矿山井下全站仪导线测量对中方法浅谈

崔团团 高永涛 贾周云

陕西能源职业技术学院建筑与测绘工程学院

1 引言

对于矿山井下测量目前所使用的主要方法是导线测量。但导线测量在矿山井下的测量方式有两个关键问题：仪器对中困难和悬挂垂球不稳定，这两个问题直未能解决。对于仪器对中目前有全站仪对中和觇标对中，仪器对中误差是水平角观测的主要误差来源，特别是短边导线测角，对中误差即使达到±1mm，两条边都为20m的测角误差高达±20mm[1]；对于悬挂垂球线不稳定，这给瞄准带来了困难，增加了瞄准误差和观测时间。本文主要考虑导线测量时这两个关键问题，采用激光铅垂仪将矿井巷道顶板布置的导线点传递到巷道底板，方便导线测量地对中和测站设置速度，并针对某矿井巷道实际测量结果（分使用悬挂垂球和使用激光铅垂仪）进行比对分析，提出激光铅垂仪可以作为井下导线测量仪器对中的一种有效辅助设备。

2 井下常用全站仪导线测量方法探究

2.1 井下导线测量

矿山井下最常用的测量形式是全站仪测角测距导线测量，即通过测量各导线点水平角、垂直角和距离，并量取仪器高和觇标高，然后再进行导线的内业平差计算，以此来确定各导线点的坐标。根据矿山测量规范要求，全站仪导线方法所测量的水平角、垂直角和距离至少需要一个测回，从而使每个观测量之间都有相应地自我检核，内业平差计算得到各导线点坐标，它们的精度也会有较大提高。特别是在短距离导线测量时，我们对于测量水平角可以进行上、下半测回或多个测回取平均值的测量方式，可有效地减小短距离测量时水平角测量所带来的误差影响[2]。

2.2 井下导线测量出现的具体问题

导线点位置在矿山井下巷道这样的环境下，一般为了减少行人和车辆的破坏，都会将导线点设置在稳定的顶板岩石上。但是这样的设置方法有不足之处，一是顶板较高，造成对中困难，每次进行仪器、觇标设置时，都是采用悬挂垂球的方法完成仪器地对中，测量过程中为了减小对中误差对结果的影响，一般只能增加对中次数[3]；二是仪器对中精确度不高从而对测角影响较大。那么如何及准确又快速地安置好仪器，这是矿山井下导线测量工作的效率和精度保证。市面上的全站仪、半站仪、经纬仪多数都是仪器下对中整平，因此本文研究将顶板导线点传递到巷道底板，这样就可以大大提高工作效率和精度，又能符合大多数仪器操作，下面介绍此方法的具体实施和实验结果分析。

3 井下激光铅垂仪辅助全站仪导线测量的方法

激光铅垂仪是一种专用的铅直定位仪器。多适用于高层建筑物、烟囱及高塔架的铅直定位测量[4]。激光铅垂仪辅助全站仪对中投测方法如下。

（1）在顶板导线点下安置激光铅垂仪，并利用激光铅垂仪顶端所发射的激光束进行点下对中，通过调节三脚架基座整平螺旋，使圆水准气泡和管水准器气泡严格居中。

（2）在巷道底板上放置接受靶。

（3）打开激光器底端激光电源，激光铅垂仪发射铅直激光束，通过发射望远镜螺旋调焦，使激光束会聚成红色光斑，投射到接受靶上。

（4）移动接受靶，使靶心与红色光斑重合，然后进行固定接受靶，此时，靶心位置即为顶板导线点投测到地面位置的投测点。

按照以上方法将仪器进行对中整平安置好之后，我们就可以开始进行矿山井下导线测量了。在井下测量角度的方法和地面上测量角度的方法是一样的，多采用测回法。

测回法的测量步骤如下：①全站仪在盘左状态下瞄准后视棱镜，水平度盘置零，按顺时针方向旋转仪器，照准部瞄准前视棱镜并读数；②将全站仪置于盘右状态下，先照准前视棱镜并进行读数，然后按顺时针方向旋转仪器，照准部瞄准后视棱镜并进行读数。将两个半测回所得角度进行求平均值，以此作为最终测得的角度值。

测量了水平角度之后，我们还需要两点之间距离的测量数据，两点之间距离的测量，我们使用全站仪的测距功能，会很快计算出两点之间的斜距和平距[5]。

井下导线测量外业完成后，需进行内业平差计算，内业平差计算是根据外业导线测量所测得的数据：水平角和距离，计算出导线各边的方位角和各导线点的平面坐标。整个内业平差计算按照以下顺序进行：

（1）检查整理外业记录。在井下进行导线测量过程时，都必须对所测得的数据按照规范要求进行检核，不符合要求时必须进行重新观测，直到满足规范要求为止。外业记录本经检查无误后，准备开始内业平差计算的工作[6]。

（2）角度闭合差限差。矿山井下导线测量的布设形式如果为单一地附合导线和闭合导线，可直接采用简易的近似平差方法。如果各单一导线组成了导线网，则应进行导线网平差。矿山井下导线测量计算出来的坐标方位角闭合差限差见表1[7]。

表1 井下导线测量坐标方位角闭合差限差

4 激光铅锤仪辅助全站仪导线测量应用

图1 部分采掘区平面图

图1 为某矿业股份有限公司401 采掘布置平面图。该煤矿煤层埋藏较深，整个区域可采的厚～巨厚煤层，埋深390m～620m，厚度3.70m～26.02m，平均16.13m。煤层厚度总体东北部区域煤层较厚，由中东部向南、向西逐渐变薄，变化规律明显[8]。本次实验我们在不影响煤矿生产进度的前提下，导线测量实验选取在中央二号辅运大巷，布置附合导线，从FY1、FY2、FY3 已知高精度控制点开始，测求FY16、FY17、FY18 三个导线点的坐标，全程共总长度1800m。导线测量过程中分别进行激光铅锤仪辅助仪器对中整平和垂球对中整平进行矿山井下测量，两种方案完成全站仪导线测量的定向和测量，统计两种方法所用的时间和内业数据处理的精度，并对其进行对比分析。

按照上述方法分激光铅锤仪辅助仪器对中整平和垂球对中整平的导线测量，两种方式所测量的结果与实际结果进行比较，其结果比较如表2。

表2 井下导线测量结果

从上表中可看出，本次实验矿山井下全站仪导线测量所使用激光铅垂仪进行对中整平的方法，其导线测量的结果比垂球对中整平进行的导线测量结果整体精度较高，具体的表现在X坐标上数值相差较大，Y坐标数值上相差较小，从数据和实际外业环境来看是由于在X坐标方向垂球对中整平过程中受井下通风方向影响较大，其垂球摆动沿着风向摆动所造成的；另外速度方面激光铅垂仪方法其速度比垂球对中整平方法每测站节省2min～3min。以上结果说明本次实验提出的使用激光铅垂仪对中整平方法进行的导线测量是一种提高导线测量精度的有效方法。

5 结语

全站仪导线测量是矿山井下测量最常用的方法之一，其布点方式灵活方便，精度可控性强。从以上对于全站仪对中整平的方法研究来看，使用激光铅垂仪对中整平方法进行的导线测量结果比垂球对中整平进行的导线测量结果精度高，可以作为矿山井下导线测量精度提高的一种有效方法。但对于井下风力较小的巷道使用垂球对中要比使用激光铅垂仪对中整平方法进行的导线测量速度要快。