多平硐礦井一井定向中陀螺方位角測(cè)算及工程應(yīng)用

韋鋮，王福麗，李明君，劉可濤

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島　266000；　2.青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東 青島　266106)

1　引　言

礦井聯(lián)系測(cè)量的重要任務(wù)之一就是礦井定向，即確定井下導(dǎo)線起算邊的坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角，其目的就是將井上的平面坐標(biāo)和方位角傳遞到井下導(dǎo)線的起始點(diǎn)和起始邊上，使一井上下采用同一平面坐標(biāo)系統(tǒng)[1]。陀螺全站儀在礦井定向中因占用井筒時(shí)間短、方便快捷、定向精度高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用在礦井聯(lián)系測(cè)量中[2]。由于礦井深度較深，井筒風(fēng)力較猛，在實(shí)際一井定向中一般采用下放一根鋼絲，鋼絲一端固定在井口上方，另一端系有定向?qū)Ｓ玫闹劐N自由懸掛至定向水平，利用陀螺經(jīng)緯儀獲取陀螺方位角，從而達(dá)到一井定向的目的。本文以煙臺(tái)某新建多平硐礦井一井定向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用陀螺方位角計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)待求邊坐標(biāo)方位角的自動(dòng)計(jì)算。

2　多平硐礦井一井定向

多平硐礦井一井定向是通過豎井進(jìn)行幾何定向，須在豎井井筒內(nèi)懸掛一根鋼絲，井下將鋼絲懸掛 60 kg重的重錘放于大油桶中，大油桶中注滿水與鋸末，待鋼絲穩(wěn)定后，下放信號(hào)圈，并在井底接收檢查，保證鋼絲為自由懸掛狀態(tài)。如圖1所示，礦井附近有兩個(gè)近井點(diǎn)(C點(diǎn)、D點(diǎn))，均為E級(jí)GPS點(diǎn)。在近井點(diǎn)C點(diǎn)架設(shè)全站儀，后視近井點(diǎn)D點(diǎn)，將C-D邊作為已知邊，測(cè)量C點(diǎn)至鋼絲、D點(diǎn)的距離，測(cè)量近井點(diǎn)D點(diǎn)與鋼絲E間的水平角度，按照煤礦測(cè)量規(guī)程要求測(cè)量2次取平均值作為最終結(jié)果，計(jì)算出鋼絲E的平面坐標(biāo)。井下一平硐永久點(diǎn)A點(diǎn)下架設(shè)全站儀，量取永久點(diǎn)B點(diǎn)與鋼絲E的水平角度，測(cè)量永久點(diǎn)A點(diǎn)至鋼絲、B點(diǎn)的距離，角度和距離精度均滿足規(guī)范要求。在井下A點(diǎn)架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行定向測(cè)量，獲取井下導(dǎo)線起算邊A-B邊的陀螺方位角，計(jì)算可以得到A-B邊的坐標(biāo)方位角。重復(fù)上述步驟，即可得到二平硐、三平硐地下導(dǎo)線起算邊的坐標(biāo)及坐標(biāo)方位角。從而便將地面的方向和坐標(biāo)傳遞到井下，達(dá)到一井定向的目的。

圖1　多平硐一井定向示意圖

3　陀螺方位角測(cè)算

陀螺方位角測(cè)算主要步驟如下：

3.1　測(cè)定地面已知邊儀器常數(shù)

進(jìn)行陀螺定向時(shí)，首先在已知邊上測(cè)定陀螺方位角2次～3次，依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》中關(guān)于陀螺經(jīng)緯儀定向測(cè)量的有關(guān)規(guī)定，取其平均值作為其陀螺方位角。如圖2所示，近井精密導(dǎo)線CD的地理方位角為A0，在C點(diǎn)架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀測(cè)得CD邊的陀螺方位角為aT，按式(1)求出儀器常數(shù)△[3]。陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊為正；反之，則為負(fù)。

△=A0-aT

(1)

圖2　各方位角及儀器常數(shù)關(guān)系圖

3.2　測(cè)定井下待定邊上陀螺方位角

(2)

待定邊測(cè)定陀螺方位角應(yīng)單獨(dú)測(cè)量2次～3次，取其平均值作為其陀螺方位角。

3.3　地面上重新測(cè)定儀器常數(shù)

3.4　求算子午線收斂角

由于井下定向邊需要求算的是坐標(biāo)方位角，不是地理方位角A0，因此還要求算子午線收斂角r。地理方位角與坐標(biāo)方位角關(guān)系為式[6](3)

A0=a0+r0

(3)

3.5　坐標(biāo)方位角的計(jì)算

由圖2及式(1)、式(2)、式(3)可得：

△=A0-aT=a0+r0-aT

(4)

井下待定邊的坐標(biāo)方位角為：

(5)

4　工程應(yīng)用

本文算例以下雨村金礦實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)。下雨村金礦為三平硐礦井，利用下雨村金礦井口附近的近井點(diǎn)J2點(diǎn)和J1點(diǎn)，兩個(gè)近井點(diǎn)精度均為E級(jí)GPS控制點(diǎn)，其控制點(diǎn)成果如表1所示。

井口GPS控制點(diǎn)成果　　　　　　　　　表1

本次測(cè)量采用中國船舶重工集團(tuán)公司第七0七所生產(chǎn)的TJ9000(TS)全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，在地面近井點(diǎn)J2點(diǎn)架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀，后視近井點(diǎn)J1點(diǎn)，測(cè)定起算邊J2-J1邊的陀螺方位角，測(cè)量?jī)纱稳∑骄底鳛樽罱K陀螺方位角，根據(jù)近井點(diǎn)J2點(diǎn)坐標(biāo)手工計(jì)算子午線收斂角，如表2所示。

井口控制點(diǎn)方位角成果及子午線收斂角　　　　　表2

利用陀螺方位角計(jì)算程序，自動(dòng)求取儀器常數(shù)界面如圖3所示，軟件自動(dòng)計(jì)算儀器常數(shù)與手工計(jì)算成果的比較結(jié)果如表3所示。

圖3　陀螺方位角計(jì)算程序運(yùn)行界面圖　軟件自動(dòng)計(jì)算儀器常數(shù)與人工計(jì)算成果的較差　　　　表3

在井下各個(gè)平硐的地下導(dǎo)線起算邊上分別架設(shè)陀螺經(jīng)緯儀，測(cè)量?jī)纱稳∑骄底鳛槠渫勇莘轿唤牵玫骄氯齻€(gè)平硐導(dǎo)線起算邊A-B、A1-B1、A2-B2的陀螺方位角，如表4所示。

利用陀螺方位角計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)算井下導(dǎo)線起算邊A-B、A1-B1、A2-B2的坐標(biāo)方位角，其結(jié)果見表4。表5給出了軟件計(jì)算坐標(biāo)方位角與手工計(jì)算坐標(biāo)方位角的較差。

軟件自動(dòng)計(jì)算坐標(biāo)方位角成果　　　　　　　表4

軟件計(jì)算坐標(biāo)方位角與人工計(jì)算坐標(biāo)方位角的較差　　　表5

通過以上實(shí)例驗(yàn)證，該陀螺方位角計(jì)算程序軟件可以實(shí)現(xiàn)井下陀螺方位角的自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的精度完全可以滿足工程需求。

5　結(jié)　論

陀螺經(jīng)緯儀下放一根鋼絲的方法在多平硐礦井一井定向中解決了傳統(tǒng)定向測(cè)量方法中精度低、工作量大及定向時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。并且以往的陀螺經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)計(jì)算通常需要專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行處理，本文設(shè)計(jì)的陀螺方位角計(jì)算程序，解決了這一問題。該程序?qū)崿F(xiàn)了陀螺經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)計(jì)算的自動(dòng)化，大大提高了陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的工程適應(yīng)性。總之，該軟件完全可以滿足工程需求。