陀螺儀在獨立坐標系地下礦山快速定向的研究應用

王永存

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026300）

陀螺儀是高速回轉體，其原理利用動量矩敏感殼體，在相對慣性空間內繞自轉軸進行一定角度的運動，陀螺儀的制作目的是為了檢驗角度，因此，陀螺儀實際上是一種角運動檢測裝置。地下礦山的礦井必須要有統一的控制網絡，只有這樣才能夠實現聯測。這種測量方式往往對人員的素質有較高的要求，這是因為陀螺儀在獨立坐標系來回定向的過程中，兩條垂線可同時進行坐標的傳遞，從而能夠使定向裝置更加具備的精準度，同時還要保證工程條件符合定向的要求[1]。

1 陀螺儀的原理、獨立坐標北向與陀螺儀尋北關系

1.1 陀螺儀的原理

陀螺指的是繞一個支點進行高速運動的主體(top)，通常所用的陀螺是對稱陀螺對稱陀螺的特點是質量均勻分布且呈軸對稱形狀，陀螺的幾何對稱儀由陀螺自身的平衡棒，也就是自轉軸連接，轉速一般較為均勻。

只要陀螺在不停自轉，那么固定轉軸也就會不停旋轉，各類初始條件和外力條件都可能綜合作用，形成陀螺的旋轉效果，陀螺的旋進被稱為回轉效應。陀螺儀敏銳度較高，常被用作飛行運動物體的自控制系統，陀螺儀的作用多種多樣，主要幾個方面包括著“水平、垂直、俯仰、航向和角速度”等，傳感器。這些陀螺儀能夠為飛行狀態駕駛和領航儀的定向進行指導。

圖1 陀螺儀原理圖

1.2 獨立坐標北向與陀螺儀尋北關系

陀螺全站儀也被稱之為經緯儀，陀螺權戰儀能夠精準的定位地球角度的定向儀器，測量人員利用陀螺全站儀測定任意測點的針對方向，之所以使用陀螺全站儀，是因為這種全天時、自主式的定向測量的方式有助于解決，已知點不明確或隧道貫通測量有問題的情況，此時的視野往往不夠通透[2]。

本測量方式直接針對于礦山位于正北方向，并具備足獨立坐標系的情況，正是因為獨立坐標系礦山與國家標準值之間存在的差距，因此，如果陀螺儀之前并未驗證，那么陀螺坐標系與國家控制網和獨立控制網就會存在方位差。測量人員發現礦山各自的坐標北面方向與地面并不是平行關系，存在夾角。

研究者根據陀螺尋北的原理，使用陀螺儀測量正北方向，從理論和原則的角度上來說，陀螺儀測量點的子午線方向能夠推論出背部方位。陀螺儀更換懸掛袋后，是現代觀測點和前測點之間的維度差異被正視之后的結果，只有測量者精準地得知了礦井內的正北方向，才能夠測試一系列的實驗數據。陀螺全站儀能夠測定常數，陀螺儀可調整常數并測量非正北方向的方向指針形成獨立的坐標體系，直接尋求正北方位即可。

2 測試并保證陀螺全站儀穩定性校驗

陀螺全站儀，檢測穩定性突出測試控制點和多點測量的特點，反復驗證、取平均值。陀螺旋轉移的穩定性指的是，在某一固定的測量線上獨立進行多次測量。測量時的陀螺定向要求比較精準，每次測量之間的間距都要求陀螺的方位角符合實際測量程度和結果要求對比測量夾角往往采用綜合評價的方式，只要陀螺全站儀穩定性不受到影響，那么研究人員和測量人員就可以對于同一角度進行多次測量，這樣做是為了能夠通過平均值的測算得到最精準的測量值。這種測量方法主要是為了以差值的方式評定全站儀的穩定性，觀測結果由專門的測量人員進行記錄。

針對陀螺全站儀的穩定性進行測量，要求測量人員分別進行4～5 次測量，以觀測角值的記錄作為測量記錄內容，在這一周期的測量中，要求至少4 個觀測員進行分別測量，而后計算測量的平均值，并計算與均值的差距。陀螺全站儀的穩定性是測算結果精準的保障之一，陀螺全站儀兩點之間的定向測量可得出精度和波動值，儀器的穩定性要求較高，為了使得陀螺儀符合全站標準，應在平時做好陀螺儀穩定性的精度對比工作，應制作對比成果表，由四名觀測員分別進行6 次左右的觀測，記錄陀螺方位角并計算平均值，最終得出與均值的差值。

這兩種計算方法均是為了能夠通過多次反復的測量，找到陀螺全站儀穩定性測量的比對數據，并且根據時間和多次計算的數據匯總結果，找到精準的角度值。

3 陀螺方位與獨立方位常數的測定

獨立坐標系在方位起始方向上就能夠與正北方向進行比較，但是一般而言，比較的結果都有一定的差值。如果測量儀器準確，那么在多次測量的結果可以得出礦山內礦區的實際，礦井立項，陀螺儀的方位往往需要參照獨立坐標體系，最終通過計算得出實際的測量結果和實際測量均可以獲得非常良好的收效。但是要注意的是，在礦區地表控制井下中段或者近井控制點的多線測量時，要格外注意測量的結果差值，根據經驗來看，地表差值較大，那么井下的差距就比較小，一般穩定在一定的區間之內，而反過來說，結果則恰恰相反。事實上，在礦井內地表與井下相對獨立的控制網絡差值，可以在現場實測時加以記錄，測量人員一般會經過同一方向多次測量，選取井下十二、十三 、十五中段的5～6 個方向，從近景方一點取各個常數的平均值，這一做法的目的是為了能夠對，準確衡量井下實際測量位置。

井下的定向工作取自于陀螺方位，同時形成獨立坐標體系，獨立坐標體系的井下作業定向工作，給測量人員奠定了測量的基礎，測量人員布置工程施工單位的測量點，并且埋設十五中段傳遞點，十六中段近井點后就可以組織定向測量工作，頸內坐標傳遞方法是雙向牽制，一上下傳遞的結果傳遞的誤差不大，同時也可以進行高程傳遞測量。一般而言，陀螺儀在使用時直接放置在垂直測量點，并在長距離導向作用是保證獨立的方位取值，這兩端的陀螺測量可通過控制中一線的方式達到統一的真實結果。測量人員首先應反復驗證陀螺儀的穩定性，而后才能夠使用長距離直線中間的方式進行陀螺的加強測量。

在測量現場成功的完成陀螺定向的方式，可得到在精度和效率方面的比較機會，一般而言，實施一次定向投入可以與傳統的幾何定向進行比較，這里的內容往往根據次數和井統占用時間，投入設備數量和最終精度等得出相差比。測量人員認為目前陀螺定向精度比幾何定向精度有優勢，這種優勢很明顯，而且復測和修改也相對比較簡便，不像其他的定向傳統多次計算，評定的精度較高、定向風險較少。陀螺定向還可以大大減少設備和人員投入方面的耗損，定向工作的組織和安全開展也非常便捷。在日常測量實驗中，陀螺應用于平向貫通原理，通過十五中段至十六中端措施井的定向，最終通過現場實測，其垂直誤差被控制在最小范圍之內，遠遠低于預計的最大誤差。從貫通的橫向精度來看聯系測量方位的誤差較小，而且其效果驗證起來也比較方便，只需要四個以上的觀測人員通過比較陀螺定向與幾何定向效果的對比圖，比較定向趨勢圖和相關數據，就可以贏得精度控制方面的勝利[3-6]。

4 結論

綜上所述，單次定向時間減少，對于開展定向深入工程，爭取了更多的作業時間，此舉促進了工程的快速推進，并且不需要穩定，垂線也不需要周圍停止爆破等。這樣的方式精度極高，井筒占用時間不長，能有效地減少井桶內用液安全風險投入量大大減少。在最終驗證了陀螺儀穩定性等數值的前提之下，陀螺儀可被大量地應用在求取正北方向的實驗情況，尤其是對于相對獨立坐標系礦山進行井下定向時，能夠完善貫通校準工作的基礎，并且有非常強的實踐意義。