深井多中段定向中全站式陀螺儀的應(yīng)用及精度分析

趙洪利，閆偉男，張春雷

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026300）

陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。陀螺儀測定陀螺邊方位角一般不需要占用多余的井筒，只要一次定向的精度足夠高，就可以在簡單的準(zhǔn)備工作之后，滿足礦山定向技術(shù)要求。陀螺儀定位的方向一般排除了地球上兩極和高緯度的地區(qū)，測定地面或礦井下任意一個(gè)測量站的真子午線。這樣做是為了能夠精準(zhǔn)的定位大地方位角，并且其定向的精度基本不受深井深度的影響，因此使之成為對礦山測量定向工作非常重要的首選方式[1]。

1 深井多中段定向中全站式陀螺儀使用工程實(shí)踐

1.1 工程的發(fā)展背景

某礦山屬于大型礦山，該礦山的定向附近，井口深度超過1100m，深度較高，危險(xiǎn)系數(shù)較大，每段的段高大約為60m～70m左右，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中段中有7 個(gè)，各個(gè)中段按照一定順序先后開挖。這7 個(gè)中段中，有3 個(gè)中段為上部中段，需要先期開拓。此時(shí)開拓的中段米數(shù)分別為1390m、1370m、1290m，而其中的最低中段為1040m。礦井的生產(chǎn)實(shí)際情況比較刁鉆，要求對于4 個(gè)以上的中段進(jìn)行坐標(biāo)傳遞和方位角的測定，并以此作為井下首級控制導(dǎo)線，礦井中要求對于深井多中段使用全站式陀螺儀測試，使用要求需要能夠與中段的各個(gè)采掘巷道和相鄰中段豎井工程相一致。換句話說，工程人員要求保證礦山的高速和高效率生產(chǎn)，而對于附近早期中段的1500m 貫通方案設(shè)計(jì)的比較完善。一般而言，如果能夠使用1.2mm 的鋼絲傳遞坐標(biāo)，那么就可以使近井點(diǎn)被設(shè)置為1500m 貫通的車場位置。在礦井的測量時(shí)，為了使聯(lián)測儀器的選擇更加符合礦井的實(shí)際開采生產(chǎn)及實(shí)踐需求，工作人員一般在測量前按照各個(gè)中段搭設(shè)安全平臺，并將重錘放置于裝有廢機(jī)油的桶中，此舉是為了能夠有效地限制工程測量時(shí)鋼絲的任意擺動，從而能夠使得鋼絲保持絕對垂直的狀態(tài)。

在大型礦山中測量人員往往經(jīng)驗(yàn)非常豐富，為了限制鋼絲的改動，將會把廢機(jī)油桶放置在完全水平的平面，此時(shí)全站式定向陀螺儀的投點(diǎn)和陀螺邊布設(shè)的狀態(tài)顯示出各線路呈0°、180°、90°的數(shù)值。工程主要針對于礦井內(nèi)全站式陀螺儀性能測試以及儀器常數(shù)的穩(wěn)定性加以論述和思考，此時(shí)研究人員往往通過不同的實(shí)驗(yàn)方案得到平均的測試數(shù)值，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員利用數(shù)學(xué)原理檢驗(yàn)穩(wěn)定性和可靠性的檢驗(yàn)結(jié)果后，在儀器的精度測試方面，常常需要符合精度及不同的定向方法測試結(jié)果，可使用定向存在的基本原理得知[2]。

1.2 深井多中段定向中全站式陀螺儀儀器的選定和聯(lián)測方法

對于礦井而言，深井多中段定向測試必須要滿足全站式陀螺儀儀器的基本指標(biāo)，全站式陀螺儀儀器的型號為GP213oR3-C1。全站式陀螺儀儀器是GP1 陀螺儀和SET 全站儀共同組成的結(jié)合性儀器，其目的仍然是為了測定在礦井中的真北方向。為了能夠使得礦井內(nèi)真北方向以及與之相關(guān)的測量過程能夠滿足測試的基本環(huán)境要求，需要多中段采用儀器組合合成，其使用目的是為了能夠測定真北方向的精度系統(tǒng)，而且要求全站式陀螺儀儀器必須具備定向速度快、精度足夠高、使用和攜帶均非常方便的要求。在該礦井內(nèi)測試人員多次對于全站式陀螺儀儀器的技術(shù)指標(biāo)加以檢測，認(rèn)為結(jié)合GP1 陀螺儀和SET 全站儀分別的專用處理軟件，完全可以使用SET 在觀測完成后通過計(jì)算得出真北方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在不同的場合下，適應(yīng)各種場合作業(yè)特點(diǎn)的全站式陀螺儀儀器GP213oR3-C1 基本能夠滿足地下礦井深井測量和聯(lián)測的要求，這對于全站式陀螺儀儀器系統(tǒng)的考驗(yàn)是比較大的。

當(dāng)轉(zhuǎn)子對自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為I，自轉(zhuǎn)角速度為ω 時(shí)，則轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)動量矩為L=Iω。假定支架軸承都絕對光滑，基座不能通過這些軸承把外力矩傳給轉(zhuǎn)子，且內(nèi)、外兩框環(huán)的質(zhì)量可忽略不計(jì)。于是，由動量矩守恒可知，均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將能借慣性而在慣性空間保持不變方向。假如用某種方式給轉(zhuǎn)子以沖擊性外力矩，使動量矩L 獲得橫向增量。在深井中段全站式陀螺儀一直作為非常典型的自主定向儀器，而使用陀螺儀的定軸性和進(jìn)動性都導(dǎo)致了球體的自轉(zhuǎn)，為了測量出地球自轉(zhuǎn)的基本方向，可以結(jié)合光、機(jī)、電知識于一體，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的工程測量及地下施工定向等領(lǐng)域需求。

2 深井多中段定向中全站式陀螺儀應(yīng)用精度控制方法

2.1 準(zhǔn)確把握全站式陀螺儀的技術(shù)指標(biāo)

本次定向使用的儀器精度控制，效果極好其定向精度控制的技術(shù)指標(biāo)，需要滿足在不考慮磁場條件下的各類情況，而且儀器需要準(zhǔn)確的指示針對方向在礦井內(nèi)，其測試精度為20 分度上下。機(jī)器的啟動有一定的預(yù)熱時(shí)間，一般啟動時(shí)間為一分鐘左右，或者一分到一分半，均是全站式陀螺儀啟動的正確時(shí)間范圍。每次全站式陀螺儀的測量周期約為6 分鐘左右，在我國的中緯度地區(qū)一般常采用半周期，即三分鐘左右為一個(gè)測試最短線程。在全站式陀螺儀的使用時(shí)，安置精度一般為5 分度左右，工作溫度可滿足在零下20℃到零上5℃的基本范圍[3-5]。

由于深井多中段定向中全站式陀螺儀必須滿足連測式的儀器要求，因此各個(gè)中段檢測時(shí)均可采用二分度級別的全站式陀螺儀，此時(shí)，礦井內(nèi)測量的要求需要保證鋼絲和測量地點(diǎn)的距離，研究人員可通過鋼尺進(jìn)行具體的實(shí)地測量，一般要求陀螺邊使用全站式陀螺儀的基本配置，采用棱鏡進(jìn)行合理測距。

2.2 深井多中段定向投點(diǎn)實(shí)施及安全平臺搭設(shè)

為了保證全站式陀螺儀的測試足夠安全，并且對于測試結(jié)果的范圍和研究人員的安全等均加以保障，一般采用1.2mm 鋼絲，由上部生產(chǎn)中段的井口向下下放，一次性下放輸出值必須達(dá)到最低的定向水平。當(dāng)平臺全部搭設(shè)完畢后，鋼絲下部可懸掛約100KG 左右的重錘.重錘依然被安置在裝有廢機(jī)油的桶中，這是為了能夠使得信號圈法很好的落實(shí)，并能精準(zhǔn)地檢測鋼絲下放的實(shí)際情況，保證鋼絲自由垂直并達(dá)到絕對垂直的效果。在深井多中段定向投點(diǎn)的過程中，重錘被至于裝有廢機(jī)油的桶中，因此，可以使鋼絲保證足夠穩(wěn)定，此時(shí)全站式陀螺儀的各中段聯(lián)合測量可以得以開展測量角度，采用正棱鏡的觀測方式，對于居中測量對中測量，一般最多使用三個(gè)測量回測周期都能滿足。要注意的是，當(dāng)水平角全部測量完畢后，自下而上依次采用鋼尺準(zhǔn)確的取測點(diǎn)和鋼絲之間的距離，要求各個(gè)起點(diǎn)必須大于6 對讀數(shù)，而且讀數(shù)字互相之間的誤差被限定在2mm～3mm 之內(nèi)。為了保證聯(lián)合測量的記錄更為清晰，可以要求研究人員準(zhǔn)確地記錄聯(lián)合測量數(shù)值后制作聯(lián)合測量示意圖，以動態(tài)的方式記錄聯(lián)合測量的實(shí)際結(jié)果，而且測量距離是絕對不能碰到已經(jīng)呈現(xiàn)垂直狀態(tài)的鋼絲。這是因?yàn)樵诜磸?fù)的測量經(jīng)驗(yàn)中，鋼絲的穩(wěn)定性保證了整體數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

2.3 掌握合理的全站式陀螺儀測定陀螺方位角方法

《礦山規(guī)范》成為礦山開采及測量的指導(dǎo)性方案，在深井多中段定向測量中，全站式陀螺儀的一次定向必須要采用3-2-3 的模式，此時(shí)的地表測量環(huán)節(jié)選擇已知陀螺邊，采用三次測量回測的方法，精準(zhǔn)確定陀螺方位角，在記錄儀器常數(shù)之后，按照地表已知的邊T1-GP01 進(jìn)行測算，其測算的基本公式為：這是一種對于精度的長效保持，一般采用兩個(gè)周期的三次回測，確定陀螺方位角，有助于準(zhǔn)確讀取陀螺方位角的測量讀數(shù)，將全站式陀螺儀安置于近井點(diǎn)，嚴(yán)格對于居中點(diǎn)加以測試，借助全站式陀螺儀的既定方位，確定觀測線的方位值，通過粗略定向之后，以逆轉(zhuǎn)法精準(zhǔn)測定陀螺方位值。有的時(shí)候，經(jīng)驗(yàn)豐富的測量人員還會根據(jù)坐標(biāo)方位角的計(jì)算，結(jié)合全站式陀螺儀的兩個(gè)棱鏡方位觀測測線的方位值記錄側(cè)后方向值。定向邊的坐標(biāo)方位角計(jì)算公式如下：

3 結(jié)論

綜上所述，在深井多中段采用定向中全站式陀螺儀，可以實(shí)現(xiàn)一次投點(diǎn)多中段同時(shí)實(shí)現(xiàn)多儀器之間的聯(lián)合測量方法，這對于陀螺方位角的測定確實(shí)有很好的幫助。為了能夠更好的解決深井多中段定向中的技術(shù)難題，必須要在精度更高的定向成果指引之下，合理的推斷井下測算控制點(diǎn)位置，在嚴(yán)格遵守相關(guān)測試規(guī)范的基礎(chǔ)之上，為井下工程安全高效的施工提供測試、測量的堅(jiān)實(shí)保障。