基于陀螺定向的礦井導(dǎo)線測量方法分析

李雁鵬

【摘 要】 礦井巷道正在向大型化超大型化發(fā)展，但巷道貫通本身所允許的誤差并沒有得到相應(yīng)的減小。本文通過對礦區(qū)巷道傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量方法的分析，詳細(xì)地分析了水平角的誤差直方圖，給出了導(dǎo)線測量方法下避免儀器以及人工因素帶來的試驗(yàn)粗差方法，同時，對陀螺定向的導(dǎo)向測量方法下誤差的分析進(jìn)行了公式推導(dǎo)，得到該測量方法下誤差的計算公式，對于后期數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行討論，為礦區(qū)進(jìn)行巷道的測量以及數(shù)據(jù)的處理提供了參考。

【關(guān)鍵詞】 煤礦巷道;導(dǎo)線測量;粗差;陀螺定向

礦區(qū)巷道的測量可以實(shí)時了解巷道的變形情況，對于煤礦地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有一定的預(yù)防作用。本文通過對導(dǎo)線測量方法下誤差進(jìn)行了公式推導(dǎo)，從而定量地對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

1導(dǎo)線測量方法分析

目前，導(dǎo)線測量方法是礦區(qū)用于土地測量最普遍的測試手段之一，導(dǎo)線測量是通過在地面設(shè)置一系列的點(diǎn)，這些點(diǎn)連接成不規(guī)則的折線，利用測點(diǎn)之前的距離以及角度確定測量區(qū)域面積的測量方法。導(dǎo)線測量的基點(diǎn)的選擇至關(guān)重要，不同基點(diǎn)下不同位置的高度不同，對于后期數(shù)據(jù)的處理的難易也不同，在測量中，測點(diǎn)的基點(diǎn)應(yīng)該與礦區(qū)坐標(biāo)保持一致，這是導(dǎo)線測量方法坐標(biāo)選擇的原則。在實(shí)際測量的過程中，大多數(shù)礦井采用與本礦井的坐標(biāo)一致的原則進(jìn)行測量，部分礦井根據(jù)國家坐標(biāo)系進(jìn)行測量的工作，不論以何種原則選擇坐標(biāo)系，礦區(qū)應(yīng)該以本區(qū)域的情況選擇適用于測量的坐標(biāo)系。

從圖中可以看出，測試點(diǎn)共有A、B、1、2、3、4六個，每兩個相鄰的測試點(diǎn)之間都存在一個角度，且相鄰測試點(diǎn)之間的距離是已知的。在測量的過程中，如果出現(xiàn)粗差，測量結(jié)果就失去了真實(shí)性、準(zhǔn)確性，測量粗差即觀測到的數(shù)值和真實(shí)數(shù)值誤差較大的情況，對于測量是否出現(xiàn)粗差，檢驗(yàn)方法較為簡單，工作人員可以在相同的測點(diǎn)進(jìn)行多次獨(dú)立的測量，每次測量時都應(yīng)該測兩個回合，在多次測量后，對比測量之間夾角的差值、測距的差值以及兩測差值和多次測量的互差等數(shù)據(jù)的對比，從而得到準(zhǔn)確的位置信息以及角度信息。

在井下進(jìn)行測量時，帶來誤差的原因往往是多樣的，主要有以下幾個方面：

儀器誤差。儀器的誤差主要是儀器本身的精度并不準(zhǔn)確，在加工的過程中，并不能完全保證儀器的精度與設(shè)定值一樣，而在測量的過程中，三軸誤差也會對測量帶來很大的影響，視準(zhǔn)軸應(yīng)該通過儀器的盤左、盤右的調(diào)整消除，橫軸誤差與視準(zhǔn)軸誤差一樣可以通過盤左、盤右調(diào)整，對于豎軸誤差，應(yīng)該通過改正豎軸傾斜的方法減小誤差。

人工誤差。人工誤差一直伴隨著測量的始終，在初期儀器的定位上，應(yīng)該在合適的坐標(biāo)系中使得儀器平穩(wěn)地放置，通過矯正三軸線后，進(jìn)行儀器的對中工作，減小中心線與巷道頂板鉛垂線之間水平角的誤差，調(diào)整好儀器后，進(jìn)行測量工作，在測量時，工作人員應(yīng)該嚴(yán)格地按照讀數(shù)規(guī)定讀數(shù)，避免因?yàn)樽x數(shù)引起的誤差。

在井下的測量中，因?yàn)閷τ诿恳粋€測點(diǎn)的距離、角度等都有一定的精度要求，在眾多測點(diǎn)工作中，因?yàn)檎`差的原因，最后也很難達(dá)到預(yù)期要求的精度，這里，我們研究水平角的誤差分析，如圖2所示。

從圖2可以看出，誤差呈現(xiàn)近正態(tài)分布的現(xiàn)象，坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)表示誤差的正負(fù)，縱坐標(biāo)為誤差的大小，從圖中可以看出，誤差值主要集中于-4到4的區(qū)間內(nèi)，在多段巷道的測量時，最后測量的數(shù)據(jù)偏差就會不斷累積增大，所以對于水平角的觀測，應(yīng)該在測量時正確的放置測量儀器，在儀器平穩(wěn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行對中矯正工作，在井下巷道的測量時，對某區(qū)段內(nèi)的巷道應(yīng)該進(jìn)行多次測量避免粗差的影響，同時，應(yīng)該提高測量工作人員的專業(yè)性，在測量時以端正的態(tài)度進(jìn)行規(guī)范性的測量以及讀數(shù)，才能保證測量的準(zhǔn)確性，為后續(xù)礦井工作的布置提供便利。

2陀螺定向的導(dǎo)向測量方法

隨著測量方法的改進(jìn)，導(dǎo)線測量方法也有了突破，在巷道掘進(jìn)初期，因?yàn)榈貏萜鸱约暗貙幼呦虻牟煌?，對于巷道的測量有一定的難度，利用陀螺定向的導(dǎo)線測量方法可以更精確地測量邊長以及測點(diǎn)間的方位角，但是因?yàn)橥勇萁?jīng)緯儀儀器本身的原因，需要根據(jù)測量的條件進(jìn)行誤差的分析，如圖3所示。

如圖3所示為方向附和導(dǎo)線的誤差分析，其中只有測點(diǎn)1的坐標(biāo)為已知的，之后測點(diǎn)的位置為未知的，其中，ξ為測點(diǎn)到坐標(biāo)中心的水平距離，η為測點(diǎn)到坐標(biāo)中心的垂直距離，R為測點(diǎn)到坐標(biāo)中心的距離，β為測量點(diǎn)的角度值，根據(jù)起始測點(diǎn)的位置已知，我們計算得到終點(diǎn)K處的誤差公式：

因?yàn)闇y量誤差的無法避免性，隨著測量的推進(jìn)，測量的誤差會越來越大，所以我們選擇了點(diǎn)K進(jìn)行了誤差的分析，其他點(diǎn)的誤差也可以參考此點(diǎn)。

測量工作完成后，再對已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析是首要的步驟，對于數(shù)據(jù)的處理是關(guān)鍵，只有把測得的導(dǎo)線數(shù)據(jù)完整地分析出來，才可以得到礦井巷道的相關(guān)尺寸信息，對于傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量方法，其分析較為簡單，對多次測量的結(jié)果進(jìn)行分析對比求差值，并對需要投影的線段進(jìn)行投影計算，最后統(tǒng)計得到測量數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量方法，外加陀螺定向邊的導(dǎo)線測量數(shù)據(jù)的處理方法就較為復(fù)雜，在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要利用赫爾默特進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差計算，通過不斷的迭代運(yùn)算獲得適合于礦井的導(dǎo)向網(wǎng)，然后通過對測點(diǎn)的角度、距離結(jié)合陀螺本身的測量特點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到最后的礦區(qū)巷道測量數(shù)據(jù)。在實(shí)際的工程中，每一個礦井的地質(zhì)條件以及測量坐標(biāo)系的選擇都有所不同，處于對測量精度的要求，每一處的測量都至少進(jìn)行兩次，對于復(fù)雜地形，測量的次數(shù)以及數(shù)據(jù)都會增加，對于數(shù)據(jù)的后期處理也會更加復(fù)雜，所以對于實(shí)際測量工作，應(yīng)該選擇合適的測量模型以及測量方法進(jìn)行測量工作。

綜合上述的分析，傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量方法在不斷的改進(jìn)，在不斷改進(jìn)的過程中，對于測量誤差的分析是至關(guān)重要的，本文對陀螺定向的導(dǎo)向測量方法下誤差的分析進(jìn)行了公式推導(dǎo)，得到可參考的誤差公式，同時，對于數(shù)據(jù)的后期處理進(jìn)行了分析討論，在具體的煤礦巷道測量中，應(yīng)該根據(jù)本礦井的地勢情況選擇合適的坐標(biāo)系以及測量方法，并進(jìn)行誤差的分析討論，利用適合的數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)，可以極大地減小誤差，直接利用測量結(jié)果。

3結(jié)論

文章分析了井下進(jìn)行測量時，帶來誤差的原因，主要是儀器誤差和人工誤差。

基于導(dǎo)線測量的誤差分析，建立了陀螺定向?qū)Ь€測量方法的終點(diǎn)誤差計算公式。

對于實(shí)際測量工作，選擇合適的測量模型以及測量方法進(jìn)行測量工作，可以極大地減小誤差，直接利用測量結(jié)果。

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