位；確定對(duì)每個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔工序時(shí)鉆頭穿越各節(jié)理界面時(shí)的狀態(tài)參數(shù)；當(dāng)鉆頭通過(guò)節(jié)理裂隙且鉆頭發(fā)生偏載時(shí)，基于狀態(tài)參數(shù)和鉆頭的受力分析確定炮孔偏斜率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：在成井區(qū)域?qū)Y(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙進(jìn)行非接觸掃描的方法包括，s1，節(jié)理掃描點(diǎn)位確定；s2，節(jié)理裂隙非接觸掃描。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：s1中，在成井區(qū)域上下部巷道均劃分約50～100m作為節(jié)理掃描區(qū)域，并選擇10～20處節(jié)理裂隙發(fā)育，且未進(jìn)行噴漿支護(hù)的點(diǎn)位作為節(jié)理掃描點(diǎn)位。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：s2中，s21，將標(biāo)桿垂直地表立于所測(cè)巖體前，測(cè)量標(biāo)桿控制點(diǎn)間距a；s22，采用智能手機(jī)或相機(jī)在左右兩個(gè)位置對(duì)巖體照相，鏡頭離所測(cè)巖體的距離d以及兩次成像位置之間的距離b需滿足關(guān)系：b＝d/8～d/5；s23，用羅盤測(cè)量所測(cè)巖體面的傾角及傾向；s24，將所獲取的左右視圖導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，通過(guò)基準(zhǔn)標(biāo)定、像素點(diǎn)匹配、圖像變形偏正糾正，合成巖體表面三維圖像；s25，輸入標(biāo)桿控制點(diǎn)間距a及巖體面的傾角、傾向，使三維圖像的方位和尺寸、距離真實(shí)化；s26，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別、分組、分析，導(dǎo)出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果，獲取優(yōu)勢(shì)節(jié)理組及其產(chǎn)狀，產(chǎn)狀包括傾角α、傾向φ、間距h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型的方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：在鉆孔過(guò)程中，鉆頭從上到下依次穿過(guò)第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理的點(diǎn)位為oi1、oi2、…、oij，其中oij表示鉆頭第j次穿越第i組優(yōu)勢(shì)節(jié)理時(shí)的點(diǎn)位，其中j∈{1,2,3,...,mi}，當(dāng)鉆頭穿過(guò)點(diǎn)位oij時(shí)，在節(jié)理巖體內(nèi)鉆桿長(zhǎng)度lij的計(jì)算公式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：所述狀態(tài)參數(shù)包括索引參數(shù)、節(jié)理參數(shù)、位置參數(shù)和偏斜參數(shù)，索引參數(shù)k為鉆頭鉆鑿到oij點(diǎn)位時(shí)所穿過(guò)節(jié)理的次數(shù)，k∈{1,2,3,...,m}；三個(gè)節(jié)理參數(shù)lk、αk、為鉆頭第k次穿過(guò)節(jié)理的參數(shù)，四個(gè)位置參數(shù)xk、θxoyk、yk、θyozk為鉆頭目前狀態(tài)相對(duì)與原始設(shè)計(jì)位置的坐標(biāo)，四個(gè)偏斜參數(shù)δxk、δyk、δθxoyk、δθyozk為當(dāng)前節(jié)理對(duì)鉆頭的偏斜量。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法，其特征在于：炮孔偏斜率s：

9.一種爆破成井方法，其特征在于：基于如權(quán)利要求1-8所述的基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法確定炮孔偏斜率s，在鉆孔時(shí)基于炮孔偏斜率s補(bǔ)償。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的爆破成井方法，其特征在于：井體包括切割井、風(fēng)井、溜井。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于爆破井體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于巖體結(jié)構(gòu)面非接觸掃描的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)方法和爆破成井方法，本發(fā)明在成井區(qū)域?qū)Y(jié)合巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙進(jìn)行非接觸掃描，確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組；基于優(yōu)勢(shì)節(jié)理組構(gòu)建二維節(jié)理巖體模型，基于二維節(jié)理巖體模型確定優(yōu)勢(shì)節(jié)理組中各個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位；確定對(duì)每個(gè)優(yōu)勢(shì)節(jié)理點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔工序時(shí)鉆頭穿越各節(jié)理界面時(shí)的狀態(tài)參數(shù)；當(dāng)鉆頭通過(guò)節(jié)理裂隙且鉆頭發(fā)生偏載時(shí)，基于狀態(tài)參數(shù)和鉆頭的受力分析確定炮孔偏斜率。本發(fā)明能夠在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域的科學(xué)、精準(zhǔn)、高效的鉆孔偏斜預(yù)測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：梅林芳,宋衛(wèi)東,毛少波,夏文浩,譚玉葉,何志義
受保護(hù)的技術(shù)使用者：武鋼資源集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6