井下三角高程代替水准测量的可行性①

姜永涛,王丽美,谢峰震,蔡文惠

(新疆工业高等专科学校,新疆乌鲁木齐830000)

0 引 言

矿山测量井下控制测量中,平面控制一般采用导线测量,高程控制一般采用水准测量。伴随着科技的发展,全站仪的产生及其测距、测角精度的提高,使得利用井下三角高程测量代替常规水准测量做高程控制成为可能。通过对井下三角高程测量的精度分析,结合工程实例,说明了井下三角高程测量可以替代水准测量,为井下测量外业工作提供了依据。

矿山生产过程中,在满足测量精度的前提下,如何能够在最短的时间内准确、及时、快速地完成各项测量工作,尽可能减少测量外业工作对生产的影响和测量人员的劳动强度,是具有现实意义的[1]。

1 井下三角高程测量精度分析

三角高程测量是根据由测站向照准点所观测的高度角和两点间的斜距,运用三角公式计算两点间的高差,地面上进行三角高程测量因受到大气折光和地球曲率[2]的影响,国内外学者对这方面影响也作了很多研究,并论证了精密三角高程测量可以代替一、二等水准观测的可行性[3-4]。

在井下高程控制测量中,由于井下巷道通风和无明显热源,使得巷道大气平稳,密度均匀,大气折光对三角高程测量的影响很小可以忽略不计。此外,矿山井下高程测量一般不用考虑地球曲率的影响,再者利用三角高程往返测量也可以消除地球曲率影响,所以井下三角高程测量也可以不考虑地球曲率的影响。矿山井下三角高程测量如图 1所示[5]:

图1 三角高程示意图

式中:S为A、B两点间的斜距;hAB为A、B两点间的高差;α为竖直角;i为仪器高,v为目标高。

根据误差传播定律,AB之间的高差中误差为

以Nikon DTM-532C全站仪为例对井下三角高程测量的精度进行分析[6]:

全站仪的测量精度为:2″,±2 mm+2 ppm,测程3600 m.

井下导线边长为500 m时,仪器测距精度mS=±3 mm,采用三联架法观测,一测回对一条边上的三角高程测量进行四次,根据误差传播定律,测距精度可看作±1.5 mm.

仪器竖直测角精度为mα=±2″,采用三联架法,一测回对一条边上的竖直角测量进行四次,根据误差传播定律,测角精度可看作±1″。

在井下量测仪器高和觇标高时,通过采用经过检定的条形硬钢尺和各方向量取仪器高和目标高[2]可使得mi=±0.5 mm.

平巷的坡度一般为0～5°,斜巷坡度10～30°,利用三联架法一个测回往测的精度计算如表1和表2所示:

表1 平巷三角高程精度表/mm

表2 斜巷三角高程精度表/mm

在实际井下控制测量中,一般要求为一测站上两测回,并实施往返测,由表可以得出:

平巷三角高程误差每公里高差中误差最大为

由公式(3)可以看出,平巷三角高程的精度达到了井下高程控制四等水准测量的精度要求:每公里高差限差±10 mm.

斜巷三角高程误差每公里高差中误差最大为

由以上分析可知,利用测量精度2",±2 mm+2 ppm的全站仪实施井下导线控制,进行的三角高程测量精度完全可以满足井下四等水准测量的精度要求。

2 三角高程测量矿山工程应用实例

矿山测量工程实例中,常用“三连架”或“四连架”法。此类方法[7]的优点是可以提高井下测量速度、减少仪器对中误差、同一站仪器高和觇标高之间相差常数等,因此,在矿山井下控制测量中被广泛应用。根据笔者在矿山测量实践中的经验,应用该方法需注意以下几个方面:

1)工程施工前应进行全站仪检验校正;

2)仪器基座型号应与棱镜基座型号一致、标准;

3)检校仪器和棱镜的上对中器。

本节以一个大型贯通项目和一个小型矿山的两井联系测量项目来说明井下三角高程测量的精度。

2.1 某大型煤矿贯通实例

贯通示意图如图2所示。

图2 某大型煤矿贯通示意图

图中:贯通巷道为西六回风下山,长1.8 km;水平大巷(图中粗线)有-400、-650、-800总长6.3 km,分别采用了四等水准观测和三角高程测量;所有下山均采用三角高程测量。该工程于2009年3月顺利、高精度贯通,该贯通实测贯通误差:平面±0.025 m;高程±0.100 m.

对贯通工作中的高程测量分析得出:贯通总距离13 km,高程控制测量方面有6.3 km水准测量,6.8 km三角高程测量,贯通误差为0.100 m,达到了井下贯通设计的高程精度要求。

-400、-650、-800水平大巷的水准观测结果和三角高程互差如下表:

表3 水平大巷的水准观测结果和三角高程互差

由表3可知:

1)水平巷道的水准观测结果和三角高程结果基本一致,互差很小;

2)只利用井下三角高程测量也可以满足贯通的垂直精度要求。

2.2 某小型煤矿井下控制实例

图3 小型煤矿井下控制示意图

某小型煤矿井下控制如下图所示:图中粗线部分为地面导线,点号为J3、JE、Y78、Z1、T4、T5;图中细线为井下导线,点号为1～29。整个导线采用三联架法施测,其中井下导线长1.5 km,地面导线长0.7 km,采用三角高程测量实施井下高程控制,高差闭合差为4.2 cm,精度较高,达到了矿方要求。

3 结 论

通过理论分析和实例验证了井下三角高程测量的精度,论证了井下三角高程测量可以替代四等水准测量实施井下高程控制。采用适当的方法和措施,可以利用导线测量做平面和高程控制,这大大减少了井下测量的外业工作量和井下测量耽误生产的时间,提高了工作效率,对矿山测量有指导意义和实际价值。

[1] 孙 鑫.全站仪在井下三角高程测量中的应用[J].采矿技术,2006.6(1):118-119.

[2] 张 勇,王 波.全站仪三角高程新方法及精度估算[J].测绘工程,2007,16(6):46-48.

[3] 张正禄,邓 勇,罗长林,等.精密三角高程代替一等水准测量的研究[J].武汉大学学报◦信息科学版,2006,31(1):5-8.

[4] 周水渠.精密三角高程测量代替二等水准测量的尝试[J].测绘信息与工程,1999(3):25-29.

[5] 翟 翊,侯钦涛.三角高程测量计算公式的讨论[J].测绘通报,2004,(3):11-12.

[6] 李芹芳.测绘工程基础[M].人民交通出版社,2007.

[7] 李志超,张伟东.应用全站仪进行三角高程测量的新方法[J].水利科技与经济,2009,15(3):206.