井下三角高程代替水準測量的可行性①

姜永濤,王麗美,謝峰震,蔡文惠

(新疆工業(yè)高等?？茖W校,新疆烏魯木齊830000)

0 引 言

礦山測量井下控制測量中,平面控制一般采用導線測量,高程控制一般采用水準測量。伴隨著科技的發(fā)展,全站儀的產(chǎn)生及其測距、測角精度的提高,使得利用井下三角高程測量代替常規(guī)水準測量做高程控制成為可能。通過對井下三角高程測量的精度分析,結(jié)合工程實例,說明了井下三角高程測量可以替代水準測量,為井下測量外業(yè)工作提供了依據(jù)。

礦山生產(chǎn)過程中,在滿足測量精度的前提下,如何能夠在最短的時間內(nèi)準確、及時、快速地完成各項測量工作,盡可能減少測量外業(yè)工作對生產(chǎn)的影響和測量人員的勞動強度,是具有現(xiàn)實意義的[1]。

1 井下三角高程測量精度分析

三角高程測量是根據(jù)由測站向照準點所觀測的高度角和兩點間的斜距,運用三角公式計算兩點間的高差,地面上進行三角高程測量因受到大氣折光和地球曲率[2]的影響,國內(nèi)外學者對這方面影響也作了很多研究,并論證了精密三角高程測量可以代替一、二等水準觀測的可行性[3-4]。

在井下高程控制測量中,由于井下巷道通風和無明顯熱源,使得巷道大氣平穩(wěn),密度均勻,大氣折光對三角高程測量的影響很小可以忽略不計。此外,礦山井下高程測量一般不用考慮地球曲率的影響,再者利用三角高程往返測量也可以消除地球曲率影響,所以井下三角高程測量也可以不考慮地球曲率的影響。礦山井下三角高程測量如圖 1所示[5]:

圖1 三角高程示意圖

式中:S為A、B兩點間的斜距;hAB為A、B兩點間的高差;α為豎直角;i為儀器高,v為目標高。

根據(jù)誤差傳播定律,AB之間的高差中誤差為

以Nikon DTM-532C全站儀為例對井下三角高程測量的精度進行分析[6]:

全站儀的測量精度為:2″,±2 mm+2 ppm,測程3600 m.

井下導線邊長為500 m時,儀器測距精度mS=±3 mm,采用三聯(lián)架法觀測,一測回對一條邊上的三角高程測量進行四次,根據(jù)誤差傳播定律,測距精度可看作±1.5 mm.

儀器豎直測角精度為mα=±2″,采用三聯(lián)架法,一測回對一條邊上的豎直角測量進行四次,根據(jù)誤差傳播定律,測角精度可看作±1″。

在井下量測儀器高和覘標高時,通過采用經(jīng)過檢定的條形硬鋼尺和各方向量取儀器高和目標高[2]可使得mi=±0.5 mm.

平巷的坡度一般為0～5°,斜巷坡度10～30°,利用三聯(lián)架法一個測回往測的精度計算如表1和表2所示:

表1 平巷三角高程精度表/mm

表2 斜巷三角高程精度表/mm

在實際井下控制測量中,一般要求為一測站上兩測回,并實施往返測,由表可以得出:

平巷三角高程誤差每公里高差中誤差最大為

由公式(3)可以看出,平巷三角高程的精度達到了井下高程控制四等水準測量的精度要求:每公里高差限差±10 mm.

斜巷三角高程誤差每公里高差中誤差最大為

由以上分析可知,利用測量精度2",±2 mm+2 ppm的全站儀實施井下導線控制,進行的三角高程測量精度完全可以滿足井下四等水準測量的精度要求。

2 三角高程測量礦山工程應用實例

礦山測量工程實例中,常用“三連架”或“四連架”法。此類方法[7]的優(yōu)點是可以提高井下測量速度、減少儀器對中誤差、同一站儀器高和覘標高之間相差常數(shù)等,因此,在礦山井下控制測量中被廣泛應用。根據(jù)筆者在礦山測量實踐中的經(jīng)驗,應用該方法需注意以下幾個方面:

1)工程施工前應進行全站儀檢驗校正;

2)儀器基座型號應與棱鏡基座型號一致、標準;

3)檢校儀器和棱鏡的上對中器。

本節(jié)以一個大型貫通項目和一個小型礦山的兩井聯(lián)系測量項目來說明井下三角高程測量的精度。

2.1 某大型煤礦貫通實例

貫通示意圖如圖2所示。

圖2 某大型煤礦貫通示意圖

圖中:貫通巷道為西六回風下山,長1.8 km;水平大巷(圖中粗線)有-400、-650、-800總長6.3 km,分別采用了四等水準觀測和三角高程測量;所有下山均采用三角高程測量。該工程于2009年3月順利、高精度貫通,該貫通實測貫通誤差:平面±0.025 m;高程±0.100 m.

對貫通工作中的高程測量分析得出:貫通總距離13 km,高程控制測量方面有6.3 km水準測量,6.8 km三角高程測量,貫通誤差為0.100 m,達到了井下貫通設計的高程精度要求。

-400、-650、-800水平大巷的水準觀測結(jié)果和三角高程互差如下表:

表3 水平大巷的水準觀測結(jié)果和三角高程互差

由表3可知:

1)水平巷道的水準觀測結(jié)果和三角高程結(jié)果基本一致,互差很小;

2)只利用井下三角高程測量也可以滿足貫通的垂直精度要求。

2.2 某小型煤礦井下控制實例

圖3 小型煤礦井下控制示意圖

某小型煤礦井下控制如下圖所示:圖中粗線部分為地面導線,點號為J3、JE、Y78、Z1、T4、T5;圖中細線為井下導線,點號為1～29。整個導線采用三聯(lián)架法施測,其中井下導線長1.5 km,地面導線長0.7 km,采用三角高程測量實施井下高程控制,高差閉合差為4.2 cm,精度較高,達到了礦方要求。

3 結(jié) 論

通過理論分析和實例驗證了井下三角高程測量的精度,論證了井下三角高程測量可以替代四等水準測量實施井下高程控制。采用適當?shù)姆椒ê痛胧?可以利用導線測量做平面和高程控制,這大大減少了井下測量的外業(yè)工作量和井下測量耽誤生產(chǎn)的時間,提高了工作效率,對礦山測量有指導意義和實際價值。

[1] 孫 鑫.全站儀在井下三角高程測量中的應用[J].采礦技術(shù),2006.6(1):118-119.

[2] 張 勇,王 波.全站儀三角高程新方法及精度估算[J].測繪工程,2007,16(6):46-48.

[3] 張正祿,鄧 勇,羅長林,等.精密三角高程代替一等水準測量的研究[J].武漢大學學報?信息科學版,2006,31(1):5-8.

[4] 周水渠.精密三角高程測量代替二等水準測量的嘗試[J].測繪信息與工程,1999(3):25-29.

[5] 翟 翊,侯欽濤.三角高程測量計算公式的討論[J].測繪通報,2004,(3):11-12.

[6] 李芹芳.測繪工程基礎[M].人民交通出版社,2007.

[7] 李志超,張偉東.應用全站儀進行三角高程測量的新方法[J].水利科技與經(jīng)濟,2009,15(3):206.