礦井貫通測量精度改進的探討

張 博，劉長星*

（1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054）

煤炭資源在我國生產經濟中具有重要地位。隨著我國經濟發展腳步的加快，能源消耗逐年增加，使得煤礦事業向著更大、更深處發展；且隨著礦井機械設備的更新換代，每年巷道工程量在逐年增長[1]。礦山測量是礦山建設開采的基礎工作，而貫通測量則是整個礦山測量的重中之重。在煤礦井下巷道采掘中，巷道貫通是提高巷道建設效率的重要措施[2]。巷道貫通是指將多個工作面分段挖掘后再在礦井設計的位置進行連通。巷道貫通測量過程中進行的一系列測量稱為貫通測量[3]。貫通測量精度的高低將直接影響整個貫通工程質量的好壞，同時影響貫通工程的施工進度。為了確保穩定的礦山產能、減少礦山的建設時間，必須要確保貫通測量的高精度[4]。

傳統的井下貫通測量通常采用水準儀進行井下高程測量、經緯儀進行方位角的測定方法。隨著高精度儀器和全站儀的普及，全站儀在礦山測量中的應用越來越廣泛，使得井下利用全站儀三角高程測量代替水準測量成為常態。全站儀應用于井下貫通測量在一定程度上減輕了井下測量工作人員的測量負擔，加快了測量工作進度，有效提升了礦山貫通測量的精度。然而，由于井下復雜的測量環境和測量人員本身的測量經驗，仍不可避免地使整個貫通測量質量不達標。巷道貫通測量誤差將影響巷道施工以及后續測量工作的精度，因此減少誤差是保證礦井安全高效生產的必然要求[5]。本文通過對貫通測量方案設計進行分析，提出了影響巷道貫通測量的主要因素，并著重對人為因素造成的誤差進行了分析，提出了改進的測量方法，進而提高井下貫通測量的精度，保證井下測量和礦井建設的施工安全。

1 貫通測量精度的影響因素

1.1 控制點的精度因素

控制點本身造成的貫通測量誤差具體表現在；①由于絕大多數的井下控制點都布設在頂板上，大部分的煤礦巷道埋深較深，頂板受到壓力以及控制點周圍受到滲水的影響，將導致頂板發生形變、導線點位置發生偏移，進而產生測量誤差；②由于各種工程的需要，井底頂板會布設許多不同用途的導線點，這就導致在貫通測量控制點附近會出現疑似貫通控制點的其他點（有時會出現貫通控制點與其他導線點緊挨著的情況），若測量人員粗心大意以及導線點標注不明確，將導致井下測量人員誤用導線點，造成測量誤差[6]；③由于井底復雜的環境以及礦井建設人員施工等原因，導致布設的控制點受到破壞，進而影響整個貫通測量的精度[7]。

1.2 儀器的精度因素

隨著科技的進步，在礦井測量中使用的測量儀器的精度也越來越高，但無論精度多高的儀器，總存在儀器本身固有的誤差。儀器的精度即內符合精度，是相關實驗人員在實驗室通過實驗得到的結果，但在井下復雜的環境中，其精度是否可達到其內符合精度無法預料。測量人員在測量前未對儀器進行檢核而導致儀器出現的對中誤差、瞄準誤差[6]以及使用的全站儀與棱鏡和底座不匹配[7]等，這些因素都將造成貫通測量誤差，且隨著測量距離的增大，其誤差累積有可能超出規定的誤差值。

1.3 人為測量誤差因素

在井下貫通測量時，由于測量人員操作儀器不熟練、測量方法不正確、計算數據錯誤等原因[6]，將導致測量過程中出現偏差以及測量進度變慢。人為測量引起的誤差主要表現在；①測站、后視點和前視點的對中誤差；②儀器高與覘標高的量取誤差；③測距和測角誤差。這3種誤差也是井下測量時最主要的誤差來源，其與測量人員的專業素養和測量方式密切相關。

1.4 外界環境誤差因素

井下環境也是影響貫通測量精度的因素。在礦井巷道里，由于巷道風力、水霧、照明度以及開采車輛等影響，使得測量難度加大、測量精度出現浮動。例如，已開采的礦底為了降低井底巷道的灰塵會噴灑大量水霧，而這些水霧將影響全站儀測距時的精度；井底車輛引起的地面震動會使架設儀器的三腳架位置發生改變，進而加大儀器的對中誤差，使測量結果出現偏差。

本文主要針對人為測量因素引起的誤差進行分析，并提出適當的改正意見。

2 對人為測量因素引起誤差的改進措施

2.1 對中誤差

傳統意義上的對中就是利用儀器的上對中，即在底板的控制點上懸掛一個有一定質量的垂球，垂球自然下垂，再利用垂球底部中心對準儀器上中心進行對中。然而，由于礦井地下惡劣的環境，使得其對中比地面困難得多，易產生較大誤差。例如，礦井巷道的風力會使懸掛的垂球出現擺動，垂球不穩定將導致利用垂球進行的對中不準確，即使風力很小，自然下垂的垂球也會在重力作用下進行擺動，且其擺動的幅度與頻率極不規律。在這種條件下進行儀器對中，需要礦井測量人員用肉眼判斷垂球底部中心與儀器上中心是否一致，這就導致了誤差的產生，且誤差大小因人而異，嚴重時可直接導致測量成果超出限差。

為了提高井底導線的測量精度，測量時通常采用“三架法”，可在一定程度上降低人為對中所帶來的誤差[7]，但其要求前視點的架設特別仔細，若前視點的架設出現問題，將會導致后面兩個測站的精度出現偏差。同時，在測量過程中由于測站點和后視點無需進行對中操作，因此不能對對中誤差進行修正[8]。“三架法”雖在一定程度上減少了人為對中帶來的的誤差，但前視點儀器的對中精度還是依賴于測量工作人員架設儀器的水平。

本文提出的改進措施為；受電子全站儀對中方式的啟發，可在頂板控制點頂部安置一個能發射激光的裝置，測量對中時讓該裝置在控制點底部發射激光，照射在巷道底部，將激光中點對準儀器上的中心位置，實現全站儀上對中與下對中的結合。該裝置發射的激光不受井底巷道環境的影響，對中步驟與地面使用電子全站儀進行下對中基本一致，極大地減少了環境帶來的對中誤差，使井下測量的對中精度得到很大提升。

2.2 儀器高與覘標高的量取誤差

井下導線測量時，儀器高與覘標高的量取誤差對總誤差的影響也較大，特別是在短距離導線邊測量時，邊長越短，其誤差對總誤差的影響越大。在礦井測量時，井下測量人員一般采用5 m小鋼尺來量取控制點到儀器中心的距離（也可采用塔尺進行測量）。具體操作步驟為；準備一把小鋼尺和一個超過3 m可伸縮的長棍（一般使用棱鏡桿），利用膠帶將小鋼尺的一頭固定在棱鏡桿的上頭部位，測量高度時將棱鏡桿固定小鋼尺的一端頂在巷道頂板控制點的位置上，再將小鋼尺拉伸到儀器中心位置，通過讀取小鋼尺的讀數來確定儀器高與覘標高。

在實際測量操作中發現，量取儀器高和覘標高時，小鋼尺總不能垂直拉伸到儀器正中心位置，會出現一個角度差值。雖然當角度很小時，其差值引起的距離誤差可忽略不計；但《煤礦測量規范》要求在量取儀器高與覘標高時，需獨立量取兩次，兩次的互差不超過4 mm[9]，且在量取過程中，也需要測量人員目視儀器的正中心位置，這在無形中增大了儀器高的量取誤差。

本文提出的改進措施為；激光不僅可用來對中整平，也可用于測量距離，全站儀棱鏡距離測量就是利用激光測距原理。隨著科技的發展，測距儀的品牌越來越多，其儀器本身越來越小，精度越來越高（測距精度可達毫米級），價格也越來越低。以量取全站儀的高度為例，可將測距儀應用于井下貫通測量中，利用測距儀量取儀器高與覘標高。量取儀器高時，可將手持測距儀的底部緊貼頂板控制點，使測距儀的激光準確照射在儀器的上中心位置（此時的儀器已對中整平），通過測距儀讀取控制點到儀器上中心的距離d1，再利用小鋼尺丈量得到儀器正中心到儀器上中心的距離d2，此時儀器正中心到控制點的高度d=d1+d2。通過測距儀測量控制點到儀器正中心的距離，可避免使用鋼尺量距時的丈量誤差，在一定程度上提高了儀器高與覘標高的量取精度。

2.3 測距和測角誤差

貫通測量的傳統方法是利用經緯儀測角、水準儀測距和兩點間的高差[10]。隨著全站儀的普及和其精度的不斷提升，井下貫通測量時，全站儀已代替了經緯儀和水準儀[11]。全站儀應用于井下貫通測量，大大減輕了測量工作人員的負擔，使人力解放出來。在井下巷道利用全站儀進行貫通測量時，通過瞄準棱鏡正中心來確定導線邊的方位角、兩點間的距離和高差[12]。

測距和測角誤差的主要來源為；測量人員在瞄準棱鏡時，未將全站儀的十字正中心置于棱鏡的正中心，從而產生了瞄準誤差。測距和測角誤差主要表現在長距離的導線邊中，且距離越長、誤差超限的幾率越大。

在測距和測角時，由于井底照明度不足，測量人員無法準確確定棱鏡的正中心位置，這是導致瞄準誤差的主要原因，且在長距離導線邊測量時，瞄準誤差對總誤差的影響較大，易使兩個測回之間的水平角超過限差規定，因此準確瞄準棱鏡的正中心是提高貫通測量精度的關鍵。本文提出的改進措施為；考慮到井底照明度較弱，測量時一般通過礦燈來對前視后視進行照明，可對棱鏡進行改造，在棱鏡板左右和上方正中心位置各粘貼一段窄小的熒光紙，礦燈照射棱鏡時，全站儀可清晰地看到熒光紙，測量人員使用全站儀里面的十字來對準棱鏡板上的熒光紙，上下左右全部對齊，此時全站儀十字中心對準的就是棱鏡的正中心。

3 結 語

通過對煤礦巷道貫通測量方案設計的分析，針對煤礦巷道貫通測量的復雜性以及測量人員自身的測量素養，本文總結了井下貫通測量可能出現的誤差因素，并著重對人為因素造成的誤差進行了分析。根據巷道貫通測量的特點以及筆者的實踐情況，從測量方式和所用的儀器設備方面對人為因素導致的誤差提出了改進措施。通過實踐可知，改進措施能在很大程度上減少人為因素導致的測量誤差，提高巷道貫通測量的精度，減少測量人員因誤差超限而導致的重測時間，加快井下測量進度，為礦井安全的基礎建設提供一定的保證。隨著科學技術的發展，將出現更加先進的巷道貫通測量技術和儀器設備，進一步提高井下測量的精度。