礦井貫通測(cè)量精度改進(jìn)的探討

張 博，劉長(zhǎng)星*

（1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

煤炭資源在我國(guó)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)中具有重要地位。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展腳步的加快，能源消耗逐年增加，使得煤礦事業(yè)向著更大、更深處發(fā)展；且隨著礦井機(jī)械設(shè)備的更新?lián)Q代，每年巷道工程量在逐年增長(zhǎng)[1]。礦山測(cè)量是礦山建設(shè)開(kāi)采的基礎(chǔ)工作，而貫通測(cè)量則是整個(gè)礦山測(cè)量的重中之重。在煤礦井下巷道采掘中，巷道貫通是提高巷道建設(shè)效率的重要措施[2]。巷道貫通是指將多個(gè)工作面分段挖掘后再在礦井設(shè)計(jì)的位置進(jìn)行連通。巷道貫通測(cè)量過(guò)程中進(jìn)行的一系列測(cè)量稱(chēng)為貫通測(cè)量[3]。貫通測(cè)量精度的高低將直接影響整個(gè)貫通工程質(zhì)量的好壞，同時(shí)影響貫通工程的施工進(jìn)度。為了確保穩(wěn)定的礦山產(chǎn)能、減少礦山的建設(shè)時(shí)間，必須要確保貫通測(cè)量的高精度[4]。

傳統(tǒng)的井下貫通測(cè)量通常采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行井下高程測(cè)量、經(jīng)緯儀進(jìn)行方位角的測(cè)定方法。隨著高精度儀器和全站儀的普及，全站儀在礦山測(cè)量中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使得井下利用全站儀三角高程測(cè)量代替水準(zhǔn)測(cè)量成為常態(tài)。全站儀應(yīng)用于井下貫通測(cè)量在一定程度上減輕了井下測(cè)量工作人員的測(cè)量負(fù)擔(dān)，加快了測(cè)量工作進(jìn)度，有效提升了礦山貫通測(cè)量的精度。然而，由于井下復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境和測(cè)量人員本身的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，仍不可避免地使整個(gè)貫通測(cè)量質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。巷道貫通測(cè)量誤差將影響巷道施工以及后續(xù)測(cè)量工作的精度，因此減少誤差是保證礦井安全高效生產(chǎn)的必然要求[5]。本文通過(guò)對(duì)貫通測(cè)量方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出了影響巷道貫通測(cè)量的主要因素，并著重對(duì)人為因素造成的誤差進(jìn)行了分析，提出了改進(jìn)的測(cè)量方法，進(jìn)而提高井下貫通測(cè)量的精度，保證井下測(cè)量和礦井建設(shè)的施工安全。

1 貫通測(cè)量精度的影響因素

1.1 控制點(diǎn)的精度因素

控制點(diǎn)本身造成的貫通測(cè)量誤差具體表現(xiàn)在；①由于絕大多數(shù)的井下控制點(diǎn)都布設(shè)在頂板上，大部分的煤礦巷道埋深較深，頂板受到壓力以及控制點(diǎn)周?chē)艿綕B水的影響，將導(dǎo)致頂板發(fā)生形變、導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)位置發(fā)生偏移，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量誤差；②由于各種工程的需要，井底頂板會(huì)布設(shè)許多不同用途的導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)，這就導(dǎo)致在貫通測(cè)量控制點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)疑似貫通控制點(diǎn)的其他點(diǎn)（有時(shí)會(huì)出現(xiàn)貫通控制點(diǎn)與其他導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)緊挨著的情況），若測(cè)量人員粗心大意以及導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)標(biāo)注不明確，將導(dǎo)致井下測(cè)量人員誤用導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)，造成測(cè)量誤差[6]；③由于井底復(fù)雜的環(huán)境以及礦井建設(shè)人員施工等原因，導(dǎo)致布設(shè)的控制點(diǎn)受到破壞，進(jìn)而影響整個(gè)貫通測(cè)量的精度[7]。

1.2 儀器的精度因素

隨著科技的進(jìn)步，在礦井測(cè)量中使用的測(cè)量?jī)x器的精度也越來(lái)越高，但無(wú)論精度多高的儀器，總存在儀器本身固有的誤差。儀器的精度即內(nèi)符合精度，是相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，但在井下復(fù)雜的環(huán)境中，其精度是否可達(dá)到其內(nèi)符合精度無(wú)法預(yù)料。測(cè)量人員在測(cè)量前未對(duì)儀器進(jìn)行檢核而導(dǎo)致儀器出現(xiàn)的對(duì)中誤差、瞄準(zhǔn)誤差[6]以及使用的全站儀與棱鏡和底座不匹配[7]等，這些因素都將造成貫通測(cè)量誤差，且隨著測(cè)量距離的增大，其誤差累積有可能超出規(guī)定的誤差值。

1.3 人為測(cè)量誤差因素

在井下貫通測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量人員操作儀器不熟練、測(cè)量方法不正確、計(jì)算數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等原因[6]，將導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)偏差以及測(cè)量進(jìn)度變慢。人為測(cè)量引起的誤差主要表現(xiàn)在；①測(cè)站、后視點(diǎn)和前視點(diǎn)的對(duì)中誤差；②儀器高與覘標(biāo)高的量取誤差；③測(cè)距和測(cè)角誤差。這3種誤差也是井下測(cè)量時(shí)最主要的誤差來(lái)源，其與測(cè)量人員的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和測(cè)量方式密切相關(guān)。

1.4 外界環(huán)境誤差因素

井下環(huán)境也是影響貫通測(cè)量精度的因素。在礦井巷道里，由于巷道風(fēng)力、水霧、照明度以及開(kāi)采車(chē)輛等影響，使得測(cè)量難度加大、測(cè)量精度出現(xiàn)浮動(dòng)。例如，已開(kāi)采的礦底為了降低井底巷道的灰塵會(huì)噴灑大量水霧，而這些水霧將影響全站儀測(cè)距時(shí)的精度；井底車(chē)輛引起的地面震動(dòng)會(huì)使架設(shè)儀器的三腳架位置發(fā)生改變，進(jìn)而加大儀器的對(duì)中誤差，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。

本文主要針對(duì)人為測(cè)量因素引起的誤差進(jìn)行分析，并提出適當(dāng)?shù)母恼庖?jiàn)。

2 對(duì)人為測(cè)量因素引起誤差的改進(jìn)措施

2.1 對(duì)中誤差

傳統(tǒng)意義上的對(duì)中就是利用儀器的上對(duì)中，即在底板的控制點(diǎn)上懸掛一個(gè)有一定質(zhì)量的垂球，垂球自然下垂，再利用垂球底部中心對(duì)準(zhǔn)儀器上中心進(jìn)行對(duì)中。然而，由于礦井地下惡劣的環(huán)境，使得其對(duì)中比地面困難得多，易產(chǎn)生較大誤差。例如，礦井巷道的風(fēng)力會(huì)使懸掛的垂球出現(xiàn)擺動(dòng)，垂球不穩(wěn)定將導(dǎo)致利用垂球進(jìn)行的對(duì)中不準(zhǔn)確，即使風(fēng)力很小，自然下垂的垂球也會(huì)在重力作用下進(jìn)行擺動(dòng)，且其擺動(dòng)的幅度與頻率極不規(guī)律。在這種條件下進(jìn)行儀器對(duì)中，需要礦井測(cè)量人員用肉眼判斷垂球底部中心與儀器上中心是否一致，這就導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生，且誤差大小因人而異，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致測(cè)量成果超出限差。

為了提高井底導(dǎo)線(xiàn)的測(cè)量精度，測(cè)量時(shí)通常采用“三架法”，可在一定程度上降低人為對(duì)中所帶來(lái)的誤差[7]，但其要求前視點(diǎn)的架設(shè)特別仔細(xì)，若前視點(diǎn)的架設(shè)出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致后面兩個(gè)測(cè)站的精度出現(xiàn)偏差。同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中由于測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)無(wú)需進(jìn)行對(duì)中操作，因此不能對(duì)對(duì)中誤差進(jìn)行修正[8]。“三架法”雖在一定程度上減少了人為對(duì)中帶來(lái)的的誤差，但前視點(diǎn)儀器的對(duì)中精度還是依賴(lài)于測(cè)量工作人員架設(shè)儀器的水平。

本文提出的改進(jìn)措施為；受電子全站儀對(duì)中方式的啟發(fā)，可在頂板控制點(diǎn)頂部安置一個(gè)能發(fā)射激光的裝置，測(cè)量對(duì)中時(shí)讓該裝置在控制點(diǎn)底部發(fā)射激光，照射在巷道底部，將激光中點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)儀器上的中心位置，實(shí)現(xiàn)全站儀上對(duì)中與下對(duì)中的結(jié)合。該裝置發(fā)射的激光不受井底巷道環(huán)境的影響，對(duì)中步驟與地面使用電子全站儀進(jìn)行下對(duì)中基本一致，極大地減少了環(huán)境帶來(lái)的對(duì)中誤差，使井下測(cè)量的對(duì)中精度得到很大提升。

2.2 儀器高與覘標(biāo)高的量取誤差

井下導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量時(shí)，儀器高與覘標(biāo)高的量取誤差對(duì)總誤差的影響也較大，特別是在短距離導(dǎo)線(xiàn)邊測(cè)量時(shí)，邊長(zhǎng)越短，其誤差對(duì)總誤差的影響越大。在礦井測(cè)量時(shí)，井下測(cè)量人員一般采用5 m小鋼尺來(lái)量取控制點(diǎn)到儀器中心的距離（也可采用塔尺進(jìn)行測(cè)量）。具體操作步驟為；準(zhǔn)備一把小鋼尺和一個(gè)超過(guò)3 m可伸縮的長(zhǎng)棍（一般使用棱鏡桿），利用膠帶將小鋼尺的一頭固定在棱鏡桿的上頭部位，測(cè)量高度時(shí)將棱鏡桿固定小鋼尺的一端頂在巷道頂板控制點(diǎn)的位置上，再將小鋼尺拉伸到儀器中心位置，通過(guò)讀取小鋼尺的讀數(shù)來(lái)確定儀器高與覘標(biāo)高。

在實(shí)際測(cè)量操作中發(fā)現(xiàn)，量取儀器高和覘標(biāo)高時(shí)，小鋼尺總不能垂直拉伸到儀器正中心位置，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)角度差值。雖然當(dāng)角度很小時(shí)，其差值引起的距離誤差可忽略不計(jì)；但《煤礦測(cè)量規(guī)范》要求在量取儀器高與覘標(biāo)高時(shí)，需獨(dú)立量取兩次，兩次的互差不超過(guò)4 mm[9]，且在量取過(guò)程中，也需要測(cè)量人員目視儀器的正中心位置，這在無(wú)形中增大了儀器高的量取誤差。

本文提出的改進(jìn)措施為；激光不僅可用來(lái)對(duì)中整平，也可用于測(cè)量距離，全站儀棱鏡距離測(cè)量就是利用激光測(cè)距原理。隨著科技的發(fā)展，測(cè)距儀的品牌越來(lái)越多，其儀器本身越來(lái)越小，精度越來(lái)越高（測(cè)距精度可達(dá)毫米級(jí)），價(jià)格也越來(lái)越低。以量取全站儀的高度為例，可將測(cè)距儀應(yīng)用于井下貫通測(cè)量中，利用測(cè)距儀量取儀器高與覘標(biāo)高。量取儀器高時(shí)，可將手持測(cè)距儀的底部緊貼頂板控制點(diǎn)，使測(cè)距儀的激光準(zhǔn)確照射在儀器的上中心位置（此時(shí)的儀器已對(duì)中整平），通過(guò)測(cè)距儀讀取控制點(diǎn)到儀器上中心的距離d1，再利用小鋼尺丈量得到儀器正中心到儀器上中心的距離d2，此時(shí)儀器正中心到控制點(diǎn)的高度d=d1+d2。通過(guò)測(cè)距儀測(cè)量控制點(diǎn)到儀器正中心的距離，可避免使用鋼尺量距時(shí)的丈量誤差，在一定程度上提高了儀器高與覘標(biāo)高的量取精度。

2.3 測(cè)距和測(cè)角誤差

貫通測(cè)量的傳統(tǒng)方法是利用經(jīng)緯儀測(cè)角、水準(zhǔn)儀測(cè)距和兩點(diǎn)間的高差[10]。隨著全站儀的普及和其精度的不斷提升，井下貫通測(cè)量時(shí)，全站儀已代替了經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀[11]。全站儀應(yīng)用于井下貫通測(cè)量，大大減輕了測(cè)量工作人員的負(fù)擔(dān)，使人力解放出來(lái)。在井下巷道利用全站儀進(jìn)行貫通測(cè)量時(shí)，通過(guò)瞄準(zhǔn)棱鏡正中心來(lái)確定導(dǎo)線(xiàn)邊的方位角、兩點(diǎn)間的距離和高差[12]。

測(cè)距和測(cè)角誤差的主要來(lái)源為；測(cè)量人員在瞄準(zhǔn)棱鏡時(shí)，未將全站儀的十字正中心置于棱鏡的正中心，從而產(chǎn)生了瞄準(zhǔn)誤差。測(cè)距和測(cè)角誤差主要表現(xiàn)在長(zhǎng)距離的導(dǎo)線(xiàn)邊中，且距離越長(zhǎng)、誤差超限的幾率越大。

在測(cè)距和測(cè)角時(shí)，由于井底照明度不足，測(cè)量人員無(wú)法準(zhǔn)確確定棱鏡的正中心位置，這是導(dǎo)致瞄準(zhǔn)誤差的主要原因，且在長(zhǎng)距離導(dǎo)線(xiàn)邊測(cè)量時(shí)，瞄準(zhǔn)誤差對(duì)總誤差的影響較大，易使兩個(gè)測(cè)回之間的水平角超過(guò)限差規(guī)定，因此準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)棱鏡的正中心是提高貫通測(cè)量精度的關(guān)鍵。本文提出的改進(jìn)措施為；考慮到井底照明度較弱，測(cè)量時(shí)一般通過(guò)礦燈來(lái)對(duì)前視后視進(jìn)行照明，可對(duì)棱鏡進(jìn)行改造，在棱鏡板左右和上方正中心位置各粘貼一段窄小的熒光紙，礦燈照射棱鏡時(shí)，全站儀可清晰地看到熒光紙，測(cè)量人員使用全站儀里面的十字來(lái)對(duì)準(zhǔn)棱鏡板上的熒光紙，上下左右全部對(duì)齊，此時(shí)全站儀十字中心對(duì)準(zhǔn)的就是棱鏡的正中心。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦巷道貫通測(cè)量方案設(shè)計(jì)的分析，針對(duì)煤礦巷道貫通測(cè)量的復(fù)雜性以及測(cè)量人員自身的測(cè)量素養(yǎng)，本文總結(jié)了井下貫通測(cè)量可能出現(xiàn)的誤差因素，并著重對(duì)人為因素造成的誤差進(jìn)行了分析。根據(jù)巷道貫通測(cè)量的特點(diǎn)以及筆者的實(shí)踐情況，從測(cè)量方式和所用的儀器設(shè)備方面對(duì)人為因素導(dǎo)致的誤差提出了改進(jìn)措施。通過(guò)實(shí)踐可知，改進(jìn)措施能在很大程度上減少人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差，提高巷道貫通測(cè)量的精度，減少測(cè)量人員因誤差超限而導(dǎo)致的重測(cè)時(shí)間，加快井下測(cè)量進(jìn)度，為礦井安全的基礎(chǔ)建設(shè)提供一定的保證。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將出現(xiàn)更加先進(jìn)的巷道貫通測(cè)量技術(shù)和儀器設(shè)備，進(jìn)一步提高井下測(cè)量的精度。