利用陀螺經(jīng)緯儀提高煤礦井下巷道貫通精度的分析

馬 軍

(淮北礦業(yè)集團(tuán)通防地測(cè)部,安徽 淮北 235000)

陀螺經(jīng)緯儀(gyro theodolite)是帶有陀螺儀裝置、用于測(cè)定直線真方位角的經(jīng)緯儀。其關(guān)鍵裝置之一是陀螺儀，簡(jiǎn)稱陀螺，又稱回轉(zhuǎn)儀。

陀螺經(jīng)緯儀是進(jìn)行深部礦山精密定向、大型隧道工程精準(zhǔn)控制、長(zhǎng)距離巷道貫通測(cè)量等主要測(cè)量工作必備的儀器設(shè)備。使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對(duì)高精度的方位基準(zhǔn)，可大大彌補(bǔ)導(dǎo)線過長(zhǎng)所造成的精度損失，對(duì)長(zhǎng)距離貫通巷道的精度提高具有重要保障作用。

1 陀螺經(jīng)緯儀的原理和構(gòu)成

1.1 陀螺經(jīng)緯儀的原理

高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于鉛直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)(歲差運(yùn)動(dòng))。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。

陀螺經(jīng)緯儀主要由一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子支承在一個(gè)或兩個(gè)框架上而構(gòu)成。具有一個(gè)框架的稱二自由度陀螺儀；具有內(nèi)外兩個(gè)框架的稱三自由度陀螺儀。經(jīng)緯儀上安置懸掛式陀螺儀，是利用其具指北性確定真子午線北方向，再用經(jīng)緯儀測(cè)定出真子午線北方向至待定方向所夾的水平角,即真方位角。指北性，是指懸掛式者在受重力作用和地球自轉(zhuǎn)角速度影響下，陀螺軸將產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)、逐漸向真子面靠攏，最終達(dá)到以真子面為對(duì)稱中心，作角簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特性。

1.2 陀螺經(jīng)緯儀的構(gòu)成

陀螺經(jīng)緯儀由陀螺儀和經(jīng)緯儀(或全站儀)組成，陀螺儀的主要構(gòu)件見圖1。

圖1 陀螺儀結(jié)構(gòu)圖

2 陀螺經(jīng)緯儀的分類和算法

陀螺經(jīng)緯儀按構(gòu)造分：上架式、下架式 ，按操作分：手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng) ， 按方法分：逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法、中天法、擬合法、積分法， 按精度分：25″級(jí)、15″級(jí)、5″級(jí)。

陀螺經(jīng)緯儀定向測(cè)量的算法：

(1)粗略定向法 ：兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法、四分之一周期法、三點(diǎn)測(cè)時(shí)法 。

(2)精密定向法 ：跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法、中天法、四點(diǎn)法、積分法、托馬斯平均值法、舒拉平均值法。

目前煤礦井下確定真子午線北方向的常用方法：中天法、逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法。

3 陀螺經(jīng)緯儀的作業(yè)方法

陀螺經(jīng)緯儀定向測(cè)量基本分為三個(gè)過程:自擺零位測(cè)量、粗尋北測(cè)量、精尋北測(cè)量。自擺零位的測(cè)量結(jié)果可為陀螺經(jīng)緯儀最終定向成果進(jìn)行改正。通過粗尋北，控制器解算出尋北儀零位相對(duì)于真北方向的夾角并最終使陀螺主軸偏離真北位置小于15′，即可進(jìn)行精北測(cè)量得出最終成果。

由于煤礦井下特殊的作業(yè)環(huán)境：空間狹小，交叉作業(yè)多，人員、車輛、機(jī)器設(shè)備、風(fēng)速、水、瓦斯等干擾因素多而雜，井下采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法難以按照操作規(guī)程在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(井下2測(cè)回，一般要1 h以上)保質(zhì)保量完成任務(wù)，通過多年的實(shí)踐證明，井下采用中天法進(jìn)行陀螺定向可以按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》順利完成任務(wù)，并最終能保障高質(zhì)量定向。

3.1 中天法簡(jiǎn)介

不轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部、陀螺靈敏部處于有扭狀態(tài)。將陀螺經(jīng)緯儀置于大致北方向(要求±15′以內(nèi))，通過測(cè)定陀螺靈敏部經(jīng)過中天的時(shí)刻和擺幅，求陀螺北向的一種方法。

中天法計(jì)算公式：

MI=C·α·ΔtΔt=TE-TWTE=t2-t1

Tw=t3-t2

3.2 中天法作業(yè)流程

煤礦井下陀螺定向觀測(cè)程序一般采用“2～2～2”：下井前，在地面常數(shù)邊觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，求得兩個(gè)儀器常數(shù)；下井后，在井下測(cè)量水平定向邊觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回；上井后，又在地面常數(shù)邊觀測(cè)兩個(gè)測(cè)回，再求得兩個(gè)儀器常數(shù)。

一測(cè)回測(cè)量陀螺方位角的步驟如下：

測(cè)前以經(jīng)緯儀兩鏡位觀測(cè)測(cè)線方向，兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法進(jìn)行近似指北觀測(cè)，使近似指北偏離陀螺子午線<10′。

觀測(cè)測(cè)前零位：?jiǎn)?dòng)儀器精確測(cè)定陀螺北方向值，每條定向邊每測(cè)回都觀測(cè)四個(gè)擺幅(左右各兩個(gè))，連續(xù)觀測(cè)五個(gè)中天時(shí)間t，計(jì)算出三個(gè)“兩側(cè)擺動(dòng)”的時(shí)間差Δt均滿足限差參數(shù)要求后，制動(dòng)陀螺儀。

觀測(cè)測(cè)后零位: 測(cè)前和測(cè)后零位互差應(yīng)≤0.2格，最后再以經(jīng)緯儀兩鏡位觀測(cè)測(cè)線方向，測(cè)前和測(cè)后測(cè)線方向值的互差≤10″。

第一測(cè)回結(jié)束陀螺儀停止運(yùn)轉(zhuǎn)約10 min，重新整置陀螺經(jīng)緯儀，開始第二測(cè)回的觀測(cè)，井下同一定向邊兩測(cè)回所測(cè)定陀螺方位角的互差應(yīng)≤40″，取兩測(cè)回的平均值作為陀螺定向測(cè)量成果。

4 井下陀螺定向邊加測(cè)的精度分析

貫通誤差預(yù)計(jì)示意圖如圖2所示。

由圖2陀螺定向誤差引起的K點(diǎn)在水平重要方向x′上的貫通誤差精度計(jì)算公式：

圖2 導(dǎo)線布設(shè)及陀螺邊加測(cè)平面圖

貫通相遇點(diǎn)K在水平重要方向x′上的預(yù)計(jì)誤差為：

MX′=2MX′

按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》要求，井下3 000 m以上貫通導(dǎo)線經(jīng)貫通誤差預(yù)計(jì)，精度不能滿足要求時(shí)，必須加測(cè)陀螺定向邊，3 000 m以上的閉合或附合導(dǎo)線，根據(jù)貫通誤差預(yù)計(jì)精度測(cè)算，一般加測(cè)2條陀螺加強(qiáng)邊，以提高導(dǎo)線整體精度。陀螺定向邊應(yīng)選在頂板牢固、風(fēng)速小、儀器安設(shè)受周圍不可控因素影響小，且邊長(zhǎng)大于80 m的導(dǎo)線邊上(一般陀螺定向邊以200 m為最佳)。經(jīng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，一個(gè)閉合或附合貫通導(dǎo)線，一般加測(cè)2條陀螺邊，即可滿足精度要求，如加測(cè)3條陀螺邊，可提高導(dǎo)線精度達(dá)95%以上，當(dāng)加測(cè)4條陀螺邊，可提高導(dǎo)線整體精度達(dá)98%以上，加5條及以上陀螺邊對(duì)精度提高非常有限，且條數(shù)達(dá)到一定數(shù)時(shí)，精度不但不能提高反而下降，因此加測(cè)陀螺定向加強(qiáng)邊的數(shù)量不是加的越多越好。

5 小 結(jié)

為減少資源浪費(fèi)、提高效率，科學(xué)合理提高長(zhǎng)距離巷道貫通精度，應(yīng)根據(jù)閉合或附合導(dǎo)線的空間分布形狀、貫通點(diǎn)的選取、掘進(jìn)巷道的推進(jìn)速度，長(zhǎng)短邊的分布及上山、平巷的多少等客觀情況，精確進(jìn)行貫通誤差預(yù)計(jì)，科學(xué)確定陀螺加強(qiáng)邊的定向數(shù)量和位置，以保障煤礦井下長(zhǎng)距離巷道的最終高精度貫通。