Y/JTD-2陀螺全站儀在礦山定向測量中的應(yīng)用

張媛媛ZHANG Yuan-yuan；宋磊SONG-lei；袁興明YUAN Xing-ming

（①山東能源棗礦集團(tuán)中興建安工程有限公司，棗莊277000；②山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院建筑與信息工程系，淄博256414）

0 引言

陀螺全站儀是一種自主定向儀器，利用陀螺全站儀的定軸性和進(jìn)動性敏感地球自轉(zhuǎn)，從而計(jì)算出地球自轉(zhuǎn)的法線方向，即真北方向。作業(yè)過程中不受天氣、其他條件影響能夠快速測定真北方向的物理定向儀器，在作業(yè)過程中儀器常數(shù)的穩(wěn)定性直接影響到定向結(jié)果的可靠性，所以需要多次測量求取平均值。近幾年陀螺全站儀在軍事、礦山、航天、森林、鐵道、建筑、海洋和測繪等部門日益得到廣泛應(yīng)用[1,2,3]。Y/JTD-2陀螺全站儀是中國人民解放軍1001工廠全自動阻尼式陀螺全站儀，該儀器采用阻尼跟蹤法測量原理，自動跟蹤、自動鎖放，整個(gè)測量過程中吊帶不受扭，能夠在較大偏北角條件下自動完成粗尋北及精尋北過程。它可快速為遠(yuǎn)程武器發(fā)射提供精確的基準(zhǔn)方位，廣泛用于火炮、雷達(dá)和需要標(biāo)定方位的軍事設(shè)施，以及大地測量、工程測量和礦山測量等工程的精確定向[2]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展以及城市建設(shè)的需要，近幾年加大了對礦產(chǎn)資源的開采，為了保證開采人員以及周圍居民的安全需要對礦井進(jìn)行聯(lián)系測量，保證井上和井下坐標(biāo)系統(tǒng)一致。聯(lián)系測量以往常用方法是幾何定向中的一井定向和兩井定向，這種定向方法的精度較低，《煤礦測量規(guī)程》要求兩次獨(dú)立定向結(jié)果互差分別不超過±2′和±1′，這種定向精度對于大范圍礦區(qū)的井上下位置會產(chǎn)生較大誤差[4,5,6]。文章主要是利用Y/JTD-2陀螺全站儀對礦井進(jìn)行定向測量和貫通測量，定向結(jié)果表明定向精度較高，時(shí)間較短，在礦山測量中應(yīng)用比較廣泛。

1 陀螺全站儀的結(jié)構(gòu)和定向原理

1.1 Y/JTD-2陀螺全站儀結(jié)構(gòu) 陀螺定向是運(yùn)用陀螺全站儀直接測定井下未知邊的方位角，它克服了運(yùn)用幾何定向方法進(jìn)行聯(lián)系測量時(shí)占用井筒時(shí)間長、工作組織復(fù)雜等缺點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于礦井聯(lián)系測量和控制井下導(dǎo)線方向誤差的積累。陀螺全站儀是根據(jù)自由陀螺儀（在不受外力作用時(shí)，具有三個(gè)自由度的陀螺儀）的原理而制成的[2,7]。圖1為Y/JTD-2陀螺全站儀。

1.2 Y/JTD-2陀螺全站儀尋北 Y/JTD-2陀螺全站儀是基于擺式陀螺的尋北原理，主要包括陀螺敏感部和懸絲等，采用阻尼跟蹤的工作方式進(jìn)行全自動尋北測量的。阻尼跟蹤法的顯著特點(diǎn)就是坐標(biāo)方位角的輸出采用的是全站儀直接讀取的方式，根據(jù)陀螺方位角確定出目標(biāo)的真北方向。儀器工作主要由一個(gè)主電路驅(qū)動回轉(zhuǎn)平臺尋北，并且配以反饋電路進(jìn)行連續(xù)控制校正[2]。

圖1 Y/JTD-2陀螺全站儀

2 Y/JTD-2陀螺全站儀工作過程

2.1 測定儀器參數(shù) 陀螺儀軸的穩(wěn)定位置通常不與地理子午線重合，二者之間的夾角稱為儀器常數(shù)，一般用△表示。陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊△為正；反之為負(fù)[4,5,6,7]。由下圖可以得出△=A+γ-Am。測定陀螺儀的儀器常數(shù)應(yīng)在已知坐標(biāo)方位角的邊上進(jìn)行如12邊，在已知邊12上測量n次已知邊的陀螺方位角，通過測出陀螺方位角和已知的坐標(biāo)方位角就可以求儀器常數(shù)。

圖2 陀螺全站儀定向示意圖

2.2 在未知邊上進(jìn)行定向測量 ①在測站上整平對中好儀器，測前先測定待定測線方向值，啟動陀螺馬達(dá)，輸入測站點(diǎn)的緯度值，9min后自動測量出陀螺尋北方向與陀螺馬達(dá)軸方向的夾角，測后再測定待定測線方向值，一測回定向測量完成。②根據(jù)步驟①繼續(xù)觀測兩到三個(gè)測回定向測量。③輸入測站點(diǎn)的坐標(biāo)、測線的陀螺方位角和儀器常數(shù)，儀器系統(tǒng)內(nèi)部自動計(jì)算出定向邊的坐標(biāo)方位角。④根據(jù)測量規(guī)程要求，測前和測后都要測定一次儀器常數(shù)。

3 陀螺全站儀在礦井的應(yīng)用

Y/JTD-2陀螺全站儀在在礦井的定向測量和貫通測量中應(yīng)用廣泛，完成多條豎井多段的定向測量，與以往的常規(guī)測量相比減少了定向測量的勞動強(qiáng)度、提高了工作效率、減少了開采停工的時(shí)間、為企業(yè)節(jié)省了大量成本、加快了巷道貫通的速度。

3.1 陀螺儀器常數(shù)的計(jì)算 陀螺全站儀井下的待測邊的定向，其實(shí)質(zhì)就是測量出待測點(diǎn)的陀螺方位角和近似坐標(biāo)推算出子午線收斂角，根據(jù)計(jì)算的儀器常數(shù)，計(jì)算出定向邊的坐標(biāo)方位角。表1儀器常數(shù)△計(jì)算表。

表1 儀器常數(shù)△計(jì)算表

3.2 礦井貫通測量應(yīng)用 為了保證井下工程正確貫通而進(jìn)行的測量與計(jì)算工作稱為貫通測量，是井下測量工作的重要內(nèi)容[6,7]。具體的貫通誤差見表2。

表2 貫通誤差

通過分析表2貫通誤差可以得出，利用此陀螺儀對礦井的貫通質(zhì)量較好。貫通后的點(diǎn)位誤差范圍在80～130mn，平均點(diǎn)位誤差107.5mm最大點(diǎn)位誤差為130mm，最小點(diǎn)位誤差為80mm；最大方位角閉合差為28″，最小方位角閉合差為 16″，平均閉合差 21″。

4 結(jié)論

①Y/JTD-2陀螺全站儀將陀螺和全站儀成功聯(lián)系在一起，在礦山定向測量中精度比高、速度快、性能穩(wěn)定、成果可靠、操作簡便等能夠節(jié)約大量的成本。②儀器常數(shù)穩(wěn)定，受測量環(huán)境響小。儀器能夠在一定振動環(huán)境下工作，可以大大減少停工時(shí)間。③利用Y/JTD-2陀螺全站儀對礦井多條邊進(jìn)行貫通測量，通過分析得出貫通精度較高。

[1]張國良,朱家鈺,顧和和.礦山測量學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008:75-79.

[2]煤礦測量規(guī)程[S].北京:中華人民共和國能源部，1989.

[3]李忠金.GAT磁懸浮陀螺全站儀在馬坑鐵礦豎井定向測量中的應(yīng)用[J].礦山測量,2012(1):37-39.

[4]張高興.陀螺全站儀在井下測量中的應(yīng)用研究[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào),2012(2):32-35.

[5]徐金城.礦井聯(lián)系測量的實(shí)踐運(yùn)用[J].采礦技術(shù),2010(1):89-91.

[6]劉紹堂,蔣瑞波,蘇軒.陀螺全站儀在礦井聯(lián)系測量中的應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2011(2):94-96.

[7]靳朝陽,王潤平,秦臻.陀螺全站儀在井下導(dǎo)線測量中的應(yīng)用[J].礦山測量,2010(6):57-60.