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1、全站仪免棱镜测距技术在煤矿测绘中的应用 李超 中国神华神东煤炭集团地测公司 摘 要： 介绍了免棱镜测距技术的发展历程和技术原理, 论述了免棱镜型全站仪在煤矿测绘工作中的应用, 指出了使用免棱镜全站仪进行测量时应注意的问题。关键词： 全站仪; 免棱镜测距技术; 煤矿测绘; 作者简介：李超, 男, 1981 年生, 中国神华神东煤炭集团地测公司工程师。收稿日期：2017-09-28The Application of Total Station Non Prism Ranging Technology in Coal Mine MappingLI Chao Abstract： This paper
2、 introduces the ranging technology development and technology principle, discusses application of total station non prism in surveying and mapping work of coal mine, points out problems that should be paid attention in using total station non prism to measure.Keyword： total station; non prism rangin
3、g technology; coal mine mapping; Received： 2017-09-28目前, 测量仪器中全站仪以其高度自动化和准确快捷的定位功能在煤矿测绘行业占绝对统治地位。随着科技的不断进步, 许多新技术运用到全站仪的制造和使用当中, 其中一项重要发展是免棱镜全站仪的出现。传统的全站仪测量需要棱镜的配合使用, 在难于架设棱镜的工作地点和环境中给测量工作带来极大不便和困难, 而全站仪免棱镜测距技术的使用解决了这一难题, 在很大程度上节省了人力与时间, 提高了工作效率。它在一定程度上改变了传统的作业方式, 减轻了测量工作的危险程度, 对于控制测量、地形测量和工程测量都具有重要
4、作用。而在煤矿测绘工作中, 准确、快速、灵活地运用全站仪免棱镜测距技术, 有望建立巷道表面数字模型, 加快数字化矿山的进程。1 免棱镜测距技术发展历程免棱镜测距仪最早出现于 20 世纪 80 年代, 当时为了适应某些高危、高温以及某些具有大数量被测目标等特殊测绘环境的需要, WILD 推出了 DIOR3002 型测距仪, 紧跟着 SOKKIA 也推出了 SET30 系列、SET110 系列等产品。这些产品在某些特殊测量领域得到了一定的应用, 但在常规测量工作中的应用并不普及。随着测绘科学技术的不断发展, 进入 21 世纪以后, 各大仪器厂商先后在其主流的全站仪上增加了免棱镜测距的功能, 目前我
5、们在市场上所能见到的全站仪中, 大部分的仪器都有了免棱镜测距功能, 虽然各厂商产品之间的测距原理、测程长短、测量精度等各有差异, 但免棱镜测距功能仍然在我们日常的测量工作中得到越来越广泛的应用。中国神华神东煤炭集团地测公司现使用的其中一台全站仪 GTS-3002LN, 就是由日本拓普康公司 2005 年推出的一款免棱镜全站仪。它采用脉冲激光二极管发出的不可见激光测距, 在视线良好的条件下, 免棱镜测距测程可达 1 200 m。使用免棱镜测距功能时, 直接按距离测量键进入距离测量模式, 该模式下有P1、P2、P3 三页菜单 (如图 1 所示) , P1 页菜单有“测量”“模式”“NP/P”3 个
6、命令;多次按 F3 键 (NP/P) 可使测距模式在 P/NP/LNP 之间切换, 其中 P 为有棱镜测距模式。为方便用户切换测距模式, 凡有测距命令的菜单中都设置了“NP/P”选项。仪器开机时, 测距模式自动设置为 P 模式, 在 P1 页菜单下按F3 键, 仪器进入 NP 模式, 屏幕最右边显示字母“NP”;再次按 F3 键, 仪器进入 LNP 模式, 屏幕最右边显示字母“LNP”;再按 F3 键, 仪器又进入有棱镜模式, 依次循环。NP 模式的测程为 1 m250 m, LNP 模式的测程为 5 m1 200 m。2 免棱镜测距技术原理免棱镜测量又叫无合作目标测量, 免棱镜全站仪内部融合
7、了无反射棱镜电子测距仪, 从而具有免棱镜功能, 不用棱镜作为测量目标就可以直接进行测距。电子测距仪的基本组成包括发射部分、回光部分、接收部分、测量和计算部分。对于有棱镜测距, 回光部分为反射棱镜或反射条, 它能将大部分的入射光沿入射光路反射回测距仪的接收部分接收, 实现测距。对于免棱镜测距, 回光部分为被测物体的反射部分, 它将全站仪发射的入射光沿各个方向反射, 形成漫反射, 部分反射光被测距仪的接收部分接收, 进而实现测距。图 1 GTS-3002LN 全站仪测距模式界面 下载原图免棱镜测量有脉冲法和相位法两种测量方法和多种测量模式。脉冲法测量时是靠发射和接收信号之间的时间间隔来计算仪器到被
8、测目标的距离, 最终依多次测量测得的平均距离作为测量的最或然值。相位法测量是利用测量的连续信号, 以不同的测量频率来调制载波的信号从而测出发射信号和接收信号间的相位差, 从而求得仪器到被测物之间的距离。一般来说在同等条件下, 脉冲法的测程相对于相位法更远, 但相位法的精度比脉冲法高。3 免棱镜型全站仪在煤矿测绘工作中的应用通过近几年免棱镜全站仪在中国神华神东煤炭集团的煤矿日常测量工作中的大量使用实践积累, 我们进行了系统的归纳, 总结出了一定的经验和规律。在大部分测量工作中, 免棱镜测距功能能提高工作效率, 减轻测绘工作人员的劳动强度, 而且数据真实可靠, 精度符合要求, 能够满足测量工作的需
9、要。3.1 在地形测量方面的应用地形测量也是煤矿测量的一部分, 在井下综采工作面回采之前要做好地面的地物调查和地形测量, 以此来确定地面建筑物、铁路和河湖等与井下采煤工作面之间的相对位置关系。我们在进行地形测量工作的时候, 经常可以碰到一些前视跑尺人员难以接近的特征点位, 比如悬崖峭壁的边缘点, 或者滑坡地带等等, 以前无论是用全站仪还是 GPSRTK 都需要接近这些危险地带, 而使用全站仪免棱镜测距技术, 只需司仪人员将仪器调整至免棱镜测距模式, 用望远镜瞄准想要测量的位置直接进行测量, 而不需要前视人员到达测点现场。3.2 在测绘矿图方面的应用煤矿测量图简称矿图, 它是煤炭企业中最重要的技
10、术资料之一, 是管理采矿企业和指导生产必不可少的基础图件。煤矿测绘中最基本的八大矿图分别为:井田区域地形图、工业广场平面图、井底车场平面图、采掘工程平面图、主要巷道平面图、井上下对照图、井筒断面图、主要保护煤柱图。测绘这些矿图时, 免棱镜测距技术可以大大提高工作效率。比如在测绘工业广场平面图时, 必须采集工业广场内大量建筑物的具体位置, 以前要靠前视人员跑到各种建筑物的特征点上, 一些建筑物例如煤仓、栈桥甚至要爬到顶部进行测量, 既危险又辛苦。而开启免棱镜测量模式后, 只需瞄准想要测的特征位置直接进行测量即可。这大大提高了各种矿图的编辑与更新速度, 使各类矿图更具有现势性和有效性, 对于正确进
11、行采矿设计以及各种工程的需要都具有重要作用。3.3 在导线测量时丈量仪器上高中的应用煤矿井下控制导线点为了永久保存, 避免被施工人员、机械运输等破坏, 一般不布设在底板或两帮上, 而是布设在最为稳定、影响最小的顶板上。在导线测量中, 要进行点上对中, 量取仪器中心到顶板导线点的铅垂距离, 而中国神华神东煤炭集团的煤矿煤层普遍较厚, 有的机头硐室巷高达到 6 m 以上, 若用钢尺丈量仪器上高误差会较大, 有时甚至受强大风流影响钢尺根本举不起来, 无法完成丈量, 此时可以将全站仪提手取掉, 望远镜垂直向上瞄准顶板导线点, 利用免棱镜测距模式准确测量仪器与顶板导线点之间的距离, 即仪器上高。该方式避
12、免了钢尺向上测量时的诸多不便, 不但加快了测量速度, 而且提高了测量精度。3.4 免棱镜实测距离进行巷道开口标定矿井在生产过程中, 测量人员要按照采掘设计图纸将每条巷道开口位置在实地标定出来。在实际标定中, 以前是测量前视人员根据司仪人员提示用线绳挂上棱镜在仪器视线方向上前后挪动, 由于悬挂棱镜时棱镜并不是绝对铅垂, 有“昂头”或“低头”现象, 再加上井下风流影响和棱镜自身的摆动, 所以通过有棱镜距离测量模式放样, 对中误差影响会比较大, 从而引发的距离误差通常会在几厘米之内。而改用无棱镜测距模式, 前视人员直接将钉子放在巷道顶板预计位置, 司仪人员直接用仪器瞄准钉子部位的巷道顶板, 测量距离
13、, 前视人员再根据司仪人员提示直接用钉子在仪器视线方向上前后挪动, 这样大大减小了前视点的对中误差影响, 放样精度可控制在 1 cm 以内。3.5 免棱镜实测高差标定腰线矿井在生产过程中, 平硐、斜井或有特殊作用的巷道 (运输、排水、风桥等) 都需要按照一定坡度进行掘进, 其坡度需要采用标定腰线的方法来指示。根据巷道的性质、用途不同, 标定腰线可以采用不同的仪器和方法。常见的方法有中线点兼作腰线点的标设法、伪倾角标设法等。以前煤矿测量人员常用伪倾角法标定腰线, 此方法的优点是只测量角度, 不用测量距离, 缺点是公式较难, 计算较复杂, 按施工要求左右帮同时标定两组腰线要计算 4 个伪倾角, 容
14、易出错。全站仪免棱镜测距模式不但可以直接测量距离, 而且可以直接测量高差, 利用这个原理, 中国神华神东煤炭集团测量人员经过长期的测量实践摸索, 发明了用免棱镜测距实测高差标定腰线的方法, 按照这种方法标定腰线, 工作就会变得很简单。图 2 免棱镜测距实测高差标定腰线 下载原图如图 2 所示, 全站仪在巷道内任意架站, 瞄准上次所放腰线点 T, 开启全站仪免棱镜测距模式, 测出高差 H, 再旋转照准部瞄准要新标定的第一个腰线点 T1处, 用钢尺在帮上量出 T-T1平距 L1, 上下移动钉子位置, 利用全站仪免棱镜测距模式使测出来的高差为 H+L1tg, 定出腰线点 T1;同理再旋转照准部瞄准要
15、新标定的第二个腰线点 T2处, 用钢尺在帮上量出 T1-T2平距 L2, 上下移动钉子, 利用全站仪免棱镜测距使测出来的高差为 H+ (L1+L2) tg 时, 定出腰线点T2。放线完毕后, 再瞄准 T1和 T2, 再次用全站仪免棱镜测距模式实测高差为H+L1tg 和 H+ (L1+L2) tg, 则放线正确。该方法经长期测量实践验证精度可靠, 完全能满足工程要求, 其优点是可以随意架站, 不用在导线点或中线点处架设仪器, 不用量取仪高, 不受巷道底板起伏大或者在仪器视线水平方向上有设备阻挡的影响, 速度快, 效率高, 可节省一半以上的放线时间。3.6 在平剖、断面测量中的应用煤矿井下一些特殊
16、巷道需要仔细测量平剖断面图, 比如综采工作面的切眼和回撤通道, 由于要安装或者回撤支架, 需要巷道的高度、宽度等的加密数据。以前测量巷道的平剖断面图, 为了数据准确, 前视人员一般需要 3 个人, 一个人照棱镜, 一个人丈量棱镜到巷道的上下高、左右帮数据, 一个人记录前视上下左右数据。而采用无棱镜测距, 前视人员可以不用棱镜, 司仪人员可以直接打开激光在巷道左帮上测量一组数据, 右帮上再测量另一组数据, 利用这两组数据可以直接出平剖断面图, 效率大大提高。3.7 在验量测量方面的应用在井下一些旺采工艺形成的巷道, 由于支护程度相对较差, 测量人员可以不用接近工作面掌子头进行验收, 直接打开激光照射掌子头, 切换到免棱镜测距模式进行验收。3.8 在露天煤矿测绘中的应用在大型露天矿山的作业中, 测量人员需要对拒爆孔、高大边坡、采空区及高压线弧垂程度等众多危险区域进行定位测量, 这些不安全因素对测量人员来说是重大的安全隐患。将免棱镜全站仪技术应用到露天煤矿测绘中, 可使测量人员不用靠近危险区域便可快速获得高精度的测量数据, 大
