提升全站儀在礦山測(cè)繪中測(cè)量精度的研究

王紅元

（福建省煤電股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

盡管與北方相比，南方的煤礦資源有限，地質(zhì)條件遠(yuǎn)不如北方優(yōu)越，但南方煤礦資源仍然在我國(guó)煤礦資源中占有重要地位。南方煤礦由于水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，突發(fā)性水淹井等事件發(fā)生率較高，導(dǎo)致在實(shí)際礦山測(cè)繪中測(cè)量精度受到影響。全站儀是一種高技術(shù)精密測(cè)量設(shè)備，該儀器將光、電、機(jī)集為一體[1]。當(dāng)前在礦山測(cè)繪中應(yīng)用較廣，在礦山測(cè)繪中使用該儀器能為開(kāi)采煤礦提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和資料支持。但由于南方煤礦區(qū)地質(zhì)條件和開(kāi)采條件較北方更艱難，導(dǎo)致全站儀在南方礦山中的應(yīng)用也一定程度受限，實(shí)際測(cè)量精度也有明顯差異，而全站儀提供的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，也會(huì)使得礦山工作人員開(kāi)采作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的增加。因此有必要根據(jù)南方特殊的地質(zhì)條件調(diào)整和優(yōu)化全站儀的使用。

1 全站儀在礦山測(cè)繪中測(cè)量的作用

在礦山測(cè)繪中使用全站儀能利用其同軸望遠(yuǎn)鏡和雙軸自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備，擴(kuò)大測(cè)量范圍，減少測(cè)量次數(shù)，能有效降低操作人員的工作強(qiáng)度和減少工作時(shí)間。由于全站儀設(shè)備自身的測(cè)量精準(zhǔn)性高于傳統(tǒng)測(cè)繪儀器，如電子經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀，因此在當(dāng)前的礦山測(cè)繪中能通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)的使用，自動(dòng)填繪相關(guān)資料數(shù)據(jù)，在全站儀完成測(cè)量作業(yè)后，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可直接到達(dá)計(jì)算機(jī)，后續(xù)相關(guān)計(jì)算均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行，從而減少人為操作和記錄造成數(shù)據(jù)誤差的發(fā)生，且在全站儀中配備的通訊接口能及時(shí)有效地完成數(shù)據(jù)傳輸，使全站儀在測(cè)量中的數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)能通過(guò)通訊接口完成及時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，減少人工應(yīng)用的次數(shù)。除此之外，由于全站儀集測(cè)繪、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ転橐惑w，在使用全站儀進(jìn)行礦井測(cè)量作業(yè)時(shí)，僅需一名操作人員進(jìn)行作業(yè)即可，一定程度上提高了操作人員的利用率。

2 影響全站儀在礦山測(cè)繪中測(cè)量精度的問(wèn)題

2.1 測(cè)繪人員操作問(wèn)題

當(dāng)前礦山測(cè)繪中使用的全站儀通常功能較多，但是在實(shí)際測(cè)繪中，技術(shù)人員通常使用其中的測(cè)角和光電測(cè)距功能。且在進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄時(shí)，仍以復(fù)述和手寫(xiě)等方式為主，而對(duì)于測(cè)量的數(shù)據(jù)處理和分析也以人工計(jì)算和計(jì)算器計(jì)算為主，除此之外，技術(shù)人員在進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，不同的技術(shù)人員在進(jìn)行測(cè)量角度的選擇上也存在一定程度的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的不同。因?yàn)槟戏降V區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，實(shí)際操作人員在進(jìn)行操作時(shí)，不同測(cè)量角度對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的影響也有所不同，因此實(shí)際呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)間也存在一定程度的差異[2]。除此之外，由于操作人員在使用全站儀時(shí)，對(duì)其位置的擺放、角度的調(diào)整等方面存在差異，使得實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)也有一定出入。除操作人員在進(jìn)行操作時(shí)的直接因素外，精度還受到操作人員記錄數(shù)據(jù)的影響。例如在實(shí)際測(cè)量后，操作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在礦區(qū)時(shí)以手工記錄為主，由于不同的操作人員有不同的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣和書(shū)寫(xiě)風(fēng)格，導(dǎo)致記錄不規(guī)范和字跡潦草等影響數(shù)據(jù)的辨認(rèn)。甚至人工計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤等問(wèn)題。而此類(lèi)人為因素影響數(shù)據(jù)的問(wèn)題，極大程度上影響實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。

2.2 外在環(huán)境因素影響

不同地質(zhì)條件下的礦山由于井下環(huán)境極為復(fù)雜，受粉塵、風(fēng)流和噴霧等因素影響，井下實(shí)際能見(jiàn)度較低，增加了實(shí)際測(cè)量的難度，進(jìn)而影響全站儀的測(cè)量精度。尤其是當(dāng)全站儀長(zhǎng)期處于礦井內(nèi)部時(shí)，受礦井內(nèi)環(huán)境影響較大，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度極其受限。尤其在南方地區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，礦井內(nèi)環(huán)境較不穩(wěn)定，尤其井內(nèi)的風(fēng)較大，而風(fēng)流會(huì)在測(cè)量過(guò)程中成為影響測(cè)量精準(zhǔn)度的重要因素之一。除此之外，反射介質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響也較大，反射介質(zhì)的表面粗糙程度和顏色深淺程度都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成不同的影響，通常來(lái)說(shuō)，反射介質(zhì)表面較為粗糙，表面反射能力較弱的情況下，實(shí)際測(cè)量的結(jié)果精準(zhǔn)度有限。對(duì)于南方的礦井而言，由于地質(zhì)環(huán)境的特殊性，巖溶較多，因此在實(shí)際測(cè)量時(shí)，表面反射能力較弱，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量存在誤差。而由于巖溶較多，使得井下溶洞裂隙水豐富，潮濕的環(huán)境對(duì)全站儀的測(cè)量精度影響較大。

2.3 全站儀自身設(shè)備因素

與電子經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀相比，全站儀擁有更為精準(zhǔn)的測(cè)量構(gòu)造，包括同軸望遠(yuǎn)鏡、雙軸自動(dòng)補(bǔ)償和通訊接口。從全站儀構(gòu)造來(lái)說(shuō)，同軸望遠(yuǎn)鏡能夠使全站儀實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)定水平角、垂直角和斜距等要素，但興一利必興一弊，由于配備了同軸望遠(yuǎn)鏡，全站儀能實(shí)現(xiàn)礦山更多角度的測(cè)量，但從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，全站儀在環(huán)境等因素的影響下精度的準(zhǔn)確度也有被影響的風(fēng)險(xiǎn)。尤其通訊接口的配置，一方面能有效提高數(shù)據(jù)傳輸和處理效率，另一方面也意味著在礦山受外在環(huán)境影響測(cè)量精度的風(fēng)險(xiǎn)更高。除此之外，全站儀由于長(zhǎng)時(shí)間處于測(cè)量的工作狀態(tài)中，其儀器的壽命和功能也受到影響，而目前關(guān)于全站儀的保養(yǎng)維護(hù)工作極為有限，也使得全站儀儀器本身的因素影響到實(shí)際測(cè)量精準(zhǔn)度[3]。

3 全站儀在礦山測(cè)繪中的操作方法

目前礦山中使用全站儀進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，主要是進(jìn)行水平角、距離和導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量等方面的作業(yè)。其中全站儀在進(jìn)行水平角測(cè)量時(shí)主要是通過(guò)其角度測(cè)量功能分別對(duì)第一和第二目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)盤(pán)清零后的測(cè)量，測(cè)量水平角相對(duì)簡(jiǎn)單。全站儀測(cè)量距離時(shí)，由于受外在影響較大，因此需要先對(duì)外在環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，包括氣象情況，是否大風(fēng)、氣溫如何，氣壓值多少等方面。隨后根據(jù)評(píng)估的數(shù)據(jù)情況調(diào)整全站儀測(cè)量設(shè)置，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常使用精準(zhǔn)模式，在全站儀測(cè)量距離時(shí)，精準(zhǔn)度最高的模式是脈沖相位比較式，該方式既能滿(mǎn)足遠(yuǎn)程測(cè)距又能有較高的精度。由于南方煤礦區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害較多，在進(jìn)行礦山開(kāi)采后，極易發(fā)生開(kāi)采沉降和山體滑坡等情況，因此在實(shí)際測(cè)量作業(yè)時(shí)，需提前對(duì)礦區(qū)基本情況進(jìn)行評(píng)估，在進(jìn)行礦山測(cè)量作業(yè)時(shí)，根據(jù)礦山的沉降程度和地質(zhì)破壞程度確定測(cè)量的范圍和相關(guān)參數(shù)，有利于減少礦區(qū)惡劣環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。

4 提升全站儀測(cè)量精度的途徑

4.1 提升技術(shù)人員的操作技能

由于全站儀的功能較為豐富，相關(guān)零部件較為脆弱，因此需要對(duì)技術(shù)人員進(jìn)行全站儀儀器的全功能詳細(xì)培訓(xùn)，并就日常使用的功能進(jìn)行詳細(xì)講解和操作考核，確保操作人員熟練有效地掌握操作方法。同時(shí)，需就全站儀使用的注意事項(xiàng)進(jìn)行針對(duì)性講解，尤其是確定全站儀設(shè)備連接處接口是否松動(dòng)，確定測(cè)量角度時(shí)也應(yīng)根據(jù)井下環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，使全站儀能處于較為安全的環(huán)境進(jìn)行測(cè)量作業(yè)[4]。為確保操作的統(tǒng)一流程化，培訓(xùn)操作人員在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，先根據(jù)井下環(huán)境確定全站儀的放置位置，確認(rèn)全站儀的測(cè)量范圍，通訊信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)通訊信號(hào)較弱的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，使全站儀能處于較為合適的位置，且保持通暢的通訊信號(hào)以確保數(shù)據(jù)的正常傳輸。南方礦區(qū)由于受多雨、地質(zhì)條件差等影響，全站儀在南方礦區(qū)使用時(shí)受外在因素影響較大，但全站儀設(shè)備自身無(wú)法根據(jù)環(huán)境的變化或惡劣的環(huán)境，調(diào)整設(shè)備的測(cè)量重點(diǎn)，因此需要技術(shù)人員有足夠豐富的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，能對(duì)測(cè)量環(huán)境中的各種可能影響精度的因素進(jìn)行評(píng)估，并采取相對(duì)應(yīng)的措施減少其對(duì)精度的影響。除此之外，為了降低人為測(cè)量導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差，在確定實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，采用多次測(cè)量的方法對(duì)多次測(cè)量的數(shù)據(jù)求平均后取值。

4.2 嚴(yán)格做好全站儀的校準(zhǔn)和保養(yǎng)工作

由于全站儀工作環(huán)境較為復(fù)雜，天氣、能見(jiàn)度、粉塵等對(duì)全站儀的影響較大，且由于全站儀儀器自身在生產(chǎn)和精度校準(zhǔn)時(shí)就存在一定的誤差，而在南方礦山測(cè)量中受外在環(huán)境的影響，尤其是天氣、風(fēng)力和能見(jiàn)度等影響，全站儀的測(cè)量誤差越來(lái)越大。因此全站儀需要根據(jù)使用的時(shí)間、使用具體地點(diǎn)等適時(shí)對(duì)全站儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使在使用全站儀之前能消除全站儀自身的誤差，同時(shí)對(duì)于在南方煤礦區(qū)域使用較為頻繁的全站儀，一方面需要做好全站儀使用后的保養(yǎng)工作，另一方面，為避免全站儀長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)下，零件等受損影響測(cè)量準(zhǔn)度，需要多個(gè)全站儀交替使用。全站儀應(yīng)由專(zhuān)人負(fù)責(zé)保管，對(duì)其使用和非使用狀態(tài)有詳細(xì)的記錄，避免全站儀處于非正常的高頻使用狀態(tài)中，進(jìn)而影響測(cè)量精度。測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)使用后應(yīng)及時(shí)將全站儀帶回，避免全站儀長(zhǎng)時(shí)間非工作狀態(tài)處于礦區(qū)環(huán)境中。由于測(cè)量?jī)x器一旦受潮將極大程度影響測(cè)量精度，因此保管人員需保證全站儀在未使用狀態(tài)下保持干燥狀態(tài)，且將全站儀放置在固定位置。

4.3 減少環(huán)境因素對(duì)測(cè)量精度的影響

井下測(cè)量環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生不同程度的影響，需要根據(jù)不同的環(huán)境情景調(diào)整全站儀的使用，對(duì)于井下風(fēng)大的情況，需要在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，配備擋風(fēng)儀，減少風(fēng)力對(duì)測(cè)量的影響；而井下能見(jiàn)度較低時(shí)，需適時(shí)調(diào)整測(cè)量范圍，通常而言，測(cè)量距離越近，測(cè)量的準(zhǔn)確度越高。尤其在能見(jiàn)度較低的情況下，更需要縮短測(cè)量距離。在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)之前需要使用專(zhuān)業(yè)工具對(duì)井內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，包括風(fēng)力大小和方向；井內(nèi)的壓力狀態(tài)；干濕程度和粉塵情況，并根據(jù)井內(nèi)環(huán)境的情況作出針對(duì)性的預(yù)判，根據(jù)基本環(huán)境情況確定儀器放置位置和測(cè)量范圍。尤其需要注意放置儀器時(shí)要使其偏心距偏小，構(gòu)成角偏小，盡可能降低環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。

4.4 引進(jìn)新系統(tǒng)輔助測(cè)量

由于南方地質(zhì)條件較差，不同礦區(qū)的具體地理環(huán)境具有較大差異，而全站儀雖然與傳統(tǒng)光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀相比有較高的自動(dòng)化水平，且受信號(hào)影響較小，但是全站儀不可避免地受到氣候、礦井內(nèi)能見(jiàn)度和濕度等影響[5]。因此為了提高全站儀的精度，減少其他因素對(duì)其精度的影響，需要引進(jìn)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量功能的系統(tǒng)，將其自身的GPS 測(cè)量功能和數(shù)據(jù)傳輸?shù)扰c全站儀工作全過(guò)程相結(jié)合，從而使全站儀能在最大程度上適應(yīng)南方礦山的不同地理環(huán)境和多變的天氣環(huán)境。礦井下測(cè)量工作的要點(diǎn)是確定煤巷道方位的定向，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)使用陀螺全站儀，通過(guò)測(cè)陀螺邊的方式，能夠較大程度提升導(dǎo)線(xiàn)的精度，為井下測(cè)量提供可靠的技術(shù)保證和數(shù)據(jù)支撐。南方地區(qū)由于地質(zhì)條件較差，礦井內(nèi)的空氣濕度較大，因此在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)極易受到影響，其中在應(yīng)對(duì)礦井下風(fēng)力較大、能見(jiàn)度較低時(shí)，可以使用防震球，幫助全站儀確定基準(zhǔn)點(diǎn)和后續(xù)測(cè)量作業(yè)，從而降低礦井內(nèi)不良環(huán)境對(duì)全站儀測(cè)量精度的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

在礦山測(cè)繪中使用全站儀容易受到多種因素的影響，使實(shí)際精度受到影響。綜上所述，在礦山測(cè)繪中，影響全站儀測(cè)量精度的原因主要有：操作人員操作和記錄的問(wèn)題；外在環(huán)境對(duì)全站儀儀器測(cè)量的影響；全站儀儀器自身未保養(yǎng)好或其他校準(zhǔn)問(wèn)題。為了提高全站儀在礦山測(cè)繪中的測(cè)量精度，需要注重操作人員的測(cè)量技術(shù)培訓(xùn)和規(guī)范記錄；做好全站儀的保養(yǎng)和校準(zhǔn)作業(yè)；減少外在環(huán)境對(duì)全站儀實(shí)際操作使用中精度的影響，借助新系統(tǒng)輔助全站儀進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。從以上幾個(gè)方面著手，可以有效減少礦區(qū)環(huán)境和人為因素對(duì)全站儀測(cè)量精度的影響，更有效地發(fā)揮全站儀在礦山測(cè)繪中的作用。