陀螺定向在礦井貫通測量中的應用

摘要：本文在查閱了大量相關文獻的基礎上，通過對各種實例的應用分析，總結了陀螺儀在礦山測量中的主要應用領域。

關鍵詞：陀螺定向 礦井 貫通測量 應用

1、引言

陀螺儀定向不需占用井筒，準備工作簡單，定向精度較高，一次定向中的誤差在5″～2′之間，完全能滿足礦山各種采礦工程的精度要求。地球上除了兩極和高緯度（75°以上） 地區外，均可測定地面或井下任意測站的真子午線位置和任意測線的大地方位角，定向精度不受井筒深度的影響。除可檢核和替代幾何定向外，當貫通導線很長，適當加測陀螺定向邊形成方向附合導線，可提高導線終點精度。隨著我國深井開采礦石越來越多，陀螺儀定向將被迅速推廣。

2、陀螺儀在深井定向測量中的應用

礦產資源是我國基礎性產業之一。隨著淺部資源日益枯竭，礦產資源逐漸向深部發展，深井數量將大大增加。由于井筒深度的增加、井筒淋水增大、環境溫度升高，傳統的幾何定向困難大大增加，精度無法保證。陀螺儀定向對于保證井下重要工程的質量、減少井筒占用時間、保證礦井安全生產、減輕測量人員的工作強度和提高企業的經濟效益等方面均有重要的現實意義。

2.1陀螺儀定向基本程序

（1）井下定向前，先在地面已知邊上獨立測量3個儀器常數；

（2）井下定向邊上，獨立測量2次陀螺方位；

（3）上井后，再在地面已知邊上獨立測得3個儀器常數。以上基本程序應在3天內完成。同一邊任意兩測回陀螺方位角的互差不得超過d=2√ 2m（m為一測回陀螺方位角中誤差）

2.2 陀螺定向的精度計算

為了衡量井下導線精度和貫通誤差，應估算陀螺定向的精度，即計算井下陀螺定向邊坐標方位角中的誤差。子午線收斂角γ誤差較小，可忽略不計，故一次定向的誤差為ma=±■

式（1） 中：為定向邊一測回陀螺方位角中的誤差；為測回測定儀器常數中誤差；為井下定向邊陀螺方位角的測回數；為地面測定儀器常數的測回數。

視=mT陀=±■

由式（2） 看出，只要求出一測回測定陀螺方位中誤差，就可以估算陀螺儀定向誤差。

3、陀螺儀在井下平面控制中的應用

井下開始開拓掘進時，一般用導線來指示巷道掘進方向，由于巷道形成環形回路，往往在施工后期，一開始只能采用單一支導線來控制掘進方向。而單一支導線誤差積累過快，當巷道較長時，其精度要求高，很難保證工程質量和貫通精度。隨著陀螺儀在礦山的普及，在支導線測量中，加測陀螺方位角逐漸成為一種普遍認可的重要方法，并且在實踐取得了較好的效果。

加測陀螺邊一般有3種形式：

（1）在支導線最末邊加測1條陀螺邊，形成附合導線；

（2）在支導線上等間隔2條陀螺邊，形成兩條附合導線；

（3）每條邊上都加測陀螺方位角，這種形式也叫陀螺導線。

在理論研究和實踐中，對于加測陀螺邊的數量逐步取得了以下共識：井下導線中加測陀螺邊均可減少橫向誤差，提高精度。與沒有加測陀螺方位角相比，精度增益的幅度較大，加測1條邊時，增益約為50%～60%，加測到3條邊時，增益為75%～80%。陀螺邊超過3條，增益不明顯，從提高精度和測量人員工作量綜合考慮，加測1～2條為宜。

4、陀螺定向技術在立井井筒裝備安裝中的應用

立井井筒裝備包括罐道、罐道梁、管路、梯子間、電纜等。罐道、罐道梁是立井井筒裝備的主要組成部分，是保證提升容器安全運行的導向設備，在井筒裝備安裝中，測量人員的任務就是根據設計幾何位置標定安裝基準線。獲各琦銅礦3#副井井筒深度近千米，由于條件限制，放線難度較大，采用陀螺定向技術，進筒裝備安裝取得了良好的效果。

具體操作方法是利用井下陀螺儀定向基點成果，確定井底垂球線位置，井下垂球線位置確定后，用卡線板或在井底預埋的鋼梁上固定，進而標定出定位梁鋼架的位置。

5、陀螺儀在井下次要巷道和采區聯系測量中的應用

在井下開采礦塊時，從采準開始到回采結束，所進行的全部測量工作統稱為采區測量。采區測量最重要的測量工作就是采區聯系測量，給采切工程和采場驗收的導線傳遞方向、坐標及高程。

由于采切巷道較短，采區范圍較小，工作條件較差（巷道窄、空氣濁、干擾性大），一般采區測量精度要求不高，傳統方法主要為羅盤儀導線，但前題是無磁性影響，在有磁性影響的巷道無法使用羅盤儀，仍然要用天井幾何定向，費時費力，精度也難以保證。

用陀螺儀快速定向法，即用兩逆轉點觀測法效果很好，計算方法為：N= 1/2（U1+U2），此法只需10min左右，定向精度能達到±3′左右。另外也可以用1/4周期法，測定時間約為6min，指北精度在±10′之內。

6、陀螺儀在重要巷道的檢查驗收中的應用

地面測量工作的順序一般先布設高等級的控制網，再用次等級的網鎖進行加密，然后進行測圖、放樣等測量工作。井下由于條件限制，測量工作順序和地面正好相反，即先采用低等級的工作導線指示掘進開挖的方向，等到巷道推進到一定的長度，具備布設高精度導線的時候，將工作導線升級為高精度的控制導線。在一些重要的巷道或貫通工程掘進開挖中，如果暫時不具備布設高等級的控制導線或者測設高等級導線有困難時，可以采用陀螺儀方位角檢查巷道方向，即在施工段巷道用陀螺儀測定其實際方位角，然后和該段巷道的設計方位角進行對比，以檢查工程掘進的方向正確與否，確定是否需要調整施工的方向。

7、結語

陀螺儀在20世紀80年代開始應用于礦山井下以來，隨著陀螺儀精度逐步提高，以及其不受時空限制、定向精度高、施測時間短的優點，越來越多地應用于礦山測量，尤其我國淺部礦產資源日益枯竭，礦山深井開采數量越來越多，陀螺儀定向的優點更加顯現，陀螺儀使用在礦山井下將會更加普遍，由此帶來的經濟效益也會更加明顯。

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