矿井控制测量作业中陀螺全站仪的应用研究

矿井控制测量作业中陀螺全站仪的应用研究一般而言地面工程常采用GPS网、三边网等测量网实现工程控制用但煤矿井下空间缺乏光照长期处于黑暗环境再加上空间狭窄无GPS信号在实施地下工程时需采取导线测量的控制手段由于煤矿井下地形复杂开观测条件差需要使用长度大且线型复杂的导线开给井下工程测量带来巨大负担#由于导线测量采取单线推进方法开缺乏检核、平差条件开加之图形强度不高导致导线测量法精准度不高井下工程控制难度大曲本研究采用的陀螺全站仪不易受外界因素影响例如磁场、气象以及通视条件等不需要依赖外界参考点开故不需要外部基准(已知点)开陀螺全站仪适用范围广精准度高除极端条件南北极点外开可被广泛应用于各个场景开尤其适用于需导线测量的地下工术的使用下可以准确实现加测陀螺方位边测量开对于提高测量精度具有重要意义¹1用物体在高速旋转时由于进动性和定轴性会发生角运动开陀螺仪的检测原理是利用这一特性制作物体的角运动检测装置其主要部件包括螺转子、内外框架、信号传感器等2J#在角运动检测装置中陀螺通过丝线悬挂使其处于水平方向由于地球自转影响开导致陀螺本体受到铅直方向的旋转力开带动旋转体在水平面上做岁差运动运动范围为以真北方向为中心开通过装置外部安装的目镜可以准确观察旋转轴的运动方向指针震动中心指向真北方向³1用陀螺全站仪定向的作业流程如图1所示用陀螺仪要求精密度高由于制造工艺限制开虽然陀螺仪轴摆动位置不会发生较大变化开摆动系数f保持陀螺方位角3次否互差是否小于仪器标准偏差上井后测定仪器常数3次否互差是否小于仪器标准偏差最或是值最或是值坐标方位角互差是否小于仪器标准偏差计算子午线收敛角不变可以视为陀螺仪轴处于稳定位置但与各部件的轴并不能精准处于统一竖直面开例如观测目镜分划板零线对应的光轴开也无法精确地与全站仪望远镜轴保持在以上位置用由于陀螺仪轴与地理子午线A不能精确重合为方便计算和应用开需要设定两者夹角为仪器常数如果稳定位置在地理子午线的东边开则设定仪器常数为正值若位于西边则仪器常数为负值仪器常数测定需要确定高等级边的陀螺方位角并通过计算得出此边的实际地理方位角差值的计算公式：△=A-a地用为避免测量误差需要在开展下井定向前对其展开大于等于3次的测定完成测量后要稳固陀螺仪停止陀螺运转时间维持在10~15min#另外需要保证全站仪度盘位置变动角度在60°左右避免地下工程出现测量误差还需要保证每次测量值互差不能大于等于2倍仪器标称误差4J用陀螺方位角测定基于陀螺仪的定轴性和推动性通过测量待定边与陀螺真北方向的夹角实现定向在待测边两端假设仪器严格对中整平确保仪器稳定开应避免振动、风流及电磁干扰用采取独立测量方式连续两次测定该边的陀螺方位角a#用测量互差满足使用需求，并且小于2倍仪器标称误差，然后计算两次测量值的平均值，确定待定向边的地理方位角，计算公式2.3上井后重新测定仪器常数陀螺全站仪上井后，需要对已知高等级边测量仪器常数，测量次数大于等于3次，对每次测量值进行互差运算，在满足互差值小于2倍仪器标称误差要求的情况下，计算上井后的仪器常数最或是值△平，并与上井前此数值进行误差计算，计算原理采取白塞尔公式5。子午线在该点产生的投影以及此处的纵坐标会产3陀螺全站仪定向方法3.1悬带零位观测悬带零位观测需要采取以下步骤：首先，调整陀螺全站仪位置，使其保持平整状态，并将其固定照准部；其次，下放陀螺灵敏部，利用目镜的高清晰度观察灵敏部的摆动方向和摆动幅度，并在分划板上读取数值，连续三次读取并记录逆转点数值。为提高测量数值的准确度，需要用秒表测定光标像相邻两次穿过零刻划线的自由摆动周期。为提高测量速度，在正式测量前，需要先对已知边和定向边的陀螺方位角粗略定向，初步判定两者位置。罗盘法仅需1min就能得到测量结果，且精度为±3°左右。虽然粗略定向测量阶段测量精度不高，但已经能满足该项研究采用的逆转点法精密定向要求。井下使用罗盘法的操作方法如下：首先，确保陀螺全站仪的望远镜大致处于水平位置；其次，将经过磁偏角改正的定向罗盘固定在陀螺全站仪的望远镜上，要求罗盘的一侧紧贴望远镜初瞄器；最后，旋转陀螺全站仪，调整望远镜视准轴，使其与定向罗盘指示的方向精密定向常采取逆转点法、中天法、时差法以及摆幅法，测定位置选取待定边的陀螺方位角。其中，逆转点法因操作简单、应用方便，被广泛应用在矿井控制测煤矿井下测量中，采用逆转点法操作步骤为：①陀螺启动与自由摆动。进入陀螺定向模式，释放陀螺锁紧装置，使陀螺主轴自由摆动，待陀螺摆动幅度稳定，记录逆转点。②逆转点观测与记录。要求连续记录5个逆转点(左、右极限位置交替),确保摆动周期完整，每个逆转点需在陀螺摆至极限位置瞬间读取水平度盘视差，最好使用电子读数自动记录功能。③真北方向计算。使用加权平均公式计算真北方向平均值：N=(L₁+3L2+2L₃+3L+L)/10。④待定边方位角测量。保持全站仪对中整平状态，旋转照准部对准待定边目标点，精确照准后，记录水平度盘读数β(自动记录或修正。α修正=α陀缀+△(△为地面校准的仪器常数)。⑥坐标方位角转换。结合测站经纬度计算子午线收敛步骤后，托起并锁紧灵敏部，需要保证两侧的测量值小计算坐标方位角。坐标方位角会影响测量精准度，需根据标准和公式准确计算。坐标方位角计算结果如表1所示。表1坐标方位角计算表左中值右平均值(陀螺北方向值)148°46,34”148°46,42”148°46,39”148°46,37”148°46,36”坐标方位角<0.5格不需改正陀螺方位角地理方位角子午线收敛角坐标方位角4应用注意事项①煤矿环境可能存在瓦斯等易燃易爆气体，需选和全站仪精度符合要求，定期检查仪器状态。②测量前确认瓦斯浓度在安全范围内(通常低于1%,避免在高粉尘环境中长时间使用仪器，防止粉尘进入仪器内部。③在矿井下可能存在强磁场或电磁干扰，作业过程中需远离这些区域。④在瓦斯突出区域作业时，需使用防爆设备，并随时监测瓦斯浓度，在采掘工作面测量时，注意顶板支护情况，避免冒顶。在运输巷道测量时，注意来往车辆，确保人员本研究中，M煤矿处于山区，矿区占地约169km²,设计年生产能力110万t,在其周围还有N煤矿，年产量约68万t。在国家政策支持下，M煤矿积极提高开矿整合的技术难点是实现两者已掘巷道的贯通，并将两个矿井连为一体，优化生产效率，提高矿井产量。积极组织技术人员对两矿展开实地勘探，得出以下结论：①共同点：均有一个主井口和回风井口，均为3级下山，井口和200水平处高度差约230m②M煤矿东巷啧头部分地段弯曲，地势不平坦，自主井口距离此位置较远，两者间距约5000mN煤矿的西巷位置部分处于弯曲状态，啧头和主井口的距离约2800m.M煤矿的东巷啧头位置和N煤矿200水平西巷啧头两者距离约1200m由于矿区环境复杂，在开展巷道贯通时需要严格控制隧道测量精度，本研究采取GPS静态定位法测定制点)作为起始点，用于井下导线测量。本研究井下控制测量平面需要使用7“级闭合导线，布设点设置依次为：地面(矿区)控制点一主(斜)井口一井下(在用)巷道—啧头一井下(在用)巷道—(回)风井口一地面(矿区)控制点。对于M煤矿和N煤矿而言，需要在两处煤矿相对水平啧头附近位置，通过选取垂直的井下巷道，采用矿用(隔爆)索佳陀螺全站仪进行高程测量。在开展井下测量工作前,需要先进行资料收集及数据测量，例如：获取最新井巷设计图、地质剖面图及历史测量数据，对比既有控制点坐标，采用防爆型陀螺全站仪，用于长距离定向，在稳定区域加密控制点，采用强制对中装置减少对中误差，制定往返测量、多测回观测计划，限差按《煤矿测量规程》执行。另外，在使用陀螺全站仪前，需要测定陀螺全站仪是否为10547.