光电测距法在竖井联系测量中的应用
2014-05-09山东黄金矿业玲珑有限公司山东招远265400
（山东黄金矿业（玲珑）有限公司,山东 招远 265400）
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阐述了矿山生产建设中竖井联系测量的目的与实质，通过玲珑金矿大开头矿区-670盲竖井联系测量的工作实际，介绍了竖井联系测量的工作过程及光电测距法在竖井高程导入中的应用。
联系测量；光电测距法；大井深立井
在矿山的生产建设中，为了确定井下巷道、采空区与地面地形、地物的对应关系以及井下各类巷道之间的空间分布情况，就必须使矿井井下测量的坐标系统与地面测量的坐标系统统一起来。为了满足这一要求，就需要使矿山地面测量与井下测量联系起来，也就是必须进行使井上下坐标系统统一起来的联系测量工作。联系测量就其内容而言包括平面联系测量与高程联系测量两部分，平面联系测量简称定向，高程联系测量简称为导入高程。
1 竖井联系测量的目的与意义
竖井联系测量的目的是把地面坐标系统，经过竖井传递到井下测量的起始点上，然后以该起始点进行井下坐标的传递。其意义是通过井上坐标导入井下，井下坐标依次传递，达到井下各种巷道在空间结构上满足生产设计的要求，同时便于对井下采掘工作面的分布与地面地形地物的空间对应状况有详细的掌握，它是确保矿井安全生产的一个重要方面。
2 总体测量方案
结合-670盲竖井的作业环境和生产实际，本次联系测量工作的主要方案是：在坐标的引入上，采用单钢丝稳定投点的方法；在方向上，采用陀螺经纬仪定向的方法进行测定；在高程上，采用长钢丝投点配合光电测距的方法进行测定。
由于本次联系测量多中段同时进行，为了减少测量工作对矿井生产的影响并考虑到现场的实际情况，本次测量任务我们将方向导入和坐标高程导入分开进行测定，主要工作流程如下：首先，在井下埋设好的定向边控制点上进行陀螺经纬仪定向测量测定出定向边的坐标方位角；然后，再考虑用单钢丝吊挂重物进行坐标和高程的导入工作。
在使用单钢丝导入高程时，由于各种不同型号的钢丝其弹性系数和不同的气象因素的改正很难在理论上准确的计算出来。为了精确测定出井下高程，本次高程导入主要采用光电测距的方法：在地面井口和井下搭建操作平台，将仪器对中到长钢丝的投点中心上，然后挪开钢丝并在井口平台上长钢丝的投点中心位置放置三棱镜头对准井下，最后将仪器视准轴对准天顶方向，进行高程的测定工作。
3 陀螺经纬仪测定坐标方位角
为减少测量工作对矿井生产的影响，提高测量的精度，本次方向的测定工作同高程和坐标的导入分开进行。本次的定向测量选用15″级陀螺经纬仪，采用逆转点的测量方法，采用3-3-3的测量方案。具体方法如下：
（1）严格整置经纬仪，架上陀螺仪，以一个测回测定待定或已知测线的方向值，然后将仪器大致对正北方。
（2）镜紧摆动系统，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，进行粗略定向。制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方位置，固定照准部。把水平微动螺旋调整到行程范围的中间位置。
（3）打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部，进行测前悬带零位观测，同时用秒表记录自摆周期T。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。
（4）启动陀螺马达，达到额定转速后，缓慢地下放灵敏部到半脱离位置，稍停数秒钟，再全部下放。如果光标像移动过快，再使用半脱离阻尼限幅，使摆幅大约在1°～3°范围为宜。用水平微动螺旋微动照准部，让光标像与分划板零刻划线随时重台，即跟踪。跟踪要做到平稳和连续，切忌跟踪不及时，例如时而落后于灵敏部的摆动，时而又很快赶上或超前很多，这些情况都会影响结果的精度。在摆动到达逆转点时，连续读取5个逆转点读数u1、u2、u3、u4、u5。然后锁紧灵敏部。制动陀螺马达。
跟踪时，还需要用秒表测定连续两次同一方向经过逆转点的时间，称为跟踪动周期。
摆动平衡位置在水平度盘上的平均读数NT，称为陀螺仪北方向值，用下式计算：
（5）测后零位观测，方法同零位观测。
（6）以一测回测定已知测线的方向值，取测前测后两测回的平均值作为测线方向值。
以上称为陀螺经纬仪逆转点观测的一个测回，方案后附逆转点记录表格。
上述逆转点观测方法只是针对上架悬挂式陀螺经纬仪，如果所使用的陀螺仪不是上架悬挂式陀螺经纬仪则应该参照仪器说明书的操作方法进行观测。
4 高程导入和连接测量
由于-670盲竖井作业环境高、生产任务重，在高程的导入上如果采用传统的长钢尺导入可能会产生较大的误差，而且也要消耗大量的人力。为了提高精度和工作效率，我们考虑采用光电测距的方法进行高程的导入。在现有的条件下，我们决定采用全站仪在井下对中，并与地面安置棱镜进行天顶距离的测量以达到高程导入的目的。具体方法如下：
在地面布置并测定好一个近井点，近井点可由N6---YE4-J两点为基准并以N6点位测站，直接测至井口附近（近井点的高程需往返测）。
在地面安置一台全站仪（具有免棱镜测距功能）于近井点，一个棱镜于后视N6点。在井下安置两台全站仪分别于S点（具有免棱镜测距功能全站仪）和一临时点，于S1点安置棱镜。
在井筒上下分别于井口和井下-760水平的井筒罐笼平衡锤位置处搭建操作平台，操作平台必须安设的平稳，保证一起安置于平台上不会受到晃动的影响。
井口操作平台必须于适当的位置留有一个直径大约150mm的孔，以便安置钢丝和棱镜。于井口操作平台上2m位置处安设一个卡绳器，以便固定钢丝绳位置。
将钢丝由井口平台下放至井下平台，井口平台将钢丝固定在卡绳器上并有预留的孔中穿过到井下。井下平台在钢丝绳末端悬挂一约20kg的重锤，并将重锤置于一盛水的铁桶内。
于S点安置仪器（具有免棱镜功能的全站仪），于S2点安置棱镜，待钢丝绳晃动趋于稳定后采用两次对中四个测回观测 钢丝绳-S-S2的角度同时测定S点到钢丝绳的距离（可在钢丝绳后贴一张白纸，用全站仪的免棱镜测距功能进行距离测定）
地面将仪器架设于埋设好的近井点上后视N6点，待钢丝绳稳定后采用两个测回测定出钢丝绳的平面坐标（其中近井点到钢丝绳的距离测定方法与上述方法相同），同时测定出井口平台上预留孔的孔口高程。原则上地面与井下的连接测量应同时进行以减少各种干扰因素产生的误差。
连接测量完成后将井下两台仪器大致按下图位置架设：
两台仪器同时照准钢丝绳，并锁定仪器的水平度盘，将水桶、钢丝绳移开，用两台全站仪以十字线的方式标定出钢丝绳的投点中心O下。在井口平台以拉线的方式找出钢丝绳的中心O上以十字线的方式标定的井口平台上。
将TC1202+全站仪安置于标定出的钢丝绳投点中心O下上，于S点安置棱镜并丈量棱镜高。在井口平台将钢丝绳移开，将三棱镜头安置于预留孔上，棱镜中心对准钢丝绳的中心O上，也可以在卡绳器上吊挂锤球来找到钢丝绳的中心。
于井下平台将仪器对准天顶方向并测距，然后将仪器瞄准S点站标并测定天顶角和斜距。以上称为一个测回，总共应测四个测回以求取S点高程。
设天顶距离为L天，井口平台预留孔孔口高程为H上，仪器与站标的高差为DH，站标高为j 则S点的高程HS为：
5 高程导入的可能性分析
假设井口平台三棱镜组的有效反射范围为一个直径为100mm的圆，圆心为棱镜中心。假设仪器对准钢丝投点中心的误差为10mm。井筒深度为530m。则仪器对准天顶方向的天顶角误差（主要来源于仪器的测角误差和指标差）应小于：
假设仪器的测角精度为2"则i的允许误差为：
此项要求高于测量仪器规范的要求。为了控制i角的精度，在测量之前应对用于测定天顶距离的全站仪进行严格的天顶角校检，校检方法如下：
将仪器置于合适的位置整平。
找寻以照准目标，要求目标清晰，仪器照准目标后垂直角大于20°，目标与仪器的距离大于50m。
仪器照准该目标，测定天顶角并记录，共测定九个测回计算i角的中误差mi：
mi必须小于2"，计算i角的平均值作为半测回测定天顶角的改正值。
6 精度分析与评定
6.1 陀螺经纬仪定向精度分析与评定
假定按照陀螺经纬仪的标称精度15"（陀螺经纬仪一次测定方位角中误差），按照3-3-3的定向测量方案，则一次定向中误差 可按下述方法进行计算：
由于井下定向边坐标方位角为：
则一次定向中误差为：
在定向测量工作完成后，还应测量成果进行精度评定，即应从新计算实际的陀螺一次测定方位角中误差和实际的定向中误差，实际的误差值应小于理论计算的误差值。
则
定向的实际中误差计算与上述方法相同。
6.2 高程导入精度分析
本次高程导入的误差来源主要有以下几个方面
假设地面和井下均按照等外水准的要求进行测量，则每公里高程中误差为m0=20mm。近井点至N6点的距离约为250m，则：
近井点到井口平台的距离为30m，则
考虑到近距离测量时仪器高的丈量误差的影响不可忽略，可取m平=3mm。
同样可取m传=3mm。
假设仪器距离测量的标称精度为2+2ppm，井筒深度为530m，则
由上述的计算可求得相对于N6点S点的高程误差为：
6.3 连接测量精度分析
取仪器标称测角精度2"，测距精度2+2ppm
取点位中误差mp则：
取近井点的点位中误差为mp近，则
取钢丝投点的点位误差为mp投，按照规程可取mp投=2mm。
由地面连接测量引起的点位中误差为mp上，则
由井下连接测量引起的点位中误差为mp下，则
有上面的分析可知，相对于N6点S点的点位中误差mps为：
7 结束语
总之，竖井联系测量在矿山生产建设中是一项极其重要的基础性测量工作，其精度必须能够满足生产的实际需要。传统的竖井联系测量方法虽然能够解决一般的联系测量问题，但随着安全生产形势的发展，联系测量的精度必然会越来越高，特别是大井深立井联系测量，仍然是矿山测量工作者面临的一个难点问题。有待于我们矿山测量工作者在实践中不断探索验证，同时也期待着新仪器设备、新方法的诞生，通过使用新仪器、新方法来提高竖井联系测量的精度和效率。
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光电测距法在竖井联系测量中的应用
王智君,张 杰,孙利军
