陀螺全站仪在矿井定向测量中的应用

陀螺全站仪在矿井定向测量中的应用

安学勇

鞍钢矿山建设有限公司辽宁省鞍山市114035

摘要：本文介绍陀螺全站仪在矿井定向测量中的应用，简述陀螺全站仪定向过程及计算方法，结合工程实例分析陀螺定向的实际精度，为今后的测量工作提供一些经验和建议。

关键词：陀螺全站仪；矿井定向；应用

一、前言

鞍钢某大型露天矿山开采到－175米水平后改为井下开采。露天转井下开采工程共有9条竖井，三条斜坡道，9个水平。井筒最深820米，最浅420米。除两条主井外各条竖井及东、西斜坡道在－123米水平、－213米水平、－303米水平、－321米水平相向贯通；主斜坡道从地表＋120水平向下与－123米水平及东、西斜坡道贯通；两条主井与副井在－567米水平、－633米水平、－695米水平单向贯通。相向贯通巷道最长距离为3600米，最短距离为600米。贯通面达60余个，超过2000米的贯通面有4条，超过1000米的贯通面有6条。该工程前期已完成九条竖井的掘凿与混凝土衬砌工作，后续工程由三个工程队承担巷道施工任务。我单位承担全部工程的控制测量任务。

为满足竖井定向的精度，我单位购买了一台索佳GP2X全站式陀螺仪。该仪器由日本索佳公司生产，它结合GP2悬挂式陀螺仪、SET2X全站仪和全站仪内置的处理软件，陀螺仪工作时其摆会绕地球子午线摆动，通过GP2目镜对摆动的观察，并利用全站仪以水平角方式测定出摆幅或测定摆动的时间周期，然后依此计算出摆动中心的陀螺方位角。相对于传统的陀螺仪，索佳全站式陀螺仪GP2X是由GP2陀螺仪和SET2X全站仪组合而成的用于测定真北方向的测量系统，并在全站仪中内置了逆转点法和中天法两种测量程序，结合GP2陀螺仪、SET2X全站仪和专用处理软件，SET2X全站仪可在观测完成后计算出真北方向，且计算出的真北方向可以很方便地设置到SET2X全站仪水平度盘上。陀螺全站仪定向精度为±20″；测角精度为±2″。竖井联系测量采用陀螺全站仪进行定向测量，采用钢丝投点法进行坐标传递测量。

二、陀螺全站仪定向过程及计算方法

1、陀螺全站仪定向过程

1）定向方法选择

陀螺全站仪测定陀螺北方向有两种测量模式：左右逆转点法测量模式、中天法测量模式。本工程采用左右逆转点法测量模式。

左右逆转点法测量模式：顺时针或逆时针旋转全站仪使陀螺仪目镜视场内的测标尽可能接近零分划线，当测标抵达逆转点时，按下全站仪键盘或SF14遥控键盘按键读取并储存水平角值，在读取了两个以上逆转点数据后便可自动进行陀螺北的计算。

2）观测程序

陀螺全站仪定向按3-2-3的观测顺序进行，即：

在地面已知边“近井1—近井2”采用三测回测量陀螺方位角，求得三个仪器常数；

在井下定向边“定向1—定向2”上分别用两测回测量陀螺方位角；

返回地面后，在已知边“近井1—近井2”再采用三测回测量陀螺方位角，求得三个仪器常数。

近井点1、定向点1分别位于井筒附近的地面与定向水平上。

3）一测回测量陀螺方位角的观测步骤

粗略定向；

测量悬挂带零位值─测前零位；

用跟踪左右逆转点法精确测定陀螺北方向值；

测量悬挂带零位值─测后零位；

用全站仪正倒镜观测测线方向值。

陀螺全站仪每站观测两至三测回，测回互差应小于40″，每测回最少连续观测五个逆转点。

4）使用索佳GP2X陀螺全站仪定向，应遵守下列规定：

①测定仪器常数的地面已知边方位角的中误差不能大于10″，井下定向测站点尽量满足无淋水、风小和便于观测的条件，否则应采取措施。定向边的长度应大于50m，最短不小于30m。若定向边小于30m，随井下导线的延伸在大于30m长的控制边上重新定向；

②陀螺全站仪的悬挂带零位不能超过±1.0格，否则应及时进行校正，达到要求后方可用于定向测量；

③陀螺全站仪一次定向顺序：地面已知边、井下定向边1、井下定向边2、……、地面已知边。一次定向最长时间不能超过72小时；

④井上下应由同一观测者进行，仪器在搬运时应防止颠簸和震动。

2、陀螺定向计算

1）陀螺定向仪器常数计算公式：

Δ=α已知－T已知－γ已知

式中：T—陀螺北观测方向值

Δ—仪器常数

γ—子午线收敛角

α—坐标方位角

陀螺边坐标方位角计算公式：

α定向=T定向＋Δ＋γ定向

采用全站仪自动计算左右逆转点的陀螺北方向T，γ值通过查表计算求得。

2）子午线收敛角计算公式选择：根据工程应用上使用的子午线收敛角计算公式有两种：一种是利用经差与纬度进行，即γ=△λ×sinΦ；第二种是利用平面直角坐标结合“子午线收敛角系数K表”进行计算。由于地表近井点与井下各水平定向点之间的平面间距较小（一般在100m以内），γ值变化很小可不考虑。

三、定向成果统计分析

1、陀螺全站仪定向实测精度计算

本工程井下定向共计13条边，-567、-633、-695水平贯通巷道较短且为单向掘进，仅进行一次陀螺定向，没有比较成果。其余10条边的定向成果见下表。

陀螺定向成果比较表

四、结束语

1、实践证明利用陀螺全站仪进行竖井联系测量完全满足竖井定向精度要求。与几何定向比，投点不再涉及方向传递，可节省大量的人力、物力和时间，是技术上的进步。

2、陀螺全站仪进行矿井定向，电子测角、电子测距、电子计算，能自动显示和存储测量结果，方便与外围设备交换信息，自动化程度高。

3、陀螺全站仪比较娇贵，在观测过程中周围不能有震动，小的震动会导致观测成果不可靠，大的震动会导致仪器的损坏，加大维修成本，给定向工作带来不可估量的损失。

4、由于陀螺全站仪的价格比较高、适用范围小等原因导致此方法难以推广。

参考文献

[1]索佳全站式陀螺仪使用说明书.