义桥煤矿陀螺定向实施方案及成果质量说明与评价

孙祥畅，赵振伟，张经龙，田晓伟

(1.济宁市勘测院， 山东 济宁 272000; 2.汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 汶上 272500)

陀螺仪作为地下工程定向的精密仪器，其在定向中起着十分重要的作用。陀螺仪是一种灵敏的寻北定向仪器，其通过灵敏感知地球的自转角动量，可以实现独立测量任意线的真北方位角。由于其具有全天候、全天时无依托自主定向的功能，而被广泛应用于隧道、矿山、城市地铁等地下工程的建设及国防建设等领域[1]。为保证矿井巷道的准确贯通和井巷的正确开拓，汶上义桥煤矿于2018年11月5日至2018年11月6日实施了“ 井下三采区、五采区加测陀螺定向边”工作。

1 陀螺定向实施方案

1.1 测量内容及已有资料分析

(1)测量内容：测定井下陀螺定向边两条:G13″-G14(三采区)、G12-G14(五采区)；

(2)测量使用的已有资料：汶上义桥煤矿有限责任公司提供了三个已知控制点，为2011年矿区井筒十字线修复加密成果，经现场查找，点J1,J2,保存完好，可使用，如表1所示。

表1 地面控制点成果表

注：北京54坐标系，中央子午线117°

1.2 在地面已知边J2-J1上测定仪器常数

(1)

仪器常数独立测定两次，下井前进行两测回，上井后进行两测回，共计四个测回，各测回之间的互差小于40″，达到了规程要求[3]。

图1 陀螺仪仪器常数测定以及井下陀螺方位角测定原理图

1.3 测定井下定向边的陀螺方位角

本次井下定向边有两条，为G13″-G14(三采区)、G12-G14(五采区)。井下定向测量流程如图1中所示，把测量仪器安置在井下G13″、G12点上，测出G13″-G14(三采区)、G12-G14(五采区)边的陀螺方位角A′。则定向边的地理方位角A为[4]：

A=A′+Δ

(2)

一条井下定向边的陀螺方位角独立测量两测回，单次内测回间陀螺方位角较差小于40″，单次间其陀螺方位角较差小于20″，符合规程要求[5]。

地面已知边J2-J1坐标方位角为α0。要求算的井下定向边坐标方位角为α，其地理方位角A。仪器安置点的子午线收敛角为γ0。

如上图1所示，地理方位角、坐标方位角、子午线收敛角之间的关系为：

A0=α0+γ0

(3)

要求算井下定向边的坐标方位角α，需先按照式(2)计算出仪器安置点的子午线收敛角γ0。子午线收敛角γ0可根据安置仪器点的高斯平面坐标或经纬度运用公式求取。

1.4 井下定向边坐标方位角的计算过程

由图1和式(1)、式(3)可得：

(4)

井下定向边的坐标方位角则为：

α=A-γ=A′+Δ-γ

(5)

根据上述公式，获得了井下定向边G13″-G14(三采区)、G12-G14(五采区)的坐标方位角。

根据以下公式可推导出待定边坐标方位角：

α地面=α陀1+C-γ1

(6)

α井下=α陀2+C-γ2

(7)

式(6)减式(7)可得：

α井下=α地面+α陀2-α陀1+γ1-γ2

(8)

式中,γ1为地面架站点子午线收敛角，γ2为井下架站点子午线收敛角，α陀1为地面已知边测定的陀螺方位角，α陀2为井下待定边测定的陀螺方位角，α地面为地面已知边坐标方位角[6-8]

2 测量成果及其质量说明与评价

2.1 计算过程

(1)已知坐标，如表2所示。

表2 已知点坐标成果表

注：北京54坐标系，中央子午线117°

(2)经坐标转换可得，如表3所示。

表3 坐标转换后成果表

注：北京54坐标系，中央子午线117°

(3)子午线收敛角计算公式：γ=sinB·(L-L坐标系中央子午线)，计算结果如表4所示。

表4 子午线收敛角计算成果表

注：北京54坐标系，中央子午线117°

(4)求解多次陀螺定向均值，计算结果如表5所示。

表5 多次陀螺定向均值成果表

(5)计算坐标方位角

由本文1.4节可知：

α井下=α地面+α陀2-α陀1+γ1-γ2

(9)

式中，γ1为地面架站点子午线收敛角，γ2为井下架站点子午线收敛角，α陀1为地面已知边测定的陀螺方位角，α陀2为井下待定边测定的陀螺方位角，α地面为地面已知边坐标方位角。

已知地面J2-J1坐标方位角为：223°37′24.69″，代入上述计算数据则有：

α坐(G13″-G14)=α坐(J2-J1)+α陀(G13″-G14)-α陀(J2-J1)+γJ2-γG13″=224°45′10.70″

α坐(G12-G14)=α坐(J2-J1)+α陀(G12-G14)-α陀(J2-J1)+γJ2-γG12=85°58′50.35″

陀螺定向成果表，如表6所示。

表6 陀螺定向成果表

2.2 测绘成果质量说明与评价

(1)地面J2-J1四测回测定陀螺方位角中误差，其结果如表7所示。

表7地面J2-J1四测回测定陀螺方位角中误差成果表

(2)井下G13″-G14(三采区)边独立定向两次，其结果如表8所示。

表8井下G13″-G14(三采区)边独立定向两次成果表

①待定边陀螺方位角一次测定中误差:

②定向精度

待定边坐标方位一次测定中误差：

本次陀螺定向同一边任意测回测量陀螺方位角的最大互差为29.25″，小于《煤矿测量规程》中不得超过40″的规定。

如上计算，井下同一边两次独立陀螺经纬仪定向平均值的中误差为±7.91″，小于《煤矿测量规程》中不得超过±10″的规定[9-10]。

(3)井下G12-G14(五采区)边独立定向两次，其结果如表9所示。

表9井下G12-G14(五采区)边独立定向两次成果表

①待定边陀螺方位角一次测定中误差:

②定向精度

待定边坐标方位一次测定中误差：

本次陀螺定向同一边任意测回测量陀螺方位角的最大互差为29.25″，小于《煤矿测量规程》中不得超过40″的规定。

如上计算，井下同一边两次独立陀螺经纬仪定向平均值的中误差为±7.40″，小于《煤矿测量规程》中不得超过±10″的规定。

3 结 语

把陀螺经纬仪定向成果应用于后续的贯通工程中,取得了很好的效果,可以得到如下结论：

(1)采用陀螺经纬仪加测陀螺定向边的方法可以作为大型贯通工程测量数据检核的一项有效措施，可检核导线测量中是否存在测角粗差，提高导线贯通终点的精度，作为最终贯通的技术依据。

(2)当使用陀螺定向进行贯通测量时 ,还应注意以下几点：

①需在贯通工程的两边均加测陀螺定向边,而且要采用同一套仪器设备，同一组工作人员，相同的定向方法，尽量减小井下环境对定向的影响，最终使贯通的两边为同一控制系统。

②依据井下导线网的形状、导线长度、井下位置,选择最有利于长期保存、便于连接观察的位置加测陀螺边 ,进而对整个采区、整个井下平面控制系统进行平差和校正。

③两次陀螺经纬仪定向测量工作应独立进行，从而避免粗差的出现。