井下全站仪导线测量方法的优化及应用

井下全站仪导线测量方法的优化及应用

李建睿

哈密和鑫矿业有限公司  新疆哈密 邮编   839000

摘要：近年来，我国对煤矿资源的需求不断增加，煤矿井下开采越来越多。基于当前井下全站仪导线测量技术在煤矿的广泛应用，本文首先分析传统导线测量主要存在的问题，其次探讨通过MATLAB软件实施全站仪测量位姿角误差，最后就井下全站仪定位与设备姿态角测量技术的工程应用进行研究，全站仪导线测量技术可以满足煤矿对井下测量的需要，可有效保障煤矿高效稳定可持续发展，对煤矿安全生产有着重大意义。

关键词：全站仪；导线测量；问题；优化；效果

引言

现如今，随着综采工作面的自动化、智能化发展的持续推进，如悬臂式掘进机、智能掘进机器人系统等智能化设备开始得到普及应用，相较于传统人工操控设备来说，智能化设备控制精准性较高，可有效避免巷道超挖欠挖情况。

1传统导线测量主要存在的问题

（1）劳动作业强度大：采用传统导线测量时需配备5人，一人观察、一人记录数据，两人分别在前后点安装棱镜，另一人对作业周围环境井下观察，劳动作业强度大。（2）测量效率低：采用传统导线测量时每个测点需安装一次仪器并进行整平对中，现场观察发现每个测点测量一次需用时1.5h，测量效率低。（3）测量精度低：传统导线测量时每个测站需要安装一次仪器，并进行对中整平，在对中整平过程中很容易出现对中误差，且随着测量导线延伸对中误差出现累计叠加现象，从而造成测量结果精度降低。

2通过MATLAB软件实施全站仪测量位姿角误差

仿真分析，分析中不考虑设备因素、安装因素以及天气因素对测量误差的影响，通过控制变量法获取不同影响因素对全站仪对设备位姿角测量误差的影响。根据现有研究成果可知，全站仪对设备位姿角测量精度主要受到全站仪与目标点之间斜距、竖直角以及水平角三种因素的影响。在另外2个影响因素保持不变情况下，将斜距参数设定为0~20m，则仿真分析结果如图1所示。根据仿真结果可知，随着全站仪与目标点之间斜距地持续增加，全站仪对设备的测量精度误差也会持续增长，因而在具体测量中应尽可能缩短全站仪与目标点之间的距离。在另外2个影响因素保持不变情况下，将水平角参数设定为0~2π，则仿真分析结果如图2所示。根据仿真结果可知，随着全站仪与目标点之间水平角的持续增加，全站仪对设备的测量精度误差则呈现出周期性变化特征，其中X方向上表现为正向曲线变化，Y方向上表现为余弦曲线变化，Z方向则不发生变化。在另外2个影响因素保持不变情况下，将竖直角参数设定为-π/2~π/2，根据仿真结果可知，当竖直角参数在-π/2~π/2变化，而另外2种影响因素保持不变时，全站仪对设备的测量精度误差则在X方向和Y方向表现出先增大后减小的态势，并且均在竖直角为0时达到误差最大值，而Z方向上的误差则与X方向和Y方向截然相反，表现出先减小后增大的特征，在竖直角为0时达到误差最小值。

图1在X方向上全站仪对设备位姿角测量精度随斜距变化

图2在X方向上全站仪对设备位姿角测量精度随水平角变化

3井下全站仪定位与设备姿态角测量技术的工程应用

3.1测量方法优点

（1）具有较强的实用性：与传统导线测量方法相比，三脚架法导线测量时受施工环境、作业场所粉尘浓度以及风速影响小；同时传统导线测量时测点布置难度大、测量实现受阻严重；而全站仪导线测量时对测站布置要求低，可解决传统导线测量时测点受阻等技术难题，测量方法灵活性及实用性强。（2）对巷道掘进影响小：采用传统导线测量时巷道需停止掘进，每次测量时间为3h,对巷道掘进影响较大；而采用三脚架法导线测量时可与巷道掘进同步施工，对巷道掘进影响小。（3）测量劳动作业强度小：采用传统导线测量时每个测站需进行三次对中整平，测量工序繁琐且劳动作业强度大；而采用三脚架法导线测量时在第一个测站需进行三次对中整平，在以后每个测站中只需进行一次三脚架对中整平即可，从而大大降低了测量劳动作业强度，优化了测量工序，缩短了测量时间。（4）提高测量精度：传统导线测量时若共计需要进行N个导线点测量，则在整个测量过程中需要进行测量仪器及棱镜对中整平次数为3N；而采用三脚架法进行导线测量时对中整平次数为N+2次即可，大大减少了测量过程中设备对中整平次数，减小了对中误差，避免了对中误差传递，大大提高了导线测量精度。

3.2测量方法优化创新点

相较于传统测量方法，优化后的导线测量法主要具有下述若干方面异同点:（1）相同点:两种方法均是借助全站仪完成，在测量时，如果出现视线阻挡情形，均需构建转点；虽然两种测量方法的棱镜和三脚架等设备的数量不同，但均需进行对中、整平处理，且采取相同的测量方法。（2）不同点:①常规方法选择吊挂棱镜法进行观察，棱镜吊挂在顶板上，不仅难度较大，而且极易被巷道风流所影响，进而可能会严重影响测量精度；而优化后的测量方法棱镜被置于三脚架上，几乎不受气候条件的影响。②常规测量方法每测量一站时，需对仪器和棱镜进行对中、整平处理，不但极易出现误差，而且工作量巨大；而优化后的测量方法仅需对中后视点棱镜即可。

3.3测站信息

点击第三个水晶按钮，显示测站信息输入界面：测线名称、测站编号、其他。测线名称为字母与数字的组合，首位不能是字母，输入时可以是大写小，系统会统一转为大写。系统以测线为名创建沙箱文件数据目录，同一测线的所有测站数据存放到所属测线的沙箱目录下。测站编号为一条测线包含多个测站，测站编号只能是数字，且位长不能超过3。其他为温度、气压等按实际数据输入。设置完成后，一定要按确认。

3.4井下全站仪定位与设备姿态角测量试验步骤

1）检查全站仪、旋转台是否可正常运行，将三个单棱镜以等边三角形固定在旋转台上，其中一个单棱镜固定在旋转台中轴线上，另外两个单棱镜以中轴线对称布置。2）通过全站仪测量三个单棱镜在全站仪测量坐标系中的空间坐标值，标定智能掘进机器人系统初始姿态角参数。3）将旋转台3个姿态角从0°增加至10°，共增加10次，每次增加1°，记录每一次旋转后姿态角参数变化数据。根据工程应用试验确认，航向角最小误差和最大误差分别为-0.003°和0.069°，平均误差为0.040°；俯仰角最小误差和最大误差分别为-0.013°和0.057°，平均误差为0.040°；横滚角最小误差和最大误差分别为-0.003°和0.039°，平均误差为0.039°总体来说，全站仪定位与设备姿态角测量技术测量精度较高。

结语

综上所述，在采掘施工中，因为作业空间有限，作业环境差，不仅导致井下测量误差较高、挖掘速度慢，而且还导致测量工作难度非常大。所以在此种背景下，非常有必要优化煤矿测量方法。测量精度可实现智能掘进机器人系统航向角、俯仰角、横滚角等位姿参数实时测量分析，并且结合工程应用试验确认实际测量精度较高，因而可在后续井下设备位姿测量中合理应用。

参考文献

[1]兰天伟，张志佳，袁永年，韩军，刘洪泉，张俊杰，张宏伟，罗波远，刘铭玮.矿井地质动力环境评价方法与冲击地压矿井类型划分研究[J].煤田地质与勘探，2023,51(2)：12-15.

[2]施闯，魏娜，李敏，等．利用北斗系统建立和维持国家大地坐标参考框架的方法研究[J].武汉大学学报(信息科学版)，2017，42( 11) : 1635－1643．

[3]张旭，张超，詹银虎，毛庆洲.基于星点位置预测的线阵全站仪天文测量异常数据剔除方法[J].测绘学报，2023,52(4)：14-17.