论述陀螺定向在矿山测量中的应用
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论述陀螺定向在矿山测量中的应用
牛家宽1 李涛2
南京梅山冶金发展有限公司矿业分公司 江苏南京 223000
江苏省淮安市淮阴区测绘院 江苏淮安 223001
摘要：本文在查阅了大量相关文献的基础上，通过对各种实例的应用分析，总结了陀螺仪在矿山测量中的主要应用领域。
关键词：陀螺定向;贯通测量;应用
一、引言
陀螺经纬仪是一种定向仪器，依据陀螺的力学原理制成，能应用于地下矿山、隧道、军事、森林和其他测区的测量，无时间、地点和环境条件的限制。广泛应用在矿山测量中，陀螺经纬仪不需要传统的几何定位就能进行地上地下坐标之间的联测，不需要井筒就能进行定向，并且能极大地提高地下导线的精度，是节省时间，节省劳动力的先进定向仪器。陀螺仪的简单工作原理是，陀螺绕其质量对称轴高速旋转。陀螺经纬仪有两个基本特征：即定轴性和进动性。陀螺仪就是根据这两个基本特性和在地球自转的作用下，根据陀螺绕测站点的子午线作简谐摆动的原理制成的。
陀螺仪在20世80年代开始应用于矿山井下以来，以其不受时空限制、定向精度高、施测时间短的优点，越来越多地应用于矿山测量，尤其我国浅部矿产资源日益枯竭，矿山深井开采数量越来越多，陀螺仪定向的优点更加显现，由此带来的经济效益也更加明显。
二、陀螺仪在矿山测量过程中的应用
（一）陀螺仪应用于井下平面控制。
一般情况下在井下掘进的过程中，是用导线来完成巷道掘进的任务，但是由于在施工后期，由于巷道是形成一个环形，因此在这种时候只能采用支导线来对掘进方向进行控制，支导线的误差累积很快，因此在巷道较长时很难保证精度要求，因此在掘进过程中我们可以采用加测陀螺方位角的方法，这种方法也在实际生产过程中取得了很好的效果。加测陀螺边一般有三种方法：1、在支导线最末边加测一条陀螺边，形成附合导线；2、每条边上都加测陀螺方位角，这种形式也叫陀螺导线；3、在支导线上等间隔二条陀螺边，形成两条附合导线。通过理论研究和生产实践，加测一到两条陀螺边可以在减少人员的工作量和提高精度这两个方面取得平衡。
（二）陀螺仪在井下次要巷道和采区联系测量中的应用
在井下开采矿块时，从采准开始到回采结束，所进行的全部测量工作统称为采区测量。采区测量最重要的测量工作就是采区联系测量，给采切工程和采场验收的导线传递方向，坐标及高程。
由于采切巷道较短，采区范围较小，工作条件较差，一般采区测量精度要求不高，传统方法主要为罗盘仪导线，但前题是无磁性影响，在有磁性影响的巷道无法使用罗盘仪，仍然要用天井几何定向，费时费力，精度也难以保证，用陀螺仪快速定向法，即用两逆转点观测法效果很好，计算方法为 ，这种方法定位精度能达到±3秒，时间也只需要十分钟左右。也可以采用四分之一周期法，在这种方法下指北精度大概在±10秒左右，时间大概六分钟。
（三）陀螺仪应用于深井定向测量
在生产过程中，由于表层金矿采掘完毕，施工过程逐渐向深部发展，在这个过程中施工难度大大增加，而陀螺仪在节省了时间，避免了人力浪费方面的优势就凸显出来了，深井定向的基本顺序如下：先在地面已经确定的导线边上测得三个仪器常数，然后在井下的定向边上测两次陀螺方位，再上井，在地面已经确定的导线边上再进行三个仪器常数的测量工作，这一过程应保证在三天之内完成。同一边任意两测回陀螺方位角的互差不得超过 （m为一
测回陀螺方位角中误差）。
（四）陀螺仪应用于巷道的检查验收环节
布设控制网一般按照从高级到低级的过程，一般先布设高等级控制网，再用低等级的控制网进行加密，从而完成施工放样工作，但是由于井上井下条件差异太大，所以在施工过程中采用与地面相反的顺序进行，先采取低等级控制网来完成指示巷道掘进方向的工作，然后等具有布设高精度导线的时候将工作导线升级成为高精度的控制网，因此，在布设高等级控制网有困难或者不具备布设高等级控制网的条件时，采用陀螺经纬仪检测巷道的方位角就变得十分重要和方便，具体操作流程就是用陀螺仪测量施工巷道的实际方位角，通过与设计方位角之间的比对，检查掘进方向是否符合设计要求，从而对掘进的方向进行调整。
三、陀螺定向使贯通横向精度提高的效果分析
本文以上述贯通工程段内的导线在加测陀螺边后使导线横向精度提高为例，对陀螺定向技术使用使贯通横向精度提高进行分析计算，确定陀螺定向对贯通横向精度提高的效果。
（一）未加测陀螺边的贯通误差预计
在巷道内布设贯通导线后，假定其平均边长为s,共布设了n条导线边，如果不对其加测陀螺定向边，该导线将以等边直伸支导线的形式向前延伸，由此引起的横向贯通误差可通过下面的式子（1）进行估算：
mq²=ma²/p²×(ns)²+ mb²/p²×s²×n(n+1)(2n+1)/6 (1)
式中，ma—起始边方位中误差；
mb—角度测量中误差；
s—平均边长；
n—导线边长。
将所测数据带入上式计算，得未加测陀螺边的贯通误差预计为：M1=±0.883m
（二）加测陀螺边后的贯通误差预计
如果在贯通巷道内布设的导线上加了部分陀螺方位角，并且加测后该边的方位精度达到或高于导线起始方位精度，则所加测陀螺方位角的导线边可以用来作为坚强边；如果加测后该边的方位精度达不到或低于导线起始方位精度，则加测的陀螺方位角应参加导线的整体平差。对于加测了陀螺定向边的导线来说，如果在巷道内布设的贯通导线按平均位置加测i条导线边，则由此引起的横向贯通误差可通过下面的式子（2）进行估算：
Mq²=mb²/p²s²i×[k(k-1)(2k-1)+ k²w²-k²(k-1+2w²)/4]
+ mb²/p²s²×(n-ik)+ mb /p²s²(n-ik)(n-ik+1)[2(n-ik)+1]/6
(2)
式(2)中w=ma/mb;
k—方向附合导线边数；
n,s的含义同式（1）
将所测数据带入上式计算，得加测陀螺边后的贯通误差预计为：M2=±0.326m
（三）贯通横向精度比较
当贯通导线沿巷道中线方向向前延伸时，导线终点处的横向误差M就是贯通横向误差。所以，加测了陀螺定向边的导线与未加测陀螺定向边的导线相比，其贯通横向误差的百分比如下式所示：
U=Mq/mq﹪(3)
所以，加测陀螺定向边后的贯通横向精度提高率为：
V=(1- Mq/mq) ﹪(4)
将M1,M2的计算结果带入（3），（4）式得到如下结果。
1）与为加测陀螺边相比，贯通横向误差仅是未加测陀螺边时的：
U=M2/M1﹪=0.163/0.444﹪=36.9﹪
2）贯通横向精度的提高率为：
V=(1- M2/M1)﹪=63.1﹪
计算结果表明。在井下贯通导线边上加测陀螺定向边，对贯通横向精度有明显的提高作用。本例的精度提高率达63.1﹪。
四、结束语
陀螺定向技术的使用使贯通测量方法得到创新,大大提高了巷道的贯通精度和确保了巷道的施工质量,并为后期的巷道使用和维护降低了费用,为实现矿山长远效益做出贡献,这种方法在矿山贯通测量中推广应用具有积极意义。
参考文献：
[1]孙建国. 陀螺仪在矿山测量中的应用[M]. 青海科技. 2010,5:39-40
[2]刘福义，高兴华，韩德峰. 在综采掘进巷道贯通工程中应用陀螺定向的探讨[M]. 矿山测量.2009，2(3):12-14
