深井多中段定向中全站式陀螺仪的应用及精度研究

2022-11-25方颖

科学与信息化 2022年9期

方颖

铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司安徽铜陵 244000

引言

全站式陀螺仪是一种较为新颖的测量设备，相比传统陀螺仪设备，全站式陀螺仪具有更多功能。陀螺仪设备是通过高速的回转体产生动量，设备的矩敏感壳体在相对惯性的作用下，对目标进行角运动测量的设备，当前在很多工程项目中都有着广泛的应用[1]。在陀螺仪设备当中，很多运用其他相关原理来进行角运动测量的设备通常也被叫作陀螺仪，其功能具有一定的相似性。陀螺仪在深井项目测量的过程中，陀螺边方位角通常可以不占用更多的井筒。一般是通过一次定向就可以保证有较高的准确度。在实际的测量过程中，只需要进行相对简单的准备后就可以展开测量工作。符合当前矿山深井项目的实际定向测量的技术需求[2]。此外，全站式陀螺仪定位的方向相对准确，除了两极地区以及高纬度位置，能够有效测量地面以及深井当中任意位置的真子午线数据。这种测量方式能够有效提高大地方位角定位的准确性。同时，进一步提高定向测量的准确度，保证测量工作能够避免受到深井深度产生的不良干扰。因此全站式陀螺仪成为深井多中段定向测量工作当中十分重要的设备之一。

1 全站式陀螺仪在深井多中段定向中的应用方法

1.1 案例工程项目的主要资料

在本文中，案例工程项目选择我国某省一矿山开采项目，项目主体为大型矿山。案例项目的定向测量工作中，深井位置深度大于1226m，数据显示深井深度相对较高，因此在实际的测量和开采工作中具有较高的危险性。因此，在实际设计中，每段深井段高设计为：65~70m之间。在设计方案中主体段共计7个，每个中段需要根据设计方案的相关流程进行测量和施工。在所有的深井段中，有3个中段处于上部位置，因此应当在前期进行开拓。此时，案例数据显示：这3个中段的开拓数据为：一号中段：1375m；二号中段：1341m；三号中段：1312m。此外，最低中段数：1032m。在该项目中，由于矿井作业位置的实际条件相对复杂，因此，需要对其中超过4个中段予以准确的方位角测定工作，并根据数据设计井下的控制导线方案[3]。在本文项目中，使用全站式陀螺仪对深井的多个中段进行测量。并需要保证测量的中段中各个开采通道巷道与其他中段的竖井保持一致。因此，项目工作人员为了保证工程能够维持高效率的开采率，进而需要对其中早期施工的中段中超过1490m贯通方式进行优化设计。在实际的测量工作中，通常使用1.20mm钢丝作为传递材料。测量人员需要根据中段的实际情况设计安全平台，进而保证测仪设备符合工程的实际测量需求，同时需要将重锤安装在具有废机油的桶内。此外，在案例项目中，测量人员需要具有相对丰富的实际操作经验，在测量时将废机油桶设计在绝对水平的状态，进而保证钢丝不会出现随意改动的情况。在测量期间，全站式陀螺仪需要保证投点位置和陀螺边布设的线路分别为0°﹑180°以及90°。在本文案例工程中，主要是研究全站式陀螺仪在深井中段定向工作中性能以及相关常数的准确性[4]。

1.2 全站式陀螺仪的选择以及测量方法

在进行深井多中段的项目中，使用全站式陀螺仪进行定向测量需要符合设备的各项常规指标。例如，本文案例项目中，选择GP1230 R3-C1型全站式陀螺仪。这种类型的全站式陀螺仪设备属于GP1陀螺仪和SET全站仪的综合体，具有两种设备的共同性能。通过全站式陀螺仪进行定向测量，可以准确地找出深井多中段当中的正北位置。此外，需要在各个中段中使用仪器设备保证测定的正北方向有足够的精确度[5]。这就需要保证全站式陀螺仪设备在操作的过程中必速度快﹑精度高。同时，还需要保证全站式陀螺仪设备在携带和搬运的过程中非常方便。在本文的案例项目中，深井中段的定向测量人员需要对全站式陀螺仪设备的各项指标参数进行多次的检查。进而保证在不同的深井环境当中，GP1230 R3-C1全站式陀螺仪设备能够适应各种深井中段的特点，可以符合地下深井中段定向以及联测的相关要求。而这种情况对于GP1230 R3-C1型全站式陀螺仪设备也是一种艰巨的考验。在使用全站式陀螺仪设备时需要进行仔细的计算，如果将转子对设备自转轴产生的转动惯量表示为I，并将自转角的速度表示为ω时，则可以得出转子自转动量矩（L）计算公式为：L=Iω。设定支架的轴承处于绝对光滑的情况下，设备基座无法通过轴承将其中的外力矩转移到转子当中。同时，内﹑外两部分框环的质量也可以忽略[6]。这种情况下，根据物理学理论中动量矩守恒规律可以得出：全站式陀螺仪当中的转子轴可以通过惯性的作用，在惯性空间内维持方向始终不发生变化。此外，在深井多中段定向工作中，全站式陀螺仪设备一直是较为常用的自主定向设备。在全站式陀螺仪当中，由于受到设备定轴性以及进动性的影响，能够保证设备球体自转。而为了能够准确地计算出地球自转方向，还需要在实际应用中通过与光﹑机﹑电等相关知识进行整合。

2 全站式陀螺仪在深井多中段定向中的精度控制技术

2.1 对相关指标进行准确控制

在案例项目当中的定向测量工作中，为了保证全站式陀螺仪的精度能够进行有效控制，需要对相关指标进行准确控制。进一步满足除磁场条件以外的其他测量需求，同时保证全站式陀螺仪测试精度超过20分度。在实际的操作过程中，全站式陀螺仪启动后需要有1.0~1.5min左右的预热时间，设备在这一时间段内启动均属于设备的正常启动时间范围[7]。此外，全站式陀螺仪在实际使用是，每次测量的时间通常为6min左右。我国大部分地区处于地球的中纬度区域当中，因此通常会选择半周期作为测量时间，即3min左右作为定向操作的最短时间。在准备阶段中，全站式陀螺仪的安置精度需要控制在5.00分度上下。工作环境的温度范围在-20℃~5℃的之间。此外，在深井的多中段定向工作中，由于全站式陀螺仪需要符合联测的要求。这就需要在所有测定的中段当中，选择二分度的全站式陀螺仪设备。在实际操作中，深井中段测定还需要保证钢丝与测定位置之间的距离符合标准。现场操作人员需要对实际现场进行准确的测量，保证距离的精确程度。在实际的测定工作中通常会选择棱镜设备对现场距离予以准确测量[8]。

2.2 建设深井多中段定向安全平台

为了保证在深井的多中段定向工作的安全性，需要在定向范围以及工作人员的安全方面予以有效的保障。在实际的定向工作中，通常使用1.2mm钢丝作为主要材料，在深井上方的井口位置下放，并一次性下放到合适的位置，保证输出值符合最低定向标准，然后搭建安全操作平台。在安全平台搭设完成后，需要在钢丝下端悬挂100kg重量的重锤保证平台稳定性。通常会将重锤安装在废机油桶内。这种方式能够有效保证信号圈得到落实，并让钢丝准确的下放到指定位置，进而让钢丝能够达到自由垂直并处于绝对垂直的状态。此时再使用全站式陀螺仪对各个中段进行联合定向测量，并使用正棱镜设备对其进行观测。同时，在测量时选择居中测量，通常最多需要进行3次测量回测周期。此外，水平角在定向测量结束后，应当自下而上的测量点与钢丝的距离进行观测，所有起点的读书需要超过6对，同时需要保证读数的误差小于3mm。为了能够提高定向联合测量的精确程度，还需要现场测量人员详细记录定向联合测量的所有数据，并制作示意图。通过动态方式准确记录相应的测量结果。

2.3 选择合适的方位角度计算方法

在定向测量过程中，所有操作需要符合《矿山规范》的相关规则和标准。尤其在深井的多中段定向工作中，全站式陀螺仪需要选择3-2-3的模式。这一模式在地表定向操作时会选择自己已知的陀螺边，并通过3次回测保证准确度，进而准确地定位陀螺的方位角。设备记录相应的常数后，需要根据地表已知的T1-GP01予以测量和计算。这种方法有利于精确的读取设备中陀螺方位角数据，可以将全站式陀螺仪放置在近井点，借助既定方位来确定观测线的方位。在实际的定向测量工作中，很多熟练的操作人员能够通过坐标方位角数据进行计算，并根据设备的棱镜方位测量出侧后方向的数据值。