钻孔轨迹与样品位置的数字化制图方法研究

颜伟裕，吴承东，李慧，刘浩，杨磊，徐英明

文章编号：1672-5603（2020）02-80-6

摘 要 为了提高勘查线剖面图样品位置投影的准确度和改变样品须单项独立投影的情况，笔者对钻孔轨迹投影理论、方法和技术进行分析研究，得出了样段控制长度的计算原理方法，实现了由数据直接进机处理数字化生成勘查线剖面图，特别是所有样品可一次性投影成图。本文以哈密地区泉东山某铅锌矿床钻孔ZK901举例，通过数据收集、分析、预处理求得各控制点的投影位置，之后利用Section软件“表格数据投影”功能投影空间坐标，实现了钻孔轨迹、样品位置直接自动投影成图的数字化制图方法。

关键词 数字化; 钻孔轨迹; 投影;样品位置

中图分类号：TP302.4         文献识别码：A

Research on Digital Mapping Method of Drilling Holes

and Sample Position

Yan Weiyu1， Wu Chengdong1， Li Hui1， Liu Hao1， Yang Lei1， Xu Yingming2

（1. Team 304， Hunan Provincial Nuclear Industry Geological Bureau， Changsha Hunan 410000; 2. Hunan Yimidi Planning Consulting Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410000）

Abstract： In order to improve the accuracy of the sample position projection of the survey line profile and to change the situation where the sample must be projected independently， the author analyzes and studies the theory， method and technology of the borehole trajectory projection， and obtains the calculation principle method of the control length of the sample segment to achieve In addition， the data is directly processed into the machine to digitally generate the survey line profile， especially all samples can be projected into a map at one time. In this paper， the ZK901 borehole of a lead-zinc deposit in Quandongshan， Hami area is taken as an example. The projection position of each control point is obtained through data collection， analysis， and preprocessing. Then， the spatial coordinates are projected using the "table data projection" function of Section software to complete the drilling trajectory ， The sample position is directly projected into a map automatically to realize digital mapping. The mapping accuracy is high， the data can be shared， and the mapping quality can be checked by the source data.

Keywords： digitization; drilling trajectory;  projection; sample location

0 引言

鉆机在施工过程中会产生一定的偏差，因此在后期制作勘查线剖面图中、矿体圈连及储量计算中必须进行钻孔弯曲度校正[1]。以往一般通过对钻孔测斜数据进行计算解析，然后采用手工作图的方法投影到剖面图和平面图上，最后对纸介质底图进行二次描绘后完成计算机制图[2]，这占用了地质找矿大量的日常整理工作时间，且成图精度低。随着GIS技术的发展，通过构建投影模型，初步实现了钻孔轨迹自动成图。如何在以往科研的基础上寻求更加简便、更加科学的钻孔轨迹成图方法，以及存在空白区的样品位置一次性自动投影成图的数字化制图技术该如何填补，这是需要探讨的重要问题。下面我们通过对原始数据（测斜和采样井深）的收集、数据预处理，建立投影目标数据，分析探讨钻孔轨迹和样品位置投影过程原理来构建其计算机算法，进而达到自动成图的目的，实现数字化制图。本文以哈密地区泉东山某铅锌矿床钻孔ZK901为例，介绍该孔的校正过程及样品自动投影生成技术方法。

1 测斜原始数据收集与整理

在钻孔施工进行测斜工作后，需要使用钻孔深度及弯曲度测量原始结果等数据来进行校正工作[3]，该测斜记录是钻孔校正工作的重要参数。钻孔ZK901设计倾角80°，设计方位角γ′=350°，终孔孔深460.6m，其弯曲度测量数据如表1所示。

2 钻孔轨迹投影数据预处理

在勘查线剖面图上，钻孔施工轨迹为一条曲线，而一条曲线是由无数个点组成的[4];因此，计算出曲线上主要控制点在图上的准确位置就能反映出钻孔的施工轨迹。本次校正原理重点在于计算出各控制点在勘查线剖面图上的投影坐标。

2.1 钻孔弯曲投影点计算

（1）测点控制长度计算

每個测点的控制长度（Li）等于上下相邻测点（Li-1、Li+1）距离一半之和[5]，且各测点控制长度总和应等于钻孔终孔深度，其计算公式：

当i=1（地表）时，公式中（li+li-1）/2为0;当i=n（最后一个测点），公式中（li+1+li）/2为终孔深度。

根据上述计算方法可知，钻孔ZK901中L测点1=25m;L测点2=50m，……，L测点10=35.6m。

（2）投影长度计算

钻孔校正曲线是由每个测点的控制长度、钻孔倾角和方位角所决定的，根据其三角函数关系可知，平面水平投影长度a=Li×cos（α）、剖面垂直投影长度（即铅锤长）h= Li×sin（α）。

（3）偏移距离计算

勘查线方位角会使得钻孔空间曲线产生旋转，从而使得钻孔平面水平和剖面投影图上的曲线形态产生偏移。其沿勘查线偏离平距（也称“沿线位移”）或垂直勘查线偏离平距（也称“脱线位移”）利用平面水平投影长度a与方位夹角γ三角函数关系求得。相关的计算公式如下：

γ=γ′-γ″、b=a·cosγ

c=a·cosγ（±）、∑b=b1+……+bn

∑c=c1+……+cn

式中：

γ—方位夹角（°）

γ′—设计方位角（°）

γ″—实测方位角（°）

b—沿勘查线偏移平距（m）

∑b—累计沿勘查线偏移平距（m）

c—垂直勘查线偏移平距（m）

∑c—累计垂直勘查线偏移平距（m）

（4）投影点计算结果

操作者只需将表1中的测量孔深、实测倾角和实测方位角等原始数据对应填写至表2中，然后利用EXCEL在对应的列中编辑控制长度、方位夹角、铅锤长、沿线位移和脱线位移等上述公式，即可由计算机自动求得相关数据。其计算结果∑b为平、剖面图的横坐标，∑c为平面图的纵坐标，∑h的相反数为剖面图的纵坐标。

2.2  投影坐标计算

∑b、∑c、∑h为钻孔弯曲投影平、剖面图的横、纵坐标，只需将其与勘查线剖面图中的平面孔口横、纵坐标（Yp、Xp）和剖面孔口横、纵坐标（Yz、Xz）

建立对应关系，即可求得实际投影坐标。其计算公式为平面图实际投影横坐标B=Yp-∑b、纵坐标C=Xp -∑c;剖面图实际投影横坐标B′= Yz-∑b、纵坐标H′= Xz -∑h。

利用Section软件，在勘查线剖面图中直接读取孔口坐标Yp=377.330、Xp=1265.310、Yz=377.330、Xz=1999.249，其中Yp=Yz、Xz=H（实测孔口高程），这是因勘查线剖面图一般利用Section软件的“图切剖面”功能自动生成，软件中显示图面纵坐标即为（H）。在读取到孔口坐标后，根据上述投影原理、公式对各测深点投影坐标值进行计算，结果见表3。其中点号1至点号2表示第1个测点控制的长度，点号2至点号3表示第2个测点控制的长度，……，点号n至点号n+1表示第n个测点控制的长度。

3 样品位置投影数据预处理

3.1 对应的倾角与方位角

样品位置投影是基于钻孔轨迹投影的基础上实现的，其控制长度（LYi）即为样长，当样段顶、底部井深处于钻孔轨迹哪个测点控制井深范围内，则其倾角与方位角为测点数据。值得指出的是，若某个样品采样井深跨2个测点控制井深范围，则应以被跨越的测点井深为分界线，将样品划分为上下2个小样段，分别对应上、下两测点的倾角与方位角。以H2为例，其采样井深为374.10～375.10，处于钻孔325～375和375～425m两个井深段，应以375为分界线，将H2划分为2段;其上段374.10～375m，对应测点8的倾角79.2°与方位角353.3°、下段375～375.10，对应测点9的倾角79.3°与方位角354.0°。

3.2 控制长度的计算

对于样品位置的投影应将采样位置各样长与未采样位置各控制长度作为一个整体进行投影计算。样品控制长度（LYi），为该样品终点井深与起点井深之差，这与测点的控制间隔长度等于上下相邻测点距离一半之和，两者的原理明显不同。

而非样（未采样位置）控制长度为该非样段终点井深与起点井深之差，若非样段跨越2个或多个测点控制深度，则需该段不同测点控制深度划分若干个非样控制段。以H26为例，其控制长度=38.90-38.10=0.8m;而孔口至H26顶部未取样，非样段为0～38.1m，但其跨越测点1、2控制深度，因此应将其划分为0～25m、25～38.1两组非样段。

3.3 样品位置投影坐标计算

样品位置投影其实质为不同的采样井深沿对应测点井深将钻孔轨迹划分为若干个样段。样品位置投影重点是计算出各节点的横、纵坐标值，即样段和非样段顶、底部的横、纵坐标值，其计算原理、方式，除控制长度外，其余各项内容与钻孔轨迹投影均一样，由此可得出ZK901各节点投影坐标，详见表4。

以表4为例，对EXCEL各列数据填写与各函数计算方式介绍如下：C列、D列数据为野外实际采样井深和非样段井深数据，且由孔口至终孔应连续性排列;样长Ei= Di- Ci;F列、G列数据由其采样井深处于钻孔轨迹井深对应的测点倾角和方位角;Hi=设计方位角350-Gi;I=Ei×SIN（Fi× PI（）/180 ）;Ji=Ei×COS（Fi×PI（）/180 ）;Ki=Ji×COS（Hi×PI（）/180 ）;上述各公式中i=1，2，……，n，为EXCEL对应行数据。样品位置投影第1个投影节点横坐标L1= Yz、纵坐标M1=Xz，第2个节点横坐标L2=L1-K1、纵坐标M2=M1-I1，之后各节点坐标以此类推。

4 数字化成图方法

4.1 钻孔轨迹成图

打开SECTION软件，选择“1辅助工具—表格数据投影—选择数据投影（选中表3EXCEL数据）—数据投影[6]”，其中数据投影中X對应纵坐标（G列、I列），Y对应横坐标（F列、H列），注释对应点号（A列），然后设置点、线图元参数，线闭合不勾选（图1），上述操作完成后选择确定即可完成投影;对钻孔平、剖面轨迹分别投影，即完成钻孔轨迹投影（图2）。

4.2 样品位置投影图

样品位置数据投影与钻孔轨迹数据投影方法一致，选则数据为表4EXCEL数据（X对应M列、Y对应L列），完成投影后，选择“2辅助工具—自动生成样柜—输入平行间距（一般选择1）”确定后即可完成整个钻孔轨迹（含样段和非样段）投影。最后，根据表4数据删除非样段，合并小样段为样段（如H2），并按规定修正样品位置区颜色即可（图3）。

5 结论

5.1  基于常用的Section绘图软件与EXCEL办公软件结合应用于数字化钻孔轨迹校正与样品位置投影，其校正与投影过程操作简单易行，相关数据小数位可根据实际工作需要进行自定义调整，可满足各类勘查工作要求[4]，且相关表格表式参照“《固体矿产勘查原始地质编录规程（DZ/T 0078-2015）》，是重要的原始资料，可直接用于项目的野外验收、资料综合整理和存档等工作中，实用性强。

5.2  在操作过程中，由计算机根据编辑的公式对相关数据进行运算，保证准确率，减少了人为出错的几率。在投影的过程中直接引用相关数据进机成图，缩短了工作时间，提高成图的准确度;特别是所有样品可一次性投影成图，极大的提高了工作效率，避免了以往因各样品须一个个投影而浪费大量时间和投影位置不够精确的情况。

5.3  在录入测斜和采样井深等原始数据后，EXCEL软件同步计算出钻孔轨迹和样品位置投影坐标结果;然后在Section软件利用EXCEL软件中的投影坐标数据按上述程序、步骤进行校正投影直接成图，极大压缩了手工计算时间，提高了工作效率。

5.4  校正投影过程中的原始数据、预处理数据（计算过程）和目标数据（相关投影坐标数据）在任何时间点均可进行检查，实现了信息全息化，且相关数据可被应用于其他图件的绘制或被其他信息处理软件共享，应该范围广。如具有统一基准点的各剖面图，便于中段图的直接成图，且通过MAPGIS空间分析可以快速进行图形空间叠置，直观地看到地质体、矿体在空间上的对比关系。

5.5  以往文献大多对钻孔轨迹投影的原理与方法进行论述，对各采样位置的样品投影原理与方法论述少或未论述，样品位置投影是基于钻孔轨迹投影的基础上实现的，是钻孔轨迹投影反向思维操作模式，两者除控制长度计算原理、方法不同外，其余如铅垂长（h）、沿线位移（b）、偏线位移（c）和平面水平投影长度（a）等均一样。

参考文献/References

[1]赵廷严.浅析钻孔弯曲产生的原因及预防纠正措施[J].中国煤炭地质，2009，21（增刊）：62-63.

[2]谷高中，李义红，张文军，等.由野外实测数据直接生成MAPGIS地质基础图件方法[J].新疆地质，2006，24（1）：95-98.

[3]陈国胜，毋利军，伦申平.钻孔测斜资料计算模板的制作[J].水力采煤与管道运输，2008，4：54-56.

[4]郝兴中，杨毅恒，李英平，等.基于GIS技术的钻孔校正[J].地球物理学进展，2012，27（5）：2233-2239.

[5]赵鹏大.矿产勘查理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2006：234-237.

[6]彭桥梁，贺文华，刘瑞，等.基于Section的地球化学剖面光谱样品折线图绘制[J].现代矿业，2016，563（3）：148-151.