分析矿井生产中陀螺定向测量的应用及精度

分析矿井生产中陀螺定向测量的应用及精度
摘要：基于井下定向测量对生产安全及效率的重要性，在简单介绍陀螺定向测
量的基础上，结合矿井实例，对陀螺定向测量实际应用及测量成果精度进行深入
分析，最后得出陀螺定向测量精度高，测量可靠的结论。

关键词：矿井生产；陀螺定向测量；测量精度
矿井井下生产对现场观测与定向有着极高的要求，定向测量精度直接影响实
际生产效率，如果精度较差，则必定会降低效率，造成不必要的损失。

因此，应
在重视定向测量的基础上，通过新技术和新设备的引入来提高定向测量水平，如
采用陀螺经纬仪就是很好的选择。

1陀螺定向测量概述
目前，我国与许多国家均研制出充分结合经纬仪与陀螺仪的测量仪器，称为
陀螺经纬仪，主要用于完成定向测量。

对于这种新型测量仪器，其作用原理为：
借助吊丝进行悬吊，重心下移的陀螺敏感地球自转角速度的水平方向分量，受到
重力的作用后，产生一定向北端发生进动的力矩，促使主轴开始围绕子午面发生
往复运动，此时利用传感器接收运动光信号，并将其转换成仪器可识别的电信号，传输至控制器实施分析解算。

之后由经纬仪对被测对应方位角进行显示与读取，
也可在数据传输接口支持下向终端设备传输数据[1]。

本矿井因建设过程中采用几何定向方法得到定向精度相对较低，同时现已受
到一定程度的干扰及破坏，使得可靠性降低，导致井下的无论是控制导线，还是
长距离掘进，均需精度达到较高水平的方向控制。

近年来，我国矿山测量人员在
积极总结传统几何定向方法不足与弊端的基础上，陆续开始借助陀螺经纬仪完成
定向测量任务，以求解决传统方法占用井筒产生的长时间停产、需要消耗大量资
源等问题，并克服定向精度伴随井筒深度不断增加而明显降低等不足，确保工作
效率及定向成果的精度都能得到大幅提升。

基于此，从本矿井角度讲，为充分满
足实际施工提出的各种要求，使首级控制导线始终保证较高的精度，经研究决定
在井下方向测量工作中选用新型陀螺经纬仪取代传统的几何定向方法，以此对起
始方位角等重要测量成果进行确定与校核。

2矿井基本情况及其对陀螺定向测量提出的要求
本矿井为典型的特大型矿井，实行立井开拓模式，规划产能值为1200万t/a，将建设一流、先进、高效且安全的矿井作为核心目标，同时加速推进矿井系统的
数字化、智能化与现代化。

在充分结合矿井实际生产情况的基础上，对其S12-S13巷道、Y7-Y8运输槽、
F7-H11巷道、F2-F1车场对应的陀螺方位角实施准确测定，将测定结果作为后续
井下施工的首级控制导线，以此确保井下所有巷道的实际施工都能得到准确布置
和彻底贯通，提高生产效率的同时保证生产安全。

3设备选择与测量实施
3.1设备选择与主要技术指标
如今，科技与装备水平都在不断提高，作为科技发展产物的陀螺经纬仪，也
得到长足进步，无论是生产厂家还是设备型号都越来越多。

本矿井的测量选用
TJ9000（TS）型陀螺经纬仪，具有快速定向、操作简单、抗风、预定向准确、受
磁场及环境因素影响小等优势，可完成全天候作业。

设备主要技术指标与适用环境为：第一，定向精度为寻北仪定向误差（1 ）
≤20”/cos ，其中表示地理纬度；第二，定向时间不超过12min；第三，工作温度
不能超过-20℃～+50℃范围，有效测量纬度为70°S～70°N[2]。

3.2测量实施
3.2.1外业观测
严格按照现行测量规程有关要求，在一次定向过程中应按照以下程序实施：（1）基于已知边借助两测回对陀螺方位角进行测量，以此获取仪器常数；
（2）基于需定向边借助两测回对陀螺方位角进行测量；当超限时，予以补测；
（3）退回至地面以后，于原有已知边再次借助两测回对陀螺方位角进行测量，以此获取仪器常数[3]。

3.2.2常数测定
对于仪器常数，其测定需在已知边基础上完成，采用以下公式进行计算：
（1）
式（1）中，A表示已知边对应的方位角；表示实测陀螺方位角。

在对仪器常数进行一次测定时，需计算中误差，具体如表1所示。

表1 中误差计算统计表
由表1可知，中误差为±1.73”。

3.2.3子午线收敛角
地理、坐标方位角之间具有以下关系：，A表示地理方位角（主要指已知边）；表示子
午线收敛角（主要指测站点），可通过仪器所在位置对应的高斯坐标确定，计算公式为：（2）
式（2）中，y表示测站点在去除带号的同时再减去500km的横坐标，单位：km；k表示
系数，可通过查表获得。

基于此，即可得出每个观测点对应的实测子午线收敛角：GP04为0°58’54”；S12为
0°58’57”；Y7为0°58’49”；F7为0°58’49”；F2为0°59’01”[4]。

4陀螺方位角确定与结果精度分析
4.1坐标方位角
根据以上不同值存在的相互关系可以推算出，对于定向边，其坐标方位角可以表示成以
下形式：
（3）
4.2定向成果
通过现场观测和计算可以得到每个观测边对应的坐标方位角，具体如表2所示。

表2 通过现场观测和计算得出的每个观测边对应的坐标方位角
对于定向边在一次测定过程中的中误差，按照，结合误差传播定律，可得：
（4）
以下介绍和的计算：
（1）通过上述分析可知，，经计算可得为±0.87”。

（2）采用以下公式计算陀螺方位角在一次测定过程中的误差：
（5）
式（2）中，d表示相同边在两次测量中的方位角差；n表示差值个数。

经计算，四条边
的误差分别为：±1”、±1”、±0.5”、±0.5”。

由此可得各条边对应的，分别为±0.71”、±0.71”、±0.35”、±0.35”。

（3）对子午线收敛角而言，其误差一般相对较小，可不予考虑，所以采用式（4）计算
得出的四条边的分别为±1.12”、±1.12”、±0.88”、±0.88”[5]。

5结论
本矿井借助陀螺经纬仪对井下四条典型边进行现场观测与定向，经计算和精度分析，第
一条边，即S12-S13的中误差结果为±1.12”；第二条边，即Y7-Y8的中误差结果与第一条边相同，均为±1.12”；第三条边，即F7-H11的中误差结果为±0.88”；第四条边，即F2-F1的中误
差结果与第三条边相同，均为±0.88”。

可见，各条边的定向结果都具有极高的精度，从现行
的测量规程看，完全可以达到精度要求，可直接作为导线首级控制网起始方向。

除此之外，需要注意的是，在后续的实际工作当中，应进一步加大现场观测力度，对现场观测定向结果的可靠性进行深入检验，以提高矿井生产的效率及安全性。

参考文献：
[1]张洁.井下导线测量及陀螺定向测量的精度分析探讨[J].山东煤炭科技，2018（01）：148-150.
[2]任传建，王志红.大型贯通测量中加测陀螺定向边的位置选取分析[J].测绘与空间地理信息，2017，40（03）：57-59.
[3]刘小平.陀螺定向测量在矿井生产中的应用及精度分析[J].矿山测量，2015（01）：22-23+70.
[4]王亚江，胡世雄.地下工程陀螺定向测量软件开发[J].测绘通报，2012（S1）：224-226.
[5]李忠金.GAT磁悬浮陀螺全站仪在马坑铁矿竖井定向测量中的应用[J].矿山测量，2012（01）：38-40.。