陀螺全站儀在巷道貫通測量中的應用

馬永進 靳寶 竇全亞

【摘要】 針對地下礦山的巷道貫通測量，對陀螺全站儀的測量原理和精度進行了分析，在此基礎上給出了陀螺全站儀在巷道貫通測量中的應用。用加測陀螺邊的方法對精密導線進行了檢核和平差，順利指導了的巷道的掘進和貫通。

【關鍵詞】陀螺全站儀；井下巷道；陀螺定向；貫通測量

引言

巷道貫通測量是礦山測量中的一項重要工作。地下工程貫通測量成果的好壞，直接關系到整個礦井的建設、生產和經濟效益。運用陀螺全站儀進行井下方位定向，能有效控制測角誤差的傳遞，在長距離井下導線測量中極大地提高了導線的精度和可靠性，防止了誤差累積。

1 工程概況

司家營田興鐵礦位于河北省灤縣境內，設計年開采礦石量達1500萬噸，地理緯度為北緯。此次要面臨巷道貫通的兩條井為東北回風井和北進風井，其中東北回風井已經掘進巷道1739米，北進風井掘進巷道164米。

2 陀螺全站儀測量原理及陀螺方位角計算

2.1 陀螺全站儀測量原理

自由陀螺儀有兩個特性：

①陀螺軸在不受外力作用時，它的方向始終指向初始恒定方位，所謂定軸性。

②陀螺軸在受外力作用時，將產生非常重要效應―“進動”，所謂進動性。

2.2 陀螺方位角計算

①儀器常數的計算：陀螺儀軸與望遠鏡光軸及觀測目鏡分化板零分化線所代表的光軸通常不在同一豎直面中，所以假想的陀螺儀軸的穩定位置通常不與地理子午線重合，二者的夾角稱為儀器常數，一般用△表示。儀器常數△可以在已知方位角的精密導線邊或三角網邊上直接測出來，如圖a所示精密導線邊 CD之地理方位角為Ao.若在 C 點安置陀螺全站儀，通過陀螺運轉和觀測可求出 CD 邊的陀螺方位角αt，可按下式求出儀器常數： △=Ao-αt。

②井下定向邊上測定陀螺方位角

井下定向邊的長度應大于30m，上圖所示，儀器安置在 C點上，可測出CD邊的陀螺方位角αt，則定向邊的地理方位角A為：A=αt +△

③子午線收斂角

如上圖所示地理方位角和坐標方位角的關系為：Ao=αo+γ。其中αo為已知量，γ可以通過查表計算出來（根據安置儀器點的高斯平面坐標）。其實如果井上井下兩條定向邊的距離不是太遠，其定向點經緯度差異可以忽略不計的情況下，那么γo值的差異也是可以忽略不計的。本文所涉及的陀螺定向工作就可以忽略γ值的差異，所以其具體的查表計算過程我們就不再贅述。

④求算井下定向邊的坐標方位角

通過以上論述，我們知道：井上△=Ao-αt=αo+γo-αt。 公式1

井下△=A-αt =α+γ-αt。 公式2

而△也就是儀器常數是固定不變的，那么α=αo+γo-αt-γ+αt 。

在認為γo和γ相等的情況下，α=αo-αt+αt 。 公式3

3巷道貫通測量

3.1 貫通測量方案

在北進風井井上選取兩個已知坐標的控制點N2-1和N2-2，用來測定儀器常數。井下陀螺邊選擇了4條，分別是H4→jcd、CD3→CD4、BJ2→BJ3、BJ9→BJ10。（如下圖）

3.2 貫通測量過程

依據陀螺全站定向測量的有關規定，在地面已知邊上采用兩測回測量陀螺方位角，求得兩個儀器常數；在井下各定向邊上用兩測回測量陀螺方位角；返回地面后，在原已知邊上再用兩測回測量陀螺方位角，再求得兩個儀器常數。

此次定向測量使用的Gyro陀螺全站儀，定向精度為20″，因此要求同一邊任意兩測回測量陀螺方位角的互差，不得超過40″；對于超限數據應在現場予以補測，保證地面常數標定測回總數不少于4個測回，井下各定向邊不少于2個測回。

3.3 數據計算處理

①儀器常數一次測定中誤差計算：

儀器常數△計算表

儀器號：SET3X 測線名稱：N2-1→N2-2

測線坐標方位角：N2-1→N2-2=97°35′25″子午線收斂角：γ=-0°47′31″

上表中V表示真誤差，VV表示真誤差的平方。通過計算一次測定中誤差，我們發現本次測量得到的數據符合該儀器精度的限差要求，測量精度能夠滿足施工需要。

②井下各定向邊坐標方位角的計算

根據公式3計算定向邊坐標方位角

3.4 本次貫通測量結論

①本次陀螺定向測量選取了井上測線N2-1→N2-2進行儀器常數的標定；結果證明，此次陀螺定向測量的一次測定中誤差為11"，定向成果的精度較高，具有一定的可靠性。

②本次陀螺定向，所測定的方位角屬于完全獨立的觀測值，不受任何系統誤差的傳遞影響，其定向精度優于20″。

③本次陀螺定向之后對巷道導線進行了平差計算，其中坐標方位角最大改正數為7.84″，控制點平面點位最大改正數為7.54cm，提高了導線精度。不僅為即將面臨的巷道貫通提供數據支持，而且為以后的生產也打下了更堅實的基礎。

4 結束語

在巷道掘進過程中，視條件與實際需要，可以對控制導線采用增加此類型陀螺全站儀加測陀螺方位角進行定向檢核，來驗證導線測角的精度，提高導線的準確性。這不僅為地下工程安全生產提供了高精度的平面基準，而且提高了井下巷道貫通、測量放線、地質勘探及地測防治水的作業質量，確保地下空間開拓布局持續正常進行。

參考文獻

（1）索佳陀螺全站儀培訓教程[M].

（2）鐘文兵 陀螺定向在貫通測量中的應用實例分析[J].

（3）胡嘉權、魏克敏、黃化.陀螺全站儀在礦山貫通測量中的應用[J].

（4）張國良，朱家鈺，顧和和. 礦山測量學[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2003. 86-100.