全站仪后方交会测量法在复杂开采条件下的应用

冉 辉

(湖南省水口山有色金属集团公司铅锌矿， 湖南常宁市 421513)

0 前言

水口山铅锌矿是一座百年老矿，目前以残矿回采为主。由于残矿资源多为民国或解放初期遗留下来的边角余料，采区内井巷、空区及充填体交错分布，空间相对位置复杂，同时岩石风化破碎、巷道坍塌及冒顶片帮等地压现象严重。由于开采时间久远，老巷道内大量测量控制点腐蚀脱落，部分图纸、数据缺失，给老采区残矿回采及井巷施工的测量带来很大困难。必须进行测量坐标和高程的导入，才能摸清矿体、空区及充填体的相对空间位置关系，指导残矿回采。

404－20 m副层位于三中段与四中段夹层之间，开掘于民国时期，由于当时工艺落后、矿石品位相对较低而弃采。近年来随着矿石资源开发利用技术水平的提升，如今该矿体已具有开采价值。为探明该区域残矿资源状况，从404主平巷开掘一条高22 m的天井到达副层，再在副层掘进一条长36 m的探矿平巷(见图1)，使之与404w－2采场相通，形成人员及设备进出通道。由于副层井巷原有测量点破坏，需从404主平巷引坐标高程至20 m副层，指导工程施工。

传统的联系测量法利用仪器观测角度，钢尺丈量边长结合三角函数计算，进而求得坐标，其方法与原理见图2。其要完成联系三角形边长及钢丝或棉线高度的丈量，必须预先在天井顶部搭建一操作平台，此平台应搭制稳定牢固，还必须与投点系统完全脱离。传统方法测量过程复杂，数据较多，计算繁琐，且受外界条件影响较大，操作困难，作业时间长，并且不易控制精度。

图1 404－20 m副层探矿平巷设计图

图2 传统联系测量法原理

新方法充分运用全站仪的自动解算功能，同时引入悬挂棱镜，只需在井下利用全站仪观测角度，量取边长，井上部分则直接利用仪器对准悬挂棱镜测量。测量计算方面，新方法井下部分利用支导线计算原理求得棉线坐标，井上部分则用全站仪后方交会自动结算功能直接测出导入点坐标。

1 全站仪后方交会测量法及其应用

在待测点设站，向三个已知控制点观测两个水平夹角α、β，从而计算待测点的坐标，即为后方交会(见图3)。图中A、B、C为已知控制点，是新方法中三根棉线的坐标，P点为待测点，是坐标导入点。如果观测了PA和PC之间的夹角α，以及PB和PC之间的夹角β，这样P点同时位于△PAC和△PBC的两个外接圆上，必定是两个外接圆的两个交点之一。由于C点也是两个交点之一，则P点便唯一确认。后方交会的前提是待测点P不能位于由已知点A、B、C所决定的外接圆(称为危险园)的圆周上，否则P点将不能唯一确定，若接近危险圆(待定点P至危险圆圆周的距离小于危险圆半径的1/5)，则P点的可靠性将降低，在使用后方交会法时应尽量避免上述情况。

图3 后方交会法原理

1.1 吊 线

首先在人行天井顶板上悬吊3根棉线，为保证测量精度及满足测量要求，3根棉线应构成较好的三角形，棉线之间的相互距离应尽量大于0.5 m，且3根棉线与坐标导入点不能构成危险圆。在棉线悬挂过程中应避免与梯子、梯子平台、岩壁等接触。

1.2 井下棉线坐标点测量

利用404主平巷中的已知坐标高程的控制点A、C，在C处安置全站仪(见图4)，以控制点A为后视点观测并计算出仪器与3根棉线之间的方位角α1、α2、α3，用钢尺丈量出仪器与3根棉线之间的水平距离C1、C2、C3。在丈量距离时首先将全站仪水平角调到0°00'00″，然后对准3根棉线，在全站仪十字丝中心对到的棉线处插入铁钉作为全站仪与棉线水平的标志，然后用钢尺量取该距离，在量距时应至少丈量3次取平均值作为仪器与3根棉线之间的水平距离。观测结束后可现场采用支导线的原理，利用已知控制点A、C，仪器与棉线的方位角及水平距离计算出1，2，3三根棉线的坐标。为保证棉线坐标的准确性，测角、量距、计算需要进行3次以上，然后取计算结果的平均值作为3根棉线的坐标，此棉线坐标也是3根棉线悬挂点的坐标。

1.3 导入点坐标测量

在井上副层中主要利用后方交会法原理，利用求得的棉线悬挂点的坐标作为后方交会测量的3个已知控制点来求出未知点的坐标。其方法与测量过程如下:

在404－20 m副层的天井两端巷道的顶板上各做一个导线点作为404平巷中的坐标高程导入点，如图3中的a，b点。此时可以将天井顶板上的3根棉线拆掉，换成悬挂式棱镜。首先调节小棱镜至水平状态，待悬挂棱镜花杆稳定不摆动后，在a点架设全站仪，b点架设棱镜，两端仪器对中整平后打开全站仪，进入后方交会测量界面，将3根棉线点的坐标输入全站仪并照准3个棱镜中心，利用全站仪后方交会功能直接测出a点的坐标。然后全站仪照准b点棱镜，测量并计算出b点坐标，完成a、b两点坐标导入。同样，为保证测量精度，此过程应至少操作3次以上，取数据的平均值作为最终结果。

图4 全站仪后方交会测量法

1.4 高程导入

高程导入的方式与传统方法一致(见图5)，此过程需要在拆除棉线前完成。

图5 全站仪后方交会测量法高程导入

1.5 测量精度

全站仪后方交会测量本身精度是比较高的，但在设置坐标导入点时要注意导入点与棉线之间的夹角，为保证精度，其夹角一般控制在30°～120°。使用该方法进行联系测量，一般可达±5 mm精度。实践证明用2 s、2+2 ppm级的全站仪，放样距离在150 m之内，其放样点位中误差可保证在±3 mm。

2 特点述评

利用全站仪后方交会测量法进行联系测量，其主要特点如下:

(1)计算过程简单快捷且计算量小。传统方法由于井上、井下部分需要仪器测量及人工丈量的夹角、线距、边长较多，导致数据多、计算量大。使用全站仪后方交会法，只需仪器测量及人工丈量井下部分的夹角和边长，而且可以用支导线的方式直接算出3根棉线的坐标，其计算过程简单快捷;井上部分导入点的坐标则无需计算，可利用仪器本身功能直接测出。

(2)操作过程简单。相比较于传统方法，井上部分利用悬挂式棱镜代替棉线垂球后无需使用仪器及人工丈量夹角、线距及边长。只需使用全站仪照准悬挂棱镜，利用全站仪的后方交会功能可直接测出导入点的坐标，其过程与原理简单可靠，使测量过程操作量减少，劳动强度降低。

(3)提高测量精度。由于悬挂棱镜的细花杆长度短，且是硬质金属，利用悬挂棱镜代替棉线可明显减小摆动幅度和避免旋转，从而提高测量精度。同时由于省去了人工丈量边长和线距的环节，降低了人为因素造成的测量误差，使得测量数据更加精确。

3 结语

由于联系测量施工现场条件苛刻，劳动强度与作业难度较大，复杂的操作和繁琐的计算极易造成测量仪器及测量数据的偏差。利用全站仪后方交会测量法进行联系测量，具有操作方便，计算简单且精度高的特点，相比较于传统联系测量方法具有显著优势，可以满足水口山铅锌矿残矿测量的要求，在井下残矿回采中，尤其是在副层采场、巷道等复杂的开采条件下可以得到很好应用。

另外对于矿井中段、副层开拓等矿建工程，盲竖井、天溜井、风井等井巷工程施工结束后的坐标高程导入以及坐标检核校正都可应用该方法。

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