全站仪导线测量精度方案设计与应用研究

杨慧艳

(山西潞安化工集团 漳村煤矿，山西 长治 046032)

由于井下开采环境较差，视野不开阔，在进行井下测量时，风流等影响测量仪器精度，经常出现控制测量单一、测量精度较低等问题[1-2]。漳村煤矿在使用全站仪测量时，要求在巷道掘进大于1 000 m时其测量水平精度小于±0.3 m，高程精度小于±0.2 m，以保证巷道的稳定性。因此，进行全站仪测量时，要首先预估测量造成的误差，然后根据现场实际情况设计导线测量技术方案。

1 地质概况

漳村煤矿经资源整合后，生产规模为45万t/a，井田面积为8.662 3 km2，开采深度为+1 283～1 100 m，主要开采二叠系3号煤层，煤层厚度为0～2.94 m，平均厚度1.24 m，主斜井的倾角为30°，斜长为450 m，井筒净断面积为10.1 m2，副斜井的倾角为30°，斜长为403 m，井筒净断面积为5.36 m2，采用短壁式采煤方法开采，采用中央并列式通风方式通风[3]。

漳村煤矿3号煤层3106工作面的辅助运输巷道目前已经完全贯通，切眼布设完毕，但3107工作面的主运输巷道没有与切眼完全贯通，为了实现安全开采，预计在贯通相遇点，即距离切眼80 m处实现贯通，在工作面上共布设导线6 874 m，设计29个导线点，平均长238 m，贯通巷道结构如图1所示。

2 测量误差分析

2.1 全站仪的仪器误差

由于仪器错位或不及时检校造成的仪器误差[4]，主要有：①视准轴与仪器横轴不垂直产生的误视准轴误差;②仪器横轴与竖轴不垂直产生的横轴误差;③仪器自身不垂直产生的竖轴误差，如果竖角越大，则误差越大。

图1 贯通巷道结构图

2.2 全站仪对中误差

由于井下点位与站点中心不在同一垂线上造成的对中误差，实际测量角度误差与测量点位置和仪器对中位置的偏心距成正比，与测边长度成反比，偏心距越大，长度越小，对测量角度的误差就越大[5]。

2.3 测距误差

由于全站仪中心点到反射点之间存在测距误差，主要有固定误差、比例误差和周期误差。

2.4 外界环境条件

由于井下的环境复杂，湿度、粉尘、照明度等都会给测量角度带来一定的误差[6]。但井下的条件不受季节和天气变化的影响，相对比较稳定，因此，在测角时间内认为外界环境是基本稳定的，故不考虑。

3 测量方案设计

为了确保3107主运输巷道完全贯通，在贯通前选择合适的测量方案，由于工作面存在贯通路线长、精度要求高等问题，根据实际情况，确定贯通测量方案为：

1) 在测量过程中，使用全站仪三脚架测量法进行±7"控制导线测量[7]。

2) 采用加测陀螺定向边，以陀螺定向边为坚强边对导线进行误差分析。

3) 在高程测量中，采用三角高程代四等水准测量法，结合全站仪三脚架测量法，以提高测量精度，实现巷道的精准贯通。

3.1 规划全站仪测量路径

采用全站仪坐标测量方法时，由于导线点能准确地反映巷道的掘进情况，测量支导线的最弱点也是测量终点，由于边长误差造成横向贯通中误差。因此，通过计算的方式来减小误差，根据误差传播定律[8]，导线的测量角和测量边之间既是相互独立的，又是相互联系的，则横向贯通中误差m为：

(1)

式中：mβ为测量角的中误差，ml为测量边的相对中误差，mα为方位角中误差。

(2)

得到导线测量的总误差为：

(3)

根据全站仪导线测量仪器精度，确定测量角中误差以及测量边精度，当计算的总误差小于允许误差时，可进行测量作业，当计算的总误差大于允许误差时，重新计算并调整全站仪及测量路线，直到满足精度要求为止。对矿山静态GPS测量时，按照GPS矿山测量的规程进行，在近井点进入高程时，进行闭合测量。

3.2 提高陀螺边方位精度

高程测量作业会影响巷道竖向贯通中误差，根据三角高程测量误差来确定高程控制测量的等级，根据公式(4)计算结果选择相应的等级[9]。在进行单边定向时，选择已知边为近井网中方位角误差较小且距离定向边东西距离较近的边作为陀螺测定边，为了提高贯通精度，在贯通面两个掘进方向上加测陀螺边。

(4)

式中:V为测量段往返高差不符值；R为测量段的长度，km；n为测量段数量。

在进行高程控制测量作业时，首先查找最大的往返高差数值，从而选择相应的高程测量等级，为了确保测量精度要求，根据实际情况选择测量方法，做好定向标定，确保钢丝是竖直向下的，减少来回摆动，防止出现定导偏差，在定导钢丝下放铁丝环，确保钢丝不会出现弯曲。在定向后，采用多次观测求平均值的方法，提高陀螺边的方位精度。

3.3 使用偏心测量仪降低偏心差

在进行测量作业时，在使用全站仪的基础上结合使用偏心测量仪，偏心测量仪由刻度盘和角度尺组成，在全站仪手柄上安装偏心测量仪，用来检测被测对象的偏心差[10]。将全站仪放在某一已知点，照准另一已知点进行定向，将偏心点设在待测点的左侧，使其到全站仪的距离与待测点到全站仪的距离相等，然后对偏心点进行测量，照准待测点的方向，仪器会自动计算并显示待测点的坐标。在使用全站仪测量时，不需要进行对中操作，这样可以大大减少测量时间，提高测量效率，降低对中误差对测量精度造成的影响。

4 应用分析

为了分析测量精度，降低计算方法对测量结果的影响，在3107工作面上进行全站仪测量，测量时以主运输巷道的起始点作为坐标原点，与主运输巷道垂直的为X轴，主运输巷道方向为Y轴，采用加测陀螺边进行测量，固有贯通测量误差为±7"，巷道贯通测量坐标系如图2所示。

图2 巷道贯通测量坐标系

在测量过程中，由于导线测量存在一定误差，坐标原点在Y轴方向上的计算误差为：

(5)

式中：γy1为测量角误差引起的Y轴上的计算误差，m；γ1为固有贯通误差；Pyi为测量导线重心连接方向上的投影长度；θ为测量过程中角度与弧度的转换系数，一般为1.2。

坐标原点在X轴方向上的计算误差为：

(6)

式中：γx1为测量角误差引起的X轴上的计算误差，m。

综上，得到全站仪测量中实际测量误差为：

(7)

通过计算可以看出，使用全站仪测量的精度为±0.117 m，小于测量误差±0.15 m。根据井下的实际测量可知，在3107工作面主运巷，相遇点在重要方向X轴上最大点误差为0.085 m，在高程方向上最大误差为0.105 m，总体精度能够满足生产需求。同时，使用全站仪和偏心测量仪，测量时间缩短了27.5%，提高了掘进效率，确保了巷道完全贯通。

5 结 语

1) 通过规划测量路径解决测量中出现的横向贯通中误差，分析计算解决高程测量中出现的竖向贯通中误差，采用偏心测量仪与全站仪相结合，提高测量精度，降低测量时偏心差产生的影响。

2) 在实际应用中，3107工作面主运巷，相遇点在重要方向X轴上最大点误差为0.085 m，小于允许误差±0.3 m，在高程方向上最大误差为0.105 m，小于允许误差±0.2 m，总体精度满足生产需求。