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[摘 要]所谓矿井定向测量就是把地面的方向、座标通过竖井（或斜井、平峒）传递到井下，作为整个井下平面测量系统的基础，保证地面和井下用同一个座标系统进行计算和绘图，并解决各项采矿工程问题。矿井定向测量又称井上下的平面联系测量，它是一项十分重要的测量工作，关系到正确合理的开拓与回采，又关系到矿山的安全。为了加快矿山的基建，必须进行各种类型的相向掘进（贯通），而相向掘进必须用足够精度的定向测量来保证。
[关键词]陀螺仪 矿竖井 应用研究
中图分类号：TK27 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0369-01
一、前言
1.1 矿区简介
矿区位于海拔800米以上的山坡上。有简易公路通往矿区。为满足主井和副井以及主井与风井之间的贯通要求，需要对矿井进行联系测量工作，以建立井上下统一的坐标和高程系统。于2014年4月25日至29日进行了立井联系测量工作。本次测量工作主要包括四个方面：副井一中段、三中段以及风井一中段的联系测量，地面控制点的测设，井下导线点的测设，井下陀螺边定向[1]。
本次竖井联系测量的技术依据为：《煤矿测量规程》能源煤总1989-25号；《煤矿测量必备手册》煤炭工业出版社（2013）；《华峰矿业有限公司竖井井下工程控制与地面控制联系测量技术设计》。
1.2 仪器设备简介
本次施工所用仪器为：拓普康GTS-332N型全站仪和索佳SRX2X全站仪各一台，仪器测角精度为2″，测距标称精度为（2+2ppm）mm，陀螺仪为索佳GYR02X自动全站式陀螺仪，精度为15″级。所使用仪器均经过了检定部门的检定。
本次联系测量完成的工作量为：地面共测设了四个近井点M3（已知点）、M2（已知方位）、M5和M7，在井口布设临时连接点两个F1和F2；对副井一中段、三中段以及风井一中段进行了坐标和高程的导入；副井一中段测设15″导线点5个，分别编号为FD1-1、FD1-2、FD1-3、FD1-4和FD1-5；副井三中段测设15″导线点5个，分别编号为FD3-1、FD3-2、FD3-3、FD3-4、FD3-5和支点1个FD3-6；风井一中段测设15″导线点3个，分别编号为D1-1、D1-2和D1-3；副井一中段测量陀螺边FD，1-3/FD1-4，副井三中段测量陀螺边FD3-2/FD3-4，风井一中段测量陀螺边D1-2/D1-3。
所有成果平面均为1980西安坐标系、高斯正形投影、3°分带、中央子午线为114°，高程为1985國家高程基准。
二、地面已知点利用及观测
矿区工业广场内前期的控制点为GPS-RTK方式施测的四个控制点，控制点精度无法保证近井点的精度要求，而且在施工过程中部分点遭到了破坏，目前矿区内只完整保留M2和M3两点。为保证工业广场范围内井上下坐标和高程的统一，本次地面控制点的计算以M3点的坐标和高程以及M3～M2的方位为起算数据[2]。
根据点位的通视情况，控制点采用2″全站仪按一级往返测导线要求进行测量，水平角施测四个测回，边长直接观测平距，加入改正后将其化算为高斯平面坐标系的边长。方位角最大闭合差为（M3—M2—M5—M3）：3″，限差为10√n=17.3″。距离观测一测回内最大互差为3mm，限差为10mm；单程测回间最大互差为8mm，限差为15mm。最长复测支导线（M3—M2—M5—F1）坐标闭合差为0.003m，相对闭合差为1/348938，限差为1/20000。
地面控制点的高程采用三角高程测量方法，每次观测两个测回，对向观测，经检查对向观测误差均在限差范围内。复测支导线最大闭合差为（M3—M2—M5—F1）：0.016m，限差为50√[S2]=±0.022m。
三、钢丝投点与井上下连测
井上下联系测量坐标传递采用常规钢丝单重摆动方法一次进行投点、陀螺定向，高程采用钢丝法一次导入。
本次联系测量两个井口共进行了两次投点工作，第一次副井一中段和三中段同时进行，第二次对风井一中段进行投点。钢丝投点法导入平面坐标，在钢丝下悬挂80kg重陀，并将重陀置于水中以减小其摆动。由于井筒较深且淋水较大，采用摆动投点的方法确定钢丝的稳定位置。在钢丝后放置一水平的标尺，通过全站仪的望远镜读取钢丝左右两边最大的摆幅在标尺上的位置，连续读取13次读数，连续读取两组数据，两次取中的平均值不超过1mm后，取平均值作为钢丝的稳定位置进行水平角的观测[3]。
在井上、井下各安置一台2″级全站仪，采用方向观测法观测钢丝至导线点的水平角，井下共观测四个测回，至少变动一次仪器高；地面共观测八个测回，变动一次仪器高。距离观测对于摆动幅度较小的情况，直接将棱镜放于钢丝后读数，加上相应的棱镜常数后即为实际距离。风井一中段由于淋水比较严重，而且人员站在不固定的托盘上操作不安全，所以采用将反射片固定到钢丝上的观测方法。读数均读取多组数据，根据变化规律，确定最后结果。
钢丝提升至地面后，找一段直线长度足够露出钢丝标记的的平坦路面，每隔40米放置一等高的支架，支架上固定有轴承以减小摩擦阻力，将钢丝托起。在钢丝一端加上与联系测量时相同的4个重陀，并将重陀置于水中，检查钢丝全部支撑于支架的轴承之上后，用全站仪观测钢丝井上下标记间的距离、高差。同时记录仪器高、棱镜高及观测时的温度和气压值。同样的方法观测两次，经比对标记间的距离，风井一中段的标记两次测量的较差最大为0.029米，总长为270.710米，两次测量互差的相对误差为1/9335，满足限差1/8000的要求。
四、陀螺定向边观测及计算
井上下联系测量井下陀螺边的测量使用15″陀螺仪，逆转点法按2-2-2（下井前测两次常数，井下观测两次，上井后再在同一条边上测两次常数）的程序进行观测。
井下定向观测前，在地面近井点M3架设陀螺仪，对M3～M2进行观测以测定仪器常数，观测独立进行两次。第一次观测完成后停止陀螺运转10～15分钟，然后进行第二次观测。两次独立观测的陀螺方位角互差为3″，限差为±40″。
井下陀螺仪定向，依次在风井一中段的导线边D1-2～D1-3，副井一中段的FD1-3～FD1-4和副井三中段的FD3-2～FD3-4上进行陀螺定向。每条边同样独立观测两次，在三个中段两次独立观测陀螺方位角的互差分别为7″，13″和7″，均符合±40″的限差要求。
井下定向边观测结束后，重新在M3架设陀螺仪，对M3～M2进行观测以测定仪器常数，观测独立进行两次，陀螺方位角互差为0″，符合限差要求。
统计陀螺仪所有独立定向相邻摆动中值的互差最大的15″，限差20″；间隔摆动中值的互差最大的为11″，限差±30″。经各项互差的统计证明此次陀螺定向仪器稳定，操作正确，成果可信。
陀螺定向完成后，内业计算主要依据两个等式，即
地理方位角=陀螺方位角+仪器常数（△）
地理方位角=坐标方位角+子午线收敛角
通过地面在已知边M3～M2进行的两次陀螺定位，计算出仪器常数，然后根据井下在未知边观测的陀螺方位角，将仪器常数值带入计算从而求得未知边得坐标方位角。具体计算见《陀螺定向观测手簿》。
综上所述，通过对陀螺仪在李家窑矿竖井中的应用研究，对于地面已知点利用及观测进行了阐述和分析，对钢丝投点与井上下连测进行了相关的分析，陀螺定向边观测及计算，最后为了加快矿山的基建，必须进行各种类型的相向掘进（贯通），而相向掘进必须用足够精度的定向测量来保证。
参考文献
[1] 王金海.提高矿井贯通测量精度的探讨[J].中州煤炭.2009（03）.
[2] 夏树新.GPS技术在土地测绘地籍控制测量中的应用[J].油气田地面工程.2008（03）.
[3] 王丽梅，刘敏.地下隧洞平面贯通精度研究[J].西部探矿工程.2006（03）.
[关键词]陀螺仪 矿竖井 应用研究
中图分类号：TK27 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0369-01
一、前言
1.1 矿区简介
矿区位于海拔800米以上的山坡上。有简易公路通往矿区。为满足主井和副井以及主井与风井之间的贯通要求，需要对矿井进行联系测量工作，以建立井上下统一的坐标和高程系统。于2014年4月25日至29日进行了立井联系测量工作。本次测量工作主要包括四个方面：副井一中段、三中段以及风井一中段的联系测量，地面控制点的测设，井下导线点的测设，井下陀螺边定向[1]。
本次竖井联系测量的技术依据为：《煤矿测量规程》能源煤总1989-25号；《煤矿测量必备手册》煤炭工业出版社（2013）；《华峰矿业有限公司竖井井下工程控制与地面控制联系测量技术设计》。
1.2 仪器设备简介
本次施工所用仪器为：拓普康GTS-332N型全站仪和索佳SRX2X全站仪各一台，仪器测角精度为2″，测距标称精度为（2+2ppm）mm，陀螺仪为索佳GYR02X自动全站式陀螺仪，精度为15″级。所使用仪器均经过了检定部门的检定。
本次联系测量完成的工作量为：地面共测设了四个近井点M3（已知点）、M2（已知方位）、M5和M7，在井口布设临时连接点两个F1和F2；对副井一中段、三中段以及风井一中段进行了坐标和高程的导入；副井一中段测设15″导线点5个，分别编号为FD1-1、FD1-2、FD1-3、FD1-4和FD1-5；副井三中段测设15″导线点5个，分别编号为FD3-1、FD3-2、FD3-3、FD3-4、FD3-5和支点1个FD3-6；风井一中段测设15″导线点3个，分别编号为D1-1、D1-2和D1-3；副井一中段测量陀螺边FD，1-3/FD1-4，副井三中段测量陀螺边FD3-2/FD3-4，风井一中段测量陀螺边D1-2/D1-3。
所有成果平面均为1980西安坐标系、高斯正形投影、3°分带、中央子午线为114°，高程为1985國家高程基准。
二、地面已知点利用及观测
矿区工业广场内前期的控制点为GPS-RTK方式施测的四个控制点，控制点精度无法保证近井点的精度要求，而且在施工过程中部分点遭到了破坏，目前矿区内只完整保留M2和M3两点。为保证工业广场范围内井上下坐标和高程的统一，本次地面控制点的计算以M3点的坐标和高程以及M3～M2的方位为起算数据[2]。
根据点位的通视情况，控制点采用2″全站仪按一级往返测导线要求进行测量，水平角施测四个测回，边长直接观测平距，加入改正后将其化算为高斯平面坐标系的边长。方位角最大闭合差为（M3—M2—M5—M3）：3″，限差为10√n=17.3″。距离观测一测回内最大互差为3mm，限差为10mm；单程测回间最大互差为8mm，限差为15mm。最长复测支导线（M3—M2—M5—F1）坐标闭合差为0.003m，相对闭合差为1/348938，限差为1/20000。
地面控制点的高程采用三角高程测量方法，每次观测两个测回，对向观测，经检查对向观测误差均在限差范围内。复测支导线最大闭合差为（M3—M2—M5—F1）：0.016m，限差为50√[S2]=±0.022m。
三、钢丝投点与井上下连测
井上下联系测量坐标传递采用常规钢丝单重摆动方法一次进行投点、陀螺定向，高程采用钢丝法一次导入。
本次联系测量两个井口共进行了两次投点工作，第一次副井一中段和三中段同时进行，第二次对风井一中段进行投点。钢丝投点法导入平面坐标，在钢丝下悬挂80kg重陀，并将重陀置于水中以减小其摆动。由于井筒较深且淋水较大，采用摆动投点的方法确定钢丝的稳定位置。在钢丝后放置一水平的标尺，通过全站仪的望远镜读取钢丝左右两边最大的摆幅在标尺上的位置，连续读取13次读数，连续读取两组数据，两次取中的平均值不超过1mm后，取平均值作为钢丝的稳定位置进行水平角的观测[3]。
在井上、井下各安置一台2″级全站仪，采用方向观测法观测钢丝至导线点的水平角，井下共观测四个测回，至少变动一次仪器高；地面共观测八个测回，变动一次仪器高。距离观测对于摆动幅度较小的情况，直接将棱镜放于钢丝后读数，加上相应的棱镜常数后即为实际距离。风井一中段由于淋水比较严重，而且人员站在不固定的托盘上操作不安全，所以采用将反射片固定到钢丝上的观测方法。读数均读取多组数据，根据变化规律，确定最后结果。
钢丝提升至地面后，找一段直线长度足够露出钢丝标记的的平坦路面，每隔40米放置一等高的支架，支架上固定有轴承以减小摩擦阻力，将钢丝托起。在钢丝一端加上与联系测量时相同的4个重陀，并将重陀置于水中，检查钢丝全部支撑于支架的轴承之上后，用全站仪观测钢丝井上下标记间的距离、高差。同时记录仪器高、棱镜高及观测时的温度和气压值。同样的方法观测两次，经比对标记间的距离，风井一中段的标记两次测量的较差最大为0.029米，总长为270.710米，两次测量互差的相对误差为1/9335，满足限差1/8000的要求。
四、陀螺定向边观测及计算
井上下联系测量井下陀螺边的测量使用15″陀螺仪，逆转点法按2-2-2（下井前测两次常数，井下观测两次，上井后再在同一条边上测两次常数）的程序进行观测。
井下定向观测前，在地面近井点M3架设陀螺仪，对M3～M2进行观测以测定仪器常数，观测独立进行两次。第一次观测完成后停止陀螺运转10～15分钟，然后进行第二次观测。两次独立观测的陀螺方位角互差为3″，限差为±40″。
井下陀螺仪定向，依次在风井一中段的导线边D1-2～D1-3，副井一中段的FD1-3～FD1-4和副井三中段的FD3-2～FD3-4上进行陀螺定向。每条边同样独立观测两次，在三个中段两次独立观测陀螺方位角的互差分别为7″，13″和7″，均符合±40″的限差要求。
井下定向边观测结束后，重新在M3架设陀螺仪，对M3～M2进行观测以测定仪器常数，观测独立进行两次，陀螺方位角互差为0″，符合限差要求。
统计陀螺仪所有独立定向相邻摆动中值的互差最大的15″，限差20″；间隔摆动中值的互差最大的为11″，限差±30″。经各项互差的统计证明此次陀螺定向仪器稳定，操作正确，成果可信。
陀螺定向完成后，内业计算主要依据两个等式，即
地理方位角=陀螺方位角+仪器常数（△）
地理方位角=坐标方位角+子午线收敛角
通过地面在已知边M3～M2进行的两次陀螺定位，计算出仪器常数，然后根据井下在未知边观测的陀螺方位角，将仪器常数值带入计算从而求得未知边得坐标方位角。具体计算见《陀螺定向观测手簿》。
综上所述，通过对陀螺仪在李家窑矿竖井中的应用研究，对于地面已知点利用及观测进行了阐述和分析，对钢丝投点与井上下连测进行了相关的分析，陀螺定向边观测及计算，最后为了加快矿山的基建，必须进行各种类型的相向掘进（贯通），而相向掘进必须用足够精度的定向测量来保证。
参考文献
[1] 王金海.提高矿井贯通测量精度的探讨[J].中州煤炭.2009（03）.
[2] 夏树新.GPS技术在土地测绘地籍控制测量中的应用[J].油气田地面工程.2008（03）.
[3] 王丽梅，刘敏.地下隧洞平面贯通精度研究[J].西部探矿工程.2006（03）.