王 濤，周建東，岳軍紅

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099； 2. 中鐵一局第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

磁懸浮陀螺全站儀礦井定向精度分析及應(yīng)用研究

王 濤1，周建東2，岳軍紅1

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099； 2. 中鐵一局第五工程有限公司，陜西 寶雞 721006)

分析了磁懸浮陀螺全站儀的測(cè)量原理和定向精度，以中煤平朔安家?guī)X2號(hào)井工礦為例，給出了GAT磁懸浮陀螺全站儀在煤礦開(kāi)采貫通測(cè)量中的應(yīng)用，以及貫通測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理的理論與方法。結(jié)果表明：用加測(cè)陀螺邊的方法對(duì)精密導(dǎo)線進(jìn)行檢核，順利指導(dǎo)了的礦井巷道的掘進(jìn)和煤礦生產(chǎn)安全。

磁懸浮陀螺全站儀；煤礦巷道；陀螺定向；儀器常數(shù)；貫通測(cè)量

0 前 言

礦井地下巷道方位定向測(cè)量工作至關(guān)重要，其成果質(zhì)量，直接影響到整個(gè)礦井的建設(shè)、生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。唯有選擇精度合理的貫通測(cè)量?jī)x器和采用有效的方位定向方法，才能保證巷道貫通工作面按設(shè)計(jì)要求彼此接合。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法是采用精密導(dǎo)線指導(dǎo)礦井巷道貫通，該方法的缺點(diǎn)是隨著導(dǎo)線的延伸，測(cè)量誤差累積影響地下礦井巷道貫通精度[4]。從礦山測(cè)量的要求來(lái)看，高精度、實(shí)時(shí)性和先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器和數(shù)據(jù)分析方法是礦山開(kāi)采中取得災(zāi)害預(yù)防治理效果的關(guān)鍵[5]。隨著陀螺全站儀(或陀螺經(jīng)緯儀)的出現(xiàn)，加測(cè)陀螺邊成為檢核地下導(dǎo)線精度的有效方法，采用該方法有助于及時(shí)改善地下導(dǎo)線的監(jiān)測(cè)精度和提高導(dǎo)線測(cè)量成果的可靠性[6-7]。為提高礦井巷道貫通精度，文中以安家?guī)X2號(hào)井工礦為例，對(duì)GAT磁懸浮陀螺全站儀的測(cè)量原理和測(cè)量精度進(jìn)行了分析，并應(yīng)用該儀器進(jìn)行了井下方位定向，監(jiān)測(cè)成果成功指導(dǎo)了煤礦巷道順利貫通。

1 工程概況

安家?guī)X2號(hào)井工礦位于寧武煤田北端，行政隸屬山西省朔州市，礦區(qū)東西寬3 893～5 632 m，南北長(zhǎng)1 300～6 197 m，面積約20.20 km2。

為檢核礦井精密導(dǎo)線控制網(wǎng)監(jiān)測(cè)精度，以確保礦井巷道精密貫通。文中采用加測(cè)陀螺邊的方法，運(yùn)用陀螺全站儀進(jìn)行陀螺定向觀測(cè)和平差處理，對(duì)安家?guī)X2號(hào)井工礦精密導(dǎo)線進(jìn)行檢核，確保了井下巷道方位的正確定向。實(shí)例分析表明，將陀螺全站儀在適當(dāng)位置加測(cè)陀螺邊的方法應(yīng)用于井下導(dǎo)線測(cè)量中極大地提高了導(dǎo)線的精度和可靠性。

2 陀螺全站儀測(cè)量原理及精度分析

2.1磁懸浮陀螺全站儀測(cè)量原理

GAT磁懸浮陀螺全站儀由中國(guó)航天科技集團(tuán)第16研究所和長(zhǎng)安大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)研制。該儀器采用磁懸浮技術(shù)替代了傳統(tǒng)懸掛帶支承技術(shù)，通過(guò)力矩傳感器和陀螺轉(zhuǎn)子間的相互作用，測(cè)量?jī)蓚€(gè)精尋度盤(pán)采集的4萬(wàn)組電流值計(jì)算測(cè)線的真北方位角[8]。儀器獲取的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。磁懸浮技術(shù)的采用，有效降低了陀螺靈敏部與外界的接觸，提高了儀器的尋北定向精度和使用壽命。GAT磁懸浮陀螺全站儀的方位角測(cè)量原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[9-10]，在此不再贅述。

2.2貫通測(cè)量精度分析

陀螺全站儀的貫通測(cè)量精度主要以陀螺方位角一次測(cè)定中誤差mT和一次定向中誤差mα表示。外業(yè)測(cè)量工作完成后，首先根據(jù)洞外測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算儀器常數(shù)Ki及其精度。有關(guān)陀螺全站儀儀器常數(shù)的影響因素及測(cè)定方法文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述[11]。在此設(shè)測(cè)前與測(cè)后洞外測(cè)量測(cè)回?cái)?shù)相同，都為n測(cè)回。

圖1 部分采樣數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

設(shè)洞外測(cè)量基線為AB，αAB為其坐標(biāo)方位角，γA為基線起點(diǎn)A的子午線收斂角，每測(cè)回角度測(cè)量值與陀螺方位角測(cè)量值分別為L(zhǎng)i與Ti(i=1，2，…,2n)，則

Ki=αAB-(Li+Ti+γA)

(1)

儀器常數(shù)K通過(guò)計(jì)算式(1)的平均值得到。

儀器常數(shù)K測(cè)量精度的計(jì)算方法與角度以及陀螺方位角計(jì)算相同，即

(2)

式(2)中σK表示儀器常數(shù)測(cè)量精度

Vi=Ki-K(i=1,2,…,2n)。

儀器常數(shù)測(cè)量精度滿足要求后，進(jìn)行測(cè)量基線坐標(biāo)方位角計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(3)

根據(jù)測(cè)量誤差傳播律，坐標(biāo)方位角測(cè)量中誤差為

(4)

由大地坐標(biāo)(L,B)計(jì)算子午線收斂角γ的公式為：

(5)

式中：t=tanB，η=e′·cos2B(e′為第二偏心率)，B為緯度，l為經(jīng)差。

根據(jù)公式(4)，可以估算每條基線邊坐標(biāo)方位角測(cè)量精度。若全站儀一測(cè)回水平角測(cè)量精度為±2″，陀螺儀方位角測(cè)量一測(cè)回精度為±5″，每個(gè)測(cè)站全站儀與陀螺儀都觀測(cè)3測(cè)回。則儀器常數(shù)測(cè)量精度為：

(6)

洞內(nèi)測(cè)量基線坐標(biāo)方位角測(cè)量精度為：

(7)

3 煤礦巷道貫通測(cè)量

3.1貫通測(cè)量方案

陀螺全站儀(或陀螺經(jīng)緯儀)定向作業(yè)過(guò)程在《工程測(cè)量學(xué)》教材中有詳細(xì)描述。此次陀螺定向測(cè)量過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行《煤礦測(cè)量規(guī)程》(第62條)規(guī)定，采用“3+2+3”的測(cè)量模式進(jìn)行，即在井上地面已知邊上進(jìn)行3測(cè)回測(cè)量陀螺方位角，并求得儀器常數(shù)K1；在井下定向邊上測(cè)量2測(cè)回陀螺方位角；返回地面(井上)已知邊后，再在原已知邊上測(cè)量3測(cè)回陀螺方位角，求得儀器常數(shù)K2；最終儀器常數(shù)取K=(K1+K2)/2。

3.2巷道方位定向測(cè)量過(guò)程

3.2.1 儀器常數(shù)標(biāo)定

巷道方位定向過(guò)程中，選取地面上GG01、GG02兩個(gè)控制點(diǎn)連接而成的測(cè)線進(jìn)行儀器常數(shù)標(biāo)定。在下井前由于GG01點(diǎn)風(fēng)振影響較為嚴(yán)重，因此，在測(cè)量了3個(gè)測(cè)回后又將儀器架設(shè)在GG02點(diǎn)進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，此時(shí)，風(fēng)振影響逐漸減小，部分?jǐn)?shù)據(jù)中雖有小幅度的波動(dòng)，但通過(guò)粗差剔除、濾波等方法可以對(duì)定向成果進(jìn)行優(yōu)化。上井后由于觀測(cè)條件較好(風(fēng)振等不良因素影響較小)，在GG01點(diǎn)又對(duì)儀器常數(shù)進(jìn)行了4個(gè)測(cè)回的觀測(cè)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)濾波、粗差剔除等方法確定使用6個(gè)測(cè)回計(jì)算儀器常數(shù)。前后分別獨(dú)立進(jìn)行3個(gè)測(cè)回的儀器常數(shù)測(cè)量。

若某加測(cè)陀螺邊的坐標(biāo)方位角是α，測(cè)站點(diǎn)子午線收斂角為γ，則該定向邊的真北方位角可由公式A=α+γ求得。根據(jù)A=α+γ求得地面已知邊GG01-GG02的正反真北方位角AGG01→GG02=258(°)19(′)04(″)，AGG02→GG01=78(°)19(′)01(″)。再根據(jù)A=T+K(其中T為測(cè)線的陀螺全站儀定向值；K為儀器常數(shù))，結(jié)合地面定向(洞外測(cè)量)成果，計(jì)算可得儀器常數(shù)值。

儀器常數(shù)測(cè)量成果見(jiàn)表1所示。表1中V表示真誤差，VV表示真誤差的平方，觀測(cè)數(shù)據(jù)文件號(hào)是原始采集數(shù)據(jù)的一個(gè)編號(hào)，無(wú)量綱。由表1的洞外測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得出該儀器常數(shù)一次測(cè)定中誤差為：

(8)

儀器常數(shù)最或是值的中誤差：

(9)

表1 井上(洞外)儀器常數(shù)測(cè)量成果

表2 煤礦巷道待測(cè)邊陀螺定向測(cè)量結(jié)果比對(duì)

3.2.2 加測(cè)陀螺邊位置確定

在井下導(dǎo)線邊中每隔3 km左右選擇FYH1→FYH2、FYC2→FYC3、H→Z2 3條邊加測(cè)陀螺邊，每條邊上測(cè)量陀螺方位角各2個(gè)測(cè)回，最終方位定向成果見(jiàn)表2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)安家?guī)X2號(hào)井工礦地下巷道方位定向測(cè)量分析得出：

1)本次陀螺定向測(cè)量選取了洞外測(cè)線GG01→GG02進(jìn)行儀器常數(shù)的標(biāo)定；為了保證測(cè)量成果的可靠性，在該測(cè)線上進(jìn)行了對(duì)向觀測(cè)，進(jìn)行檢核；結(jié)果證明，此次陀螺定向測(cè)量的一次測(cè)定中誤差為3.1(")，定向成果精度較高。

2)由于陀螺全站儀方位定向成果無(wú)誤差累積，且可直接測(cè)得真北方向，因此建議參考此次陀螺定向成果，對(duì)洞內(nèi)導(dǎo)線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提高洞內(nèi)導(dǎo)線測(cè)量精度，限制誤差累積。

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AStudyofMaglevGyroTotalStation'DirectionalPrecisionandEngineeringApplicationinMineTunnel

WANG Tao1, ZHOU Jiandong2, YUE Junhong1

(1.ShanxiRailwayEngineeringVocationalandTechnicalInstitute,Weinan,Henan714099,China; 2.TheFifthEngineeringCo.Ltd.ofChinaRailwayFirstEngineeringGroup,Baoji,Shanxi721006,China)

The paper analyzes the measuring principle and accuracy of magnetic suspension gyro total station. Taking mine tunnel No.2 of An Jia-ling precision through-survey as an example, authors give a thorough measuring scheme and the measured data in processing theory for the applications of mine roadway. The results show that the method has guided roadway drivage and coal mine production safety.

Magnetic suspension gyro station；Mine tunnel；Gyro-orientation；Instrumental constant； Through-survey

2017-05-30

陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JK1167)；2016年渭南市科技項(xiàng)目計(jì)劃(2016KYJ-1-1)。

王濤(1979-)，男，陜西西安人，副教授(博士)，研究方向：高精度陀螺全站儀研制及其數(shù)據(jù)處理，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治等，手機(jī)：15029536410，E-mail：survey-tao@sohu.com.

TD172.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.046