磁懸浮陀螺全站儀礦井定向精度分析及應用研究

王 濤，周建東，岳軍紅

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，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用研究

王 濤1，周建東2，岳軍紅1

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，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量原理和定向精度，以中煤平朔安家嶺2號井工礦為例，給出了GAT磁懸浮陀螺全站儀在煤礦開采貫通測量中的應用，以及貫通測量實測數據處理的理論與方法。結果表明：用加測陀螺邊的方法對精密導線進行檢核，順利指導了的礦井巷道的掘進和煤礦生產安全。

磁懸浮陀螺全站儀；煤礦巷道；陀螺定向；儀器常數；貫通測量

0 前 言

礦井地下巷道方位定向測量工作至關重要，其成果質量，直接影響到整個礦井的建設、生產和經濟效益[1-3]。唯有選擇精度合理的貫通測量儀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計要求彼此接合。

傳統的測量方法是采用精密導線指導礦井巷道貫通，該方法的缺點是隨著導線的延伸，測量誤差累積影響地下礦井巷道貫通精度[4]。從礦山測量的要求來看，高精度、實時性和先進的測量儀器和數據分析方法是礦山開采中取得災害預防治理效果的關鍵[5]。隨著陀螺全站儀(或陀螺經緯儀)的出現，加測陀螺邊成為檢核地下導線精度的有效方法，采用該方法有助于及時改善地下導線的監測精度和提高導線測量成果的可靠性[6-7]。為提高礦井巷道貫通精度，文中以安家嶺2號井工礦為例，對GAT磁懸浮陀螺全站儀的測量原理和測量精度進行了分析，并應用該儀器進行了井下方位定向，監測成果成功指導了煤礦巷道順利貫通。

1 工程概況

安家嶺2號井工礦位于寧武煤田北端，行政隸屬山西省朔州市，礦區東西寬3 893～5 632 m，南北長1 300～6 197 m，面積約20.20 km2。

為檢核礦井精密導線控制網監測精度，以確保礦井巷道精密貫通。文中采用加測陀螺邊的方法，運用陀螺全站儀進行陀螺定向觀測和平差處理，對安家嶺2號井工礦精密導線進行檢核，確保了井下巷道方位的正確定向。實例分析表明，將陀螺全站儀在適當位置加測陀螺邊的方法應用于井下導線測量中極大地提高了導線的精度和可靠性。

2 陀螺全站儀測量原理及精度分析

2.1磁懸浮陀螺全站儀測量原理

GAT磁懸浮陀螺全站儀由中國航天科技集團第16研究所和長安大學聯合攻關研制。該儀器采用磁懸浮技術替代了傳統懸掛帶支承技術，通過力矩傳感器和陀螺轉子間的相互作用，測量兩個精尋度盤采集的4萬組電流值計算測線的真北方位角[8]。儀器獲取的原始觀測數據如圖1所示。磁懸浮技術的采用，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量原理及技術優勢詳見文獻[9-10]，在此不再贅述。

2.2貫通測量精度分析

陀螺全站儀的貫通測量精度主要以陀螺方位角一次測定中誤差mT和一次定向中誤差mα表示。外業測量工作完成后，首先根據洞外測量數據計算儀器常數Ki及其精度。有關陀螺全站儀儀器常數的影響因素及測定方法文獻中有詳細描述[11]。在此設測前與測后洞外測量測回數相同，都為n測回。

圖1 部分采樣數據散點圖

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

Ki=αAB-(Li+Ti+γA)

(1)

儀器常數K通過計算式(1)的平均值得到。

儀器常數K測量精度的計算方法與角度以及陀螺方位角計算相同，即

(2)

式(2)中σK表示儀器常數測量精度

Vi=Ki-K(i=1,2,…,2n)。

儀器常數測量精度滿足要求后，進行測量基線坐標方位角計算，計算公式如下：

(3)

根據測量誤差傳播律，坐標方位角測量中誤差為

(4)

由大地坐標(L,B)計算子午線收斂角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為經差。

根據公式(4)，可以估算每條基線邊坐標方位角測量精度。若全站儀一測回水平角測量精度為±2″，陀螺儀方位角測量一測回精度為±5″，每個測站全站儀與陀螺儀都觀測3測回。則儀器常數測量精度為：

(6)

洞內測量基線坐標方位角測量精度為：

(7)

3 煤礦巷道貫通測量

3.1貫通測量方案

陀螺全站儀(或陀螺經緯儀)定向作業過程在《工程測量學》教材中有詳細描述。此次陀螺定向測量過程嚴格執行《煤礦測量規程》(第62條)規定，采用“3+2+3”的測量模式進行，即在井上地面已知邊上進行3測回測量陀螺方位角，并求得儀器常數K1；在井下定向邊上測量2測回陀螺方位角；返回地面(井上)已知邊后，再在原已知邊上測量3測回陀螺方位角，求得儀器常數K2；最終儀器常數取K=(K1+K2)/2。

3.2巷道方位定向測量過程

3.2.1 儀器常數標定

巷道方位定向過程中，選取地面上GG01、GG02兩個控制點連接而成的測線進行儀器常數標定。在下井前由于GG01點風振影響較為嚴重，因此，在測量了3個測回后又將儀器架設在GG02點進行對向觀測，此時，風振影響逐漸減小，部分數據中雖有小幅度的波動，但通過粗差剔除、濾波等方法可以對定向成果進行優化。上井后由于觀測條件較好(風振等不良因素影響較小)，在GG01點又對儀器常數進行了4個測回的觀測，最后通過數據濾波、粗差剔除等方法確定使用6個測回計算儀器常數。前后分別獨立進行3個測回的儀器常數測量。

若某加測陀螺邊的坐標方位角是α，測站點子午線收斂角為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A=T+K(其中T為測線的陀螺全站儀定向值；K為儀器常數)，結合地面定向(洞外測量)成果，計算可得儀器常數值。

儀器常數測量成果見表1所示。表1中V表示真誤差，VV表示真誤差的平方，觀測數據文件號是原始采集數據的一個編號，無量綱。由表1的洞外測量觀測數據，可計算得出該儀器常數一次測定中誤差為：

(8)

儀器常數最或是值的中誤差：

(9)

表1 井上(洞外)儀器常數測量成果

表2 煤礦巷道待測邊陀螺定向測量結果比對

3.2.2 加測陀螺邊位置確定

在井下導線邊中每隔3 km左右選擇FYH1→FYH2、FYC2→FYC3、H→Z2 3條邊加測陀螺邊，每條邊上測量陀螺方位角各2個測回，最終方位定向成果見表2所示。

4 結 語

通過安家嶺2號井工礦地下巷道方位定向測量分析得出：

1)本次陀螺定向測量選取了洞外測線GG01→GG02進行儀器常數的標定；為了保證測量成果的可靠性，在該測線上進行了對向觀測，進行檢核；結果證明，此次陀螺定向測量的一次測定中誤差為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誤差累積，且可直接測得真北方向，因此建議參考此次陀螺定向成果，對洞內導線進行適當調整，提高洞內導線測量精度，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基金資助項目(14JK1167)；2016年渭南市科技項目計劃(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據處理，地質災害監測與防治等，手機：15029536410，E-mail：survey-tao@sohu.com.

TD172.2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.046