陀螺全站儀儀器常數(shù)對巷道貫通精度的影響分析

李 勇

(銅陵有色金屬集團 銅冠礦山建設股份有限公司， 安徽 銅陵市 244000)

0 引 言

儀器常數(shù)是指陀螺北方向與真北方向之間的夾角，通常可表示為：真北方向=陀螺北方向+儀器常數(shù)。實際井下定向工作時，陀螺全站儀測出的只是待測邊的陀螺方位角，只有通過儀器常數(shù)修正后才能得到實際意義的坐標方位角，且儀器常數(shù)是一個變量，因此，儀器常數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性對方位角的影響至關重要。本文在具體工程定向中使用儀器為GT3-3型陀螺全站儀，簡單介紹了該儀器的工作原理，主要分析已知邊與定向邊地理位置的不同對巷道貫通精度的影響。

1 陀螺全站儀定向步驟

1.1 地表測定儀器常數(shù)

由于陀螺儀軸穩(wěn)定位置和地理子午線不重合，它們之間的夾角稱為儀器常數(shù)[1]，一般用Δ表示。儀器常數(shù)計算程序通常是：首先在已知邊上測得陀螺方位角，其次計算已知邊的坐標方位角和子午線收斂角得出地理方位角，最后由地理方位角與陀螺方位角之差求得，如圖1所示。

圖1 陀螺全站儀定向原理

已知方位角的導線邊AB的地理方位角A0，在A點安置儀器，通過陀螺全站儀觀測可得出AB邊的陀螺方位角αT，儀器常數(shù)表達式為：

式中，A0為已知邊的地理方位角；α0為坐標方位角，γ0為當?shù)氐淖游缇€收斂角。

通常情況下儀器常數(shù)要在下井定向前在地表上各測量2～3個測回，且每次測量互差在限差要求范圍內(nèi)，取其最或是值。

1.2 井下定向

為保證定向精度，定向邊的長度應該大于 50 m，同理由圖1可知，此時儀器常數(shù)Δ為已知量，定向邊的地理方位角為未知量，有幾何關系可知定向邊的地理方位角為：

式中，Tα′為定向邊的陀螺方位角，需要獨立觀測兩個測回。由式（1）、（2）、（3）可得井下定向邊的坐標方位角表達式為：

1.3 上井后再次測定儀器常數(shù)

儀器常數(shù)的測定方法及規(guī)范要求與下井前的測量程序一致，然后求得其均值作為此次定向的儀器常數(shù)Δ平。

δγ為地面已知邊和井下定向邊的子午線收斂角的差值，可按 δγ=μ(y0-y)求算，其中 μ為與當?shù)鼐暥扔嘘P的系數(shù)[2-3]，y0、y為地面已知邊和井下定向邊端點的橫坐標[4]。在實際作業(yè)當中已知邊與定向邊的子午線收斂角差值幾乎為零，可忽略不計。

2 工程應用

2.1 工程概況

銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司沙溪銅礦位于安徽省廬江縣泥河鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)面積1.4 km2，設計采選礦石330萬t/a，是一座創(chuàng)新管理模式、倡導綠色辦礦的大型礦山。該礦于2010年12月破土動工，2017年7月完成首次滿負荷試車實驗，標志著礦山已開始由基建工程正式轉(zhuǎn)向投產(chǎn)運行。

礦山地表標高+30.076 m，井下最深達-970 m，從下至上設-970中段，-910中段，-850中段，-800中段，-770中段，-705中段，-650中段，-530中段，-410中段，-290中段及-160中段。其中-770中段于2014年12月實現(xiàn)由北風井和南風井雙向施工，實現(xiàn)精準貫通，貫通距離達1.6 km。井下坐標采用幾何定向加陀螺定向確定初始方位角。

2.2 井下陀螺定向測量

陀螺全站儀井下定向采用3個2法則，即下井前在地表高精度已知導線上測定儀器常數(shù)，觀測兩個測回，儀器常數(shù)兩次互差不大于 40″[5]；在井下定向邊上獨立測量兩次陀螺方位角，且互差要小于40″；最后上井后還要在相同已知導線邊上重新進行兩次儀器常數(shù)的測定，且限差要求一致。在滿足限差要求情況下，取下井前后的儀器常數(shù)的均值為最終儀器常數(shù)。

本次儀器常數(shù)的測定選擇的已知邊為 FJ4～FJ3，DB652～DB651，N705-1～N705B-1，構(gòu)成已知邊各點是通過GPS靜態(tài)測量獲得的E級控制點，定向邊為770C～770E，N77D～N77F，分別為北風井，南風井的起始方位邊，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)平面位置

首先，在三條已知邊上測量陀螺方位角，計算出響應的儀器常數(shù)，其中已知邊FJ4～FJ3的儀器常數(shù)計算過程如表1所示。由于已知邊的子午線收斂角γ0與定向邊子午線收斂角γ1的差值很微小，由式（5）可知子午線收斂角可不必計算，在計算定向邊方位角時直接消除。

表1 儀器常數(shù)計算表

表2 儀器常數(shù)評定中誤差

其余兩條已知邊測定儀器常數(shù)方法一致，得出已知邊DB652-DB651和N705-1-N705B-1的儀器常數(shù)分別為-0°7'55.2"+γ0，-0°8'3.4"+γ0。

其次，分別在兩條定向邊770C～770E，N77D～N77F上測定陀螺方位角，分別為 187°36'39.5"和0°44'58.5"。再根據(jù)三條已知邊測定的儀器常數(shù)，由式（4）可得兩定向邊的坐標方位角如表3、表4所示。表達式中γ1與γ0差值近似于零，可以抵消。

表3 不同儀器常數(shù)下770C～770E坐標方位角

表4 不同儀器常數(shù)下N77D～N77F坐標方位角

2.3 巷道貫通誤差

通過比較陀螺定向與幾何定向的井下初始方位角，考慮幾何定向諸多不確定影響因素影響較大，最終以陀螺定向結(jié)果作為初始方位角，儀器常數(shù)選用已知邊FJ4-FJ3來測定，北風井定向邊初始方位角為 187°28'48.6"，南風井定向邊初始方位角為0°37'7.6"，然后依據(jù)導線初測、復測及嚴密的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)巷道在預定貫通點K處貫通，平面貫通誤差為0.185 m，遠小于規(guī)范要求，GT3-3陀螺全站儀加測井下導線邊能夠有效保障巷道貫通精度。

分析儀器常數(shù)的不同對貫通誤差影響大小，設計三種方案：

（1）DB652-DB651測定的儀器常數(shù)計算南、北風井導線計算初始方位角；

（2）N705-1-N705B-1測定的儀器常數(shù)計算南、北風井導線計算初始方位角；

（3）DB652-DB651測定的儀器常數(shù)計算北風井初始方位角，N705-1-N705B-1測定的儀器常數(shù)計算南風井初始方位角。經(jīng)過外業(yè)測量及內(nèi)頁計算得出三種方案最終的巷道貫通預計偏差分別為0.214，0.274，0.105 m。

將第三種儀器常數(shù)測定方法應用于-705中段和-650中段，各中段的巷道貫通誤差分別為0.11，0.126 m，相較于在FJ4-FJ3已知邊上測定儀器常數(shù)并最終巷道的貫通誤差0.241，0.248 m有明顯地減小。通過推廣應用進一步證實：選擇靠近定向邊的已知邊測定的儀器常數(shù)能夠有效提高巷道水平方向上的貫通精度。

3 總 結(jié)

本文通過對沙溪銅礦井下三個中段的精密貫通的工程實例分析，對比研究了定向邊與已知邊不同地理位置情況下測出的儀器常數(shù)對巷道貫通結(jié)果的影響，得出如下實用性結(jié)論：

（1）高精度的陀螺全站儀定向工作對礦井精準貫通至關重要。GT3-3陀螺全站儀儀器常數(shù)一次測定精度為 12.8″，儀器常數(shù)最或是值中誤差為6.4″，儀器觀測穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)符合精度要求，礦井最后順利貫通。

（2）通過比較分析可知：已知邊FJ4-FJ3位于定向邊770C～770E與N77D～N77F中間，由其測定的儀常能夠較高精度地保證兩井間巷道準確貫通；已知邊DB652-DB651，N705-1-N705B-1的地理位置分別非常靠近定向邊 770C～770E與N77D～N77F，采用其中任一條已知邊測定的儀常，其貫通誤差均偏大；當定向邊 770C～770E與N77D～N77F分別選擇地理位置靠近的已知邊測定儀常計算坐標方位角，通過外業(yè)測量及內(nèi)頁數(shù)據(jù)處理，其巷道貫通誤差達到最小。