钻孔轨迹的AutoCAD极坐标成图方法__墨水学术,论文发表,发表论文,

所属栏目：物理论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:349

副标题#e#摘要：钻孔测斜数据的处理方法及钻孔轨迹图的精确度对工程问题的分析和决策有重要影响，而包括一些专业测斜软件在内的许多测斜数据处理和成图手段和方法在效率和精度上存在一定不足。运用AutoCAD极坐标成图方法来处理钻孔测斜数据并绘制钻孔轨迹平面投影图则可弥补这些不足，本文通过具体的工程实例，详细介绍了该方法的原理和操作步骤。
　　关键词：钻孔轨迹；参数处理；AutoCAD；绘图方法
　　中图分类号：TU457文献标识码：A
　　
　　引言
　　对于超深的工程钻孔或定向钻孔而言，钻孔能否达到设计偏斜要求、能否进入预定区域直接关系到工程目标能否实现，这不仅要求掌握详尽的钻孔偏斜数据，而且要求绘制出高精度的钻孔轨迹图[1]。目前，手绘钻孔轨迹图因其效率低、错误率高及规范性差等因素已被专业测斜数据处理和绘图软件所取代，但专业测斜软件针对性很强、通用性较而且差价格普遍偏高。此外，测斜仪器绘制出的轨迹图无法满足用户对轨迹图进行必要的二次编辑和修改等需求。因此，借助一些通用的数据和图像处理软件来处理钻孔测斜数据及成图工作，逐渐成为工程应用的另一种不错的选择。一些由此产生的方法已经得到较广泛的应用，但大多情况下测斜数据的处理和图形显示都是在笛卡尔坐标系中实现的，虽然可以达到绘图目的，但其数据处理过程和步骤比较繁琐、容易出错且工作量相对较大，而运用AutoCAD极坐标绘制钻孔轨迹平面投影图则可以显得相对便捷，但目前这种方法在处理钻孔测斜数据方面还很少被运用。
　　一、钻孔轨迹参数及轨迹图
　　钻孔轨迹是钻孔轴线在地下延伸的路径。钻机在施工钻进的过程中，由于各种因素的综合影响，实际钻孔轨迹常常会偏离原来设计的钻孔轨迹，即发生钻孔偏斜[2]。为了了解钻孔偏斜情况，必须获取钻孔的轨迹参数，然后根据这些抽象的参数来绘制钻孔轨迹图。钻孔轨迹图是钻孔轨迹的直观反映，是了解钻孔在地下空间的位置及其空间形态的重要手段和方法。将钻孔的空间轨迹投影到平面内进行研究，有助于问题的简化和工程分析。
　　图1是钻孔轨迹平面投影示意图，OAB曲线为钻孔的空间轨迹在平面图上的投影，它形象的体现了钻孔实际轨迹偏离原设计轨迹的距离和方位。在绘制钻孔轨迹图之前必须要获得相应的钻孔的空间轨迹数据，这些数据可以用专门的测斜仪器来测量，所测得的轨迹数可以根据任务和要求而含有不同的参数，但一般都应包括测点的深度值、顶角及方位角这三个基本参数，在基本参数的基础上再通过数学计算以求得所需的计算参数（如水平偏距、闭合方位角等）。
　　
　　表1钻孔轨迹参数表
　　Tab.1Parametersofboreholetrack
　　参数名称    定义    取值范围
　　基本参数    顶角（θ）    测点处的切线与铅垂线之间的夹角，亦称斜度    
　　
　　    方位角（α）    测点处的切线在水平面上的投影与正北方向之间的夹角    
　　
　　    孔深（L）    孔口到测点处的钻孔长度，亦即钻孔斜深    ——
　　计算参数    水平偏距（D）    钻孔轨迹上测点在水平面的投影距钻孔中心的直线距离    ——
　　    闭合方位角（β）    正北方向线顺时针旋转到该点的水平位移线（钻孔轨迹上测点处在水平面上的投影与孔口中心的连线）所转过的角度    
　　
　　
　　二、钻孔轨迹成图思路
　　如图1，钻孔轨迹投影图上的#p#副标题#e#任一测点A，其坐标值是一个平面二维坐标值，下面介绍两种常见的确定测点坐标位置的思路。
　　思路一：依次求出轨迹上每测点的东西向和南北向两个偏距分量（视具体情况而定），然后将每点偏距分量值逐个累加，利用东西向和南北向的累加值确定对应测点的坐标位置。例如，图1中测点A的坐标位置可由确定，整个过程在笛卡尔坐标系中完成。
　　思路二：利用钻孔轨迹的闭合方位角和测点的偏距值确定该点的坐标位置。如图1所示，在大地坐标系中，测点A的坐标位置可以由其闭合方位角（β）和水平偏距（D）确定。例如，图1中测点A的坐标位置可由（β，D）确定，与思路一不同的是其结果在极坐标系中实现。
　　方法一确定测点的平面坐标必须利用到测斜数据中的三个基本参数，而方法二则没有顶角（θ）参数参与计算，二者计算结果相同，但方法二的工作量相对要少。当然，测点的数据可以由软件（如MS-Excel等）来处理。
　　受AutoCAD中的极坐标功能启发，可考虑利用AutoCAD的极坐标系处理钻孔数据并绘制钻孔轨迹平面投影图。但思路二中的闭合方位角（β）服从大地坐标系规则，以正北为起算方向按照顺时针方向计算角度，而AutoCAD则以正东为起算方向按照逆时针方向计算角度，因此，按思路二确定的测点坐标值不能直接导入到AutoCAD极坐标系中进行绘图，而需要进行坐标转换。分析发现二者服从以下规律：
　　（公式1）
　　由此，解决了用AutoCAD极坐标表示钻孔轨迹数据的可能性问题，与思路一相比，思路二省略了较为繁琐且容易出错的数据累加过程从而使数据处理和绘图变得非常简单、方便。
　　三、钻孔轨迹数据处理及AutoCAD极坐标成图
　　由钻孔轨迹的空间几何数学关系可得钻孔轨迹上各测点的水平偏距和闭合方位角的计算公式[3]：
　　其中：Li—测点i的偏距；αi—测点i的方位角。
　　现以某铁矿帷幕注浆孔W1的测斜数据为例，介绍用AutoCAD极坐标绘制钻孔轨迹平面投影图的方法。钻孔的基本参数深度（Li）、顶角（θi）和方位角（αi）数据如表2所示,测斜数据处理及绘图的具体操作步骤如下。
　　第一步：求取计算参数。利用表2的基本参数，通过计算可求得所需的计算参数（本文仅在表1中列出了计算所需的两个计算参数水平偏距D和闭合方位角β），将公式2和公式3在MS-Excel进行编辑并求得水平偏距D和闭合方位角β[4]。
　　水平偏距（D）（以单元格D3为例，D4，…D36据此同理类推）：
　　D3=SQRT((A3*SIN(RADIANS(C3)))^2+(A3*COS(RADIANS(C3)))^2)（公式2ˊ）
　　闭合方位角（β）（以单元格E3为例，E4，…E36据此同理类推）：
　　E3=ASIN(A3*SIN(RADIANS(C3))/D3)*180/PI()（公式3ˊ）
　　经过MS-excel换算处理后的计算参数水平偏距（D）和闭合方位角（β）如表2所示。
　　表2MS-Excel处理钻孔测斜数据
　　Tab.2boreholeinclinationsurveydataprocessedbyMS-Excel
　　    A    B    C    D    E    F    G
　　1    BasicData    DerivedData    PolarCSData
　　2    Li/(m)    θi/(°)    αi/(°)    Di/(m)    βi/(°)    βi(inCAD)    CSinAutoCAD
　　3    0.000    0.00    0.0    0.000    0.0    90   &#p#副标题#e#nbsp;0<90
　　4    10.291    0.29    312.3    0.026    312.3    -222.3    0.026<-222.3
　　5    19.918    0.35    316.4    0.080    313.7    -223.7    0.080<-223.7
　　…    …    …    …    …    …    …    …
　　34    310.052    0.61    176.0    1.653    300.5    -210.5    1.653<-210.5
　　35    320.011    0.62    173.9    1.593    297.3    -207.3    1.593<-207.3
　　36    324.658    0.57    152.8    1.560    296.1    -206.1    1.560<-206.1
　　第二步：变换坐标系。根据公式1在表2的单元格F3，…F36中分别输入“=90-E3”，…“=90-E36”，将闭合方位角的坐标系从大地坐标系转换到AutoCAD极坐标系，数据结果见表2中F3-F36。AutoCAD中极坐标的表示形式为“长度<角度”，故可以将Di和βi值表示成AutoCAD极坐标的形式，然后直接在AutoCAD中生成钻孔轨迹平面投影图。将表2中的D和F两列合并为一列，在G3，…，G36中分别输入“=D1&”<”&F1”，…“=D36&”<”&F36”，数据结果见表2中G3-G36。
　　第三步：绘图。将表2中G列单元格G3-G36的数据复制后，在AutoCAD命令栏中输入L或者PL，然后粘贴所复制的数据，AutoCAD自动画出钻孔轨迹的平面投影图，如图2所示。
　　可以根据不同的任务和需要对所绘制的轨迹平面投影图进行编辑和修改，这些工作均可以在常用的数据处理软件MS-Excel和图形处理软件AutoCAD中完成，在适用性、易学性、延伸性等方面都要比专业钻孔轨迹处理软件好。
　　四、结语
　　运用AutoCAD极坐标绘制钻孔轨迹图为处理钻孔测斜数据和自动绘制图形提供了一个新的方法，其准确、高效、通用的特征使得该方法具有较好的推广价值及应用前景。目前，一些钻孔测斜软件在测量测点处的基本参数数据时，在软件内部生产计算参数，如JDT-6型陀螺仪可以生产钻孔测点处的偏距(D)、垂深（H）和闭合方位角（β）等数据。这种情况下，使用本文介绍的AutoCAD极坐标成图方法进行绘图将会使工作变得非常简单且方便。如果针对这个任务再利用ExcelVBA和AutoCADVBA或VisualLisp进行二次开发，则可以实现二者间的数据的自动调用和图形绘制任务，这也是本方法的一种新的拓展思路。
　　参考文献
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