光電測距法在豎井聯(lián)系測量中的應(yīng)用

（山東黃金礦業(yè)（玲瓏）有限公司,山東 招遠(yuǎn) 265400）

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闡述了礦山生產(chǎn)建設(shè)中豎井聯(lián)系測量的目的與實質(zhì)，通過玲瓏金礦大開頭礦區(qū)-670盲豎井聯(lián)系測量的工作實際，介紹了豎井聯(lián)系測量的工作過程及光電測距法在豎井高程導(dǎo)入中的應(yīng)用。

聯(lián)系測量；光電測距法；大井深立井

在礦山的生產(chǎn)建設(shè)中，為了確定井下巷道、采空區(qū)與地面地形、地物的對應(yīng)關(guān)系以及井下各類巷道之間的空間分布情況，就必須使礦井井下測量的坐標(biāo)系統(tǒng)與地面測量的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一起來。為了滿足這一要求，就需要使礦山地面測量與井下測量聯(lián)系起來，也就是必須進行使井上下坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一起來的聯(lián)系測量工作。聯(lián)系測量就其內(nèi)容而言包括平面聯(lián)系測量與高程聯(lián)系測量兩部分，平面聯(lián)系測量簡稱定向，高程聯(lián)系測量簡稱為導(dǎo)入高程。

1 豎井聯(lián)系測量的目的與意義

豎井聯(lián)系測量的目的是把地面坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)過豎井傳遞到井下測量的起始點上，然后以該起始點進行井下坐標(biāo)的傳遞。其意義是通過井上坐標(biāo)導(dǎo)入井下，井下坐標(biāo)依次傳遞，達到井下各種巷道在空間結(jié)構(gòu)上滿足生產(chǎn)設(shè)計的要求，同時便于對井下采掘工作面的分布與地面地形地物的空間對應(yīng)狀況有詳細(xì)的掌握，它是確保礦井安全生產(chǎn)的一個重要方面。

2 總體測量方案

結(jié)合-670盲豎井的作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)實際，本次聯(lián)系測量工作的主要方案是：在坐標(biāo)的引入上，采用單鋼絲穩(wěn)定投點的方法；在方向上，采用陀螺經(jīng)緯儀定向的方法進行測定；在高程上，采用長鋼絲投點配合光電測距的方法進行測定。

由于本次聯(lián)系測量多中段同時進行，為了減少測量工作對礦井生產(chǎn)的影響并考慮到現(xiàn)場的實際情況，本次測量任務(wù)我們將方向?qū)牒妥鴺?biāo)高程導(dǎo)入分開進行測定，主要工作流程如下：首先，在井下埋設(shè)好的定向邊控制點上進行陀螺經(jīng)緯儀定向測量測定出定向邊的坐標(biāo)方位角；然后，再考慮用單鋼絲吊掛重物進行坐標(biāo)和高程的導(dǎo)入工作。

在使用單鋼絲導(dǎo)入高程時，由于各種不同型號的鋼絲其彈性系數(shù)和不同的氣象因素的改正很難在理論上準(zhǔn)確的計算出來。為了精確測定出井下高程，本次高程導(dǎo)入主要采用光電測距的方法：在地面井口和井下搭建操作平臺，將儀器對中到長鋼絲的投點中心上，然后挪開鋼絲并在井口平臺上長鋼絲的投點中心位置放置三棱鏡頭對準(zhǔn)井下，最后將儀器視準(zhǔn)軸對準(zhǔn)天頂方向，進行高程的測定工作。

3 陀螺經(jīng)緯儀測定坐標(biāo)方位角

為減少測量工作對礦井生產(chǎn)的影響，提高測量的精度，本次方向的測定工作同高程和坐標(biāo)的導(dǎo)入分開進行。本次的定向測量選用15″級陀螺經(jīng)緯儀，采用逆轉(zhuǎn)點的測量方法，采用3-3-3的測量方案。具體方法如下：

（1）嚴(yán)格整置經(jīng)緯儀，架上陀螺儀，以一個測回測定待定或已知測線的方向值，然后將儀器大致對正北方。

（2）鏡緊擺動系統(tǒng)，啟動陀螺馬達，待達到額定轉(zhuǎn)速后，下放陀螺靈敏部，進行粗略定向。制動陀螺并托起鎖緊，將望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸轉(zhuǎn)到近似北方位置，固定照準(zhǔn)部。把水平微動螺旋調(diào)整到行程范圍的中間位置。

（3）打開陀螺照明，下放陀螺靈敏部，進行測前懸?guī)Я阄挥^測，同時用秒表記錄自擺周期T。零位觀測完畢，托起并鎖緊靈敏部。

（4）啟動陀螺馬達，達到額定轉(zhuǎn)速后，緩慢地下放靈敏部到半脫離位置，稍停數(shù)秒鐘，再全部下放。如果光標(biāo)像移動過快，再使用半脫離阻尼限幅，使擺幅大約在1°～3°范圍為宜。用水平微動螺旋微動照準(zhǔn)部，讓光標(biāo)像與分劃板零刻劃線隨時重臺，即跟蹤。跟蹤要做到平穩(wěn)和連續(xù)，切忌跟蹤不及時，例如時而落后于靈敏部的擺動，時而又很快趕上或超前很多，這些情況都會影響結(jié)果的精度。在擺動到達逆轉(zhuǎn)點時，連續(xù)讀取5個逆轉(zhuǎn)點讀數(shù)u1、u2、u3、u4、u5。然后鎖緊靈敏部。制動陀螺馬達。

跟蹤時，還需要用秒表測定連續(xù)兩次同一方向經(jīng)過逆轉(zhuǎn)點的時間，稱為跟蹤動周期。

擺動平衡位置在水平度盤上的平均讀數(shù)NT，稱為陀螺儀北方向值，用下式計算：

（5）測后零位觀測，方法同零位觀測。

（6）以一測回測定已知測線的方向值，取測前測后兩測回的平均值作為測線方向值。

以上稱為陀螺經(jīng)緯儀逆轉(zhuǎn)點觀測的一個測回，方案后附逆轉(zhuǎn)點記錄表格。

上述逆轉(zhuǎn)點觀測方法只是針對上架懸掛式陀螺經(jīng)緯儀，如果所使用的陀螺儀不是上架懸掛式陀螺經(jīng)緯儀則應(yīng)該參照儀器說明書的操作方法進行觀測。

4 高程導(dǎo)入和連接測量

由于-670盲豎井作業(yè)環(huán)境高、生產(chǎn)任務(wù)重，在高程的導(dǎo)入上如果采用傳統(tǒng)的長鋼尺導(dǎo)入可能會產(chǎn)生較大的誤差，而且也要消耗大量的人力。為了提高精度和工作效率，我們考慮采用光電測距的方法進行高程的導(dǎo)入。在現(xiàn)有的條件下，我們決定采用全站儀在井下對中，并與地面安置棱鏡進行天頂距離的測量以達到高程導(dǎo)入的目的。具體方法如下：

在地面布置并測定好一個近井點，近井點可由N6---YE4-J兩點為基準(zhǔn)并以N6點位測站，直接測至井口附近（近井點的高程需往返測）。

在地面安置一臺全站儀（具有免棱鏡測距功能）于近井點，一個棱鏡于后視N6點。在井下安置兩臺全站儀分別于S點（具有免棱鏡測距功能全站儀）和一臨時點，于S1點安置棱鏡。

在井筒上下分別于井口和井下-760水平的井筒罐籠平衡錘位置處搭建操作平臺，操作平臺必須安設(shè)的平穩(wěn)，保證一起安置于平臺上不會受到晃動的影響。

井口操作平臺必須于適當(dāng)?shù)奈恢昧粲幸粋€直徑大約150mm的孔，以便安置鋼絲和棱鏡。于井口操作平臺上2m位置處安設(shè)一個卡繩器，以便固定鋼絲繩位置。

將鋼絲由井口平臺下放至井下平臺，井口平臺將鋼絲固定在卡繩器上并有預(yù)留的孔中穿過到井下。井下平臺在鋼絲繩末端懸掛一約20kg的重錘，并將重錘置于一盛水的鐵桶內(nèi)。

于S點安置儀器（具有免棱鏡功能的全站儀），于S2點安置棱鏡，待鋼絲繩晃動趨于穩(wěn)定后采用兩次對中四個測回觀測 鋼絲繩-S-S2的角度同時測定S點到鋼絲繩的距離（可在鋼絲繩后貼一張白紙，用全站儀的免棱鏡測距功能進行距離測定）

地面將儀器架設(shè)于埋設(shè)好的近井點上后視N6點，待鋼絲繩穩(wěn)定后采用兩個測回測定出鋼絲繩的平面坐標(biāo)（其中近井點到鋼絲繩的距離測定方法與上述方法相同），同時測定出井口平臺上預(yù)留孔的孔口高程。原則上地面與井下的連接測量應(yīng)同時進行以減少各種干擾因素產(chǎn)生的誤差。

連接測量完成后將井下兩臺儀器大致按下圖位置架設(shè)：

兩臺儀器同時照準(zhǔn)鋼絲繩，并鎖定儀器的水平度盤，將水桶、鋼絲繩移開，用兩臺全站儀以十字線的方式標(biāo)定出鋼絲繩的投點中心O下。在井口平臺以拉線的方式找出鋼絲繩的中心O上以十字線的方式標(biāo)定的井口平臺上。

將TC1202+全站儀安置于標(biāo)定出的鋼絲繩投點中心O下上，于S點安置棱鏡并丈量棱鏡高。在井口平臺將鋼絲繩移開，將三棱鏡頭安置于預(yù)留孔上，棱鏡中心對準(zhǔn)鋼絲繩的中心O上，也可以在卡繩器上吊掛錘球來找到鋼絲繩的中心。

于井下平臺將儀器對準(zhǔn)天頂方向并測距，然后將儀器瞄準(zhǔn)S點站標(biāo)并測定天頂角和斜距。以上稱為一個測回，總共應(yīng)測四個測回以求取S點高程。

設(shè)天頂距離為L天，井口平臺預(yù)留孔孔口高程為H上，儀器與站標(biāo)的高差為DH，站標(biāo)高為j 則S點的高程HS為：

5 高程導(dǎo)入的可能性分析

假設(shè)井口平臺三棱鏡組的有效反射范圍為一個直徑為100mm的圓，圓心為棱鏡中心。假設(shè)儀器對準(zhǔn)鋼絲投點中心的誤差為10mm。井筒深度為530m。則儀器對準(zhǔn)天頂方向的天頂角誤差（主要來源于儀器的測角誤差和指標(biāo)差）應(yīng)小于：

假設(shè)儀器的測角精度為2"則i的允許誤差為：

此項要求高于測量儀器規(guī)范的要求。為了控制i角的精度，在測量之前應(yīng)對用于測定天頂距離的全站儀進行嚴(yán)格的天頂角校檢，校檢方法如下：

將儀器置于合適的位置整平。

找尋以照準(zhǔn)目標(biāo)，要求目標(biāo)清晰，儀器照準(zhǔn)目標(biāo)后垂直角大于20°，目標(biāo)與儀器的距離大于50m。

儀器照準(zhǔn)該目標(biāo)，測定天頂角并記錄，共測定九個測回計算i角的中誤差mi：

mi必須小于2"，計算i角的平均值作為半測回測定天頂角的改正值。

6 精度分析與評定

6.1 陀螺經(jīng)緯儀定向精度分析與評定

假定按照陀螺經(jīng)緯儀的標(biāo)稱精度15"（陀螺經(jīng)緯儀一次測定方位角中誤差），按照3-3-3的定向測量方案，則一次定向中誤差 可按下述方法進行計算：

由于井下定向邊坐標(biāo)方位角為：

則一次定向中誤差為：

在定向測量工作完成后，還應(yīng)測量成果進行精度評定，即應(yīng)從新計算實際的陀螺一次測定方位角中誤差和實際的定向中誤差，實際的誤差值應(yīng)小于理論計算的誤差值。

則

定向的實際中誤差計算與上述方法相同。

6.2 高程導(dǎo)入精度分析

本次高程導(dǎo)入的誤差來源主要有以下幾個方面

假設(shè)地面和井下均按照等外水準(zhǔn)的要求進行測量，則每公里高程中誤差為m0=20mm。近井點至N6點的距離約為250m，則：

近井點到井口平臺的距離為30m，則

考慮到近距離測量時儀器高的丈量誤差的影響不可忽略，可取m平=3mm。

同樣可取m傳=3mm。

假設(shè)儀器距離測量的標(biāo)稱精度為2+2ppm，井筒深度為530m，則

由上述的計算可求得相對于N6點S點的高程誤差為：

6.3 連接測量精度分析

取儀器標(biāo)稱測角精度2"，測距精度2+2ppm

取點位中誤差mp則：

取近井點的點位中誤差為mp近，則

取鋼絲投點的點位誤差為mp投，按照規(guī)程可取mp投=2mm。

由地面連接測量引起的點位中誤差為mp上，則

由井下連接測量引起的點位中誤差為mp下，則

有上面的分析可知，相對于N6點S點的點位中誤差mps為：

7 結(jié)束語

總之，豎井聯(lián)系測量在礦山生產(chǎn)建設(shè)中是一項極其重要的基礎(chǔ)性測量工作，其精度必須能夠滿足生產(chǎn)的實際需要。傳統(tǒng)的豎井聯(lián)系測量方法雖然能夠解決一般的聯(lián)系測量問題，但隨著安全生產(chǎn)形勢的發(fā)展，聯(lián)系測量的精度必然會越來越高，特別是大井深立井聯(lián)系測量，仍然是礦山測量工作者面臨的一個難點問題。有待于我們礦山測量工作者在實踐中不斷探索驗證，同時也期待著新儀器設(shè)備、新方法的誕生，通過使用新儀器、新方法來提高豎井聯(lián)系測量的精度和效率。

[1]李青岳.工程測量學(xué)[M].北京：測繪出版社,2001.

[2]鄭文華.地下工程測量[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2007.

[3]張國良.陀螺經(jīng)緯儀定向[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1988.

光電測距法在豎井聯(lián)系測量中的應(yīng)用

王智君,張 杰,孫利軍