李 勇

(銅陵有色金屬集團 銅冠礦山建設股份有限公司， 安徽 銅陵市 244000)

0 引 言

儀器常數是指陀螺北方向與真北方向之間的夾角，通常可表示為：真北方向=陀螺北方向+儀器常數。實際井下定向工作時，陀螺全站儀測出的只是待測邊的陀螺方位角，只有通過儀器常數修正后才能得到實際意義的坐標方位角，且儀器常數是一個變量，因此，儀器常數的穩(wěn)定性和可靠性對方位角的影響至關重要。本文在具體工程定向中使用儀器為GT3-3型陀螺全站儀，簡單介紹了該儀器的工作原理，主要分析已知邊與定向邊地理位置的不同對巷道貫通精度的影響。

1 陀螺全站儀定向步驟

1.1 地表測定儀器常數

由于陀螺儀軸穩(wěn)定位置和地理子午線不重合，它們之間的夾角稱為儀器常數[1]，一般用Δ表示。儀器常數計算程序通常是：首先在已知邊上測得陀螺方位角，其次計算已知邊的坐標方位角和子午線收斂角得出地理方位角，最后由地理方位角與陀螺方位角之差求得，如圖1所示。

圖1 陀螺全站儀定向原理

已知方位角的導線邊AB的地理方位角A0，在A點安置儀器，通過陀螺全站儀觀測可得出AB邊的陀螺方位角αT，儀器常數表達式為：

式中，A0為已知邊的地理方位角；α0為坐標方位角，γ0為當地的子午線收斂角。

通常情況下儀器常數要在下井定向前在地表上各測量2～3個測回，且每次測量互差在限差要求范圍內，取其最或是值。

1.2 井下定向

為保證定向精度，定向邊的長度應該大于 50 m，同理由圖1可知，此時儀器常數Δ為已知量，定向邊的地理方位角為未知量，有幾何關系可知定向邊的地理方位角為：

式中，Tα′為定向邊的陀螺方位角，需要獨立觀測兩個測回。由式（1）、（2）、（3）可得井下定向邊的坐標方位角表達式為：

1.3 上井后再次測定儀器常數

儀器常數的測定方法及規(guī)范要求與下井前的測量程序一致，然后求得其均值作為此次定向的儀器常數Δ平。

δγ為地面已知邊和井下定向邊的子午線收斂角的差值，可按 δγ=μ(y0-y)求算，其中 μ為與當地緯度有關的系數[2-3]，y0、y為地面已知邊和井下定向邊端點的橫坐標[4]。在實際作業(yè)當中已知邊與定向邊的子午線收斂角差值幾乎為零，可忽略不計。

2 工程應用

2.1 工程概況

銅冠（廬江）礦業(yè)有限公司沙溪銅礦位于安徽省廬江縣泥河鎮(zhèn)境內，礦區(qū)面積1.4 km2，設計采選礦石330萬t/a，是一座創(chuàng)新管理模式、倡導綠色辦礦的大型礦山。該礦于2010年12月破土動工，2017年7月完成首次滿負荷試車實驗，標志著礦山已開始由基建工程正式轉向投產運行。

礦山地表標高+30.076 m，井下最深達-970 m，從下至上設-970中段，-910中段，-850中段，-800中段，-770中段，-705中段，-650中段，-530中段，-410中段，-290中段及-160中段。其中-770中段于2014年12月實現(xiàn)由北風井和南風井雙向施工，實現(xiàn)精準貫通，貫通距離達1.6 km。井下坐標采用幾何定向加陀螺定向確定初始方位角。

2.2 井下陀螺定向測量

陀螺全站儀井下定向采用3個2法則，即下井前在地表高精度已知導線上測定儀器常數，觀測兩個測回，儀器常數兩次互差不大于 40″[5]；在井下定向邊上獨立測量兩次陀螺方位角，且互差要小于40″；最后上井后還要在相同已知導線邊上重新進行兩次儀器常數的測定，且限差要求一致。在滿足限差要求情況下，取下井前后的儀器常數的均值為最終儀器常數。

本次儀器常數的測定選擇的已知邊為 FJ4～FJ3，DB652～DB651，N705-1～N705B-1，構成已知邊各點是通過GPS靜態(tài)測量獲得的E級控制點，定向邊為770C～770E，N77D～N77F，分別為北風井，南風井的起始方位邊，如圖2所示。

圖2 礦區(qū)平面位置

首先，在三條已知邊上測量陀螺方位角，計算出響應的儀器常數，其中已知邊FJ4～FJ3的儀器常數計算過程如表1所示。由于已知邊的子午線收斂角γ0與定向邊子午線收斂角γ1的差值很微小，由式（5）可知子午線收斂角可不必計算，在計算定向邊方位角時直接消除。

表1 儀器常數計算表

表2 儀器常數評定中誤差

其余兩條已知邊測定儀器常數方法一致，得出已知邊DB652-DB651和N705-1-N705B-1的儀器常數分別為-0°7'55.2"+γ0，-0°8'3.4"+γ0。

其次，分別在兩條定向邊770C～770E，N77D～N77F上測定陀螺方位角，分別為 187°36'39.5"和0°44'58.5"。再根據三條已知邊測定的儀器常數，由式（4）可得兩定向邊的坐標方位角如表3、表4所示。表達式中γ1與γ0差值近似于零，可以抵消。

表3 不同儀器常數下770C～770E坐標方位角

表4 不同儀器常數下N77D～N77F坐標方位角

2.3 巷道貫通誤差

通過比較陀螺定向與幾何定向的井下初始方位角，考慮幾何定向諸多不確定影響因素影響較大，最終以陀螺定向結果作為初始方位角，儀器常數選用已知邊FJ4-FJ3來測定，北風井定向邊初始方位角為 187°28'48.6"，南風井定向邊初始方位角為0°37'7.6"，然后依據導線初測、復測及嚴密的內業(yè)數據處理實現(xiàn)巷道在預定貫通點K處貫通，平面貫通誤差為0.185 m，遠小于規(guī)范要求，GT3-3陀螺全站儀加測井下導線邊能夠有效保障巷道貫通精度。

分析儀器常數的不同對貫通誤差影響大小，設計三種方案：

（1）DB652-DB651測定的儀器常數計算南、北風井導線計算初始方位角；

（2）N705-1-N705B-1測定的儀器常數計算南、北風井導線計算初始方位角；

（3）DB652-DB651測定的儀器常數計算北風井初始方位角，N705-1-N705B-1測定的儀器常數計算南風井初始方位角。經過外業(yè)測量及內頁計算得出三種方案最終的巷道貫通預計偏差分別為0.214，0.274，0.105 m。

將第三種儀器常數測定方法應用于-705中段和-650中段，各中段的巷道貫通誤差分別為0.11，0.126 m，相較于在FJ4-FJ3已知邊上測定儀器常數并最終巷道的貫通誤差0.241，0.248 m有明顯地減小。通過推廣應用進一步證實：選擇靠近定向邊的已知邊測定的儀器常數能夠有效提高巷道水平方向上的貫通精度。

3 總 結

本文通過對沙溪銅礦井下三個中段的精密貫通的工程實例分析，對比研究了定向邊與已知邊不同地理位置情況下測出的儀器常數對巷道貫通結果的影響，得出如下實用性結論：

（1）高精度的陀螺全站儀定向工作對礦井精準貫通至關重要。GT3-3陀螺全站儀儀器常數一次測定精度為 12.8″，儀器常數最或是值中誤差為6.4″，儀器觀測穩(wěn)定可靠，測量數據符合精度要求，礦井最后順利貫通。

（2）通過比較分析可知：已知邊FJ4-FJ3位于定向邊770C～770E與N77D～N77F中間，由其測定的儀常能夠較高精度地保證兩井間巷道準確貫通；已知邊DB652-DB651，N705-1-N705B-1的地理位置分別非常靠近定向邊 770C～770E與N77D～N77F，采用其中任一條已知邊測定的儀常，其貫通誤差均偏大；當定向邊 770C～770E與N77D～N77F分別選擇地理位置靠近的已知邊測定儀常計算坐標方位角，通過外業(yè)測量及內頁數據處理，其巷道貫通誤差達到最小。