1、第七章 钻孔弯曲第一节 概述为了探明地下矿产资源而施工的每一个钻孔，都必须按地质设计的要求，准确地钻到预计的空间位置或矿体部位。但是，在钻孔施工过程中，由于种种原因，经常会使钻孔轴线偏离既定的空间位置，发生程度不同的钻孔弯曲。钻孔弯曲是钻探质量优劣的重要指标之一。因此，了解钻孔弯曲情况，分析弯曲原因，找出弯曲规律，采取一切措施防止钻孔弯曲或将钻孔弯曲控制在一定范围内是钻探工作的一项艰巨任务。一、钻孔的空间位置钻孔轴线在空间的位置称为钻孔轨迹。钻孔轨迹可能是直线、曲线或直线和曲线混合。直线分垂直线、倾斜线和水平线；曲线分平面曲线和空间曲线。在地质勘探中，常设计直线型和平面曲线型孔。（一）直线型钻
2、孔为了研究钻孔的空间位置。一般采用三维空间坐标系。坐标系的原点代表孔口，x轴代表南北方向，y 轴代表东西方向，z轴代表铅直方向。对于直线型钻孔来说，钻孔的孔口坐标，开孔顶角和方位角三者就完全决定了钻孔轨迹（见 图 7-1）。 图 0-1 直线型钻孔轨迹图孔口位置即开孔点，通常由地形测量或矿山测量确定。顶角是钻孔轴线与铅垂线之间的夹角。它的余角（90-）称为钻孔倾角。当0时，钻孔为垂直孔； 90时，钻孔为水平孔；0 90时，钻孔为倾斜孔。方位角是钻孔轴线的水平投影与正北方向之间的夹角。从正北方向起按顺时针方向计算。用罗盘测量钻孔方位角时，测得的数值为磁方位角，应该加入钻孔所在地的磁偏角修正值，换
3、算成真方位角（即地址方位角）。方位角变化范围为0360。测斜的孔深是指孔口到测点钻孔轴线的长度。在直线型钻孔情况下，钻孔轴线上任一点的坐标按下式计算，（0- 1）0sincoAAoxLyzzAz 0L Acos式中：x 0，y 0，z 0孔口坐标；xA，y A，z A钻孔轴线上点A的坐标；开孔顶角；开孔方位角；LA孔口至测点以钻孔轴线的长度。在勘探矿床时，通常钻孔沿勘探线布置，勘探线的方位角与钻孔开孔方位角一致，这时钻孔轨迹的水平投影与勘探线相吻合，而孔身的剖面就代表钻孔的真实位置。（二）曲线型钻孔 对于曲线型钻孔来说，钻孔轨迹上的每一点可能具有不同顶角和方位角。在这种情况下，钻孔轨迹上任一点
4、的顶角应理解为该点钻孔轴线的切线与铅垂线的夹角；而方位角则是该点钻孔轴线切线的水平投影与正北方向的夹角，见 图 7-2。如果钻孔轨迹只有顶角变化，而无方位角变化，则这样的钻孔轨迹是垂直平面内的曲线。顶角变化亦称为顶角弯曲。顶角增大时，称顶角上漂；顶角减小时，称顶角下垂。在这种情况下钻孔轨迹的水平投影是一直线，而它的剖面是一曲线。这种曲线可能拟合为单一的圆弧、抛物线或其它曲线；也可能拟合为不同直径的圆弧或其它曲线组成的复杂曲线。如果钻孔轨迹既有顶角变化，又有方位角变化，则这样的钻孔轨迹既可能是空间曲线，也可能是倾斜平面内的曲线。方位角变化称为方位弯曲。方位角增大时，方位弯曲为正值；方位角减小时，
5、方位弯曲为负值。在这种情况下，钻孔轨迹的水平投影和孔身剖面都是曲线。如果只有方位角变化，而无顶角变化，则钻孔轨迹呈螺旋状，为一空间曲线。对于曲线型钻孔，钻孔轨迹上每一点坐标可按曲线形状具体计算。为了方便起见，在生产实践中有时把曲线化为折线。用均角全距法进行计算。 图 7-3。 图 0-2 曲线型钻孔轨迹图图 0-3 曲线型钻孔轨迹坐标按折线计算图（0- 2）1110110sincos2icos2iiini iininixlyzl 式中：x 0，y 0，z 0孔口坐标，m ；l测点间距，m；i测点的顶角（）；i测点的方位角（）；i测点编号；n测点数。（三）钻孔轨迹弯曲程度为了说明曲线型钻孔轨迹的
6、弯曲程度，采用弯曲强度（简称弯强）的概念。单位孔身长度的顶角变化，称为顶角弯强。单位孔身长度的方位角变化，称为方位角弯强。弯强与数学上曲率的概念等同。前者的单位是（）/m；后者的单位是rad/m。顶角弯强用i 表示。若某一孔段顶角变化均匀，则有：（）/m （0- 3）iL式中： 相邻两测点顶角的增量，（ ）；L相邻两测点的孔身长度，m。方位角弯强用i表示。若某一孔段方位角变化均匀。则有：（）/m （0- 4）iL式中：相邻两测点方位角的增量，（0）；L相邻两测点的孔身长度，m。如果把既有顶角变化、又有方位角变化的钻孔轨迹看成是钻进速度向量变化的轨迹，则在某一孔段这种向量的变化，反映了钻孔轴线的
7、全弯曲角。全弯曲角用下式计算。见 图 7-4：（0- 5）1212cos式中：相邻两测点之间的全弯曲角；1， 1， 1上测点A钻进速度方向分别与X，Y，Z 轴方向之间夹角的余弦；2， 2， 2下测点B钻进速度方向分别与X，Y，Z 轴方向之间夹角的余弦。由式7-1知：； （0- 6）11sinco22sinco式中： 1， 1上测点A的顶角和方位角，（ ）；2， 2下测点B的顶角和方位角，（ ）。将7-6代入7-5 ，就得到： 121212cosincsicosinsisncos而 ，所以有：122()co（0- 7）112i（） （0- 8）2coscsns经过变换和整理7-7式可以写成： 2
8、221iniii式中： 1、 分别为上、下两测点的顶角差值和方位角差值，（）。亦即：（） （0- 9）1221sinisinsi 钻孔轨迹的全弯强是单位孔身长度的全身变化量，即：（ ）/m （0- 10）iL式中：相邻两测点全弯曲角，（）；L相邻两测点的孔身长度，m。图 0-4 曲线型钻孔某段全弯曲角和全弯强计算图例如，有一钻孔的轨迹为空间曲线，上测点的顶角 15 ，方位角 130；下测点顶角 28，方位角 241 。两测点同孔身长度L =25m。求该段钻孔的顶角弯强、方位角弯强和全弯强。 0211212100085./43.4coscsinsco58i58(43).1/ftgiLmi Lm
9、钻孔轨迹弯强与曲率的关系为：（0- 11）7iKR式中：i弯强，（）/m；K曲率，rad /m；R曲率半径，m。曲线钻孔各点的切线与铅垂线所组成的垂直平面称为终点平面。因此，垂直孔没有终点平面；倾斜直线孔，只有一个终点平面，该平面与钻孔方位一致；当钻孔只发生顶角弯曲，而无方位角弯曲时，也只有一个终点平面；当钻孔发生方位角弯曲时，在钻孔不同点终点平面有自己的方向，这一方向与开孔方位角不同。（四）钻孔弯曲度在施工过程中，凡是钻孔实际轴线偏离了设计的钻孔轴线（包括顶角和方位），都叫做钻孔弯曲。简称为孔斜。钻孔弯曲度，就是实际钻孔轴线偏离设计钻孔轴线的度数或程度。它是衡量钻探质量的重要指标之一。在施工
10、过程中，对各种类型的钻孔轴心线允许偏离的范围是根据各项工程的性质与要求确定的。地质岩心钻探操作规程规定：钻孔顶角的最大允许弯曲度，在每100m间距内，直孔不得超过2，斜孔不得超过3，随着钻孔的加深可以递增计算。钻孔方位角的最大允许偏离度，应根据钻孔的深度和矿床的类型等情况而定。如勘探煤矿的钻孔，其方位角的偏离规定为：不超过设计方位20 的为甲级钻孔，不超过30的为乙级钻孔。目前，有的队也以见矿点不超过勘探网距1/3 1/4 为标准来衡量。二、钻孔弯曲的影响钻孔弯曲度若超过了地质设计的要求，不仅给钻进工作带来很多困难，重要的是对地质勘探成果造成严重的危害。（一）在地质工作方面。钻孔过度弯曲不仅会
11、降低取心质量，而且不能穿过预定的见矿点，或者从设计的勘探线偏到另一条勘探线，从而得不到符合客观实际的地质资料，造成地质情况失真，影响对矿床的合理评价，也给矿山开采设计带来错误。例如 图 7-5所示的情况。（1）钻孔弯曲不能按设计要求穿过预定的构造带（未发现断层）时。会使地质构造的形态和位置被歪曲，如 图 7-5a所示。（2）钻孔弯曲使控矿的间距减小或增加时，会造成矿产储量计算失真。 图 7-5b为控矿间距减小，就会减少可计算的矿产储量；图7-5c右为控矿间距增大，会使储量级别降低。（3）钻孔弯曲未见到矿时，会使预计要见到的矿层被打漏掉。如 图 7-5c所示。（4）钻孔顺层跑，与矿体平行钻进时，
12、就不能穿透矿体，歪曲矿体厚度，如 图 7-5d所示。（5）相邻两个钻孔，若相向弯曲时，可能把小矿体歪曲成大矿体。如 图 7-5e所示。（二）在钻探工作方面图 0-5 钻孔弯曲对地质成果的影响情况（1）钻孔弯曲过大，钻具回转阻力增大，造成钻具在孔内回转困难。（2）钻孔弯曲过大，容易引起钻具折断，同时升降钻具、起下套管也很困难。（3）因钻具的一部分紧贴孔壁，难于确定合理的真实的孔底钻压，压力损失大，不仅增大了动力消耗，而且金刚石钻进开不出高转速。（4）弯曲严重的孔段，如岩（矿）层破碎不完整，受钻具的强烈敲击。极易引起孔壁坍塌、掉块，从而造成卡、埋钻事故。（5）在弯曲的钻孔中发生孔内事故不易处理，往
13、往使孔内事故更加复杂化。（6）因钻孔弯曲而达不到地质设计要求，就必须纠斜，从而增加工作量，影响施工进度。综上所述，钻孔弯曲既影响钻探施工的速度，又关系到矿产储量计算、矿体空间位置和岩层构造的准确性，因此，在钻探工作中必须根据引起钻孔弯曲的原因，积极预防钻孔弯曲，并按规定要求及时准确地测量钻孔弯曲度，掌握钻进中孔身的空间位置，如果钻孔偏斜的方向和角度超过地质设计要求，就应采取措施进行矫正，将钻孔弯曲度控制在允许范图内。第二节 钻孔弯曲的原因钻孔之所以发生弯曲，是粗径钻具在回转碎岩过程中偏离设计钻孔轴线方向而引起的。一般促使粗径钻具偏斜的因素有二：一是钻头底面受到偏斜力矩或粗径钻具受到与设计钻孔轴
14、线不一致的斜向力；二是孔壁对粗径钻具导向不够或粗径钻具刚性差。造成粗径钻具的偏斜条件主要有：岩层的岩性及产状、地质构造以及某些特殊地层等；钻探设备的质量及安装、开孔钻进以及粗径钴具结构尺寸等；钻进方法、钻进技术参数及操作技术等。因此，产生钻孔弯曲的原因可以简单归纳为：地质构造、施工技术和钻进工艺三个方面。一、地质构造方面的原因由于钻进不同的地层以及岩层的产状不规则，软硬不均或松散无胶结或胶结差的破碎带、砾石层、断层、溶洞等地质条件的因素是造成钻孔弯曲的重要原因之一。1.各向异性的岩层对有层理和片理构造的岩石。当外力垂直其层面或平行其片理作用时，它们表现的力学性质指标是不一致的，称为岩石的各向异
15、性。在层理和片理构造的岩石中钻进。由于层状岩石的各向异性，钻头朝着钻进阻力最小的垂直于层面方向偏斜。因此，钻孔的顶角和方位角都趋向垂直岩层层面方向弯曲。异向性越强的岩石，钻孔弯曲的程度越大。一般来说，火成岩体岩石的各向异性不明显，钻孔弯曲程度小些；变质岩类（如片麻岩）和层理发育的沉积岩（如片岩、页岩等）的各向异性强，钻孔弯曲程度也大。目前，衡量岩石各向异性的指标尚未统一。 表 7-1所列，是按照可钻性、压人硬度、夹层特点将岩石分类，作为按孔斜弯曲程度划分的岩石分类。对I类岩石，孔底钻速差最大，故对钻具产生多种偏斜力，使孔斜率的变化最大。对类岩石，孔底存在钻速差，孔斜率有所增大，但变化较平稳。对
16、类岩石，由于成分均一，各向异性不明显，故孔斜率小。若遇偶然情况，如局部裂隙带，硬夹层，砾石层等，会引起孔斜率增大，但穿过上述层位之后，钻孔方向又趋稳定。表 0-1 孔斜弯曲程度划分的岩石分类岩石物理力学性质 不同岩性的夹层各向异性系数 夹层硬度差岩石分类岩石成分均质各向异性 按可钻性按硬度换层程度 压入硬度9.8106Pa可钻性等级 成分极不均匀，变化大强各向异性（片理等）10.51.252.0频繁（层厚数毫米至数厘米）20050026 级之差 成分不均匀各向异性10.81.061.25中等（层厚几米至教十米）5020012 级之差 成分均匀弱各向异性或均10.9511.05少量（层厚至数05
17、0 小于 1 级之差质的 百米）钻孔弯曲规律如下：（1）钻孔顶角的变化钻进直孔或斜孔，当遇层角为锐角时，钻孔一般趋向于与岩层层面或层理面相垂直的方向弯曲，如 图 7-6所示。图 0-6 钻孔顶角变化图 0-7 钻孔方位角变化1-设计钻孔轴线；2-理论钻孔轴线：2-实际钻孔轴线（2）钻孔方位角的变化当钻孔轴线与岩层走向交角较大时，钻孔方位角逐渐趋向于垂直岩层走向偏斜，如 图 0-7所示。其中，遇层角（钻孔轴线与岩层走向线之间小于 90的夹角）在钻孔轴线左侧时，向左偏斜；在钻孔轴线右侧时，向右偏斜； 等于90 时，钻孔方位角不易偏斜。此外，方位角偏斜程度与钻具旋转方向有关：当钻具顺时针方向旋转时，
18、在钻孔轴线右侧比它在左侧时的偏斜程度更大。2.倾斜的软硬不均的交错岩层钻孔穿过倾斜的软硬互层时，因软硬岩石抵抗破碎的能力不同，使孔底产生不均匀破碎，造成钻速差，引起钻孔顶角及方位角的变化。钻孔偏斜的方向和顶角变化率，取决于钻孔轴线与岩层面的夹角（遇层角）和软硬岩石的硬度差，差值越大，钻孔弯曲率越大。钻孔弯曲规律如下：（1）钻孔顶角的变化由软岩层向硬岩层钻进：如 图 7-8所示，顶角的变化随遇层角 的大小及软硬岩层的硬度差而有不同。当遇层角小于15，且互层的软硬相差较大时，钻孔则沿硬岩层上盘弯曲，俗称“顺层跑”（a）；当遇层角大于30时，钻孔将向与硬岩层层面相垂直的方向弯曲，俗称“顶层进”（b）
19、。当遇层角在1530之间时，钻孔弯曲一般没有规律，可能沿岩层接触面弯曲，也可能沿相反方向弯曲。图 0-8 钻孔由软至硬岩时的弯曲情况（a） 15；（b）30由硬岩层向软岩层钻进：如 图 7-9所示。当遇层角艿为锐角时，钻孔顶角向硬岩层惯向弯曲，若遇层角越大，且软硬岩层接触面的倾角越大，则弯曲程度也越大。图 0-9 钻孔由硬至软岩弯曲情况钻进软硬互层，由硬岩层再进人软岩层，当后两岩层的硬度差小，且硬岩的厚度较大。钻孔顶角不再弯曲。仍是顶层进；当后两岩层的硬度差大。硬岩层厚度较小。钻孔顶角也可能向下弯曲。如 图 7-10所示。图 0-10 钻孔穿过软硬互层的弯曲情况(2)钻孔方位角的变化有两种情况
20、：由软岩层向硬岩层钻进：由于钻头顺时针方向旋转，硬岩界面阻力A大于软岩界面阻力B ，见 图 7-11（a）。钻头围绕A 点产生附加力矩M 促使钻头发生偏斜；同时钻头受到水平力R （ P2-P1）的作用也使其偏斜。加之，粗径钻具位于软岩层中易扩大孔壁。因此，钻孔的方位角，沿岩层走向往右偏斜（顺岩层倾斜方向看）。由硬岩层向软岩层钻进：由于钻头顺时针方向旋转，硬岩层界面B点阻力远远大于A点阻力。见 图 7-11（b）钻头围绕B 点产生附加力矩M 促使钻头偏斜，同样钻头受到水平力R（P 2-P1）也使之发生偏斜。但粗径钻具处于硬岩层中而偏斜程度有所减小。因此总的趋势是：钻孔的方位角向后，并沿岩层走向往
21、左偏斜（顺岩层倾斜方向看）。3.地质构造复杂和自然破碎的地层在这类地层钻进，钻孔也会发生顶角和方位角的变化。（1）在松散的流砂层或破碎层钻进斜孔时，因其具有流散性，故在钻具的自重作用下，钻孔极易下垂。（2）遇大溶洞时，斜孔钻进由于重力作用，钻孔顶角会急剧缩小而向下弯曲，直孔钻进由于孔底不规则，粗径钻具也易偏离钻孔轴线而发生弯曲。（3）钻进中，遇到大的裂隙或断层，其方向和角度又与钻孔的方向和角度相近似时，钻孔会沿裂隙或断层的方向和倾角发生弯曲。（4）在松散的地层中遇到大的砾石、卵石等坚硬的包裹体时，钻孔会沿其斜面弯曲。图 0-11 钻孔方位角的变化P1-软岩层中旋转阻力；P 2-硬岩层中旋转阻力
22、二、施工技术工艺方面的原因1.设备性能及安装钻机陈旧或性能不良，不能保证粗径钻具的一定方向和角度时，就会发生钻孔弯曲。如钻机的回转给进部件导向性能差，立轴导管松旷，立轴箱固定不牢，油压钻机滑道松旷等。钻机没有水平地安装在固定的基础上或地基填方多，不坚固，使得基台枕受力不均，造成钻机倾斜；塔上滑车、钻机立轴和钻孔没在同一轴线上；钻机立轴（或转盘）没有准确地固定在既定的倾角和方位上，这些都会导致钻孔的严重弯曲。如 图 7-12所示。原设计钻孔为直孔。其轴线为OO 1，孔深为L 1，在安装时，若立轴偏斜 角，则R=L 1tg，R为偏离原孔底（O 1点）的半径O 1A1， 角越大，L 1越长，则R值越
23、大。2.开孔换径钻孔在开孔时，使用的钻具同心度差；随着钻孔的延深而没及时加长粗径钻具；在下定向管时，它与钻孔不同心，上下固定不牢而旷动，不起导向作用也会引起钻孔弯曲。换径或扩孔时，没有使用导向钻具，或导向钻具太短等都容易造成钻孔弯曲。图 0-12 钻机立轴偏离设计的钻孔轴线3.钻进方法及钻进工艺技术钻进方法不同时，孔径与钻具（主要是粗径钻具）之间的间隙也不相同，而两者之间的间隙，是造成钻具在孔内偏斜的重要条件。如 图 7-13所示，间隙越大，则钻具轴心线与钻孔轴心线的夹角愈大，钻具偏斜也越严重。其关系如下； farctgL式中：f一孔径与粗径钻具外径之差（即孔壁间隙的二倍）；L粗径钻具长度。图
24、 0-13 钻具在孔内偏斜示意图一般来说，钻进扩孔现象为：硬质合金钻进钻孔直径为钻头直径的为1.11.3倍；金刚石钻进的孔壁间隙最小，在78级岩石中，间隙为1.03.0mm ，1112级岩石中，仅为0.20.5mm。上述可见，硬合金钻进比金刚石钻进可能引起的钻孔弯曲度大。但是，钻孔的弯曲与粗径钻具的刚度有密切的关系。小口径金刚石粗径钻具刚度相对还是比较小，因而对易孔斜地层。小口径金刚石钻进的孔斜率也会增大。不视地质和设备条件而盲目采用强力钻进技术参数，贪图进尺，也会促使钻孔弯曲率增大。如钻压过大，钻杆弯曲严重，迫使粗径钻具上端靠向孔壁，使粗径钻具轴线偏离原孔轴线；过高的转速，会使钻具离心力增大
25、，从而加剧了钻具的横向振动，扩大了孔璧；钻进松软地层时，冲洗液量过大，冲刷孔壁严重，使孔壁间隙急剧增大，所有这些不恰当的钻进技术参数都会增大钻孔的弯曲率。此外，在处理孔内事故时，由于技术措施和操作不当，也可能造成孔斜。三、钻具结构方面1.钻具的级配钻具在孔底工作时，当钻压增加到临界值时，钻杆柱就失去直线稳定的形状而发生弯曲，且与孔壁有接触点，称为切点，当钻杆柱在钻孔中处于弯曲状态时，则钻具不再保持原始孔轴线方向，而对孔壁产生侧压力作用，因而在钻进中就会发生钻孔弯曲。当钻具级配不合理，钻孔与钻杆柱的间隙比差增大时，钻杆柱的挠度增大，弯曲钻杆柱对孔壁的侧压力也愈大，钻孔弯曲率也就越大。2.钻具的刚
26、性钻具在孔底钻进，主要是靠粗径钻具在孔内导正。一般来说，粗径钻具刚性愈好，在孔内导正愈好，钻具轴线与钻孔轴线愈接近，则孔斜率愈小；如果粗径钻具刚性差，而作用力超过极限时，则钻具发生弯曲。此时钻具与钻孔二轴线形成夹角（轴偏角），于是钻头偏斜钻进而造成钻孔弯曲。因此，粗径钻具的刚性愈差，其弯曲越严重，则轴偏角越大，钻孔弯曲也就越严重。 3.粗径钻具长度如前述，根据以下公式可以看出： ftgL当间隙一定时，增加粗径钻具长度L，则轴偏角迅速减小，孔斜率也会减小。但是，当L增加到一定程度后，再增加L，则减小很少。因此，粗径钻具长度有一合理的长度值。4.粗径钻具质量粗径钻具质量差，如：不圆、不同心，钻进时
27、钻头工作不稳定，易扩大孔壁而造成钻孔弯曲。第三节 钻孔弯曲的测量在钻孔施工中，通过对钻孔弯曲的测量（即测斜），取得顶角和方位角数据。可以达到以下三个目的：（1）及时了解施工钻孔在地下孔间的延伸趋势，以便及早防斜和纠斜，使钻孔弯曲度控制在允许范围以内。（2）掌握已施工的钻孔轴线在地下空间的座标位置，以及摸清钻孔弯曲规律，设计施工定向钻孔。（3）控制钻孔穿矿部位的座标位置，以便计算矿产储量和进行矿山开采设计。在钻进过程中，必须按规定的测点间距及时测量钻孔弯曲度，不应只在终孔后对各测点一起连续测量，一般要求直孔每50m 测一点，斜孔每25 m测一点，但在易于孔斜的复杂地层中钻进，或钻进定向孔和特殊工
28、程孔时，则应根据设计要求，适当加密其测点。此外，在下套管前后，换径钻进一段距离和穿过溶洞等之后应进行测斜。孔深、顶角和方位角三个测斜参效要齐全、对应，测斜记录要正确、完全，必要时应选用精确的作图方法，按测点画图以指导防斜、治斜等工作。为了得到完全切合实际的钻孔资料，必须随时掌握与控制钻孔空间位置的变化，以便预防和纠正钻孔的偏斜。应按要求及时进行钻孔顶角和方位角的测量工作。测量钻孔顶角和方位角的仪器称为测斜仪。随着我国科学技术的发展，生产和使用的测斜仪种类较多且各有特点。一、 JXY 一 2 型测斜仪JXY一2型测斜仪适用于非磁性矿区直径大于80mm的钻孔内测量顶角和方位角。仪器结构简单，使用方
29、便，利用机械定时钟锁卡后，提升到地面读数。因此，它是目前应用最广的测斜仪器。（一）仪器的主要技术性能（1）顶角测量范围： 0 60。顶角测量误差：在 030 之间不大于1。在3060之间不大于2。（2）方位角测量范围：0360；方位角测量误差：不大于4（在 4时）。（3）最大承受液压；710 5Pa。（4）定时钟最大工作时间：110min，最小为10min。（5）仪器尺寸：外径75mm,全长1990mm，总重：33kg。（二）仪器作用原理该仪器利用重锤原理测量顶角，利用磁针指北原理测量方位角，在被测点依靠定时钟锁卡装置达到测量目的。（三）仪器结构仪器的主体是由测量系组成。如 图 7-14所示。
30、图 0-14 JXY 一 2 型测斜仪结构图1-上轴；2-定时挺针；3-下轴； 4-定位齿条；5-倾斜角刻度盘；6-框架；7-里套筒；8-重锤；9-胶木盖；10-罗盘盒盖；11-磁针；12-定时旋纽；13-保护筒；14-水平轴承；15-轴承座；16-埋头螺钉；17-轴承；18-罗盘盒底；19-定位座；20-防震橡皮垫；21-钢珠全部测量机构都安装在框架6上，在框架上承板开有一孔，作轴套用。在框架的下部装有下轴3，当框架装入里套简（仪器壳）7时，安装在里套筒上面的上轴1正好插入上承板的孔内，作为框板的上支承点，而下轴插在轴承座15的轴承17（型号为D23）内，并依靠装在埋头螺钉16上的2mm钢珠
31、21支撑，使框架能在里套筒内灵活转动。在框架的一边装有铅制重锤8，当测量系倾斜时，由于重锤的偏心作用，使框架平面始终与倾斜面垂直，在框架上部装有一罗盘，罗盘由罗盘盒盖10和罗盘盒底18组成，在罗盘盒中间磁针轴上装有一磁针11，磁针涂红白二色，红色指北，白色指南，以指北红指针作为读数依据，可以在罗盘刻度盘上读出被测点的方位角，罗盘度数分有180格，每格2度。整个罗盘盒由水平轴承14支承，使罗盘在仪器倾斜时，在重锤的作用下始终保持在水平位置。在罗盘下面连接着倾斜角刻度器5，它既起重锤作用，使罗盘保持水平，又可根据刻度器上所列的刻度，通过定位座19上的标线，读出被测点的顶角。框架的下部装有机械定时钟
32、12。在定时钟的背面装有凸轮，凸轮受定时钟控制，当钟走到一定位置，凸轮就推动杠杆，杠杆抬高定时挺针2和定位齿条4，使磁针和倾斜角刻度器都处于锁紧状态，仪器即可读数。此时定时钟因仪器锁紧而停止走动，定时钟正面的旋钮盘12的刻度指示正好回到零。定时钟旋钮盘刻度指示一格为5min，最大指示为110min，至少开动10min，定时钟才能启动。整个测量系统放在保护筒13内，上下放有防震橡皮垫20，用胶木盖9固定。仪器外套铜管保护测量仪器主体在密封状况下工作。如 图 7-15所示，外套铜管由上管3和下管10组成，中间用上连接头4连接，装有测量系的二套保护筒可放人下管中，保护筒的上下放有防震橡皮，用螺帽5压
33、紧，使测量系在铜管内不会跳动。铜管的密封可采用牛皮密封圈或O型橡皮圈。上管是作为伸长管用，使仪器的倾斜与钻孔的倾斜更加接近，提高测量正确性。在上管的顶端开有一横孔，供提引仪器下孔之用。图 0-15 外套铜管1-上体；2-垫片；3-上管；4-上接头；5-圆螺帽；6-下接头；7-皮碗；8-下管（2）：9-下体；10-下管（1）（四）仪器的使用和维护保养1.仪器校验为保护测孔的正确性，测孔前，必须对仪器进行校对。校验可在JJG-1型校验台上进行。（1）将框架放置在里套简内，注意上轴要正好插入框架上承板孔内，然后慢慢旋进轴承座，装好后，拨动框架，应能非常灵活地转动。（2）开启定时钟1015min，磁针
34、和罗盘下弧形重块应能灵活转动，观察其到达锁卡时，旋钮上时间刻度是否恢复指示到“0”线，锁卡的时间是否与刻度指示相符含，以便掌握其超前和滞后锁卡的时间。锁紧后轻拍测斜仪器主体，磁针和弧形重块应没有摆动位移等情况。（3）在开放定时钟后，将测斜仪器主体放置在校验台上，将校验台顶角放在460的范围内，测量若干点，证明仪器顶角和方位角读数与校验台读数间的误差符合仪器精度要求。否则。应修理后方能使用。2.钻孔测量（1）到达钻孔现场后，首先安装好绞车，把吊悬仪器的钢丝绳与仪器提引孔连接牢。（2）估计定时钟开放时间：根据仪器安装所需时间，仪器下孔到达被测点的时间和仪器在被测点的稳定时间等时间总和，作为仪器的定
35、时时间，然后将定时旋钮转到定时时间的刻度上，将启动仪器的时间和锁卡定时时间分别记录下来。（3）定时钟开启后，按照装置顺序将仪器装人外套铜管内，随即将其下人孔内欲测点。在下降过程中不要太快，避免冲击。待锁卡时间过后，提升仪器出孔，并取出测量系，分别记下二个测量系测出的顶角和方位角，取其平均值，作为该测点的测量结果。如果有一个测量系发生故障，则以另一个测量系的数据为测量结果；如果二个测量系都有故障，或者二个测量系的数据有明显差别又找不出原困时，均应重新测量。（4）仪器读数经过验证与记录无误时，才能再一次开放定时装置使仪器处于自由状态，再进行下次的测量。3.仪器的维护保养（1）仪器测孔完毕后，应将外
36、套管揩刷干净，测量仪器主体安放在木箱内，防止尘砂侵人。（2）若仪器下孔后发生漏水现象，仪器主体已浸水，应由专业人员拆开清洗后才能再使用。（3）仪器壳上滚珠轴承应经常涂以防锈脂，其它如定时钟、顶尖轴承等活动部分亦应经常清洗并加钟表油保持润滑。（4）仪器不用或运输移动时，应使仪器处于锁卡状态，否则各轴尖部分会因受震动而造成磨损。（5）仪器应贮存在没有强力磁场和比较干燥的地方。（6）仪器附有必要的易损件备品，发现易损件损坏，应及时进行更换。二、 JJX-3 型测斜仪JJX-3型测斜仪是根据磁针、悬锤和非电量电测原理进行测量工作的。即把非电量（顶角、方位角）的变化转换成电量（电位）的变化。再把电量转换
37、成非电量（地面刻度盘角度），在地表直接读数。这种仪器下孔一次，可进行多点测量，效率高，适于全孔测量，因此是目前最常用的多点测斜仪器。（一）仪器的主要技术性能（1）顶角测量范围： 0 50。顶角测量误差：不大于 30。（2）方位角测量范围：4356。方位角测量误差：在顶角250范围内为4。（3）下孔仪器直径：不大于65mm。（4）下孔仪器允许承受最大液压：510 7Pa。（5）下孔仪器允许最高工作温度：373K；地面操作面板的工作温度：293323K 。（6）电源：直流90V。（二）仪器工作原理如 图 7-16所示。它的测量系统全部安装在一只轻合金套管内，且由上下顶轴2、3支承，故能灵活转动，但
38、其重心相对轴线呈偏心状态。图 0-16 JJX 一 3 型测斜仪工作原理1-回转框架；2，3-上、下顶尖轴承；4-顶角重锤；5-接触片；6-顶角电阻；7-重锤轴；8-磁针带接触片；9 一方位电阻；10-短路线圈；12-重锤方位测量系统由磁针8、环状电阻盘9和接触片组成。磁针与接触片固定的线相接，在自由状态时，能在电阻盘中间的顶针上灵活转动。在锁紧时，磁针与接触片同时下移，接触片使环状电阻部分短路。方位角大小不同时，方位电阻短路的多少不同，故测定方位电阻的变化，就可相应的确定钻孔的方位角。顶角测量系统由弧形绕线电阻6，接触片5和重锤4组成。在自由状态时，接触片和重锤围绕其水平轴摆动；锁紧时，接触
39、片接触弧形绕线电阻，使其部分短路，故测量顶角电阻的变化，就可相应的确定钻孔顶角。（三）仪器的结构仪器包括下孔仪器和地而测量面板两部分。1.下孔仪器如 图 7-17所示。它主要是由外套铜管，电磁吸铁，传动机构，测量系统等几个部分组成。传动机构和测量系统都装在一只铝合金内套管11上。整个内套管装在外套铜管1的下部，用顶针12、上轴承13、下顶针2、下轴承14支承着，能灵活转动。吸铁线圈4装在外套铜管的上端电磁铁套5内。三芯电源线由外套铜管引出，红色为测量线，白色为电磁铁线，黑色为公用外壳线。吸铁线圈内有磁铁芯6一根，铁芯上连有压杆7，压杆下端用螺帽8与压板9固定，压板两边又焊有60mm长的导杆10
40、两根。图 0-17 JJX 一 3 型孔内仪器结构图1-外套钢管；2-下顶叶；3-防震弹簧；4-吸铁线圈 5-电磁铁套；6-磁铁芯；7-压杆；8-螺帽 9-压板；10-导杆；11-内套管；12-上顶针；13-上轴承；14-下轴承；15-活动压板；16-活动柱；17-活动柱座；18-活动撑牙；19-棘轮；20-拉线柱；21-制动块拉簧；22-方位电阻；23-接触片；24-磁钢；25-小顶针；26-方位重锤；27-锁紧杆；28-水平顶针轴；29-顶角电阻架；30-顶角量杆；31-顶角重锤；32-水平轴；33-顶角系控制机构；34-偏重块；35-O 型橡胶圈；36 一闷头；37 一线绕电阻；38-撑
41、牙拉簧； 39-制动块；40-弹簧；41-顶角拉线；42-方位拉线；43-方位角系控制机构；44-锕皮；45-调节螺；46-方位顶针杆；47-固定螺帽；48-吊丝；49-顶角水平轴螺钉；50-下轴套（五）仪器的使用1.仪器校验仪器下孔测量前，应检查仪器的工作状态是否正常，精度是否符合要求等。检验可在JJG一1型校验台上进行。（1）先将JJG一1型校验台校验水平，用罗盘定好向，使校验台的方位零刻度对准磁北方向，然后将下孔仪器夹在校验台夹具中，此时，应将校验台调整到水平位置。（2）接好电源，测量面板和下孔仪器的导线，如下孔仪器引出的三根线辨别不出极性时，可用万用表一端接仪器外壳，另一端接一根线，若
42、电阻为零，则为外壳公用线，若电阻为300，则为吸铁线；若电阻为8003500，则为测量线。（3）检查电源，按下电源检查按钮，当毫安表的指针指在表盘的两个红线间，则表明电源正常。否则应增加电源电压，使指针在两个红线间。（4）检查仪器工作状态：按下状态转换按钮，仪器的四个工作状态的变化与测量面板中的状态指示表（毫安表）所指示的情况应如 表 7-2所列。（5）检验红线：按状态转换按钮，使孔下仪器处于自由状态4后，再按下方位按钮，转动度盘旋钮使刻度盘上的红线与有机玻璃板上的红线重合，此时检流计的指针应指零，否则应调节电缆补偿电阻使指针指零。表 0-2 仪器工作状态顺序 方位状态 顶角状态 状态指示12
43、3锁紧自由自由自由自由锁紧电流小，表针在中线左侧电流最小，表针在中线4 自由 自由 最左侧电流大，表针在中线右侧电流最小，表针在中线最左侧（6）校验顶角精度：将校验台顶角板在250范围内的任意角度，测量仪器顶角读数，此时，两者读数应一致，其误差不大于30。（7）校验方位角精度：在校验某一顶角的同时，使仪器成任意一方位，测量仪器的方位角，此时，面板刻度盘上的方位角读数应与校验台上方位角读数一致，其误差不能大于4。在测最时，仪器从自由状态到锁紧状态应有12s以上的稳定时间，否则由于测量系统在不稳定的状态下工作，会带来一定的测量误差。（8）顶角、方位角精度重复校验：经过上述校验后，应将孔下仪器在校验
44、台夹具中转换成90 、180、270三个面，分别按上述操作步骤重复校验顶角和方位角，所测得的结果应与原测结果一致，其误差应在允许范围以内。校验完毕时，将孔下仪器转向50顶角，180的方位角处于方位锁紧状态。如果在没有校验台的情况下，也可用经纬仪或地质罗盘进行粗略的方位检验，用量角器进行粗略的顶角检验，观察仪器的工作状态是否正常。2.钻孔测量（1）测量前的准备工作钻孔测量前，应对三芯电缆和下孔仪器连接后绝缘密封、拉力等情况进行细致检查。三芯电缆绝缘应大于20M ，拉力应不小于 600kg。下孔仪器的外套管与上、下接头的丝扣要拧紧。三芯电缆与下孔仪器的导电柱引出线要包扎好，以防漏水，同时还要对电缆
45、绞车、孔口滑轮的机械运转情况进行检查，并做好电缆深度记号。做好上述准备工作后，按照前述的仪器校验方法，检查电源、校验红线、仪器工作状态，如果一切正常，即可将仪器下入孔内测量。测量程序测量时，应将仪器慢速下入孔内最下一个测点，测完此点后，再向上提升，逐点测量，测点间距根据各个钻孔要求而定，一般为25m 。仪器停放在某一测点后，操作测量面板，接通电源，校验红线，再按状态转换按钮，先测该点顶角读数，如顶角小于2时，则不测量方位角，可提升仪器测上一测点；当顶角大于2时，则应按状态转换按钮，测最其方位角。为验证测量数据的可靠性，每一测点应重复测量两次，其数据应基本一致，不应超过规定的误差范围，然后取其平
46、均值。钻孔测量完毕后，应将仪器处于方位锁紧状态，以免在运输途中受到损坏。三、 JTL50 型陀螺测斜仪JTL一50型陀螺测斜仪适用于强磁异常矿区或已经下套管的，孔径不小于56mm 的钻孔内。进行顶角和方位们的多点测量。（一）仪器的主要技术性能1.测量范围：顶角050；方位角0360。2.测量精度：顶角误差30；方位角误差 6（顶角3时）。3.方位漂移：平均每小时不大于12。4.仪器最大测量深度：1000m 。5.仪器使用单相交流50Hz，220V 10电源，整机耗用功率约75W 。6.环境温度：一1045。7.仪器用抗拉断力不少于3000N的三芯电缆（电缆内阻不应大于40）。（二）仪器的工作原
47、理陀螺测斜仪的顶角测量是利用悬锤原理。当仪器发生倾斜时，由于测量系的偏心重锤作用，悬锤转动平面永远处在倾斜面上，顶角的度数即能依据悬锤偏离仪器轴线所成的角度来表示。方位角的测量，主要利用一个高速旋转的三自由度陀螺电机的良好定轴性来定向的。如 图 7-18所示。高速旋转的转子1（即高速陀螺马达）放在方位框架的支架上，这就是三自由度陀螺仪。陀螺仪的转子通过轴承支承在内环2，内环2通过轴承支架在外环3上，外环又用轴承支承在基座（外管）上，其轴垂直于轴和I 轴，三个轴彼此互相垂直，并相交于O点，O点也恰好是陀螺的重心。图 0-18 陀螺仪原理示意图1-高速转子；2-内环；3-外环高速旋转的三自由度陀螺
48、的转子轴，在轴承无摩擦的情况下，它的空间的方向保持不变。这个特性就称作陀螺仪的定轴性。无论外管在孔内怎样转动，转子轴在空间的方向始终保持不变。三自由度陀螺仪的另一个特性，是它在力矩作用下的运动规律。首先，当转子不转动的情况下，把一重物（如铅块等）挂放在内环2的任何一端，对内环就要产生一个力矩，在这个力矩作用下，内环将向挂重物的一端倾倒，但是，当转子高速旋转（203010 3rpm）时，加在内环边上的重物，不使内环倾倒，而是使整个陀螺仪绕外环轴（轴）转动，这种在陀螺仪的内环轴（轴）上加力矩之后，陀螺仪将绕外环轴（I轴）转动，或者在外环轴I上加力矩后，陀螺仪绕内环轴 转动。这个特性就称陀螺的进动性。由于陀螺仪的I轴和轴上存在干扰力矩（如摩擦力矩、静不平衡力矩等），将使陀螺转子绕I 轴和轴进动，以致使转子轴 I不能保持它的空间方向不变。这个现象就称为陀螺的漂移。如果漂移发生在外环轴I上，就会造成I 轴方位改变，而出现方位角测量误差，但因轴上的干扰力矩比I轴的力矩要小，故可做到使 I轴的漂移控制在允许的范围内，如果漂移发生在轴（为了区分，把它称为进
