礦山井下全站儀導線測量對中方法淺談

崔團團 高永濤 賈周云

陜西能源職業技術學院建筑與測繪工程學院

1 引言

對于礦山井下測量目前所使用的主要方法是導線測量。但導線測量在礦山井下的測量方式有兩個關鍵問題：儀器對中困難和懸掛垂球不穩定，這兩個問題直未能解決。對于儀器對中目前有全站儀對中和覘標對中，儀器對中誤差是水平角觀測的主要誤差來源，特別是短邊導線測角，對中誤差即使達到±1mm，兩條邊都為20m的測角誤差高達±20mm[1]；對于懸掛垂球線不穩定，這給瞄準帶來了困難，增加了瞄準誤差和觀測時間。本文主要考慮導線測量時這兩個關鍵問題，采用激光鉛垂儀將礦井巷道頂板布置的導線點傳遞到巷道底板，方便導線測量地對中和測站設置速度，并針對某礦井巷道實際測量結果（分使用懸掛垂球和使用激光鉛垂儀）進行比對分析，提出激光鉛垂儀可以作為井下導線測量儀器對中的一種有效輔助設備。

2 井下常用全站儀導線測量方法探究

2.1 井下導線測量

礦山井下最常用的測量形式是全站儀測角測距導線測量，即通過測量各導線點水平角、垂直角和距離，并量取儀器高和覘標高，然后再進行導線的內業平差計算，以此來確定各導線點的坐標。根據礦山測量規范要求，全站儀導線方法所測量的水平角、垂直角和距離至少需要一個測回，從而使每個觀測量之間都有相應地自我檢核，內業平差計算得到各導線點坐標，它們的精度也會有較大提高。特別是在短距離導線測量時，我們對于測量水平角可以進行上、下半測回或多個測回取平均值的測量方式，可有效地減小短距離測量時水平角測量所帶來的誤差影響[2]。

2.2 井下導線測量出現的具體問題

導線點位置在礦山井下巷道這樣的環境下，一般為了減少行人和車輛的破壞，都會將導線點設置在穩定的頂板巖石上。但是這樣的設置方法有不足之處，一是頂板較高，造成對中困難，每次進行儀器、覘標設置時，都是采用懸掛垂球的方法完成儀器地對中，測量過程中為了減小對中誤差對結果的影響，一般只能增加對中次數[3]；二是儀器對中精確度不高從而對測角影響較大。那么如何及準確又快速地安置好儀器，這是礦山井下導線測量工作的效率和精度保證。市面上的全站儀、半站儀、經緯儀多數都是儀器下對中整平，因此本文研究將頂板導線點傳遞到巷道底板，這樣就可以大大提高工作效率和精度，又能符合大多數儀器操作，下面介紹此方法的具體實施和實驗結果分析。

3 井下激光鉛垂儀輔助全站儀導線測量的方法

激光鉛垂儀是一種專用的鉛直定位儀器。多適用于高層建筑物、煙囪及高塔架的鉛直定位測量[4]。激光鉛垂儀輔助全站儀對中投測方法如下。

（1）在頂板導線點下安置激光鉛垂儀，并利用激光鉛垂儀頂端所發射的激光束進行點下對中，通過調節三腳架基座整平螺旋，使圓水準氣泡和管水準器氣泡嚴格居中。

（2）在巷道底板上放置接受靶。

（3）打開激光器底端激光電源，激光鉛垂儀發射鉛直激光束，通過發射望遠鏡螺旋調焦，使激光束會聚成紅色光斑，投射到接受靶上。

（4）移動接受靶，使靶心與紅色光斑重合，然后進行固定接受靶，此時，靶心位置即為頂板導線點投測到地面位置的投測點。

按照以上方法將儀器進行對中整平安置好之后，我們就可以開始進行礦山井下導線測量了。在井下測量角度的方法和地面上測量角度的方法是一樣的，多采用測回法。

測回法的測量步驟如下：①全站儀在盤左狀態下瞄準后視棱鏡，水平度盤置零，按順時針方向旋轉儀器，照準部瞄準前視棱鏡并讀數；②將全站儀置于盤右狀態下，先照準前視棱鏡并進行讀數，然后按順時針方向旋轉儀器，照準部瞄準后視棱鏡并進行讀數。將兩個半測回所得角度進行求平均值，以此作為最終測得的角度值。

測量了水平角度之后，我們還需要兩點之間距離的測量數據，兩點之間距離的測量，我們使用全站儀的測距功能，會很快計算出兩點之間的斜距和平距[5]。

井下導線測量外業完成后，需進行內業平差計算，內業平差計算是根據外業導線測量所測得的數據：水平角和距離，計算出導線各邊的方位角和各導線點的平面坐標。整個內業平差計算按照以下順序進行：

（1）檢查整理外業記錄。在井下進行導線測量過程時，都必須對所測得的數據按照規范要求進行檢核，不符合要求時必須進行重新觀測，直到滿足規范要求為止。外業記錄本經檢查無誤后，準備開始內業平差計算的工作[6]。

（2）角度閉合差限差。礦山井下導線測量的布設形式如果為單一地附合導線和閉合導線，可直接采用簡易的近似平差方法。如果各單一導線組成了導線網，則應進行導線網平差。礦山井下導線測量計算出來的坐標方位角閉合差限差見表1[7]。

表1 井下導線測量坐標方位角閉合差限差

4 激光鉛錘儀輔助全站儀導線測量應用

圖1 部分采掘區平面圖

圖1 為某礦業股份有限公司401 采掘布置平面圖。該煤礦煤層埋藏較深，整個區域可采的厚～巨厚煤層，埋深390m～620m，厚度3.70m～26.02m，平均16.13m。煤層厚度總體東北部區域煤層較厚，由中東部向南、向西逐漸變薄，變化規律明顯[8]。本次實驗我們在不影響煤礦生產進度的前提下，導線測量實驗選取在中央二號輔運大巷，布置附合導線，從FY1、FY2、FY3 已知高精度控制點開始，測求FY16、FY17、FY18 三個導線點的坐標，全程共總長度1800m。導線測量過程中分別進行激光鉛錘儀輔助儀器對中整平和垂球對中整平進行礦山井下測量，兩種方案完成全站儀導線測量的定向和測量，統計兩種方法所用的時間和內業數據處理的精度，并對其進行對比分析。

按照上述方法分激光鉛錘儀輔助儀器對中整平和垂球對中整平的導線測量，兩種方式所測量的結果與實際結果進行比較，其結果比較如表2。

表2 井下導線測量結果

從上表中可看出，本次實驗礦山井下全站儀導線測量所使用激光鉛垂儀進行對中整平的方法，其導線測量的結果比垂球對中整平進行的導線測量結果整體精度較高，具體的表現在X坐標上數值相差較大，Y坐標數值上相差較小，從數據和實際外業環境來看是由于在X坐標方向垂球對中整平過程中受井下通風方向影響較大，其垂球擺動沿著風向擺動所造成的；另外速度方面激光鉛垂儀方法其速度比垂球對中整平方法每測站節省2min～3min。以上結果說明本次實驗提出的使用激光鉛垂儀對中整平方法進行的導線測量是一種提高導線測量精度的有效方法。

5 結語

全站儀導線測量是礦山井下測量最常用的方法之一，其布點方式靈活方便，精度可控性強。從以上對于全站儀對中整平的方法研究來看，使用激光鉛垂儀對中整平方法進行的導線測量結果比垂球對中整平進行的導線測量結果精度高，可以作為礦山井下導線測量精度提高的一種有效方法。但對于井下風力較小的巷道使用垂球對中要比使用激光鉛垂儀對中整平方法進行的導線測量速度要快。