基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法与流程

本发明属于矿山测量领域，涉及基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法。

背景技术：

在隧道、矿井等地下工程施工过程中，为了保证按设计方向掘进，保证各方向掘进的工作面在预定地点能正确贯通，就必须将地面的平面坐标系统和高程坐标系统通过斜井或竖井传递到地下，这些传递工作称为联系测量。通过联系测量使地下和地面测量有一个统一的平面坐标系统和高程系统，同时为地下测量提供坐标、方位角和高程起算数据。因此，能够准确地将地面坐标、方位及高程传递到地下，在隧道、矿井等地下工程中有着重要的实际意义和价值。

通过斜井、平硐的联系测量可由导线测量、水准测量、三角高程测量从地面洞口直接联测到地下完成，相对简单且误差较小。然而由于施工环境所限，有时必须通过竖井进行联系测量工作。竖井联系测量分为平面联系测量和高程联系测量，其中传递坐标和方位角的联系测量称为平面联系测量，也称为竖井定向；传递高程的联系测量称为高程联系测量，简称导入高程。传统的竖井定向方法有一井定向、二井定向，导入高程的方法通常是钢尺量距。而这些技术具有如下特点：第一，测量时间较长，通常需要停产测量；第二，测量精度低；第三，受外界环境影响较大。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法，其基于三棱锥模型法，具有测量精度高，测试时间短的优点。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法，包括以下步骤：

步骤一，在竖井的井盖附近选取近井点A，在近井点A架设全站仪，在竖井的井盖处选取投点O，在投点处O架设距离测量装置，距离测量装置包括棱镜和测距装置，利用全站仪瞄准棱镜，测量得到投点O的坐标(X，Y，Z)；

步骤二，在竖井底部选取三个固定点N、P、Q，三点位于同一水平面上，四个点O、N、P和Q形成一个三棱锥O-NPQ；在三个固定点N、P、Q处分别设置反光装置，用测距装置分别测量三棱锥的三条斜边ON、OP和OQ的长度L₁、L₂和L₃，用测量尺量出底边NP、PQ和QN的长度S₁、S₂和S₃；

步骤三，投点O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影点为O＇，计算投点O与投影点O＇之间的距离，即高差H，采用公式为其中，V_O-NPQ表示三棱锥O-NPQ的体积V_O-NPQ，S_ΔNPQ为底面三角形ΔNPQ的面积；

得到投影点O＇的坐标(X＇，Y＇，Z＇)，其中，X＇＝X，Y＇＝Y，Z＇＝Z-H；

步骤四，确定投点O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影点O＇的位置；

步骤五，在竖井底部选取控制点B和控制点M，利用GAT陀螺全站仪计算井下控制点B和控制点M的坐标。

具体地，所述步骤四中的确定投点O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影点O＇的位置，具体包括以下步骤：

根据斜边ON的长度L₁和高差H，根据勾股定理求出斜边ON在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影长度l₁；同理可求出斜边OP和OQ在底面三角形ΔNPQ所在平面上的l₂和l₃；

分别以N、P、Q三点为圆心，对应以l₁、l₂、l₃为半径画圆，三个圆的交点即为投影点O＇。

具体地，所述步骤五中的利用GAT陀螺全站仪计算井下控制点B和控制点M的坐标，具体包括以下步骤：

在控制点B架设GAT陀螺全站仪，在O＇安置棱镜；利用GAT陀螺全站仪测量真方位角的功能测出BO＇方位角，输入O＇坐标，即可求出井下控制点B的坐标；

将GAT陀螺全站仪架设在控制点B，利用GAT陀螺全站仪测量真方位角的功能测出MB方位角,输入控制点B坐标，测出M点坐标。

具体地，所述距离测量装置包括三角架和微型三角架，所述棱镜安装在三脚架上，所述测距装置安装在微型三角架上；微型三角架设置在三角架内部；测距装置的中心与棱镜的中心位于同一铅锤线上。

进一步地，所述距离测量装置还包括脚架盘，所述三角架和微型三角架均设置在脚架盘上。

具体地，所述角架盘包括上层盘体和下层盘体，上层盘体和下层盘体之间通过多个脚螺旋连接，上层盘体上设置有两个相互垂直的水准管和一个圆水准气泡。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明的方法传递高程和坐标的过程，消除了投点误差，提高测距精度，观测的时间较短，不需要矿井、隧洞长时间封闭，为竖井快速联系测量提供可能性。

附图说明

图1为测量过程示意图；

图2为距离测量装置示意图；

图中各标号表示：1—棱镜，2—三脚架，3—测距装置，4—微型三脚架，5—脚架盘，6—水准管，7—圆水准气泡，8—脚螺旋。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

具体实施方式

本发明的基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法，包括以下步骤：

步骤一，选定高等级控制点T和近井点A，高等级控制点T和近井点A均由某设计院事先确定；在高等级控制点T架设棱镜，在近井点A架设全站仪，其中高等级控制点T用来后视定向，近井点A用作指导竖井掘进及坑道内经纬仪导向的起算点。在竖井的井盖处选取投点O，在投点处O架设距离测量装置，距离测量装置包括棱镜1；开启近井点A处的全站仪，输入近井点A的坐标和投点O处的距离测量装置的棱镜高度(h₁+h₂)，使全站仪瞄准高等级控制点T处的棱镜进行后视定向测量，转动全站仪瞄准投点O处的棱镜，按下测量键，即可得到投点O的坐标(X，Y，Z)。

所述距离测量装置包括三角架2，所述棱镜1设置在三脚架2的上方，三角架2包括3个长度相等的三角支腿；三角架2设置在脚架盘5的上方，三脚架2与脚架盘5之间还设置有微型三角架4，微型三角架4上放置有测距装置3，测距装置3的中心与棱镜1的中心位于同一铅垂线上；测距装置3可采用钢尺或者光电测距仪；所述棱镜1经过严格整平和常数校准后固定锁死。所述脚架盘5包括上层盘体和下层盘体，上层盘体和下层盘体之间通过三个脚螺旋8连接，上层盘体上设置有两个相互垂直的水准管6和一个圆水准气泡7，用于调节三脚架2和微型三脚架4处于水平状态。

步骤二，在竖井底部选取三个固定点N、P、Q，三点位于同一水平面上，四个点O、N、P和Q形成一个三棱锥O-NPQ；在三个固定点N、P、Q处分别设置反光装置，用测距装置3分别测量三棱锥的三条斜边ON、OP和OQ的长度L₁、L₂和L₃，用钢尺量出底边NP、PQ和QN的长度S₁、S₂和S₃；

步骤三，投点O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影点为O＇，计算投点O与投影点O＇之间的距离，即高差H，计算公式如下：

计算三棱锥O-NPQ的体积V_O-NPQ，即：

计算底面三角形ΔNPQ的面积S_ΔNPQ，即：

其中，

则投点O与投影点O＇之间的高差H为：

即可得到投影点O＇的坐标(X＇，Y＇，Z＇)，其中，X＇＝X，Y＇＝Y，Z＇＝Z-H。

步骤四，确定投点O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影点O＇的位置，确定方法如下：

根据斜边ON的长度L₁和高差H，根据勾股定理求出斜边ON在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影长度l₁；同理可求出斜边OP和OQ在底面三角形ΔNPQ所在平面上的l₂和l₃；

分别以N、P、Q三点为圆心，对应以l₁、l₂、l₃为半径画圆，三个圆的交点即为投影点O＇。

步骤五，计算井下控制点B和控制点M的坐标。

在井下距离投影点O＇30～50m处选取一个地质稳定、受施工影响较小且与O＇通视良好的点，作为控制点B，用来向洞内传递坐标和方向。在控制点B架设GAT陀螺全站仪，在O＇安置棱镜。利用GAT陀螺全站仪测量真方位角的功能测出BO＇方位角，输入O＇坐标，即可求出井下控制点B的坐标。

若通视条件良好，在距离控制点B的200～300m处设置控制点M；若通视条件不能满足200～300m通视要求，则在尽可能远且地质稳定、受施工影响较小的地方设置控制点M。

将GAT陀螺全站仪架设在控制点B，利用GAT陀螺全站仪测量真方位角的功能测出MB方位角,输入控制点B坐标，测出M点坐标。

传统的传递高程，即测量投点O与投影点O＇之间的高差H的方法为长钢尺量距导入、钢丝法导入何光电测距仪导入等方法，传统方法的误差来源于投点误差、投向误差、以及钢尺、钢丝在重力作用下的尺长误差)，本发明的传递高程的方法的高程传递误差来源于测距误差，与传统方法相比，误差较小。

传统的坐标传递过程，即确定投影点O＇的位置的过程采用的方法为：通过在竖井中悬挂吊丝并通过底部连接吊锤来使吊丝保持铅锤，为使吊锤较快地稳定，一般将其置于盛有机油的容器中，但是由于受到井筒内气流、滴水等影响，使得垂球线在井上的位置投到井底后发生偏离，产生投点误差，进而引起垂球线连线的投向误差。而采用本发明的坐标传递方法只需满足高精度测距即可。因此，本发明的基于三棱锥模型与陀螺全站仪联合的竖井联系测量方法，所需观测时间较短，测量时间快，不需要矿井、隧道长时间封闭，为竖井快速联系测量提供了可能。