全站儀后方交會(huì)測(cè)量法在復(fù)雜開采條件下的應(yīng)用

冉 輝

(湖南省水口山有色金屬集團(tuán)公司鉛鋅礦， 湖南常寧市 421513)

0 前言

水口山鉛鋅礦是一座百年老礦，目前以殘礦回采為主。由于殘礦資源多為民國或解放初期遺留下來的邊角余料，采區(qū)內(nèi)井巷、空區(qū)及充填體交錯(cuò)分布，空間相對(duì)位置復(fù)雜，同時(shí)巖石風(fēng)化破碎、巷道坍塌及冒頂片幫等地壓現(xiàn)象嚴(yán)重。由于開采時(shí)間久遠(yuǎn)，老巷道內(nèi)大量測(cè)量控制點(diǎn)腐蝕脫落，部分圖紙、數(shù)據(jù)缺失，給老采區(qū)殘礦回采及井巷施工的測(cè)量帶來很大困難。必須進(jìn)行測(cè)量坐標(biāo)和高程的導(dǎo)入，才能摸清礦體、空區(qū)及充填體的相對(duì)空間位置關(guān)系，指導(dǎo)殘礦回采。

404－20 m副層位于三中段與四中段夾層之間，開掘于民國時(shí)期，由于當(dāng)時(shí)工藝落后、礦石品位相對(duì)較低而棄采。近年來隨著礦石資源開發(fā)利用技術(shù)水平的提升，如今該礦體已具有開采價(jià)值。為探明該區(qū)域殘礦資源狀況，從404主平巷開掘一條高22 m的天井到達(dá)副層，再在副層掘進(jìn)一條長36 m的探礦平巷(見圖1)，使之與404w－2采場(chǎng)相通，形成人員及設(shè)備進(jìn)出通道。由于副層井巷原有測(cè)量點(diǎn)破壞，需從404主平巷引坐標(biāo)高程至20 m副層，指導(dǎo)工程施工。

傳統(tǒng)的聯(lián)系測(cè)量法利用儀器觀測(cè)角度，鋼尺丈量邊長結(jié)合三角函數(shù)計(jì)算，進(jìn)而求得坐標(biāo)，其方法與原理見圖2。其要完成聯(lián)系三角形邊長及鋼絲或棉線高度的丈量，必須預(yù)先在天井頂部搭建一操作平臺(tái)，此平臺(tái)應(yīng)搭制穩(wěn)定牢固，還必須與投點(diǎn)系統(tǒng)完全脫離。傳統(tǒng)方法測(cè)量過程復(fù)雜，數(shù)據(jù)較多，計(jì)算繁瑣，且受外界條件影響較大，操作困難，作業(yè)時(shí)間長，并且不易控制精度。

圖1 404－20 m副層探礦平巷設(shè)計(jì)圖

圖2 傳統(tǒng)聯(lián)系測(cè)量法原理

新方法充分運(yùn)用全站儀的自動(dòng)解算功能，同時(shí)引入懸掛棱鏡，只需在井下利用全站儀觀測(cè)角度，量取邊長，井上部分則直接利用儀器對(duì)準(zhǔn)懸掛棱鏡測(cè)量。測(cè)量計(jì)算方面，新方法井下部分利用支導(dǎo)線計(jì)算原理求得棉線坐標(biāo)，井上部分則用全站儀后方交會(huì)自動(dòng)結(jié)算功能直接測(cè)出導(dǎo)入點(diǎn)坐標(biāo)。

1 全站儀后方交會(huì)測(cè)量法及其應(yīng)用

在待測(cè)點(diǎn)設(shè)站，向三個(gè)已知控制點(diǎn)觀測(cè)兩個(gè)水平夾角α、β，從而計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即為后方交會(huì)(見圖3)。圖中A、B、C為已知控制點(diǎn)，是新方法中三根棉線的坐標(biāo)，P點(diǎn)為待測(cè)點(diǎn)，是坐標(biāo)導(dǎo)入點(diǎn)。如果觀測(cè)了PA和PC之間的夾角α，以及PB和PC之間的夾角β，這樣P點(diǎn)同時(shí)位于△PAC和△PBC的兩個(gè)外接圓上，必定是兩個(gè)外接圓的兩個(gè)交點(diǎn)之一。由于C點(diǎn)也是兩個(gè)交點(diǎn)之一，則P點(diǎn)便唯一確認(rèn)。后方交會(huì)的前提是待測(cè)點(diǎn)P不能位于由已知點(diǎn)A、B、C所決定的外接圓(稱為危險(xiǎn)園)的圓周上，否則P點(diǎn)將不能唯一確定，若接近危險(xiǎn)圓(待定點(diǎn)P至危險(xiǎn)圓圓周的距離小于危險(xiǎn)圓半徑的1/5)，則P點(diǎn)的可靠性將降低，在使用后方交會(huì)法時(shí)應(yīng)盡量避免上述情況。

圖3 后方交會(huì)法原理

1.1 吊 線

首先在人行天井頂板上懸吊3根棉線，為保證測(cè)量精度及滿足測(cè)量要求，3根棉線應(yīng)構(gòu)成較好的三角形，棉線之間的相互距離應(yīng)盡量大于0.5 m，且3根棉線與坐標(biāo)導(dǎo)入點(diǎn)不能構(gòu)成危險(xiǎn)圓。在棉線懸掛過程中應(yīng)避免與梯子、梯子平臺(tái)、巖壁等接觸。

1.2 井下棉線坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量

利用404主平巷中的已知坐標(biāo)高程的控制點(diǎn)A、C，在C處安置全站儀(見圖4)，以控制點(diǎn)A為后視點(diǎn)觀測(cè)并計(jì)算出儀器與3根棉線之間的方位角α1、α2、α3，用鋼尺丈量出儀器與3根棉線之間的水平距離C1、C2、C3。在丈量距離時(shí)首先將全站儀水平角調(diào)到0°00'00″，然后對(duì)準(zhǔn)3根棉線，在全站儀十字絲中心對(duì)到的棉線處插入鐵釘作為全站儀與棉線水平的標(biāo)志，然后用鋼尺量取該距離，在量距時(shí)應(yīng)至少丈量3次取平均值作為儀器與3根棉線之間的水平距離。觀測(cè)結(jié)束后可現(xiàn)場(chǎng)采用支導(dǎo)線的原理，利用已知控制點(diǎn)A、C，儀器與棉線的方位角及水平距離計(jì)算出1，2，3三根棉線的坐標(biāo)。為保證棉線坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，測(cè)角、量距、計(jì)算需要進(jìn)行3次以上，然后取計(jì)算結(jié)果的平均值作為3根棉線的坐標(biāo)，此棉線坐標(biāo)也是3根棉線懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3 導(dǎo)入點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量

在井上副層中主要利用后方交會(huì)法原理，利用求得的棉線懸掛點(diǎn)的坐標(biāo)作為后方交會(huì)測(cè)量的3個(gè)已知控制點(diǎn)來求出未知點(diǎn)的坐標(biāo)。其方法與測(cè)量過程如下:

在404－20 m副層的天井兩端巷道的頂板上各做一個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)作為404平巷中的坐標(biāo)高程導(dǎo)入點(diǎn)，如圖3中的a，b點(diǎn)。此時(shí)可以將天井頂板上的3根棉線拆掉，換成懸掛式棱鏡。首先調(diào)節(jié)小棱鏡至水平狀態(tài)，待懸掛棱鏡花桿穩(wěn)定不擺動(dòng)后，在a點(diǎn)架設(shè)全站儀，b點(diǎn)架設(shè)棱鏡，兩端儀器對(duì)中整平后打開全站儀，進(jìn)入后方交會(huì)測(cè)量界面，將3根棉線點(diǎn)的坐標(biāo)輸入全站儀并照準(zhǔn)3個(gè)棱鏡中心，利用全站儀后方交會(huì)功能直接測(cè)出a點(diǎn)的坐標(biāo)。然后全站儀照準(zhǔn)b點(diǎn)棱鏡，測(cè)量并計(jì)算出b點(diǎn)坐標(biāo)，完成a、b兩點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入。同樣，為保證測(cè)量精度，此過程應(yīng)至少操作3次以上，取數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。

圖4 全站儀后方交會(huì)測(cè)量法

1.4 高程導(dǎo)入

高程導(dǎo)入的方式與傳統(tǒng)方法一致(見圖5)，此過程需要在拆除棉線前完成。

圖5 全站儀后方交會(huì)測(cè)量法高程導(dǎo)入

1.5 測(cè)量精度

全站儀后方交會(huì)測(cè)量本身精度是比較高的，但在設(shè)置坐標(biāo)導(dǎo)入點(diǎn)時(shí)要注意導(dǎo)入點(diǎn)與棉線之間的夾角，為保證精度，其夾角一般控制在30°～120°。使用該方法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，一般可達(dá)±5 mm精度。實(shí)踐證明用2 s、2+2 ppm級(jí)的全站儀，放樣距離在150 m之內(nèi)，其放樣點(diǎn)位中誤差可保證在±3 mm。

2 特點(diǎn)述評(píng)

利用全站儀后方交會(huì)測(cè)量法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，其主要特點(diǎn)如下:

(1)計(jì)算過程簡單快捷且計(jì)算量小。傳統(tǒng)方法由于井上、井下部分需要儀器測(cè)量及人工丈量的夾角、線距、邊長較多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)多、計(jì)算量大。使用全站儀后方交會(huì)法，只需儀器測(cè)量及人工丈量井下部分的夾角和邊長，而且可以用支導(dǎo)線的方式直接算出3根棉線的坐標(biāo)，其計(jì)算過程簡單快捷;井上部分導(dǎo)入點(diǎn)的坐標(biāo)則無需計(jì)算，可利用儀器本身功能直接測(cè)出。

(2)操作過程簡單。相比較于傳統(tǒng)方法，井上部分利用懸掛式棱鏡代替棉線垂球后無需使用儀器及人工丈量夾角、線距及邊長。只需使用全站儀照準(zhǔn)懸掛棱鏡，利用全站儀的后方交會(huì)功能可直接測(cè)出導(dǎo)入點(diǎn)的坐標(biāo)，其過程與原理簡單可靠，使測(cè)量過程操作量減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

(3)提高測(cè)量精度。由于懸掛棱鏡的細(xì)花桿長度短，且是硬質(zhì)金屬，利用懸掛棱鏡代替棉線可明顯減小擺動(dòng)幅度和避免旋轉(zhuǎn)，從而提高測(cè)量精度。同時(shí)由于省去了人工丈量邊長和線距的環(huán)節(jié)，降低了人為因素造成的測(cè)量誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加精確。

3 結(jié)語

由于聯(lián)系測(cè)量施工現(xiàn)場(chǎng)條件苛刻，勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)難度較大，復(fù)雜的操作和繁瑣的計(jì)算極易造成測(cè)量儀器及測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差。利用全站儀后方交會(huì)測(cè)量法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，具有操作方便，計(jì)算簡單且精度高的特點(diǎn)，相比較于傳統(tǒng)聯(lián)系測(cè)量方法具有顯著優(yōu)勢(shì)，可以滿足水口山鉛鋅礦殘礦測(cè)量的要求，在井下殘礦回采中，尤其是在副層采場(chǎng)、巷道等復(fù)雜的開采條件下可以得到很好應(yīng)用。

另外對(duì)于礦井中段、副層開拓等礦建工程，盲豎井、天溜井、風(fēng)井等井巷工程施工結(jié)束后的坐標(biāo)高程導(dǎo)入以及坐標(biāo)檢核校正都可應(yīng)用該方法。

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