王永存

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026300）

陀螺儀是高速回轉(zhuǎn)體，其原理利用動量矩敏感殼體，在相對慣性空間內(nèi)繞自轉(zhuǎn)軸進(jìn)行一定角度的運(yùn)動，陀螺儀的制作目的是為了檢驗(yàn)角度，因此，陀螺儀實(shí)際上是一種角運(yùn)動檢測裝置。地下礦山的礦井必須要有統(tǒng)一的控制網(wǎng)絡(luò)，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)測。這種測量方式往往對人員的素質(zhì)有較高的要求，這是因?yàn)橥勇輧x在獨(dú)立坐標(biāo)系來回定向的過程中，兩條垂線可同時進(jìn)行坐標(biāo)的傳遞，從而能夠使定向裝置更加具備的精準(zhǔn)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(dú)立坐標(biāo)北向與陀螺儀尋北關(guān)系

1.1 陀螺儀的原理

陀螺指的是繞一個支點(diǎn)進(jìn)行高速運(yùn)動的主體(top)，通常所用的陀螺是對稱陀螺對稱陀螺的特點(diǎn)是質(zhì)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(zhuǎn)軸連接，轉(zhuǎn)速一般較為均勻。

只要陀螺在不停自轉(zhuǎn)，那么固定轉(zhuǎn)軸也就會不停旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)效果，陀螺的旋進(jìn)被稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)。陀螺儀敏銳度較高，常被用作飛行運(yùn)動物體的自控制系統(tǒng)，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?yàn)轱w行狀態(tài)駕駛和領(lǐng)航儀的定向進(jìn)行指導(dǎo)。

圖1 陀螺儀原理圖

1.2 獨(dú)立坐標(biāo)北向與陀螺儀尋北關(guān)系

陀螺全站儀也被稱之為經(jīng)緯儀，陀螺權(quán)戰(zhàn)儀能夠精準(zhǔn)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(diǎn)的針對方向，之所以使用陀螺全站儀，是因?yàn)檫@種全天時、自主式的定向測量的方式有助于解決，已知點(diǎn)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(dú)立坐標(biāo)系的情況，正是因?yàn)楠?dú)立坐標(biāo)系礦山與國家標(biāo)準(zhǔn)值之間存在的差距，因此，如果陀螺儀之前并未驗(yàn)證，那么陀螺坐標(biāo)系與國家控制網(wǎng)和獨(dú)立控制網(wǎng)就會存在方位差。測量人員發(fā)現(xiàn)礦山各自的坐標(biāo)北面方向與地面并不是平行關(guān)系，存在夾角。

研究者根據(jù)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(diǎn)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(xiàn)代觀測點(diǎn)和前測點(diǎn)之間的維度差異被正視之后的結(jié)果，只有測量者精準(zhǔn)地得知了礦井內(nèi)的正北方向，才能夠測試一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。陀螺全站儀能夠測定常數(shù)，陀螺儀可調(diào)整常數(shù)并測量非正北方向的方向指針形成獨(dú)立的坐標(biāo)體系，直接尋求正北方位即可。

2 測試并保證陀螺全站儀穩(wěn)定性校驗(yàn)

陀螺全站儀，檢測穩(wěn)定性突出測試控制點(diǎn)和多點(diǎn)測量的特點(diǎn)，反復(fù)驗(yàn)證、取平均值。陀螺旋轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性指的是，在某一固定的測量線上獨(dú)立進(jìn)行多次測量。測量時的陀螺定向要求比較精準(zhǔn)，每次測量之間的間距都要求陀螺的方位角符合實(shí)際測量程度和結(jié)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(wěn)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(jìn)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(zhǔn)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(wěn)定性，觀測結(jié)果由專門的測量人員進(jìn)行記錄。

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

這兩種計(jì)算方法均是為了能夠通過多次反復(fù)的測量，找到陀螺全站儀穩(wěn)定性測量的比對數(shù)據(jù)，并且根據(jù)時間和多次計(jì)算的數(shù)據(jù)匯總結(jié)果，找到精準(zhǔn)的角度值。

3 陀螺方位與獨(dú)立方位常數(shù)的測定

獨(dú)立坐標(biāo)系在方位起始方向上就能夠與正北方向進(jìn)行比較，但是一般而言，比較的結(jié)果都有一定的差值。如果測量儀器準(zhǔn)確，那么在多次測量的結(jié)果可以得出礦山內(nèi)礦區(qū)的實(shí)際，礦井立項(xiàng)，陀螺儀的方位往往需要參照獨(dú)立坐標(biāo)體系，最終通過計(jì)算得出實(shí)際的測量結(jié)果和實(shí)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(qū)地表控制井下中段或者近井控制點(diǎn)的多線測量時，要格外注意測量的結(jié)果差值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來看，地表差值較大，那么井下的差距就比較小，一般穩(wěn)定在一定的區(qū)間之內(nèi)，而反過來說，結(jié)果則恰恰相反。事實(shí)上，在礦井內(nèi)地表與井下相對獨(dú)立的控制網(wǎng)絡(luò)差值，可以在現(xiàn)場實(shí)測時加以記錄，測量人員一般會經(jīng)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(diǎn)取各個常數(shù)的平均值，這一做法的目的是為了能夠?qū)Γ瑴?zhǔn)確衡量井下實(shí)際測量位置。

井下的定向工作取自于陀螺方位，同時形成獨(dú)立坐標(biāo)體系，獨(dú)立坐標(biāo)體系的井下作業(yè)定向工作，給測量人員奠定了測量的基礎(chǔ)，測量人員布置工程施工單位的測量點(diǎn)，并且埋設(shè)十五中段傳遞點(diǎn)，十六中段近井點(diǎn)后就可以組織定向測量工作，頸內(nèi)坐標(biāo)傳遞方法是雙向牽制，一上下傳遞的結(jié)果傳遞的誤差不大，同時也可以進(jìn)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(diǎn)，并在長距離導(dǎo)向作用是保證獨(dú)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(dá)到統(tǒng)一的真實(shí)結(jié)果。測量人員首先應(yīng)反復(fù)驗(yàn)證陀螺儀的穩(wěn)定性，而后才能夠使用長距離直線中間的方式進(jìn)行陀螺的加強(qiáng)測量。

在測量現(xiàn)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(jī)會，一般而言，實(shí)施一次定向投入可以與傳統(tǒng)的幾何定向進(jìn)行比較，這里的內(nèi)容往往根據(jù)次數(shù)和井統(tǒng)占用時間，投入設(shè)備數(shù)量和最終精度等得出相差比。測量人員認(rèn)為目前陀螺定向精度比幾何定向精度有優(yōu)勢，這種優(yōu)勢很明顯，而且復(fù)測和修改也相對比較簡便，不像其他的定向傳統(tǒng)多次計(jì)算，評定的精度較高、定向風(fēng)險較少。陀螺定向還可以大大減少設(shè)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(shí)驗(yàn)中，陀螺應(yīng)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(xiàn)場實(shí)測，其垂直誤差被控制在最小范圍之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)計(jì)的最大誤差。從貫通的橫向精度來看聯(lián)系測量方位的誤差較小，而且其效果驗(yàn)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(guān)數(shù)據(jù)，就可以贏得精度控制方面的勝利[3-6]。

4 結(jié)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(yè)時間，此舉促進(jìn)了工程的快速推進(jìn)，并且不需要穩(wěn)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(nèi)用液安全風(fēng)險投入量大大減少。在最終驗(yàn)證了陀螺儀穩(wěn)定性等數(shù)值的前提之下，陀螺儀可被大量地應(yīng)用在求取正北方向的實(shí)驗(yàn)情況，尤其是對于相對獨(dú)立坐標(biāo)系礦山進(jìn)行井下定向時，能夠完善貫通校準(zhǔn)工作的基礎(chǔ)，并且有非常強(qiáng)的實(shí)踐意義。