淺談礦山測(cè)量中全站儀的常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

秦 利

(潞安化工集團(tuán) 黑龍關(guān)煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200)

礦山測(cè)量是礦山建設(shè)和礦山安全生產(chǎn)中不可或缺的工作，為礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)、礦山的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)、礦井安全生產(chǎn)和決策部署、礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理等提供測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)，是礦山生產(chǎn)建設(shè)的“眼睛”[1]。隨著現(xiàn)代化安全高效礦井建設(shè)的不斷深入，國(guó)家對(duì)綠色開(kāi)采、礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理提出了更高要求，必須加強(qiáng)礦山測(cè)量工作的準(zhǔn)確性、實(shí)效性和全面性。全站儀是測(cè)量自動(dòng)化衍生的產(chǎn)物，是集光、機(jī)、電為一體，集經(jīng)緯儀測(cè)角、鋼卷尺測(cè)距、高差測(cè)量等測(cè)繪基礎(chǔ)功能于一身的高技術(shù)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量方法便捷、測(cè)量精度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、多種環(huán)境下、多方面的測(cè)量任務(wù)，為礦山建設(shè)提供可靠的測(cè)量信息數(shù)據(jù)，成為現(xiàn)代礦山測(cè)量最主要的測(cè)量設(shè)備[2-3]。

由于礦山測(cè)量技術(shù)要求較高，在全站儀實(shí)際應(yīng)用中常會(huì)出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、儀器軸線調(diào)整、測(cè)量方式選擇等問(wèn)題，嚴(yán)重影響全站儀測(cè)量的結(jié)果和質(zhì)量。

1 全站儀的基本測(cè)量原理

眾所周知，測(cè)量的基本任務(wù)包括水平距離測(cè)量、水平角測(cè)量、豎直角測(cè)量、高差測(cè)量。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，全站儀可以實(shí)現(xiàn)一次安置儀器完成測(cè)站上全部的測(cè)量工作，使距離測(cè)量、角度測(cè)量操作簡(jiǎn)單化和便捷化，且能夠在一定程度上避免讀數(shù)誤差的產(chǎn)生。這是全站儀獨(dú)樹(shù)一幟的強(qiáng)大特點(diǎn)，而這一特點(diǎn)的支撐在于儀器本身特殊的部件結(jié)構(gòu)。為了做到一次瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全部基本測(cè)量要素的測(cè)定功能，且保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，全站儀望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了視準(zhǔn)軸、測(cè)距光波發(fā)射和接收光軸的同軸化，以及全站儀雙軸自動(dòng)傾斜補(bǔ)償，即全站儀的基本測(cè)量原理[2]。

1) 全站儀同軸化。同軸化實(shí)際是針對(duì)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)的，在全站儀望遠(yuǎn)鏡與調(diào)焦透鏡之間設(shè)置了分光棱鏡系統(tǒng)，當(dāng)觀測(cè)者通過(guò)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡十字絲中心與棱鏡或其他目標(biāo)中心重合時(shí)，我們不僅可以通過(guò)全站儀提供的可視化屏幕進(jìn)行水平角度、垂直角度讀數(shù)，也可以根據(jù)測(cè)距光波發(fā)射和接收光軸的同軸化原理，測(cè)定光波發(fā)射和接收時(shí)間差，間接計(jì)算全站儀望遠(yuǎn)鏡中心與目標(biāo)中心之間的距離，實(shí)現(xiàn)水平角、垂直角、距離等全部基本測(cè)量要素的測(cè)定功能。而根據(jù)全站儀自身附帶的強(qiáng)大、便捷的數(shù)據(jù)處理功能，使全站儀應(yīng)用更為便捷。

2) 雙軸自動(dòng)補(bǔ)償。全站儀主要軸線包括視準(zhǔn)軸、橫軸、水準(zhǔn)管軸、儀器豎軸等，而當(dāng)儀器豎軸傾斜，會(huì)引起角度觀測(cè)誤差，且不能通過(guò)一測(cè)回盤(pán)左、盤(pán)右角度觀測(cè)取中進(jìn)行消除。為了提高測(cè)角精度，降低豎軸傾斜對(duì)角度測(cè)量引起的誤差，全站儀安置了特有的傾斜自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)豎軸傾斜進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)因傾斜造成的角度誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償和改正，進(jìn)而保證觀測(cè)精度。

2 全站儀在礦山測(cè)量中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

礦山測(cè)量涉及范圍較廣，且受到外界環(huán)境影響較大，傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備一次性完成某項(xiàng)礦山測(cè)量任務(wù)較為困難。而全站儀能夠有效地借助電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)性技術(shù)及光學(xué)技術(shù)滿足礦山測(cè)量需求，且儀器操作過(guò)程自動(dòng)化、獲取數(shù)據(jù)手段明確且便捷、精度較高，避免了在惡劣礦山環(huán)境下出現(xiàn)較大誤差，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性[2-4]。全站儀能夠成為礦山測(cè)量必不可少的儀器設(shè)備，除了上述同軸化和雙軸自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)外，還包括光電編碼度盤(pán)、免棱鏡和反射板距離測(cè)量、自動(dòng)化測(cè)量程序設(shè)計(jì)等。

1) 光電編碼度盤(pán)。相對(duì)于光學(xué)經(jīng)緯儀，全站儀選擇光電編碼度盤(pán)代替光學(xué)柵格度盤(pán)，利用自動(dòng)編碼傳感器設(shè)別角度代替人工光學(xué)測(cè)微讀數(shù)，提高了測(cè)角穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了角度的高精度自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù)，簡(jiǎn)化了角度測(cè)量的操作步驟，降低了人工讀數(shù)誤差，且保留了傳統(tǒng)測(cè)角精度等級(jí)選擇。除此之外，全站儀開(kāi)機(jī)后無(wú)需進(jìn)行角度初設(shè)，關(guān)機(jī)后所獲取的角度信息能夠自動(dòng)保存，極大地提升了全站儀的自動(dòng)化水平。

2) 免棱鏡和反射板測(cè)距?，F(xiàn)代全站儀設(shè)置的激光相位測(cè)距方法，不僅極大地提升了距離測(cè)量精度和目標(biāo)測(cè)量距離，還增強(qiáng)了儀器發(fā)射的測(cè)距信號(hào)，全站儀可以直接通過(guò)接收和識(shí)別經(jīng)過(guò)目標(biāo)后漫發(fā)射激光信號(hào)，無(wú)需在目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置全反射棱鏡，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。以徠卡TS06全站儀來(lái)講：全反射棱鏡距離測(cè)程為3 500 m，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度1.5 mm + 2×10-6D;反射片距離測(cè)程250 m，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量精度1.5 mm+2×10-6D；免棱鏡距離測(cè)程>1 000 m，2 mm+2×10-6D；激光反射率可達(dá)到90%.免棱鏡距離測(cè)量在礦山測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用，例如在井下中腰線標(biāo)定過(guò)程中，測(cè)量導(dǎo)線點(diǎn)距離巷道窩頭距離，由于導(dǎo)線點(diǎn)與窩頭之間常出現(xiàn)采掘設(shè)備影響、窩頭淤煤或積水、窩頭頂板不穩(wěn)定等情況，全反射棱鏡測(cè)距存在的安全隱患較大，直接采用免棱鏡測(cè)距，極大地提升了測(cè)距效率和作業(yè)安全性。

3 常見(jiàn)的全站儀應(yīng)用問(wèn)題及解決方法

礦山測(cè)量受測(cè)量環(huán)境、安全因素、工作強(qiáng)度、涉及范圍等的影響，測(cè)量難度、測(cè)量的復(fù)雜程度等與傳統(tǒng)測(cè)量相比較大。由于全站儀集成度和自動(dòng)化水平高，在實(shí)際礦山測(cè)量中，常常出現(xiàn)一些問(wèn)題，在一定程度上限制了全站儀在礦山測(cè)量中的應(yīng)用效果，降低了測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果精度不能保證，甚至出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤，影響了礦山的安全生產(chǎn)運(yùn)行。

3.1 測(cè)量距離不準(zhǔn)確

測(cè)量距離不準(zhǔn)確主要表現(xiàn)在棱鏡常數(shù)設(shè)置、棱鏡位置、測(cè)量信號(hào)遮擋等方面。

1) 棱鏡常數(shù)設(shè)置。全站儀利用全反射棱鏡進(jìn)行距離測(cè)量，望遠(yuǎn)鏡照準(zhǔn)棱鏡中心，全站儀通過(guò)發(fā)射激光信號(hào)，并接收通過(guò)棱鏡反射的信號(hào)，基于信號(hào)發(fā)射和反射時(shí)間差進(jìn)行距離計(jì)算。棱鏡為玻璃材質(zhì)，與空氣相比，兩者對(duì)信號(hào)的折射率不同，激光信號(hào)通過(guò)棱鏡的傳播速度比在空氣中傳播速度慢，全站儀測(cè)量到反射棱鏡的距離比實(shí)際距離要長(zhǎng)，這一差值稱(chēng)為棱鏡常數(shù)。不同類(lèi)型的棱鏡，棱鏡常數(shù)也不同(一般棱鏡廠家會(huì)在說(shuō)明書(shū)上注明棱鏡常數(shù))，常用的有-30 mm、-40 mm、0等幾種。如果在全站儀利用全反射棱鏡測(cè)距前，未在儀器中進(jìn)行棱鏡常數(shù)設(shè)置，測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量距離就會(huì)存在一個(gè)常數(shù)差，屬于距離測(cè)量系統(tǒng)誤差，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。尤其在大型巷道中腰線標(biāo)定和貫通測(cè)量過(guò)程中，往往有多個(gè)設(shè)站，多個(gè)設(shè)站常數(shù)差累計(jì)會(huì)產(chǎn)生技術(shù)誤差，對(duì)測(cè)距結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。

2) 棱鏡位置。在井下巷道中腰線標(biāo)定過(guò)程中，導(dǎo)線點(diǎn)一般固定于穩(wěn)定巷道頂板，設(shè)站測(cè)量采用瞄線繩的方法，距離測(cè)量與地面測(cè)量不同，一般不采用三腳架架設(shè)棱鏡對(duì)中整平的方法，而是采用人工手持棱鏡測(cè)距方法。而為了測(cè)距方便，棱鏡緊貼垂線繩前進(jìn)方向或者反方向放置。而全站儀發(fā)射的激光信號(hào)是到達(dá)棱鏡中心后發(fā)生反射，所以測(cè)量的是望遠(yuǎn)鏡中心與棱鏡中心之間的距離，棱鏡中心是指鏡頭內(nèi)部十字中心，所以棱鏡中心與棱鏡表面存在一定的距離。棱鏡放置垂線繩前后都會(huì)造成距離測(cè)量誤差，且人工放置棱鏡抖動(dòng)性較大，同樣影響測(cè)距精度。所以，正確放置棱鏡位置，應(yīng)當(dāng)將棱鏡上部中心對(duì)準(zhǔn)線繩錘球底部，且利用現(xiàn)場(chǎng)物體進(jìn)行輔助支撐。

3) 測(cè)量信號(hào)遮擋。激光信號(hào)往返時(shí)間差是計(jì)算距離的關(guān)鍵，在井下惡劣環(huán)境中，全站儀信號(hào)本身較弱，且空氣中遮擋信號(hào)和反射之物較多，造成測(cè)距信號(hào)弱，無(wú)法正常測(cè)距或者距離測(cè)量結(jié)果明顯錯(cuò)誤。此外，全站儀激光接收信號(hào)在完全正確瞄準(zhǔn)棱鏡中心的情況下達(dá)到最大，測(cè)距信號(hào)弱有可能是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡中心沒(méi)有正確瞄準(zhǔn)棱鏡中心，在此情況下，即使能夠測(cè)量距離，測(cè)出的距離也與實(shí)際距離存在較大的誤差。

3.2 全站儀軸線結(jié)構(gòu)問(wèn)題

全站儀的主要軸線包括水準(zhǔn)管軸、視準(zhǔn)軸、橫軸、豎軸等，當(dāng)儀器對(duì)中整平后，理論上全站儀應(yīng)當(dāng)滿足水準(zhǔn)管軸垂直于豎軸、視準(zhǔn)軸垂直于橫軸、橫軸垂直于豎軸、豎盤(pán)指標(biāo)處于正確位置等基本幾何關(guān)系。而由于全站儀出廠穩(wěn)定性較差，氣溫變化引起儀器部件脹縮，工作環(huán)境對(duì)儀器干擾影響，長(zhǎng)期遭受震動(dòng)、搬運(yùn)等影響，造成全站儀各軸線關(guān)系發(fā)生變化，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，主要包括視準(zhǔn)軸誤差(2C互差)、水平軸傾斜誤差和豎軸傾斜誤差(指標(biāo)差)。在誤差較小的情況下，可以通過(guò)全站儀具備的雙軸傾斜補(bǔ)償對(duì)軸線關(guān)系變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，消除誤差影響。而當(dāng)軸線誤差較大，就會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，主要體現(xiàn)在對(duì)角度測(cè)量的影響。所以，井下經(jīng)緯儀導(dǎo)線測(cè)量，必須滿足一定的觀測(cè)限差規(guī)定，例如選用DJ2級(jí)別儀器，同一測(cè)回半測(cè)回互差小于±20″、兩測(cè)回互差小于±12″、豎盤(pán)指標(biāo)差小于±15″，如果重復(fù)測(cè)量，儀器的歸零差、2C差、測(cè)回互差等不能滿足精度要求，則應(yīng)當(dāng)停止作業(yè)，對(duì)全站儀自身軸線進(jìn)行檢驗(yàn)和校正。

4 結(jié) 語(yǔ)

全站儀因其具備同軸化、雙軸傾斜補(bǔ)償、光電編碼度盤(pán)、高精度測(cè)距方式、以及涵蓋的多樣化自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在礦山測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于礦山測(cè)量工作條件限制以及全站儀集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，為了避免在測(cè)量作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程規(guī)定，加強(qiáng)對(duì)全站儀的日常檢測(cè)和校正，持續(xù)提升儀器操作水平和解決問(wèn)題的能力。