陀螺全站儀在長距離工作面貫通中的應用

李建力

(晉煤集團寺河煤礦，山西 晉城 048205)

0 引言

隨著礦井開采水平逐漸地向邊界深部延伸，長距離的工作面相繼布設。使用傳統的測量方法很難滿足礦井生產需求。于是將用于隧道、井工直伸型巷道貫通用的陀螺全站儀引用到大采高長距離工作面貫通測量中。

井下作業環境較為復雜，比如風大、視線不暢、淋水等因素都對貫通測量精度帶來不利的影響。使用傳統的測量方法使得長距離工作面貫通必須多測幾遍導線、多架設幾次儀器，多測幾個測回等，這樣的方法既費時、又費力而且測量精度不高。這樣的方法顯然已不適應礦井測量的發展需要。

陀螺全站儀定向可以克服以上不利因素。經過幾年實踐證明，加設陀螺定向邊并經過角度平差后的導線測角精度可以提高1.5～2倍。

1 工作面加設陀螺邊后的測量方案

1.1 工作面概況及測量方案

工作面概況：3303工作面走向長度3 620.8 m，寬度為249.6 m，可采長度3 620.8 m。貫通巷道總長約7 891.6 m。貫通測量導線總長約8 000 m，是寺河煤礦目前設計和貫通長度排名第二長的工作面，僅次于3302工作面。工作面設計共有4條順槽巷道，其中已有2條巷道已掘，其它的掘進工程分別交由連采一隊和連采二隊對掘貫通。連采一隊負責施工3303工作面切眼和尾巷后，反掘施工33033巷和33037巷各200 m。連采二隊負責正掘施工33033巷和33037巷直至貫通。

測量方案：測設貫通導線時在G5架儀器后視G6，都以G6-G5為起始方位按設計的路線進行施測。工作面中的導線必須每隔1KM通過橫川做一次閉合，以提高測量精度[1]。在33033巷和33035巷布設2條陀螺邊定向，數據必須進行檢核。因此測量路線為： G6-G5→聯絡巷及橫川→33033巷→K←33033巷反掘段←3303切眼←33035巷←G5-G6。

1.2 貫通誤差預計分析

以3303大采高工作面貫通相遇點在水平X方向上的誤差預計。

以7″導線為基礎進行誤差預計。分別在33033巷的3311-3312和33032巷的3212-3213邊布設2條陀螺邊來提高導線測量的精度[2]。以測角誤差對K點的影響進行分析。

G5至3312點間方向附和導線段引起3312點在X方向上的中誤差：

設陀螺定向邊方位中誤差為：maT=±15″

=152×1 121 481/ρ2+72×7 691 674/ρ2=0.015 m

Mx(3312)=±0.122 m

式中：ηi—方向附合導線各點至重心YO1連線在y軸上的投影長，見表1。

表值計算表

3311-3312陀螺邊至K點支導線引起K在X方向上的中誤差：

=152×2 013 561/ρ2+72×6 301 891/ρ2=0.018 m

MxK(西)=±0.134 m

式中：Ry—貫通點與支導線上各導線點連線在X軸投影長，見表2。

表2 ∑Ry2計算表

G5至3213點間方向附和導線段引起3213點在X方向上的中誤差：

設陀螺定向邊方位中誤差為：maT=±15″

=152×1 387 684/ρ2+72×7 409 336/ρ2=0.016 m

Mx(3213)=±0.126 m

式中：ηi—方向附合導線各點至重心YO2連線在y軸上的投影長，見表3。

表值計算表

3212-3213陀螺邊至K點支導線引起K在X方向上的中誤差：

=152×1 397 124/ρ2+72×3 930 336/ρ2= 0.012 m

MxK(東)=±0.110 m

式中：Ry—貫通點與支導線上各導線點連線在X軸投影長，見表4。

顯然貫通點K在X方向上的預計中誤差由上述4部分組成：

表4 ∑Ry2計算表

=0.015+0.018+0.016+0.012=0.061 m

2 陀螺方位角測定原理及其過程

2.1 陀螺方位角測定原理

陀螺全站儀可以測定地面或井下任意測線的真方位角。陀螺儀軸在陀螺靈敏部本身重力和地球自轉的作用下，在子午面附近作衰減的簡諧擺動，在不考慮其他情況下，其擺動的平衡位置即為儀器安地點的真子午線方向。用全站儀水平度盤讀出方向值，該方向值與儀器安置地點某一測線方向值之差，即為該測線的真方位角。但實際上陀螺儀軸與陀螺光學系統的光軸以及望遠鏡光軸不可能在同一豎直面內，所以陀螺儀軸穩定位置通常不與測站處真子午線重合，二者之間有一夾角稱為儀器常數，如圖1所示。井下坐標方位角=陀螺方位角+儀器常數-子午線收斂角。

圖1 地面測定儀器常數

2.2 陀螺方位角測定過程

在已知邊上采用兩測回(或三測回)測量陀螺方位角，求得2個(或3個)儀器常數。具體公式為：儀器常數計算=坐標方位角+子午線收斂角-陀螺方位角[3]。

在井下工作面兩順槽分別布設一條陀螺邊測量陀螺方位角。測定陀螺方位角有逆轉點法和中天法2種。目前，常用的一種觀測方法是逆轉點法，它是依次連續觀測5個逆轉點，讀取各逆轉點相應的水平度盤讀數U1U2…U5，擺動平衡位置在全站儀水平度盤讀數，NT稱為陀螺北方向值，如圖2所示。陀螺北方向值可按下式計算：

圖2 跟蹤逆轉點法

盡快在原已知邊上再用兩測回(或三測回)測量陀螺方位角，再求得2個(或3個)儀器常數。

3 陀螺全站儀定向內業數據處理

3.1 陀螺方位角內業計算

計算出子午線收斂角γ、儀器常數和井下定向邊的坐標方位角，具體計算見表5、表6和表7。

3.2 根據陀螺定向成果對附合導線進行平差

表5 子午線收斂角計算

表6 儀器常數計算

4 結論

(1)加設陀螺定向邊并經過角度平差后的導線測角精度可以提高1.5～2倍，可以控制測角誤差的積累，而且可以極大地提高工作面貫通的橫向精度。

表7 井下定向邊成果計算

(2)成果適用于長距離貫通精度要求高的大采高工作面。隨著現代化大采高技術不斷推廣應用，長距離大采高工作面還會很多。這項成果應用到長距離工作面的貫通測量中，才能實現準確貫通，保證礦井正常的采掘秩序。