深井多中段定向中全站式陀螺儀的應用及精度分析

趙洪利，閆偉男，張春雷

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026300）

陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運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，就可以在簡單的準備工作之后，滿足礦山定向技術要求。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，測定地面或礦井下任意一個測量站的真子午線。這樣做是為了能夠精準的定位大地方位角，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踐

1.1 工程的發展背景

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，危險系數較大，每段的段高大約為60m～70m左右，在設計生產中段中有7 個，各個中段按照一定順序先后開挖。這7 個中段中，有3 個中段為上部中段，需要先期開拓。此時開拓的中段米數分別為1390m、1370m、1290m，而其中的最低中段為1040m。礦井的生產實際情況比較刁鉆，要求對于4 個以上的中段進行坐標傳遞和方位角的測定，并以此作為井下首級控制導線，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，而對于附近早期中段的1500m 貫通方案設計的比較完善。一般而言，如果能夠使用1.2mm 的鋼絲傳遞坐標，那么就可以使近井點被設置為1500m 貫通的車場位置。在礦井的測量時，為了使聯測儀器的選擇更加符合礦井的實際開采生產及實踐需求，工作人員一般在測量前按照各個中段搭設安全平臺，并將重錘放置于裝有廢機油的桶中，此舉是為了能夠有效地限制工程測量時鋼絲的任意擺動，從而能夠使得鋼絲保持絕對垂直的狀態。

在大型礦山中測量人員往往經驗非常豐富，為了限制鋼絲的改動，將會把廢機油桶放置在完全水平的平面，此時全站式定向陀螺儀的投點和陀螺邊布設的狀態顯示出各線路呈0°、180°、90°的數值。工程主要針對于礦井內全站式陀螺儀性能測試以及儀器常數的穩定性加以論述和思考，此時研究人員往往通過不同的實驗方案得到平均的測試數值，當實驗人員利用數學原理檢驗穩定性和可靠性的檢驗結果后，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，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真北方向以及與之相關的測量過程能夠滿足測試的基本環境要求，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，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。在該礦井內測試人員多次對于全站式陀螺儀儀器的技術指標加以檢測，認為結合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算得出真北方向的實驗結果。在不同的場合下，適應各種場合作業特點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測的要求，這對于全站式陀螺儀儀器系統的考驗是比較大的。

當轉子對自轉軸的轉動慣量為I，自轉角速度為ω 時，則轉子的自轉動量矩為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子，且內、外兩框環的質量可忽略不計。于是，由動量矩守恒可知，均衡陀螺儀的轉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動性都導致了球體的自轉，為了測量出地球自轉的基本方向，可以結合光、機、電知識于一體，并且能夠實現實時的工程測量及地下施工定向等領域需求。

2 深井多中段定向中全站式陀螺儀應用精度控制方法

2.1 準確把握全站式陀螺儀的技術指標

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指標，需要滿足在不考慮磁場條件下的各類情況，而且儀器需要準確的指示針對方向在礦井內，其測試精度為20 分度上下。機器的啟動有一定的預熱時間，一般啟動時間為一分鐘左右，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一般常采用半周期，即三分鐘左右為一個測試最短線程。在全站式陀螺儀的使用時，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，因此各個中段檢測時均可采用二分度級別的全站式陀螺儀，此時，礦井內測量的要求需要保證鋼絲和測量地點的距離，研究人員可通過鋼尺進行具體的實地測量，一般要求陀螺邊使用全站式陀螺儀的基本配置，采用棱鏡進行合理測距。

2.2 深井多中段定向投點實施及安全平臺搭設

為了保證全站式陀螺儀的測試足夠安全，并且對于測試結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，由上部生產中段的井口向下下放，一次性下放輸出值必須達到最低的定向水平。當平臺全部搭設完畢后，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油的桶中，這是為了能夠使得信號圈法很好的落實，并能精準地檢測鋼絲下放的實際情況，保證鋼絲自由垂直并達到絕對垂直的效果。在深井多中段定向投點的過程中，重錘被至于裝有廢機油的桶中，因此，可以使鋼絲保證足夠穩定，此時全站式陀螺儀的各中段聯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，一般最多使用三個測量回測周期都能滿足。要注意的是，當水平角全部測量完畢后，自下而上依次采用鋼尺準確的取測點和鋼絲之間的距離，要求各個起點必須大于6 對讀數，而且讀數字互相之間的誤差被限定在2mm～3mm 之內。為了保證聯合測量的記錄更為清晰，可以要求研究人員準確地記錄聯合測量數值后制作聯合測量示意圖，以動態的方式記錄聯合測量的實際結果，而且測量距離是絕對不能碰到已經呈現垂直狀態的鋼絲。這是因為在反復的測量經驗中，鋼絲的穩定性保證了整體數據的準確度。

2.3 掌握合理的全站式陀螺儀測定陀螺方位角方法

《礦山規范》成為礦山開采及測量的指導性方案，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，此時的地表測量環節選擇已知陀螺邊，采用三次測量回測的方法，精準確定陀螺方位角，在記錄儀器常數之后，按照地表已知的邊T1-GP01 進行測算，其測算的基本公式為：這是一種對于精度的長效保持，一般采用兩個周期的三次回測，確定陀螺方位角，有助于準確讀取陀螺方位角的測量讀數，將全站式陀螺儀安置于近井點，嚴格對于居中點加以測試，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，以逆轉法精準測定陀螺方位值。有的時候，經驗豐富的測量人員還會根據坐標方位角的計算，結合全站式陀螺儀的兩個棱鏡方位觀測測線的方位值記錄側后方向值。定向邊的坐標方位角計算公式如下：

3 結論

綜上所述，在深井多中段采用定向中全站式陀螺儀，可以實現一次投點多中段同時實現多儀器之間的聯合測量方法，這對于陀螺方位角的測定確實有很好的幫助。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位置，在嚴格遵守相關測試規范的基礎之上，為井下工程安全高效的施工提供測試、測量的堅實保障。