一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法和爆破成井方法与流程

本发明属于破成井方法，具体涉及一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法和爆破成井方法。

背景技术：

1、在爆破成井过程中，钻凿大量垂直炮孔是必不可少的步骤。然而，炮孔在施工过程中常常会发生偏斜，这种偏斜会导致孔口孔底抵抗线不一致，进而引发诸如岩体拒爆悬顶、爆破过于集中或提前衰减等问题，最终影响天井成型效果。

2、炮孔偏斜的影响因素众多，除了凿岩设备本身的制造水平及定位精度外，钻头轴压控制、岩体构造和岩石性质的变化都会对钻孔偏斜产生影响。特别值得注意的是，在节理裂隙发育区域，这种影响更为显著。

3、节理裂隙可以被视为一种硬度为零的软岩，形成了一种特殊的软硬互层面。在钻孔过程中，当钻头遇到这种软硬互层面时，会受到不平衡力和力矩的作用，导致钻头逐渐产生漂移，最终造成钻孔偏斜。对于节理裂隙较为发育的矿山而言，这种影响尤为突出，甚至可能成为炮孔偏斜的主导因素。

4、准确预测钻孔偏斜对于提高凿岩精度、保障工程质量和提升施工效率具有重要意义。通过预测，可以在钻孔施工前就掌握待预测钻孔的偏斜率，从而更加合理地规划和调整钻孔设计方案，必要时甚至可以重新选定凿岩区域。

5、然而，目前针对钻孔偏斜的预测方法尚不完善。传统方法主要依赖于凿岩工人的经验，根据设备型号及成井区域地质条件进行经验性判断，缺乏科学性和精确性，难以为施工决策提供可靠的数据支持。

6、虽然已有一些技术方案尝试解决这个问题，如中国发明专利cn116677370a公开的一种基于历史钻探数据的钻孔偏斜程度预测方法及装置。但该方案仍存在明显不足：它需要大量的历史钻探数据，包括历史钻孔的钻杆参数、岩层参数和实时参数，这些数据对于大多数矿山来说难以在短时间内获取。此外，该方案还需要获取多个时刻对应的钻头实时位置和速度等参数，而大部分矿山的凿岩设备智能化程度不足，无法满足这一要求。

7、特别是对于节理裂隙发育区域，现有预测方法往往难以准确把握其特殊性，导致预测结果与实际情况存在较大偏差。这不仅影响了施工效率，还可能带来安全隐患。

8、因此，亟需开发一种专门针对节理裂隙发育区域的钻孔偏斜预测方法。

技术实现思路

1、针对背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其通过岩体结构面非接触扫描获得成井区域岩体节理信息，包括节理倾向、倾角、间距；构建考虑节理产状的竖直向下凿岩的钻头力学模型，实现在节理裂隙发育区域的科学、精准、高效的钻孔偏斜预测。

2、为达到上述目的，本发明公开了一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，在成井区域对结合岩体结构面的节理裂隙进行非接触扫描，确定优势节理组；基于优势节理组构建二维节理岩体模型，基于二维节理岩体模型确定优势节理组中各个优势节理点位；确定对每个优势节理点位进行钻孔工序时钻头穿越各节理界面时的状态参数；当钻头通过节理裂隙且钻头发生偏载时，基于状态参数和钻头的受力分析确定炮孔偏斜率。

3、在本发明的一种优选实施方案中，在成井区域对结合岩体结构面的节理裂隙进行非接触扫描的方法包括，s1，节理扫描点位确定；s2，节理裂隙非接触扫描。

4、在本发明的一种优选实施方案中，s1中，在成井区域上下部巷道均划分约50～100m作为节理扫描区域，并选择10～20处节理裂隙发育，且未进行喷浆支护的点位作为节理扫描点位。

5、在本发明的一种优选实施方案中，s2中，s21，将标杆垂直地表立于所测岩体前，测量标杆控制点间距a；s22，采用智能手机或相机在左右两个位置对岩体照相，镜头离所测岩体的距离d以及两次成像位置之间的距离b需满足关系：b＝d/8～d/5；s23，用罗盘测量所测岩体面的倾角及倾向；s24，将所获取的左右视图导入软件系统，通过基准标定、像素点匹配、图像变形偏正纠正，合成岩体表面三维图像；s25，输入标杆控制点间距a及岩体面的倾角、倾向，使三维图像的方位和尺寸、距离真实化；s26，对岩体结构面进行识别、分组、分析，导出相应的测量结果，获取优势节理组及其产状，产状包括倾角α、倾向φ、间距h。

6、在本发明的一种优选实施方案中，构建二维节理岩体模型的方法包括：

7、节理裂隙现场扫描及数据处理完成后，共得到q组优势节理，其中第i组优势节理的倾角αi、倾向间距hi，其中i∈{1,2,3,...,q}，天井高度为h，则钻头在钻凿过程中穿过第i组优势节理的次数mi计算公式如下：

8、

9、钻头在穿越全部节理组的总次数记为m，计算公式如下：

10、

11、结合岩体结构面非接触扫描得到的多组优势节理产状，以天井中部为对称轴，将i组优势节理按倾角及间距对称布置，构建二维节理岩体模型。

12、在本发明的一种优选实施方案中，在钻孔过程中，钻头从上到下依次穿过第i组优势节理的点位为oi1、oi2、…、oij，其中oij表示钻头第j次穿越第i组优势节理时的点位，其中j∈{1,2,3,...,mi}，当钻头穿过点位oij时，在节理岩体内钻杆长度lij的计算公式为：

13、

14、在本发明的一种优选实施方案中，所述状态参数包括索引参数、节理参数、位置参数和偏斜参数，索引参数k为钻头钻凿到oij点位时所穿过节理的次数，k∈{1,2,3,...,m}；三个节理参数lk、αk、为钻头第k次穿过节理的参数，四个位置参数xk、yk、为钻头目前状态相对与原始设计位置的坐标，四个偏斜参数δxk、δyk、为当前节理对钻头的偏斜量。

15、在本发明的一种优选实施方案中，炮孔偏斜率s：

16、其中xm、ym为钻孔经过q组优势节理后的偏斜坐标。

17、本发明还公开了爆破成井方法，在井体内的节理裂隙发育区域进行钻孔施工，施工前基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法确定炮孔偏斜率s，施工钻孔时，基于炮孔偏斜率s补偿钻头的偏斜。

18、在本发明的一种优选实施方案中，井体包括切割井、风井、溜井。

19、本发明的有益效果是：本发明首先采用岩体结构面非接触扫描技术获取成井区域岩体的优势节理及产状，继而构建二维节理岩体模型，并定义了包含索引参数、节理参数、位置参数和偏斜参数的钻头状态参数。通过构建考虑节理产状的竖直向下凿岩的钻头力学模型，本方法实现了在节理裂隙发育区域的科学、精准、高效的钻孔偏斜预测。由于该方法基于现场节理实测情况构建钻头力学模型，因此显著减少了炮孔偏斜预测的不确定性。与传统方法相比，本发明不仅提高了预测的准确性和效率，还为在节理裂隙发育区域进行钻孔施工提供了可靠的依据。此外，该方法无需依赖大量历史钻探数据和高度智能化的凿岩设备，具有广泛的适用性和实用价值，为优化钻孔设计方案、提高施工质量和效率提供了有力支持。

技术特征：

1.一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于，在成井区域对结合岩体结构面的节理裂隙进行非接触扫描，确定优势节理组；基于优势节理组构建二维节理岩体模型，基于二维节理岩体模型确定优势节理组中各个优势节理点位；确定对每个优势节理点位进行钻孔工序时钻头穿越各节理界面时的状态参数；当钻头通过节理裂隙且钻头发生偏载时，基于状态参数和钻头的受力分析确定炮孔偏斜率。

2.根据权利要求1所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：在成井区域对结合岩体结构面的节理裂隙进行非接触扫描的方法包括，s1，节理扫描点位确定；s2，节理裂隙非接触扫描。

3.根据权利要求2所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：s1中，在成井区域上下部巷道均划分约50～100m作为节理扫描区域，并选择10～20处节理裂隙发育，且未进行喷浆支护的点位作为节理扫描点位。

4.根据权利要求2所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：s2中，s21，将标杆垂直地表立于所测岩体前，测量标杆控制点间距a；s22，采用智能手机或相机在左右两个位置对岩体照相，镜头离所测岩体的距离d以及两次成像位置之间的距离b需满足关系：b＝d/8～d/5；s23，用罗盘测量所测岩体面的倾角及倾向；s24，将所获取的左右视图导入软件系统，通过基准标定、像素点匹配、图像变形偏正纠正，合成岩体表面三维图像；s25，输入标杆控制点间距a及岩体面的倾角、倾向，使三维图像的方位和尺寸、距离真实化；s26，对岩体结构面进行识别、分组、分析，导出相应的测量结果，获取优势节理组及其产状，产状包括倾角α、倾向φ、间距h。

5.根据权利要求1所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：构建二维节理岩体模型的方法包括：

6.根据权利要求5所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：在钻孔过程中，钻头从上到下依次穿过第i组优势节理的点位为oi1、oi2、…、oij，其中oij表示钻头第j次穿越第i组优势节理时的点位，其中j∈{1,2,3,...,mi}，当钻头穿过点位oij时，在节理岩体内钻杆长度lij的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：所述状态参数包括索引参数、节理参数、位置参数和偏斜参数，索引参数k为钻头钻凿到oij点位时所穿过节理的次数，k∈{1,2,3,...,m}；三个节理参数lk、αk、为钻头第k次穿过节理的参数，四个位置参数xk、θxoyk、yk、θyozk为钻头目前状态相对与原始设计位置的坐标，四个偏斜参数δxk、δyk、δθxoyk、δθyozk为当前节理对钻头的偏斜量。

8.根据权利要求1所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法，其特征在于：炮孔偏斜率s：

9.一种爆破成井方法，其特征在于：基于如权利要求1-8所述的基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法确定炮孔偏斜率s，在钻孔时基于炮孔偏斜率s补偿。

10.根据权利要求9所述的爆破成井方法，其特征在于：井体包括切割井、风井、溜井。

技术总结
本发明属于爆破井体技术领域，具体涉及一种基于岩体结构面非接触扫描的钻孔偏斜预测方法和爆破成井方法，本发明在成井区域对结合岩体结构面的节理裂隙进行非接触扫描，确定优势节理组；基于优势节理组构建二维节理岩体模型，基于二维节理岩体模型确定优势节理组中各个优势节理点位；确定对每个优势节理点位进行钻孔工序时钻头穿越各节理界面时的状态参数；当钻头通过节理裂隙且钻头发生偏载时，基于状态参数和钻头的受力分析确定炮孔偏斜率。本发明能够在节理裂隙发育区域的科学、精准、高效的钻孔偏斜预测。

技术研发人员：梅林芳,宋卫东,毛少波,夏文浩,谭玉叶,何志义
受保护的技术使用者：武钢资源集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6