全站儀導線測量精度方案設計與應用研究

楊慧艷

(山西潞安化工集團 漳村煤礦，山西 長治 046032)

由于井下開采環境較差，視野不開闊，在進行井下測量時，風流等影響測量儀器精度，經常出現控制測量單一、測量精度較低等問題[1-2]。漳村煤礦在使用全站儀測量時，要求在巷道掘進大于1 000 m時其測量水平精度小于±0.3 m，高程精度小于±0.2 m，以保證巷道的穩定性。因此，進行全站儀測量時，要首先預估測量造成的誤差，然后根據現場實際情況設計導線測量技術方案。

1 地質概況

漳村煤礦經資源整合后，生產規模為45萬t/a，井田面積為8.662 3 km2，開采深度為+1 283～1 100 m，主要開采二疊系3號煤層，煤層厚度為0～2.94 m，平均厚度1.24 m，主斜井的傾角為30°，斜長為450 m，井筒凈斷面積為10.1 m2，副斜井的傾角為30°，斜長為403 m，井筒凈斷面積為5.36 m2，采用短壁式采煤方法開采，采用中央并列式通風方式通風[3]。

漳村煤礦3號煤層3106工作面的輔助運輸巷道目前已經完全貫通，切眼布設完畢，但3107工作面的主運輸巷道沒有與切眼完全貫通，為了實現安全開采，預計在貫通相遇點，即距離切眼80 m處實現貫通，在工作面上共布設導線6 874 m，設計29個導線點，平均長238 m，貫通巷道結構如圖1所示。

2 測量誤差分析

2.1 全站儀的儀器誤差

由于儀器錯位或不及時檢校造成的儀器誤差[4]，主要有：①視準軸與儀器橫軸不垂直產生的誤視準軸誤差;②儀器橫軸與豎軸不垂直產生的橫軸誤差;③儀器自身不垂直產生的豎軸誤差，如果豎角越大，則誤差越大。

圖1 貫通巷道結構圖

2.2 全站儀對中誤差

由于井下點位與站點中心不在同一垂線上造成的對中誤差，實際測量角度誤差與測量點位置和儀器對中位置的偏心距成正比，與測邊長度成反比，偏心距越大，長度越小，對測量角度的誤差就越大[5]。

2.3 測距誤差

由于全站儀中心點到反射點之間存在測距誤差，主要有固定誤差、比例誤差和周期誤差。

2.4 外界環境條件

由于井下的環境復雜，濕度、粉塵、照明度等都會給測量角度帶來一定的誤差[6]。但井下的條件不受季節和天氣變化的影響，相對比較穩定，因此，在測角時間內認為外界環境是基本穩定的，故不考慮。

3 測量方案設計

為了確保3107主運輸巷道完全貫通，在貫通前選擇合適的測量方案，由于工作面存在貫通路線長、精度要求高等問題，根據實際情況，確定貫通測量方案為：

1) 在測量過程中，使用全站儀三腳架測量法進行±7"控制導線測量[7]。

2) 采用加測陀螺定向邊，以陀螺定向邊為堅強邊對導線進行誤差分析。

3) 在高程測量中，采用三角高程代四等水準測量法，結合全站儀三腳架測量法，以提高測量精度，實現巷道的精準貫通。

3.1 規劃全站儀測量路徑

采用全站儀坐標測量方法時，由于導線點能準確地反映巷道的掘進情況，測量支導線的最弱點也是測量終點，由于邊長誤差造成橫向貫通中誤差。因此，通過計算的方式來減小誤差，根據誤差傳播定律[8]，導線的測量角和測量邊之間既是相互獨立的，又是相互聯系的，則橫向貫通中誤差m為：

(1)

式中：mβ為測量角的中誤差，ml為測量邊的相對中誤差，mα為方位角中誤差。

(2)

得到導線測量的總誤差為：

(3)

根據全站儀導線測量儀器精度，確定測量角中誤差以及測量邊精度，當計算的總誤差小于允許誤差時，可進行測量作業，當計算的總誤差大于允許誤差時，重新計算并調整全站儀及測量路線，直到滿足精度要求為止。對礦山靜態GPS測量時，按照GPS礦山測量的規程進行，在近井點進入高程時，進行閉合測量。

3.2 提高陀螺邊方位精度

高程測量作業會影響巷道豎向貫通中誤差，根據三角高程測量誤差來確定高程控制測量的等級，根據公式(4)計算結果選擇相應的等級[9]。在進行單邊定向時，選擇已知邊為近井網中方位角誤差較小且距離定向邊東西距離較近的邊作為陀螺測定邊，為了提高貫通精度，在貫通面兩個掘進方向上加測陀螺邊。

(4)

式中:V為測量段往返高差不符值；R為測量段的長度，km；n為測量段數量。

在進行高程控制測量作業時，首先查找最大的往返高差數值，從而選擇相應的高程測量等級，為了確保測量精度要求，根據實際情況選擇測量方法，做好定向標定，確保鋼絲是豎直向下的，減少來回擺動，防止出現定導偏差，在定導鋼絲下放鐵絲環，確保鋼絲不會出現彎曲。在定向后，采用多次觀測求平均值的方法，提高陀螺邊的方位精度。

3.3 使用偏心測量儀降低偏心差

在進行測量作業時，在使用全站儀的基礎上結合使用偏心測量儀，偏心測量儀由刻度盤和角度尺組成，在全站儀手柄上安裝偏心測量儀，用來檢測被測對象的偏心差[10]。將全站儀放在某一已知點，照準另一已知點進行定向，將偏心點設在待測點的左側，使其到全站儀的距離與待測點到全站儀的距離相等，然后對偏心點進行測量，照準待測點的方向，儀器會自動計算并顯示待測點的坐標。在使用全站儀測量時，不需要進行對中操作，這樣可以大大減少測量時間，提高測量效率，降低對中誤差對測量精度造成的影響。

4 應用分析

為了分析測量精度，降低計算方法對測量結果的影響，在3107工作面上進行全站儀測量，測量時以主運輸巷道的起始點作為坐標原點，與主運輸巷道垂直的為X軸，主運輸巷道方向為Y軸，采用加測陀螺邊進行測量，固有貫通測量誤差為±7"，巷道貫通測量坐標系如圖2所示。

圖2 巷道貫通測量坐標系

在測量過程中，由于導線測量存在一定誤差，坐標原點在Y軸方向上的計算誤差為：

(5)

式中：γy1為測量角誤差引起的Y軸上的計算誤差，m；γ1為固有貫通誤差；Pyi為測量導線重心連接方向上的投影長度；θ為測量過程中角度與弧度的轉換系數，一般為1.2。

坐標原點在X軸方向上的計算誤差為：

(6)

式中：γx1為測量角誤差引起的X軸上的計算誤差，m。

綜上，得到全站儀測量中實際測量誤差為：

(7)

通過計算可以看出，使用全站儀測量的精度為±0.117 m，小于測量誤差±0.15 m。根據井下的實際測量可知，在3107工作面主運巷，相遇點在重要方向X軸上最大點誤差為0.085 m，在高程方向上最大誤差為0.105 m，總體精度能夠滿足生產需求。同時，使用全站儀和偏心測量儀，測量時間縮短了27.5%，提高了掘進效率，確保了巷道完全貫通。

5 結 語

1) 通過規劃測量路徑解決測量中出現的橫向貫通中誤差，分析計算解決高程測量中出現的豎向貫通中誤差，采用偏心測量儀與全站儀相結合，提高測量精度，降低測量時偏心差產生的影響。

2) 在實際應用中，3107工作面主運巷，相遇點在重要方向X軸上最大點誤差為0.085 m，小于允許誤差±0.3 m，在高程方向上最大誤差為0.105 m，小于允許誤差±0.2 m，總體精度滿足生產需求。