深井多中段定向中全站式陀螺儀的應用及精度研究

方穎

銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設股份有限公司 安徽 銅陵 244000

引言

全站式陀螺儀是一種較為新穎的測量設備，相比傳統陀螺儀設備，全站式陀螺儀具有更多功能。陀螺儀設備是通過高速的回轉體產生動量，設備的矩敏感殼體在相對慣性的作用下，對目標進行角運動測量的設備，當前在很多工程項目中都有著廣泛的應用[1]。在陀螺儀設備當中，很多運用其他相關原理來進行角運動測量的設備通常也被叫作陀螺儀，其功能具有一定的相似性。陀螺儀在深井項目測量的過程中，陀螺邊方位角通常可以不占用更多的井筒。一般是通過一次定向就可以保證有較高的準確度。在實際的測量過程中，只需要進行相對簡單的準備后就可以展開測量工作。符合當前礦山深井項目的實際定向測量的技術需求[2]。此外，全站式陀螺儀定位的方向相對準確，除了兩極地區以及高緯度位置，能夠有效測量地面以及深井當中任意位置的真子午線數據。這種測量方式能夠有效提高大地方位角定位的準確性。同時，進一步提高定向測量的準確度，保證測量工作能夠避免受到深井深度產生的不良干擾。因此全站式陀螺儀成為深井多中段定向測量工作當中十分重要的設備之一。

1 全站式陀螺儀在深井多中段定向中的應用方法

1.1 案例工程項目的主要資料

在本文中，案例工程項目選擇我國某省一礦山開采項目，項目主體為大型礦山。案例項目的定向測量工作中，深井位置深度大于1226m，數據顯示深井深度相對較高，因此在實際的測量和開采工作中具有較高的危險性。因此，在實際設計中，每段深井段高設計為：65~70m之間。在設計方案中主體段共計7個，每個中段需要根據設計方案的相關流程進行測量和施工。在所有的深井段中，有3個中段處于上部位置，因此應當在前期進行開拓。此時，案例數據顯示：這3個中段的開拓數據為：一號中段：1375m；二號中段：1341m；三號中段：1312m。此外，最低中段數：1032m。在該項目中，由于礦井作業位置的實際條件相對復雜，因此，需要對其中超過4個中段予以準確的方位角測定工作，并根據數據設計井下的控制導線方案[3]。在本文項目中，使用全站式陀螺儀對深井的多個中段進行測量。并需要保證測量的中段中各個開采通道巷道與其他中段的豎井保持一致。因此，項目工作人員為了保證工程能夠維持高效率的開采率，進而需要對其中早期施工的中段中超過1490m貫通方式進行優化設計。在實際的測量工作中，通常使用1.20mm鋼絲作為傳遞材料。測量人員需要根據中段的實際情況設計安全平臺，進而保證測儀設備符合工程的實際測量需求，同時需要將重錘安裝在具有廢機油的桶內。此外，在案例項目中，測量人員需要具有相對豐富的實際操作經驗，在測量時將廢機油桶設計在絕對水平的狀態，進而保證鋼絲不會出現隨意改動的情況。在測量期間，全站式陀螺儀需要保證投點位置和陀螺邊布設的線路分別為0°﹑180°以及90°。在本文案例工程中，主要是研究全站式陀螺儀在深井中段定向工作中性能以及相關常數的準確性[4]。

1.2 全站式陀螺儀的選擇以及測量方法

在進行深井多中段的項目中，使用全站式陀螺儀進行定向測量需要符合設備的各項常規指標。例如，本文案例項目中，選擇GP1230 R3-C1型全站式陀螺儀。這種類型的全站式陀螺儀設備屬于GP1陀螺儀和SET全站儀的綜合體，具有兩種設備的共同性能。通過全站式陀螺儀進行定向測量，可以準確地找出深井多中段當中的正北位置。此外，需要在各個中段中使用儀器設備保證測定的正北方向有足夠的精確度[5]。這就需要保證全站式陀螺儀設備在操作的過程中必速度快﹑精度高。同時，還需要保證全站式陀螺儀設備在攜帶和搬運的過程中非常方便。在本文的案例項目中，深井中段的定向測量人員需要對全站式陀螺儀設備的各項指標參數進行多次的檢查。進而保證在不同的深井環境當中，GP1230 R3-C1全站式陀螺儀設備能夠適應各種深井中段的特點，可以符合地下深井中段定向以及聯測的相關要求。而這種情況對于GP1230 R3-C1型全站式陀螺儀設備也是一種艱巨的考驗。在使用全站式陀螺儀設備時需要進行仔細的計算，如果將轉子對設備自轉軸產生的轉動慣量表示為I，并將自轉角的速度表示為ω時，則可以得出轉子自轉動量矩（L）計算公式為：L=Iω。設定支架的軸承處于絕對光滑的情況下，設備基座無法通過軸承將其中的外力矩轉移到轉子當中。同時，內﹑外兩部分框環的質量也可以忽略[6]。這種情況下，根據物理學理論中動量矩守恒規律可以得出：全站式陀螺儀當中的轉子軸可以通過慣性的作用，在慣性空間內維持方向始終不發生變化。此外，在深井多中段定向工作中，全站式陀螺儀設備一直是較為常用的自主定向設備。在全站式陀螺儀當中，由于受到設備定軸性以及進動性的影響，能夠保證設備球體自轉。而為了能夠準確地計算出地球自轉方向，還需要在實際應用中通過與光﹑機﹑電等相關知識進行整合。

2 全站式陀螺儀在深井多中段定向中的精度控制技術

2.1 對相關指標進行準確控制

在案例項目當中的定向測量工作中，為了保證全站式陀螺儀的精度能夠進行有效控制，需要對相關指標進行準確控制。進一步滿足除磁場條件以外的其他測量需求，同時保證全站式陀螺儀測試精度超過20分度。在實際的操作過程中，全站式陀螺儀啟動后需要有1.0~1.5min左右的預熱時間，設備在這一時間段內啟動均屬于設備的正常啟動時間范圍[7]。此外，全站式陀螺儀在實際使用是，每次測量的時間通常為6min左右。我國大部分地區處于地球的中緯度區域當中，因此通常會選擇半周期作為測量時間，即3min左右作為定向操作的最短時間。在準備階段中，全站式陀螺儀的安置精度需要控制在5.00分度上下。工作環境的溫度范圍在-20℃~5℃的之間。此外，在深井的多中段定向工作中，由于全站式陀螺儀需要符合聯測的要求。這就需要在所有測定的中段當中，選擇二分度的全站式陀螺儀設備。在實際操作中，深井中段測定還需要保證鋼絲與測定位置之間的距離符合標準。現場操作人員需要對實際現場進行準確的測量，保證距離的精確程度。在實際的測定工作中通常會選擇棱鏡設備對現場距離予以準確測量[8]。

2.2 建設深井多中段定向安全平臺

為了保證在深井的多中段定向工作的安全性，需要在定向范圍以及工作人員的安全方面予以有效的保障。在實際的定向工作中，通常使用1.2mm鋼絲作為主要材料，在深井上方的井口位置下放，并一次性下放到合適的位置，保證輸出值符合最低定向標準，然后搭建安全操作平臺。在安全平臺搭設完成后，需要在鋼絲下端懸掛100kg重量的重錘保證平臺穩定性。通常會將重錘安裝在廢機油桶內。這種方式能夠有效保證信號圈得到落實，并讓鋼絲準確的下放到指定位置，進而讓鋼絲能夠達到自由垂直并處于絕對垂直的狀態。此時再使用全站式陀螺儀對各個中段進行聯合定向測量，并使用正棱鏡設備對其進行觀測。同時，在測量時選擇居中測量，通常最多需要進行3次測量回測周期。此外，水平角在定向測量結束后，應當自下而上的測量點與鋼絲的距離進行觀測，所有起點的讀書需要超過6對，同時需要保證讀數的誤差小于3mm。為了能夠提高定向聯合測量的精確程度，還需要現場測量人員詳細記錄定向聯合測量的所有數據，并制作示意圖。通過動態方式準確記錄相應的測量結果。

2.3 選擇合適的方位角度計算方法

在定向測量過程中，所有操作需要符合《礦山規范》的相關規則和標準。尤其在深井的多中段定向工作中，全站式陀螺儀需要選擇3-2-3的模式。這一模式在地表定向操作時會選擇自己已知的陀螺邊，并通過3次回測保證準確度，進而準確地定位陀螺的方位角。設備記錄相應的常數后，需要根據地表已知的T1-GP01予以測量和計算。這種方法有利于精確的讀取設備中陀螺方位角數據，可以將全站式陀螺儀放置在近井點，借助既定方位來確定觀測線的方位。在實際的定向測量工作中，很多熟練的操作人員能夠通過坐標方位角數據進行計算，并根據設備的棱鏡方位測量出側后方向的數據值。

3 結束語

綜上所述，在深井多中段的定向工作中，選擇全站式陀螺儀進行操作，能夠真正實現通過一次投點就可以在多個中段內進行聯合定向測量，對于深井多中段方位角的定向具有十分重要的作用。進而有效解決了深井作業中多中段的定向技術問題，進而能夠精確推斷深井多中段控制點的具體方位，為井下工程安全施工提供保障。