趙永林

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045400）

引言

在煤礦貫通測量中陀螺全站儀是通過將中天法和跟蹤逆轉點法內置兩種程序使得儀器操作和使用更加簡單、高效，可有效避免定向測量中的人為操作誤差[1]。在定向測量過程中影響其測量精度的影響因素較多，通常情況下一次定向中誤差均滿足標稱精度范圍。然而考慮到使用方法、外界條件以及制造工藝水平等因素，陀螺定向測量精度往往達不到標稱精度要求[2]。全站儀定向精度關系測量結果的準確性與可靠性，若結果不準確，會對工程實施和工期造成不利影響，并引起人力物力財力的極大浪費。

1 陀螺全站儀及理論分析

1.1 陀螺全站儀

GP1X陀螺全站儀其主要功能是提供北向方位基準，可應用于工程測量、大地測量以及礦山貫通測量等領域。它是一種全自動陀螺儀[3]，其主要組成部件有三角膠、主機、電纜線、電池、磁羅盤以及垂球等，主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 陀螺全站儀主要技術指標和產品配套

GP1X陀螺全站儀如圖1所示，其使用操作注意事項如下：

1）為避免設備的損壞，在測量之前必須確保儀器主機處于調平狀態(tài)，如果進入測量并未調平則應立即按下“停止鍵”，降低因人為因素對設備的損壞程度。

2）面對突然斷電的狀況不應立即搬移設備，再次通電并使得儀器進入自復位程度，約10min后方可正常操作。

圖1 陀螺全站儀示意圖

3）設定右邊為水平增量方式并且嚴禁操作清零程序，為保證設備正常使用，在順時針方向的水平角度應為遞增方向。

4）在尋北測量中切勿操作儀器或碰觸三腳架，并在儀器附近不可產生振動影響動作。

1.2 理論分析

觀測方法是影響陀螺儀定向誤差的主要來源，通常情況下對陀螺進行定向時采用跟蹤逆轉點法。主要操作過程為：對儀器常數(shù)的測定可在精度較高的已知點上進行，并可在定向邊上對陀螺方位角進行測定[4]。影響陀螺定向測量誤差的影響因素較多[5]。據(jù)此，本文以GP1X陀螺全站儀為例對各誤差影響因素進行詳細分析和計算。

1.3 誤差分析

測定方向誤差主要有對中整平、方向值以及北方向確定誤差。

配置2''的GP1X陀螺全站儀，其定向誤差mL可按下式計算：

因人為因素引起的讀數(shù)誤差和儀器跟蹤測定瞄準造成誤差為逆轉點觀測誤差mU的主要方面，同時引入讀數(shù)誤差m0和跟蹤標準誤差mv，并結合相關文獻計算方法可得m0和mv誤差值分別為3''和4''，因此逆轉點誤差mU可按下式計算：

利用5個逆轉點讀數(shù)進行平均值計算，并且對于等精度觀測的陀螺北方向誤差mNO可按下式計算：

由于對中平整誤差m中=2.82''，綜合考慮上述各誤差對全站儀的作用影響，其測定方向誤差mh可按下式計算：

每進行一次定向測量都需要將全站儀與陀螺儀連接，并因此造成方向誤差，參考相關儀器和文獻實測數(shù)據(jù)，GP1X陀螺全站儀連接實際誤差mb為±2''。

陀螺擺動系統(tǒng)指向受到懸掛帶的阻礙限制，對于扭力影響可利用跟蹤方法進行有效避免，然而對于零位變動的影響主要還與陀螺溫度變化、力學性能、機械鎖緊與釋放、環(huán)境條件等相關。結合相關文獻和同等精度的JT15陀螺經(jīng)緯儀變動誤差，此項誤差 ma為±4''。

導流絲和懸掛帶變形、角動量變化以及中心位移等因素是引起靈敏帶動平衡變動誤差的主要因素。其擺動平衡位置最大為20''，而中誤差為±12''，所以可根據(jù)5個逆轉點觀測值對擺動中值進行計算，并取三個中值的平均值作為不穩(wěn)定平衡位置變動誤差，計算如下[7]：

由于外界振動、氣溫和風流等因素較為復雜，并對定向測量的影響難以準確確定，因此對外界條件影響m外可取±6''。

按照誤差傳播定律并結合上述誤差分析結果，可對陀螺方位角一次測定中的誤差mT進行求解和確定，計算公式如下：

依據(jù)GP1X全站儀方位角一次測定標稱誤差范圍20''和上述mT計算結果可知，該設計精度符合相關標準要求。

2 實例應用

某煤礦支導線隨著測站的增多和貫通測量范圍的加大，其累計誤差逐漸超過設計要求范圍，在實際生產應用中極易造成偏差。如果支導線偏差過大，不僅可造成物力、財力和人力的極大浪費，并嚴重影響施工計劃和工期，對礦井的生產和正常施工造成不利影響[8]。因此為準確貫通測量并確保誤差在規(guī)定范圍之內，對已經(jīng)施測的導線必須采用陀螺全站儀進行校核。陀螺全站儀精度分析及常數(shù)測定結果如表2所示，煤礦校核導線精度分析及測量結果如表3所示。

表2 陀螺定向儀器常數(shù)測定

表3 陀螺定向計算分析表

實際監(jiān)測結果顯示，陀螺方位角一次測定中誤差為±1.66''，由此說明該常數(shù)具有較高的精度與可靠性?？紤]到煤礦貫通測定過程中風流及其他因素的綜合作用對精度造成一定的影響，但精度仍符合相關要求。

結合陀螺定量測量結果可知，貫通測量邊差完全符合界限差值標準要求，進一步說明該陀螺全站儀在煤礦貫通測量中具有較為準確的測量精度與可靠性。貫通測量結果顯示，貫通精度在使用陀螺定量測量后的精度更高，貫通測量結果符合相關設計技術要求。

3 結論與建議

通過對陀螺全站儀主要參數(shù)指標、應用理論、誤差原因分析以及實際煤礦貫通測量應用研究分析，可得出的主要結論如下：

1）陀螺方位角在現(xiàn)場實測結果中，顯示器中誤差為±1.66''，完全符合儀器標稱精度為±20''的精度要求，GP1X陀螺全站儀在煤礦貫通測量工程中具有較高的應用價值和適用范圍。

2）在符合相關測量規(guī)程的條件下對儀器常數(shù)進行測定時，應盡量選取精度較高的已知邊線，并以此降低儀器常數(shù)測定誤差帶來的貫通測量結果誤差。

3）在溫度變化較大、大霧以及大風等外界條件下不宜進行陀螺測定工作。

4）全站儀在一般情況下由于其跟蹤行程教導造成陀螺定向跟蹤的不便利和重復測定，因此建議采用無限制摩擦制動全站儀。