多平硐矿井一井定向中陀螺方位角测算及工程应用

韦铖，王福丽，李明君，刘可涛

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛　266000；　2.青岛理工大学琴岛学院，山东 青岛　266106)

1　引　言

矿井联系测量的重要任务之一就是矿井定向，即确定井下导线起算边的坐标及坐标方位角，其目的就是将井上的平面坐标和方位角传递到井下导线的起始点和起始边上，使一井上下采用同一平面坐标系统[1]。陀螺全站仪在矿井定向中因占用井筒时间短、方便快捷、定向精度高等优势而被广泛应用在矿井联系测量中[2]。由于矿井深度较深，井筒风力较猛，在实际一井定向中一般采用下放一根钢丝，钢丝一端固定在井口上方，另一端系有定向专用的重锤自由悬挂至定向水平，利用陀螺经纬仪获取陀螺方位角，从而达到一井定向的目的。本文以烟台某新建多平硐矿井一井定向实测数据为依据，利用陀螺方位角计算程序实现待求边坐标方位角的自动计算。

2　多平硐矿井一井定向

多平硐矿井一井定向是通过竖井进行几何定向，须在竖井井筒内悬挂一根钢丝，井下将钢丝悬挂 60 kg重的重锤放于大油桶中，大油桶中注满水与锯末，待钢丝稳定后，下放信号圈，并在井底接收检查，保证钢丝为自由悬挂状态。如图1所示，矿井附近有两个近井点(C点、D点)，均为E级GPS点。在近井点C点架设全站仪，后视近井点D点，将C-D边作为已知边，测量C点至钢丝、D点的距离，测量近井点D点与钢丝E间的水平角度，按照煤矿测量规程要求测量2次取平均值作为最终结果，计算出钢丝E的平面坐标。井下一平硐永久点A点下架设全站仪，量取永久点B点与钢丝E的水平角度，测量永久点A点至钢丝、B点的距离，角度和距离精度均满足规范要求。在井下A点架设陀螺经纬仪进行定向测量，获取井下导线起算边A-B边的陀螺方位角，计算可以得到A-B边的坐标方位角。重复上述步骤，即可得到二平硐、三平硐地下导线起算边的坐标及坐标方位角。从而便将地面的方向和坐标传递到井下，达到一井定向的目的。

图1　多平硐一井定向示意图

3　陀螺方位角测算

陀螺方位角测算主要步骤如下：

3.1　测定地面已知边仪器常数

进行陀螺定向时，首先在已知边上测定陀螺方位角2次～3次，依据《煤矿测量规程》中关于陀螺经纬仪定向测量的有关规定，取其平均值作为其陀螺方位角。如图2所示，近井精密导线CD的地理方位角为A0，在C点架设陀螺经纬仪测得CD边的陀螺方位角为aT，按式(1)求出仪器常数△[3]。陀螺仪子午线位于地理子午线的东边为正；反之，则为负。

△=A0-aT

(1)

图2　各方位角及仪器常数关系图

3.2　测定井下待定边上陀螺方位角

(2)

待定边测定陀螺方位角应单独测量2次～3次，取其平均值作为其陀螺方位角。

3.3　地面上重新测定仪器常数

3.4　求算子午线收敛角

由于井下定向边需要求算的是坐标方位角，不是地理方位角A0，因此还要求算子午线收敛角r。地理方位角与坐标方位角关系为式[6](3)

A0=a0+r0

(3)

3.5　坐标方位角的计算

由图2及式(1)、式(2)、式(3)可得：

△=A0-aT=a0+r0-aT

(4)

井下待定边的坐标方位角为：

(5)

4　工程应用

本文算例以下雨村金矿实测数据为依据。下雨村金矿为三平硐矿井，利用下雨村金矿井口附近的近井点J2点和J1点，两个近井点精度均为E级GPS控制点，其控制点成果如表1所示。

井口GPS控制点成果　　　　　　　　　表1

本次测量采用中国船舶重工集团公司第七0七所生产的TJ9000(TS)全自动陀螺经纬仪，在地面近井点J2点架设陀螺经纬仪，后视近井点J1点，测定起算边J2-J1边的陀螺方位角，测量两次取平均值作为最终陀螺方位角，根据近井点J2点坐标手工计算子午线收敛角，如表2所示。

井口控制点方位角成果及子午线收敛角　　　　　表2

利用陀螺方位角计算程序，自动求取仪器常数界面如图3所示，软件自动计算仪器常数与手工计算成果的比较结果如表3所示。

图3　陀螺方位角计算程序运行界面图　软件自动计算仪器常数与人工计算成果的较差　　　　表3

在井下各个平硐的地下导线起算边上分别架设陀螺经纬仪，测量两次取平均值作为其陀螺方位角，得到井下三个平硐导线起算边A-B、A1-B1、A2-B2的陀螺方位角，如表4所示。

利用陀螺方位角计算程序自动计算井下导线起算边A-B、A1-B1、A2-B2的坐标方位角，其结果见表4。表5给出了软件计算坐标方位角与手工计算坐标方位角的较差。

软件自动计算坐标方位角成果　　　　　　　表4

软件计算坐标方位角与人工计算坐标方位角的较差　　　表5

通过以上实例验证，该陀螺方位角计算程序软件可以实现井下陀螺方位角的自动计算，计算结果的精度完全可以满足工程需求。

5　结　论

陀螺经纬仪下放一根钢丝的方法在多平硐矿井一井定向中解决了传统定向测量方法中精度低、工作量大及定向时间长等缺点。并且以往的陀螺经纬仪数据计算通常需要专业测量人员进行处理，本文设计的陀螺方位角计算程序，解决了这一问题。该程序实现了陀螺经纬仪数据计算的自动化，大大提高了陀螺经纬仪测量的工程适应性。总之，该软件完全可以满足工程需求。