Гироскопическое ориентирование
|
В начале 40-х годов в связи с проведением горных работ на больших глубинах, а также с увеличением протяженности горных выработок и прокладываемых по ним теодолитных ходов возникла необходимость в создании приборов, позволяющих производить ориентирование подземной съемки без остановки шахтного ствола. В 1934 г. в бывш. СССР были начаты исследования по применению гироскопических приборов для выполнения ориентировок маркшейдерских съемок. В 1948 г. после длительного перерыва научно-исследовательские работы по созданию гироскопических приборов были возобновлены. Во ВНИМИ в 1949—1951 гг. коллектив сотрудников (В. Н. Лавров, Б.И. Никифоров и др.) разработал два типа приборов для гироскопического ориентирования — Ml и М2. Эти приборы обеспечивали точность ориентирования в среднем ±1' 15". В последующие годы были созданы усовершенствованные конструкции гирокомпасов — М3, МУГ-2, МГ. Источником питания гирокомпасов М2, М3, МУГ-2 являлась шахтная сеть, для гирокомпасов МГ придавались специальные батареи. Применение первых маркшейдерских гирокомпасов для ориентирования шахт позволило выявить их перспективность, несмотря на несовершенство конструкции приборов (большие габариты и масса, невзрывобезопасное исполнение, значительные затраты времени на выполнение ориентирования). В начале 60-х годов были созданы взрывобезопасные маркшейдерские гирокомпасы MBl, МВ2, которые позволили не только производить ориентирование маркшейдерских съемок, но и выполнять контрольные угловые измерения, т. е. определять контрольные дирекционные углы сторон подземной съемки, расположенных на значительном удалении от ствола шахты.   В период с 1964 по 1968 г. ВНИМИ созданы малогабаритные переносные маркшейдерские гирокомпасы MBШЗ, MTl, МВ2М и МВТ2. Эти гирокомпасы обеспечивают высокую точность, легко переносятся в любую точку горных выработок. С помощью этих типов приборов осуществляется построение подземных опорных маркшейдерских сетей, т. е. выполняется независимое определение дирекционных углов ориентируемых сторон теодолитного хода. В настоящее время гирокомпас МВТ2 находит широкое применение при маркшейдерском обеспечении горнодобывающих предприятий. Из зарубежных конструкций гирокомпасов известны MRK (ГДР); Gi-Cl, Gi-Bl, Gi-B2(BHP); MW2B, KTl и TK (ФРГ) и др. В бывш. СССР наиболее широкое применение нашел гирокомпас Gi-B2 завода MOM (Венгрия), обеспечивающий точность ±15". Общие сведения о свободном гироскопе и гирокомпасе. Для определения дирекционного угла гироскопическим способом может быть использовано свойство главной оси свободного гироскопа сохранять неизменным направление в пространстве, а также свойство главной оси маятникового гирокомпаса совершать гармонические колебания около положения равновесия, которое совпадает с плоскостью меридиана места. Гироскоп — это тело с симметричной массой, способное вращаться вокруг своей оси и имеющее свойство сохранять неизменным ее положение в пространстве. Например, волчок обладает свойством, присущим гироскопам. Гироскоп может быть свободным и несвободным. Свободный гироскоп — это тело, способное вращаться около трех взаимно перпендикулярных осей, пересекающихся в одной точке. Свободный гироскоп имеет три степени свободы, центр тяжести чувствительного элемента ЧЭ (гиромотора и кардановых колец) совпадает с точкой пересечения трех осей, а в осях отсутствуют силы трения. В гирокомпасах из практических соображений (для большего удобства) определяют положение не оси гиромотора, а положение линии, перпендикулярной к зеркалу на ЧЭ. Положение равновесия этой линии, называемое положением равновесия ЧЭ, находится не в плоскости меридиана места, а под определенным углом Δ (рис. VII.26) к оси гиромотора, которая имеет свойство устанавливаться в плоскости меридиана места. Угол Δ называется конструктивной постоянной ЧЭ для данного типа прибора. Он отсчитывается от северного конца оси гирокомпаса до положительного конца перпендикуляра к зеркалу на ЧЭ. Например, в гирокомпасе МВТ2 угол Δ всегда имеет положительное значение, близкое к 90°, так как зеркало ЧЭ расположено на его западной стороне.  В угломерной части прибора коллимационные плоскости зрительной трубы ЗТ и автоколлимационной трубы AT (см. рис. VII.26) расположены под определенным углом τ, который называется конструктивной постоянной угломерной части. Величина и знак горизонтального угла т определяются путем отсчитывания от положительного конца визирной оси AT до положительного конца визирной оси ЗТ. В случае, если направление отсчета производится по часовой стрелке, то значение угла т положительное, в противном случае оно будет отрицательным. При этом необходимо следить, чтобы автоколлиматор находился слева от зрительной трубы. В гирокомпасе МВТ2 величина угла т всегда имеет отрицательное значение, близкое к 90°. Угол δ называется поправкой гирокомпаса. Он расположен между осью гирокомпаса, когда она находится в положении равновесия, и визирной осью ЗТ, когда визирная ось AT совмещена с положением равновесия ЧЭ. Величина угла б отсчитывается от северного конца оси гирокомпаса до положительного конца визирной оси ЗТ. Положение гирокомпасного меридиана Cг отличается от истинного С на величину поправки гирокомпаса δ =Δ + τ. Если визирная ось автоколлиматора совпадает с положением равновесия ЧЭ, то визирная ось зрительной трубы будет располагаться в вертикальной плоскости, проходящей через гирокомпасный меридиан Cг. Для того чтобы определить дирекционный угол гироскопическим способом, поступают следующим образом. На поверхности в точке I (см. рис. VII.26) устанавливают гирокомпас и определяют гироскопический азимут Г0, стороны I—II, дирекционный угол α0, который уже известен. Поправка гирокомпаса δ вычисляется по формуле  где А0 — геодезический азимут стороны I—II; γ0 — плоское сближение меридианов в точке установки гирокомпаса на поверхности при определении поправки δ. В шахте в точке III устанавливают гирокомпас (см. рис. VII.26) и определяют гироскопический азимут Г ориентируемой стороны III—IV, после чего производят вычисление дирекционного угла α стороны III—IV  где γ — плоское сближение меридианов в точке установки гирокомпаса в шахте при определении гироскопического азимута. Плоское сближение меридианов обычно выбирают из таблиц или вычисляют по известным формулам. Так как при гироскопическом ориентировании подземной маркшейдерской опорной сети каждой шахты осуществляются наблюдения на исходной стороне маркшейдерской опорной сети на поверхности, то дирекционный угол ориентируемой стороны вычисляют по формуле  а поправку гирокомпаса δм — по формуле  где δм — местная поправка гирокомпаса; δγ — разность плоских сближений меридианов в точках установки прибора на поверхности и в горных выработках. Величина δγ (в секундах) может быть вычислена по приближенной формуле  где у0 и у — ординаты точек I и III, км; μ — коэффициент, зависящий от широты φ места производства ориентирования, ''/км.  Производство гироскопического ориентирования. Для определения гироскопического азимута исходной или ориентируемой стороны гирокомпас устанавливают непосредственно на пунктах маркшейдерской сети. В подземных условиях при невозможности выполнения этого условия точки установки гирокомпаса выбираются таким образом, чтобы они не мешали производству основных работ и обеспечивали удобство наблюдений. Допускается установка гирокомпаса вблизи пунктов, но не ближе чем в 30 м. В полигоне примыкания на земной поверхности углы должны измеряться в соответствии с требованиями, предъявляемыми для полигонометрии I разряда, а в подземных условиях так же, как в подземных полигонометрических ходах. В случае применения гироскопического способа ориентирования подземных опорных сетей можно выполнять собственно ориентирование (определение дирекционного угла одной стороны) или совместное ориентирование (определение дирекционных углов нескольких сторон съемки). Гироскопический азимут исходной и каждой из ориентируемых сторон определяется независимо дважды. При ориентировании одной стороны подземной съемки гироскопический азимут определяют с двух точек установки гирокомпаса. При ориентировании нескольких сторон допускается второе определение гироскопического азимута ориентируемой стороны с той же точки, но только с повторным центрированием прибора. Определение гироскопического азимута исходной стороны рекомендуется выполнять независимо дважды — перед спуском в шахту и после определения гироскопического азимута ориентируемых сторон. Расхождение между двумя независимыми определениями гироскопического азимута одной и той же стороны не должно превышать 2'. За окончательное значение гироскопического азимута стороны принимают среднее арифметическое из двух определений. На практике определение гироскопического азимута состоит из следующих этапов: а) подготовки гирокомпаса к работе; б) определения места нуля подвеса; в) приблизительного ориентирования чувствительного элемента на север; г) определения положения равновесия ЧЭ; д) измерения примычных углов на исходную и ориентируемую стороны; е) вычисления гироскопического азимута стороны и оценки точности выполненных измерений; ж) подготовки прибора к транспортировке. После установки гирокомпаса на точке приблизительно ориентируют ЧЭ на север, нивелируют прибор и производят его включение. После того, как гиромотор разгонится, выполняют наблюдения 4—6 точек реверсии и берут отсчеты N2, ..., Ni по лимбу гирокомпаса. После этого можно вычислить отсчет по лимбу N0, соответствующий положению равновесия ЧЭ. Примычное направление N на один из пунктов исходной или ориентируемой стороны или на промежуточную точку измеряют дважды при двух положениях вертикального круга в начале и в конце пуска. Расхождение между двумя измерениями не должно превышать 30". Среднее из результатов двух измерений принимается за окончательное направление. Гироскопический азимут в общем случае может быть вычислен по формуле  Если гирокомпас установлен на промежуточной точке и измерены левые по ходу примычные углы βi то гироскопический азимут вычисляется по формуле  где ε — поправка за закручивание торсиона и подвеса (для гирокомпасов с центрированием на шпиле ε = 0); Σβi — сумма углов в полигоне примыкания; n — число измеренных углов. Для оценки точности гироскопического ориентирования можно использовать формулу  где Mα — погрешность определения дирекционного угла ориентируемой стороны; Мг0, Mг — погрешность определения гироскопических азимутов исходной и ориентируемой сторон. Так как определение гироскопических азимутов на поверхности и в шахте производится по одной и той же методике, то можно принять Мг0 = Mг. Предрасчет ожидаемой погрешности можно произвести, используя погрешности непосредственно измеренных величин  где mβ — погрешность примычного угла; mN — погрешность примычного направления; m0 — погрешность положения равновесия ЧЭ в пуске; M — погрешность положения равновесия от пуска к пуску. Ниже приведен пример определения гироскопического азимута при ориентировании одной стороны съемки с указанием последовательности производства наблюдений и вычислений.  1. Определение положения равновесия колебаний ЧЭ (табл. VII.9).  2. Измерение примычного направления (табл. VII.10).  3. Вычисление поправки за закручивание торсиона и подвеса (табл. VII.11).  4. Определение гироскопического азимута (табл. VII.12).  Вычисления, приведенные в табл. VII.9—VII.12, производят по следующим формулам:  Пocлeдoвательность вычисления дирекционного угла при гироскопическом ориентировании стороны подземной съемки приведена в табл. VII.13—VII.15. 1. Вычисление поправки гирокомпаса (табл. VII.13). 2. Вычисление разности сближения меридианов (табл. VII.14). 3. Вычисление дирекционного угла α (табл. VII.15).  |
