矿井贯通测量精度改进的探讨

张 博，刘长星*

（1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054）

煤炭资源在我国生产经济中具有重要地位。随着我国经济发展脚步的加快，能源消耗逐年增加，使得煤矿事业向着更大、更深处发展；且随着矿井机械设备的更新换代，每年巷道工程量在逐年增长[1]。矿山测量是矿山建设开采的基础工作，而贯通测量则是整个矿山测量的重中之重。在煤矿井下巷道采掘中，巷道贯通是提高巷道建设效率的重要措施[2]。巷道贯通是指将多个工作面分段挖掘后再在矿井设计的位置进行连通。巷道贯通测量过程中进行的一系列测量称为贯通测量[3]。贯通测量精度的高低将直接影响整个贯通工程质量的好坏，同时影响贯通工程的施工进度。为了确保稳定的矿山产能、减少矿山的建设时间，必须要确保贯通测量的高精度[4]。

传统的井下贯通测量通常采用水准仪进行井下高程测量、经纬仪进行方位角的测定方法。随着高精度仪器和全站仪的普及，全站仪在矿山测量中的应用越来越广泛，使得井下利用全站仪三角高程测量代替水准测量成为常态。全站仪应用于井下贯通测量在一定程度上减轻了井下测量工作人员的测量负担，加快了测量工作进度，有效提升了矿山贯通测量的精度。然而，由于井下复杂的测量环境和测量人员本身的测量经验，仍不可避免地使整个贯通测量质量不达标。巷道贯通测量误差将影响巷道施工以及后续测量工作的精度，因此减少误差是保证矿井安全高效生产的必然要求[5]。本文通过对贯通测量方案设计进行分析，提出了影响巷道贯通测量的主要因素，并着重对人为因素造成的误差进行了分析，提出了改进的测量方法，进而提高井下贯通测量的精度，保证井下测量和矿井建设的施工安全。

1 贯通测量精度的影响因素

1.1 控制点的精度因素

控制点本身造成的贯通测量误差具体表现在；①由于绝大多数的井下控制点都布设在顶板上，大部分的煤矿巷道埋深较深，顶板受到压力以及控制点周围受到渗水的影响，将导致顶板发生形变、导线点位置发生偏移，进而产生测量误差；②由于各种工程的需要，井底顶板会布设许多不同用途的导线点，这就导致在贯通测量控制点附近会出现疑似贯通控制点的其他点（有时会出现贯通控制点与其他导线点紧挨着的情况），若测量人员粗心大意以及导线点标注不明确，将导致井下测量人员误用导线点，造成测量误差[6]；③由于井底复杂的环境以及矿井建设人员施工等原因，导致布设的控制点受到破坏，进而影响整个贯通测量的精度[7]。

1.2 仪器的精度因素

随着科技的进步，在矿井测量中使用的测量仪器的精度也越来越高，但无论精度多高的仪器，总存在仪器本身固有的误差。仪器的精度即内符合精度，是相关实验人员在实验室通过实验得到的结果，但在井下复杂的环境中，其精度是否可达到其内符合精度无法预料。测量人员在测量前未对仪器进行检核而导致仪器出现的对中误差、瞄准误差[6]以及使用的全站仪与棱镜和底座不匹配[7]等，这些因素都将造成贯通测量误差，且随着测量距离的增大，其误差累积有可能超出规定的误差值。

1.3 人为测量误差因素

在井下贯通测量时，由于测量人员操作仪器不熟练、测量方法不正确、计算数据错误等原因[6]，将导致测量过程中出现偏差以及测量进度变慢。人为测量引起的误差主要表现在；①测站、后视点和前视点的对中误差；②仪器高与觇标高的量取误差；③测距和测角误差。这3种误差也是井下测量时最主要的误差来源，其与测量人员的专业素养和测量方式密切相关。

1.4 外界环境误差因素

井下环境也是影响贯通测量精度的因素。在矿井巷道里，由于巷道风力、水雾、照明度以及开采车辆等影响，使得测量难度加大、测量精度出现浮动。例如，已开采的矿底为了降低井底巷道的灰尘会喷洒大量水雾，而这些水雾将影响全站仪测距时的精度；井底车辆引起的地面震动会使架设仪器的三脚架位置发生改变，进而加大仪器的对中误差，使测量结果出现偏差。

本文主要针对人为测量因素引起的误差进行分析，并提出适当的改正意见。

2 对人为测量因素引起误差的改进措施

2.1 对中误差

传统意义上的对中就是利用仪器的上对中，即在底板的控制点上悬挂一个有一定质量的垂球，垂球自然下垂，再利用垂球底部中心对准仪器上中心进行对中。然而，由于矿井地下恶劣的环境，使得其对中比地面困难得多，易产生较大误差。例如，矿井巷道的风力会使悬挂的垂球出现摆动，垂球不稳定将导致利用垂球进行的对中不准确，即使风力很小，自然下垂的垂球也会在重力作用下进行摆动，且其摆动的幅度与频率极不规律。在这种条件下进行仪器对中，需要矿井测量人员用肉眼判断垂球底部中心与仪器上中心是否一致，这就导致了误差的产生，且误差大小因人而异，严重时可直接导致测量成果超出限差。

为了提高井底导线的测量精度，测量时通常采用“三架法”，可在一定程度上降低人为对中所带来的误差[7]，但其要求前视点的架设特别仔细，若前视点的架设出现问题，将会导致后面两个测站的精度出现偏差。同时，在测量过程中由于测站点和后视点无需进行对中操作，因此不能对对中误差进行修正[8]。“三架法”虽在一定程度上减少了人为对中带来的的误差，但前视点仪器的对中精度还是依赖于测量工作人员架设仪器的水平。

本文提出的改进措施为；受电子全站仪对中方式的启发，可在顶板控制点顶部安置一个能发射激光的装置，测量对中时让该装置在控制点底部发射激光，照射在巷道底部，将激光中点对准仪器上的中心位置，实现全站仪上对中与下对中的结合。该装置发射的激光不受井底巷道环境的影响，对中步骤与地面使用电子全站仪进行下对中基本一致，极大地减少了环境带来的对中误差，使井下测量的对中精度得到很大提升。

2.2 仪器高与觇标高的量取误差

井下导线测量时，仪器高与觇标高的量取误差对总误差的影响也较大，特别是在短距离导线边测量时，边长越短，其误差对总误差的影响越大。在矿井测量时，井下测量人员一般采用5 m小钢尺来量取控制点到仪器中心的距离（也可采用塔尺进行测量）。具体操作步骤为；准备一把小钢尺和一个超过3 m可伸缩的长棍（一般使用棱镜杆），利用胶带将小钢尺的一头固定在棱镜杆的上头部位，测量高度时将棱镜杆固定小钢尺的一端顶在巷道顶板控制点的位置上，再将小钢尺拉伸到仪器中心位置，通过读取小钢尺的读数来确定仪器高与觇标高。

在实际测量操作中发现，量取仪器高和觇标高时，小钢尺总不能垂直拉伸到仪器正中心位置，会出现一个角度差值。虽然当角度很小时，其差值引起的距离误差可忽略不计；但《煤矿测量规范》要求在量取仪器高与觇标高时，需独立量取两次，两次的互差不超过4 mm[9]，且在量取过程中，也需要测量人员目视仪器的正中心位置，这在无形中增大了仪器高的量取误差。

本文提出的改进措施为；激光不仅可用来对中整平，也可用于测量距离，全站仪棱镜距离测量就是利用激光测距原理。随着科技的发展，测距仪的品牌越来越多，其仪器本身越来越小，精度越来越高（测距精度可达毫米级），价格也越来越低。以量取全站仪的高度为例，可将测距仪应用于井下贯通测量中，利用测距仪量取仪器高与觇标高。量取仪器高时，可将手持测距仪的底部紧贴顶板控制点，使测距仪的激光准确照射在仪器的上中心位置（此时的仪器已对中整平），通过测距仪读取控制点到仪器上中心的距离d1，再利用小钢尺丈量得到仪器正中心到仪器上中心的距离d2，此时仪器正中心到控制点的高度d=d1+d2。通过测距仪测量控制点到仪器正中心的距离，可避免使用钢尺量距时的丈量误差，在一定程度上提高了仪器高与觇标高的量取精度。

2.3 测距和测角误差

贯通测量的传统方法是利用经纬仪测角、水准仪测距和两点间的高差[10]。随着全站仪的普及和其精度的不断提升，井下贯通测量时，全站仪已代替了经纬仪和水准仪[11]。全站仪应用于井下贯通测量，大大减轻了测量工作人员的负担，使人力解放出来。在井下巷道利用全站仪进行贯通测量时，通过瞄准棱镜正中心来确定导线边的方位角、两点间的距离和高差[12]。

测距和测角误差的主要来源为；测量人员在瞄准棱镜时，未将全站仪的十字正中心置于棱镜的正中心，从而产生了瞄准误差。测距和测角误差主要表现在长距离的导线边中，且距离越长、误差超限的几率越大。

在测距和测角时，由于井底照明度不足，测量人员无法准确确定棱镜的正中心位置，这是导致瞄准误差的主要原因，且在长距离导线边测量时，瞄准误差对总误差的影响较大，易使两个测回之间的水平角超过限差规定，因此准确瞄准棱镜的正中心是提高贯通测量精度的关键。本文提出的改进措施为；考虑到井底照明度较弱，测量时一般通过矿灯来对前视后视进行照明，可对棱镜进行改造，在棱镜板左右和上方正中心位置各粘贴一段窄小的荧光纸，矿灯照射棱镜时，全站仪可清晰地看到荧光纸，测量人员使用全站仪里面的十字来对准棱镜板上的荧光纸，上下左右全部对齐，此时全站仪十字中心对准的就是棱镜的正中心。

3 结 语

通过对煤矿巷道贯通测量方案设计的分析，针对煤矿巷道贯通测量的复杂性以及测量人员自身的测量素养，本文总结了井下贯通测量可能出现的误差因素，并着重对人为因素造成的误差进行了分析。根据巷道贯通测量的特点以及笔者的实践情况，从测量方式和所用的仪器设备方面对人为因素导致的误差提出了改进措施。通过实践可知，改进措施能在很大程度上减少人为因素导致的测量误差，提高巷道贯通测量的精度，减少测量人员因误差超限而导致的重测时间，加快井下测量进度，为矿井安全的基础建设提供一定的保证。随着科学技术的发展，将出现更加先进的巷道贯通测量技术和仪器设备，进一步提高井下测量的精度。