用陀螺定向与激光投点代替几何定向的探讨新疆第一测绘院 王子龙摘要：陀螺定向与激光投点代替几何定向是目前竖井主要的使用方法，其特点是定点准确，误差较小，数学精度高，性能稳定，在采取挡风、挡水等措施后其精度可达到1-2mm内的精度。本文主要正对新疆小洪沟煤矿的竖井的坐标点定位来进行讨论。关键词：激光投点 几何定向 陀螺经纬仪定向陀螺定向井筒投点误差 解决误差 解决误差 精度高 开采深度 安全开采一引言 用竖井开采地下有用矿物资源时，为了正确指导井巷施工及安全开采，必须使井下与地面的坐标系统统起来。解决这一问题，过去是靠“几何定向”来实现的。几何定向虽然能解决问题，但需要占用井筒，影响矿井提升，需要人员及仪器设备较多，工作组织复杂；且随着开采深度的增加及开采边界的扩大，其精度也越来越难以保证。能源部于1989年颁发的煤矿测量规则中第44条规定：各矿井应该尽量使用陀螺经纬仪定向，只有在确实不具备此条件时，才允许采用几何定向。 随着科学技术的发展，近十年来国内外研制了一种先进的仪器-上架式陀螺经纬仪。它是综合利用机械制造、电子技术、光学、力学等成果的一种新型仪器。陀螺定位 可不占用井筒，不需要很多的人员和设备，而且不受开采深度的影响，能达到较高的精度。目前我国已制成一次定向误差为15”的陀螺定向仪。其定向精度远高于几何定向的精度，可满足各种高精度井下测量的要求。1.国内陀螺仪的应用情况与存在的问题陀螺定向仪虽然在各方面都比几何定向优越，但目前尚未普遍推广应用。有些矿区仍采用几何定向的方法。其原因是国产15”陀螺经纬应用面较窄，而现今的一些大的煤矿多采用斜井不能满足大型矿井定向的要求。15”陀螺经纬仪精度虽有提高，但其性能有时也不够稳定，也难以满足精密定向的要求。进口仪器中，瑞士的GAK-1陀螺经纬仪，性能稳定可靠，一次定向中误差为10”15”，可以满足矿井定向的精度要求，但该仪器比较贵重，无法普遍应用。几何定向是一些矿经常采用的传统定向方法。虽然不如陀螺经纬仪定向先进，但测量人员对此种方法比较熟悉，其成果也较可靠，因而乐于采用，即使在一些有陀螺经纬的部门，有的也仅用陀螺经纬仪定向成果来检核几何定向成果。不难理解，妨碍陀螺经纬仪定向推广应用的原因之一是该仪器在有的矿区应用的时间不长，人们对它还不够熟悉，感到应用没有把握。影响陀螺经纬但应用的另一个重要原因是它只能确定井下边的方向。要想得到井下起算点的坐标，还得依靠传统的几何投点。这个问题是目前备生产和基建矿井普遍存在的问题，也是目前急待解决的问题。 上面提到的影响推广陀螺经纬仪应用的几个因素，有的是不难解决的。随着时间的前进，国内仪器制造水平将不断提高，精度高，性能稳定的仪器，将很快生产出来。人们通过实践，将不断丰富自己的经验，提高掌握仪器的熟练程度，从而更乐于应用它。但投点问题得不到妥善解决，就摆脱不了传统的几何定向方法。2 激光投点所能达到的精度 煤矿测量规程第50条规定：用陀螺经纬仪进行定向涮证，需要投点传递坐标时，可采用钢丝投点我激光投点。投点的误差不得大干20mm。 几何定向时所用的钢丝投点法的投点精度是比较高的。在几百米深的井筒中投点，在采取了挡风、挡水措施后，投点惧差可控制在12mm咀内。之所以要求这样高的投点精度，主要是为了传递方向，而不是为了传递坐标。而在陀螺经纬仪定向时，授点只用来传递坐标而不用来传递方向。此时对投点的精度要求可适当降低。新颁布的煤矿测量规程规定的20mm投点误差是合理的。下面介绍一下我们对激光投点的研究情况。 为了用光学投点代替钢丝投点，从1973年开始研制立井激光指向仪（即激光投点倪）。经过几年的反复设计、试制和披验，于1976年试制成功SJZ-III型立井激光指向仪。 表1为用初次试制的原型激光指向仪在1994年在小洪沟煤矿主、副井实验情况，由表1可知，井深在200m以内，与钢丝授点比较，最大投点偏差为15mm，完全可以满足规程的精度要求。地点井筒直径井筒结构仪器的安放位置投点时间投点深度光斑直径及稳定性投点偏差备注副井5混凝土墙壁井口锁口盘上，方边线3月19日-4月11日166腰泵房10有晃动10715与钢丝垂线相比较主井4.5喷浆临时支护井口固定盘为中心4月19日-6月11日210迎头15有晃动8最大值同上1996年在新疆某矿，用经过改进的SJZ-型立井激光指向但进行了实验。情况如表2投点深度200300500630650光斑直径7101530无明显边界光板情况稳定稳定不太清晰晃动模糊晃动不清表2所列数据表明，井深在500m以内时，既使在淋水较大的井筒中，激光投点也是稳定可行的。这次投点实验，虽然没有和钢丝投点进行比较，但可与按仪器误差估算值进行对比。 激光投点的仪器误差由水准管整置误差，仪器竖轴定向误差、仪器对中误差及光斑抖动误差构成。 水准管整置误差m，如接点深度按500m计算，则有 仪器竖轴定向误差，按设计要求，仪器竖轴与轴套间的堆大夹角不能超过水准管格值的0.20.5倍。如取0.3则投点至500m深处的线盘误差为光斑抖动误差m。，无法用公式估算，它与光斑直径及稳定程度有关。抖动量不能太大，否则无法找准光斑中心。如新疆矿务局实验资料，此项误差在500m井谍时为6mm。考虑不同的井筒条件，这里取其1.5倍，即， mo=0.008m根据实验，仪器对中误差及大气折光误差数值都很小，可粗略不计则激光投点误差由前三项构成， M=0.012以上计算说明，按仪器误差估算，与实测结果相近，均能满足投点的精度要求。从以上的实验及理论分析表明，激光投点，在井深500m内时，是可以达到投点误差不超过20mm的精度要求的，但当井深超过500m时，特别当淋水及雾气大时，由于光斑直径增大，变形，成象不清或抖动过大等原因，会使投点误差加大或无法找出光斑中心。 许多新建矿井，井筒深度在600700m以上，因此设法增加立井激光投点的深度，是必需解决的倮题，有些单位正在进行研究，并已取得一定的成果。我对这问题也进行了一些探索，但还没有得出成熟的结论，这里仅提出几点初步看法，供进一步研究和讨论。 加大激光管的功率问题。加大激光管的功率，可增加激光束在井筒中的传播距离，这一答案似乎是可以肯定，但实验结果并不是这样简单。一般250mm氦氖激光管的功率为13毫瓦。为了进行对比实验，激光管厂曾专门为我们制做了长5OOmm，功率为7毫瓦的激光管，在小洪沟煤矿与250mm，2.7毫瓦的管子进行了对比实验，结果是在660m处，光斑直径达50mm，抖动量30mm且成象不清晰。射程虽比小功率管略有增加，但光斑直径也相应增大，且抖动量大，难以保证投点精度，而且增加了管腔长度，不但选料、加工困难，成本提高，而且加大了仪器外形尺寸（以上材料都是从厂方定做）。可见加大激光管功率并不是增加投点深度的有效办法。只需在同类型管子中，挑选功率大的即可。如有可能，在不增加管长的条件下，能制造出更大功率的激光管当然更好。 改进调焦望远镜系统。望远镜的光学质量要好，光的损失要少，变形要小。实验证明，望远镜的放大倍率适当加大，可收到较好的效果。一般应在40倍以上。改进接点仪的设计和机械加工。调整时应使激光束轴线与望远镜光轴重合，以使光束通过望远镜聚焦后，其发射角最小。调整得好可以减小光斑直径、增加光斑亮度，使其保持圆形，从而增加射程；改善井筒条件。激光束通过的大气条件好坏，对其射程影响很大。在夜晚大气稳定清新的地面上，激光束射程可选一公里以上，而在井筒中，困空气对流加剧，并常含有大量的烟尘和水气，使激光束的穿透能力显著降低。为了增加射程，需采取必要的措施，如在整修班投点，可避开放炮烟尘的影响；采取挡风挡水措施，或选择淋水小的井筒投点等。 在采取了上述措施后，是可以把激光投点仪的射程增加到6OO700m的，其投占误差也可以控制在20mm以内。3 结 论 从以上分析及实例来看，用陀螺定向与激光投点是完全可以取代传统的几何定向方法的。目前规程已把陀螺经纬仪定向定为矿井的主要定向方法，相信很快就会普遍推广。而激光投点还需在激光投点仪器的制造上做些改进工作，尽快制造出体积小，投点深度大、精度高、性能稳定的投点仪器。 陀螺垃纬仪和激光投点仪，在我国各矿区应用的时间还不长，但它们的出现是深受广大测量人员和工人欢迎的。经过改进克服了目前的缺点以后，必将在矿区建设和生产中发挥更大的作用。