深井多中段定向中全站式陀螺仪的应用及精度分析

赵洪利，闫伟男，张春雷

（锡林郭勒盟山金阿尔哈达矿业有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026300）

陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。陀螺仪测定陀螺边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够高，就可以在简单的准备工作之后，满足矿山定向技术要求。陀螺仪定位的方向一般排除了地球上两极和高纬度的地区，测定地面或矿井下任意一个测量站的真子午线。这样做是为了能够精准的定位大地方位角，并且其定向的精度基本不受深井深度的影响，因此使之成为对矿山测量定向工作非常重要的首选方式[1]。

1 深井多中段定向中全站式陀螺仪使用工程实践

1.1 工程的发展背景

某矿山属于大型矿山，该矿山的定向附近，井口深度超过1100m，深度较高，危险系数较大，每段的段高大约为60m～70m左右，在设计生产中段中有7 个，各个中段按照一定顺序先后开挖。这7 个中段中，有3 个中段为上部中段，需要先期开拓。此时开拓的中段米数分别为1390m、1370m、1290m，而其中的最低中段为1040m。矿井的生产实际情况比较刁钻，要求对于4 个以上的中段进行坐标传递和方位角的测定，并以此作为井下首级控制导线，矿井中要求对于深井多中段使用全站式陀螺仪测试，使用要求需要能够与中段的各个采掘巷道和相邻中段竖井工程相一致。换句话说，工程人员要求保证矿山的高速和高效率生产，而对于附近早期中段的1500m 贯通方案设计的比较完善。一般而言，如果能够使用1.2mm 的钢丝传递坐标，那么就可以使近井点被设置为1500m 贯通的车场位置。在矿井的测量时，为了使联测仪器的选择更加符合矿井的实际开采生产及实践需求，工作人员一般在测量前按照各个中段搭设安全平台，并将重锤放置于装有废机油的桶中，此举是为了能够有效地限制工程测量时钢丝的任意摆动，从而能够使得钢丝保持绝对垂直的状态。

在大型矿山中测量人员往往经验非常丰富，为了限制钢丝的改动，将会把废机油桶放置在完全水平的平面，此时全站式定向陀螺仪的投点和陀螺边布设的状态显示出各线路呈0°、180°、90°的数值。工程主要针对于矿井内全站式陀螺仪性能测试以及仪器常数的稳定性加以论述和思考，此时研究人员往往通过不同的实验方案得到平均的测试数值，当实验人员利用数学原理检验稳定性和可靠性的检验结果后，在仪器的精度测试方面，常常需要符合精度及不同的定向方法测试结果，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仪仪器的选定和联测方法

对于矿井而言，深井多中段定向测试必须要满足全站式陀螺仪仪器的基本指标，全站式陀螺仪仪器的型号为GP213oR3-C1。全站式陀螺仪仪器是GP1 陀螺仪和SET 全站仪共同组成的结合性仪器，其目的仍然是为了测定在矿井中的真北方向。为了能够使得矿井内真北方向以及与之相关的测量过程能够满足测试的基本环境要求，需要多中段采用仪器组合合成，其使用目的是为了能够测定真北方向的精度系统，而且要求全站式陀螺仪仪器必须具备定向速度快、精度足够高、使用和携带均非常方便的要求。在该矿井内测试人员多次对于全站式陀螺仪仪器的技术指标加以检测，认为结合GP1 陀螺仪和SET 全站仪分别的专用处理软件，完全可以使用SET 在观测完成后通过计算得出真北方向的实验结果。在不同的场合下，适应各种场合作业特点的全站式陀螺仪仪器GP213oR3-C1 基本能够满足地下矿井深井测量和联测的要求，这对于全站式陀螺仪仪器系统的考验是比较大的。

当转子对自转轴的转动惯量为I，自转角速度为ω 时，则转子的自转动量矩为L=Iω。假定支架轴承都绝对光滑，基座不能通过这些轴承把外力矩传给转子，且内、外两框环的质量可忽略不计。于是，由动量矩守恒可知，均衡陀螺仪的转子轴将能借惯性而在惯性空间保持不变方向。假如用某种方式给转子以冲击性外力矩，使动量矩L 获得横向增量。在深井中段全站式陀螺仪一直作为非常典型的自主定向仪器，而使用陀螺仪的定轴性和进动性都导致了球体的自转，为了测量出地球自转的基本方向，可以结合光、机、电知识于一体，并且能够实现实时的工程测量及地下施工定向等领域需求。

2 深井多中段定向中全站式陀螺仪应用精度控制方法

2.1 准确把握全站式陀螺仪的技术指标

本次定向使用的仪器精度控制，效果极好其定向精度控制的技术指标，需要满足在不考虑磁场条件下的各类情况，而且仪器需要准确的指示针对方向在矿井内，其测试精度为20 分度上下。机器的启动有一定的预热时间，一般启动时间为一分钟左右，或者一分到一分半，均是全站式陀螺仪启动的正确时间范围。每次全站式陀螺仪的测量周期约为6 分钟左右，在我国的中纬度地区一般常采用半周期，即三分钟左右为一个测试最短线程。在全站式陀螺仪的使用时，安置精度一般为5 分度左右，工作温度可满足在零下20℃到零上5℃的基本范围[3-5]。

由于深井多中段定向中全站式陀螺仪必须满足连测式的仪器要求，因此各个中段检测时均可采用二分度级别的全站式陀螺仪，此时，矿井内测量的要求需要保证钢丝和测量地点的距离，研究人员可通过钢尺进行具体的实地测量，一般要求陀螺边使用全站式陀螺仪的基本配置，采用棱镜进行合理测距。

2.2 深井多中段定向投点实施及安全平台搭设

为了保证全站式陀螺仪的测试足够安全，并且对于测试结果的范围和研究人员的安全等均加以保障，一般采用1.2mm 钢丝，由上部生产中段的井口向下下放，一次性下放输出值必须达到最低的定向水平。当平台全部搭设完毕后，钢丝下部可悬挂约100KG 左右的重锤.重锤依然被安置在装有废机油的桶中，这是为了能够使得信号圈法很好的落实，并能精准地检测钢丝下放的实际情况，保证钢丝自由垂直并达到绝对垂直的效果。在深井多中段定向投点的过程中，重锤被至于装有废机油的桶中，因此，可以使钢丝保证足够稳定，此时全站式陀螺仪的各中段联合测量可以得以开展测量角度，采用正棱镜的观测方式，对于居中测量对中测量，一般最多使用三个测量回测周期都能满足。要注意的是，当水平角全部测量完毕后，自下而上依次采用钢尺准确的取测点和钢丝之间的距离，要求各个起点必须大于6 对读数，而且读数字互相之间的误差被限定在2mm～3mm 之内。为了保证联合测量的记录更为清晰，可以要求研究人员准确地记录联合测量数值后制作联合测量示意图，以动态的方式记录联合测量的实际结果，而且测量距离是绝对不能碰到已经呈现垂直状态的钢丝。这是因为在反复的测量经验中，钢丝的稳定性保证了整体数据的准确度。

2.3 掌握合理的全站式陀螺仪测定陀螺方位角方法

《矿山规范》成为矿山开采及测量的指导性方案，在深井多中段定向测量中，全站式陀螺仪的一次定向必须要采用3-2-3 的模式，此时的地表测量环节选择已知陀螺边，采用三次测量回测的方法，精准确定陀螺方位角，在记录仪器常数之后，按照地表已知的边T1-GP01 进行测算，其测算的基本公式为：这是一种对于精度的长效保持，一般采用两个周期的三次回测，确定陀螺方位角，有助于准确读取陀螺方位角的测量读数，将全站式陀螺仪安置于近井点，严格对于居中点加以测试，借助全站式陀螺仪的既定方位，确定观测线的方位值，通过粗略定向之后，以逆转法精准测定陀螺方位值。有的时候，经验丰富的测量人员还会根据坐标方位角的计算，结合全站式陀螺仪的两个棱镜方位观测测线的方位值记录侧后方向值。定向边的坐标方位角计算公式如下：

3 结论

综上所述，在深井多中段采用定向中全站式陀螺仪，可以实现一次投点多中段同时实现多仪器之间的联合测量方法，这对于陀螺方位角的测定确实有很好的帮助。为了能够更好的解决深井多中段定向中的技术难题，必须要在精度更高的定向成果指引之下，合理的推断井下测算控制点位置，在严格遵守相关测试规范的基础之上，为井下工程安全高效的施工提供测试、测量的坚实保障。