談陀螺儀在豎井定向測(cè)量中精度問題

【摘要】本文分析探討了陀螺經(jīng)緯儀在豎井礦山中的實(shí)施應(yīng)用，并就如何提高陀螺經(jīng)緯儀定向效率的方法提出了幾點(diǎn)意見，以供同行參考

【關(guān)鍵詞】陀螺儀 豎井定向 測(cè)量

前言：

所謂礦井定向測(cè)量就是把地面的方向、座標(biāo)通過豎并（或斜井、平恫傳遞到井下，作為整個(gè)井下平面測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，保證地面和井下用同一個(gè)座標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和繪圖，并解決各項(xiàng)采礦工程問題。礦井定向測(cè)量又稱井上下的平面聯(lián)系測(cè)量，它是一項(xiàng)十分重要的測(cè)量工作，關(guān)系到正確合理的開拓與回采，又關(guān)系到礦山的安全。

陀螺經(jīng)緯儀（全站儀）是一種不受外界條件限制，可以全天候獨(dú)立測(cè)定真北方位的精密定向儀器，主要用于指導(dǎo)煤礦井下陀螺定向、地鐵以及大型隧道的貫通等定向工作。其觀測(cè)成果的精度除了與儀器自身精度、觀測(cè)者的觀測(cè)水平和操作熟練程度有關(guān)外，還受計(jì)算的影響。陀螺定向測(cè)量由2個(gè)過程完成：井上測(cè)定儀器常數(shù)，井下測(cè)定陀螺邊坐標(biāo)方位角。一般井上工作就是用陀螺全站儀測(cè)定某一邊的陀螺方位角，理想情況下，陀螺軸擺動(dòng)的平衡位置應(yīng)和測(cè)站真子午線方向一致，此時(shí)陀螺方位角即為地理方位角。但是由于陀螺軸、全站儀視準(zhǔn)軸和陀螺儀目鏡光軸不在同一豎直面內(nèi)，因此，陀螺全站儀測(cè)定的陀螺方位角和地理方位角存在一個(gè)差值，該差值即為儀器常數(shù)，可通過地面已知邊坐標(biāo)方位角和陀螺方位角的計(jì)算求出，而陀螺方位角即為地面已知點(diǎn)測(cè)線方向值與陀螺子午線方向和零位改正值的差值。零位改正值反映了陀螺全站儀在整個(gè)測(cè)量過程中的穩(wěn)定性，一般情況下很小可以忽略，但是某些情況下必須進(jìn)行改正，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。

一、陀螺經(jīng)緯儀在豎井礦山中的應(yīng)用

過去，礦山地面控制網(wǎng)的起算邊方位角多用夭文定向方法測(cè)定，豎井定向測(cè)量采用在井筒中懸掛鋼絲懸錘的幾何定向方法。有的通過一個(gè)豎井懸掛兩根鋼絲懸錘的單井幾何定向法（圖1），有的通過二個(gè)豎井懸掛鋼絲懸錘的兩井幾何定向法，用來實(shí)現(xiàn)地面和井下的聯(lián)系側(cè)量，使其達(dá)到坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一這種幾何定向的方法要占用井筒，影響生產(chǎn)，作業(yè)效率低，定向設(shè)備繁雜笨重，由于井筒內(nèi)氣流及滴水對(duì)鋼絲懸錘的影響，使鋼絲失去平衡，對(duì)定向精度影響很大。特別是單井定向，通過一個(gè)井筒下放兩根鋼絲懸錘，其間距非常短，精度更差。在進(jìn)行深井定向時(shí)，更為困難，當(dāng)井深在500米以上時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料看，鋼絲懸錘的擺動(dòng)不再符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，投點(diǎn)誤差很大，從而引起的投向誤差也很大，定向時(shí)即使加倍細(xì)心作業(yè)，也難得到滿意的結(jié)果。

圖1 幾何定向法單井定向

使用陀螺經(jīng)緯儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的幾何定向，上述問題不再存在。陀螺經(jīng)緯儀定向不占用井筒，故不影響生產(chǎn)。目前使用的陀螺經(jīng)緯儀全套儀器重量約20公斤，只需3-4人協(xié)同作業(yè)，一冰定向用30分鐘左右，提高工作效率幾十倍。

二、陀螺經(jīng)緯儀定向的實(shí)施

用陀螺經(jīng)緯儀定向，就是利用陀螺儀的自動(dòng)尋北的特性，定出真北方向，然后根據(jù)給定的測(cè)線方位角定出測(cè)線的方向。用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行洞內(nèi)定向測(cè)量的主要工作內(nèi)容有：在地面上的已知導(dǎo)線上測(cè)量?jī)x器常數(shù)；在洞內(nèi)待定邊上測(cè)定該邊的陀螺方位角；計(jì)算子午線收斂角及待定邊的坐標(biāo)方位角；定向精度評(píng)定。

三、提高陀螺經(jīng)緯儀定向效率的方法

1、經(jīng)常測(cè)定儀器常數(shù)，測(cè)前、測(cè)后不必去野外測(cè)定儀器常數(shù)

陀螺經(jīng)緯儀的儀器常數(shù)E定義為天文方位角與陀螺經(jīng)緯儀讀數(shù)設(shè)備讀出的方位角之差。

當(dāng)儀器在一個(gè)測(cè)區(qū)使用時(shí)，用來測(cè)定常數(shù)的已知邊的天文方位角是不變的。陀螺經(jīng)緯儀讀出的方位角值則主要與儀器的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否變化以及定向測(cè)量誤差有關(guān)。經(jīng)常與固定邊比測(cè)，確知儀器常數(shù)是否變化，在室內(nèi)建立一條高精度的固定邊，經(jīng)常與該邊比測(cè)。使固定邊的方位角誤差很小。高精度已知邊是由帶有強(qiáng)制對(duì)中的室內(nèi)儀器墩A和室內(nèi)或室外永久性固定的照準(zhǔn)目標(biāo)B所構(gòu)成的固定邊AB，儀器墩上安置陀螺經(jīng)緯儀。照準(zhǔn)目標(biāo)可以是照準(zhǔn)誤差特小的特別繪制的小型標(biāo)志或固定目標(biāo)，也可以采用平行光管。室內(nèi)測(cè)定常數(shù)的應(yīng)用。對(duì)于范圍不大的地區(qū)，長(zhǎng)度不超過1 km，可以不考慮子午線收斂角改正，直接采用該常數(shù)值。但在不同緯度、地區(qū)使用時(shí)，要重新測(cè)定儀器常數(shù)。減少定向的測(cè)回?cái)?shù)一個(gè)測(cè)回測(cè)定精確的初定向方向，接著一個(gè)測(cè)回作定向。定向結(jié)果的精度可以達(dá)到優(yōu)于5 s。在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)解決所有問題。減少定向前的等待時(shí)間為解決從冷處到熱處測(cè)量時(shí)，水蒸氣在陀螺經(jīng)緯儀表面結(jié)露問題，可以將儀器保管在一個(gè)帶超溫保護(hù)的恒溫箱中，設(shè)定的溫度比定向現(xiàn)場(chǎng)的溫度略高，在現(xiàn)場(chǎng)就不必等待。減少現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)流環(huán)境處理和協(xié)調(diào)工作的等待。

2、 將現(xiàn)有儀器改造成為高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀

目前，我國(guó)民用自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀和高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀沒有批量生產(chǎn)。市場(chǎng)上原有一種精度為6 s、報(bào)價(jià)為180萬元的國(guó)外儀器，現(xiàn)在也沒有了。擁有AGT-1這種高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀的單位寥寥無幾。以上措施對(duì)于非自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀雖然也可參考使用，但是，最好的辦法是將用戶已經(jīng)擁有的非自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀改造成為高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀。不管是國(guó)產(chǎn)的還是進(jìn)口的，新的或舊的，只要儀器是好的或能夠修好的，能夠達(dá)到一定精度的都可以改制。

我國(guó)各類礦山和隧道施工單位擁有GAK-1與JT15等非自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀不下數(shù)百臺(tái)，如果有半數(shù)以上的儀器能夠改造成為高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，則不但充分利用了資源，還將使我國(guó)高精度自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀的擁有量和應(yīng)用水平迅速提高到國(guó)際先進(jìn)水平，更會(huì)給使用單位帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。

3、進(jìn)一步提高測(cè)量工作效率，定位定向一起做

當(dāng)前，有學(xué)者研制了一種AFS-1自動(dòng)陀螺快速定位定向系統(tǒng)，它是由掌上電腦控制的自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀（JT15改造而成，一次定向的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±8 s）、2 s、電子全站儀（GPS選件）和專用快速定位定向軟件等構(gòu)成的系統(tǒng)。也具有只需要擺一次儀器，后視一個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)上的反射棱鏡就能夠迅速確定電子全站儀的三維坐標(biāo)并立即開始電子全站儀所能夠進(jìn)行的所有工作的優(yōu)異性能。在地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)、礦井和隧道測(cè)量、礦山緊急救援、大型船艦艙內(nèi)設(shè)備安裝的精確定位定向，城市街區(qū)的地籍測(cè)量等測(cè)量工作中能高效率地工作。

4、修訂規(guī)程

正如電子全站儀取代光電測(cè)距儀一樣，目前已經(jīng)很少用光電測(cè)距儀了。過去測(cè)量規(guī)程嚴(yán)格要求的人工記錄，也已經(jīng)被電子自動(dòng)記錄取代。人們的觀念也已經(jīng)逐漸接受了這些進(jìn)步。新儀器的出現(xiàn)，勢(shì)必要有適應(yīng)新儀器的工作規(guī)程和規(guī)范。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候修訂陀螺定向規(guī)程，增加自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀定向部分，增加建室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方向和提高自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀定向效率的相關(guān)條款。

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