煤礦全站儀導線測量誤差分析及技術措施研究

徐 寧

（晉能控股煤業集團南河煤礦，山西 晉城 048400）

煤礦全站儀導線測量是礦井測試中最常用的測量方法之一，其具備了測試準確度較高等優勢，但因為井下測量作業環境較差、人員視野受限、多是獨頭掘進巷道測試，使得在開展井下全站儀導線測試時會出現控制測量單一、測試儀器受到風流環境影響較大、測量準確度低等問題。而礦山內部分重大工程測試（如貫通測試、平面控制測量等）對準確度的要求較高，一旦導線測試準確度下降，將嚴重威脅著后期采掘工作面的布局和施工安全。因此，煤礦在進行全站儀導線測量時應該合理分析可能影響測量準確度的誤差來源，并且針對實際狀況制定合理可行的技術對策。

1 全站儀導線測量工作特性

1.1 全站儀導線測量工作特點

1）與傳統經緯儀、水準儀相比，全站儀在井下實施導線測量時，無需人工對測量角度、距離、高度等測量參數進行合理計算，而是通過儀器內部計算器便可準確進行計算，并可通過儀器顯示器進行顯示。

2）礦用全站儀存在與外部設備連接的通信接口，通過數據線可與外部設備如計算機、打印機、掃描儀等進行連接，從而可直接將全站儀野外實測數據傳送至外界設備，便于測量數據內業整理以及礦圖繪制等。

3）全站儀內部安裝有雙軸自動補償控制系統，全站儀在井下測量過程中可利用該系統對豎軸以及水平軸誤差進行調整，從而降低儀器內部誤差。

1.2 在導線測量中具有的優點

1）全站儀在進行井下導線測量時，全站儀測距長，為經緯儀測距的3～5 倍，通過減少測站數量以及設備安裝次數，以降低測量過程中對中整平誤差以及測站傳遞誤差。

2）與傳統測量儀器相比，全站儀具有自動化水平高、測量速度快、測量精度高、測距長以及受環境影響小等優點，而且全站儀導線測量時的測量數據可實時顯示，解決了傳統人工記錄數據時出現誤差高、勞動強度大等技術難題。

2 全站儀導線測量誤差分析

2.1 全站儀測點對中誤差

在進行井下導線測量時，由于測量區域空間有限，且受采掘工作面影響較大，全站儀在導線測量時經常出現對中誤差。以南河煤礦15109 運輸順槽為例，在進行導線測量時，根據圖1 所示，A 點為全站儀對中點，B 點位前視點（已測點），C 點為待測點，其中∠BAC 為準確測量時觀測角，AB、BC 為實測距離。當全站儀出現對中誤差時，A1為儀器對中偏差后安裝位置，則A1A 為偏心距離，α 為實測角度，所以實測偏心角誤差Δ=∠β+∠γ，且偏心角、偏心距離與觀測邊長長度成正比。

圖1 全站儀導線測量對中誤差示意圖

2.2 全站儀儀器誤差

儀表磨損誤差：在井下導線測量時，由于測量人員對設備保護不當，儀器及配套裝置經常損壞，如全站儀照準部受煤矸磨損、三腳架松動、儀器外殼損壞以及儀器震動等影響，使其內部發生損壞，導致測量時儀器無法正常使用，影響測量結果。

儀器內部測量誤差：由于全站儀保護不當，未定期進行矯正以及受儀器震動等影響，儀器內部出現誤差，最常見的全站儀內部誤差主要有視準軸誤差、橫軸誤差以及豎軸誤差等，儀器內部誤差很難及時發現，測量時對測量精度影響最大。

2.3 全站儀照準偏差、測距誤差

全站儀照準偏差：在進行導線測量時，采用全站儀照準部照準待測點棱鏡時，由于測量人員照準時出現偏差，導致測量結果與實際出現偏差，照準誤差可通過多次測量求平均值消除。

全站儀測距誤差：測距誤差是測量儀器與測點之間水平距測量誤差，測距誤差分為周期偏差、儀器誤差和比例誤差等。

2.4 環境誤差

導線測量環境誤差指的是在測量過程中受井下風流、粉塵、光線等氣候環境以及施工環境等影響，在測量過程中對測量結果產生影響，但是在實際井下全站儀導線測量時，測量時間在2～3 h，單次測量周期相對較短，可忽略環境對測量精度的影響。

3 提高全站儀導線測量精度技術措施

3.1 降低偏心差

使用偏心測量儀：將偏心儀安裝在全站儀基座上，偏心儀主要由刻度盤、角度盤等部分組成。偏心儀呈圓形，分為內外刻度，其中外殼度盤直徑為120 mm，內刻度盤直徑為110 mm；在進行導線測量時，偏心儀與全站儀配合使用，通過偏心儀可直觀讀出儀器偏心距，并可直接調整，從而縮短了儀器對中時間，降低對中誤差。

優化導線測量方法：在進行傳統的導線測量時，每個測站需要對1 臺測量儀器和1 臺測量棱鏡進行對中整平，測量時先對前視點進行觀察，觀測后將前視點儀器移動至后視點進行觀察，測站觀測后將儀器移動至后視點對中整平，再進行下一個測站觀測，該方法需對儀器進行多次對中整平，存在誤差率高、測量工序復雜問題。為了提高測量精度，可對原測量方法進行優化，采用三腳架法，即采用1 臺全站儀、2臺棱鏡進行測量，在第一站觀測時需對棱鏡和全站儀對中整平，第一測站觀測完后只需將全站儀移動至后視點棱鏡上，前視點棱鏡移動至原儀器三腳架上，對后視點進行一次對中整平即可，從而減少儀器對中整平次數。

3.2 消除儀器誤差

在井下進行全站儀導線測量過程中，會出現視準軸或橫軸誤差，其主要表現在全站儀觀測數值時盤左、盤右觀測值相同但是符號相反，因此為減少儀器誤差，對盤左、盤右觀測數值取平均即可。

全站儀豎軸誤差主要是由于全站儀對中不合格造成的，所以在井下導線測量時，必須嚴格對全站儀進行對中整平。在進行儀器對中時，需要2 名測量人員同時進行操作，1 人對中1 人觀察，從而減少誤操作現象。

3.3 規范測量方法

在進行導線布設時，先布設低級導線，后布設高級導線，并采用高級導線對低級導線進行校準，同時為了進一步提高測點橫向距離準確度，巷道內布設導線網時可采用雙交叉網結構。

為了防止井下導線測量時出現測角誤差傳遞現象，可采用陀螺儀加測邊長，同時為了防止井下氣流對棱鏡或垂球影響，可采用大質量垂球進行井下照準。

對于井下高精度的導線測量，應防止歸化與投影產生的長度變化，在實測時應對導線邊長加入化算的巷道高程面與投影的高斯投影面進行準確修正，從而提高導線邊長測量精準度。

全站儀導線邊長測量時采用雙棱鏡激光模式，同時在測量前，測量人員應深入測量現場，對場地溫度、氣壓、氣流進行測定，并在儀器中進行校準。

4 結語

南河煤礦地測防治水科對全站儀導線測量誤差進行分析，且提出了合理有效地提高全站儀導線測量精度技術措施，并在15109 運輸順槽中進行應用，通過實際應用效果來看，采取措施后，井下全站儀導線測量精度由原來的87%提高至98%以上，大大提高了導線測量精度，降低了測量誤差，避免了因測量誤差而導致生產事故的發生，保證了井下掘進施工的安全順利開展。