本發(fā)明屬于礦山測(cè)量領(lǐng)域，涉及基于三棱錐模型與陀螺全站儀聯(lián)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

在隧道、礦井等地下工程施工過(guò)程中，為了保證按設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)，保證各方向掘進(jìn)的工作面在預(yù)定地點(diǎn)能正確貫通，就必須將地面的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程坐標(biāo)系統(tǒng)通過(guò)斜井或豎井傳遞到地下，這些傳遞工作稱為聯(lián)系測(cè)量。通過(guò)聯(lián)系測(cè)量使地下和地面測(cè)量有一個(gè)統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，同時(shí)為地下測(cè)量提供坐標(biāo)、方位角和高程起算數(shù)據(jù)。因此，能夠準(zhǔn)確地將地面坐標(biāo)、方位及高程傳遞到地下，在隧道、礦井等地下工程中有著重要的實(shí)際意義和價(jià)值。

通過(guò)斜井、平硐的聯(lián)系測(cè)量可由導(dǎo)線測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量從地面洞口直接聯(lián)測(cè)到地下完成，相對(duì)簡(jiǎn)單且誤差較小。然而由于施工環(huán)境所限，有時(shí)必須通過(guò)豎井進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量工作。豎井聯(lián)系測(cè)量分為平面聯(lián)系測(cè)量和高程聯(lián)系測(cè)量，其中傳遞坐標(biāo)和方位角的聯(lián)系測(cè)量稱為平面聯(lián)系測(cè)量，也稱為豎井定向；傳遞高程的聯(lián)系測(cè)量稱為高程聯(lián)系測(cè)量，簡(jiǎn)稱導(dǎo)入高程。傳統(tǒng)的豎井定向方法有一井定向、二井定向，導(dǎo)入高程的方法通常是鋼尺量距。而這些技術(shù)具有如下特點(diǎn)：第一，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要停產(chǎn)測(cè)量；第二，測(cè)量精度低；第三，受外界環(huán)境影響較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于，提供基于三棱錐模型與陀螺全站儀聯(lián)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法，其基于三棱錐模型法，具有測(cè)量精度高，測(cè)試時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

基于三棱錐模型與陀螺全站儀聯(lián)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟一，在豎井的井蓋附近選取近井點(diǎn)A，在近井點(diǎn)A架設(shè)全站儀，在豎井的井蓋處選取投點(diǎn)O，在投點(diǎn)處O架設(shè)距離測(cè)量裝置，距離測(cè)量裝置包括棱鏡和測(cè)距裝置，利用全站儀瞄準(zhǔn)棱鏡，測(cè)量得到投點(diǎn)O的坐標(biāo)(X，Y，Z)；

步驟二，在豎井底部選取三個(gè)固定點(diǎn)N、P、Q，三點(diǎn)位于同一水平面上，四個(gè)點(diǎn)O、N、P和Q形成一個(gè)三棱錐O-NPQ；在三個(gè)固定點(diǎn)N、P、Q處分別設(shè)置反光裝置，用測(cè)距裝置分別測(cè)量三棱錐的三條斜邊ON、OP和OQ的長(zhǎng)度L₁、L₂和L₃，用測(cè)量尺量出底邊NP、PQ和QN的長(zhǎng)度S₁、S₂和S₃；

步驟三，投點(diǎn)O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影點(diǎn)為O＇，計(jì)算投點(diǎn)O與投影點(diǎn)O＇之間的距離，即高差H，采用公式為其中，V_O-NPQ表示三棱錐O-NPQ的體積V_O-NPQ，S_ΔNPQ為底面三角形ΔNPQ的面積；

得到投影點(diǎn)O＇的坐標(biāo)(X＇，Y＇，Z＇)，其中，X＇＝X，Y＇＝Y(jié)，Z＇＝Z-H；

步驟四，確定投點(diǎn)O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影點(diǎn)O＇的位置；

步驟五，在豎井底部選取控制點(diǎn)B和控制點(diǎn)M，利用GAT陀螺全站儀計(jì)算井下控制點(diǎn)B和控制點(diǎn)M的坐標(biāo)。

具體地，所述步驟四中的確定投點(diǎn)O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影點(diǎn)O＇的位置，具體包括以下步驟：

根據(jù)斜邊ON的長(zhǎng)度L₁和高差H，根據(jù)勾股定理求出斜邊ON在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影長(zhǎng)度l₁；同理可求出斜邊OP和OQ在底面三角形ΔNPQ所在平面上的l₂和l₃；

分別以N、P、Q三點(diǎn)為圓心，對(duì)應(yīng)以l₁、l₂、l₃為半徑畫圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為投影點(diǎn)O＇。

具體地，所述步驟五中的利用GAT陀螺全站儀計(jì)算井下控制點(diǎn)B和控制點(diǎn)M的坐標(biāo)，具體包括以下步驟：

在控制點(diǎn)B架設(shè)GAT陀螺全站儀，在O＇安置棱鏡；利用GAT陀螺全站儀測(cè)量真方位角的功能測(cè)出BO＇方位角，輸入O＇坐標(biāo)，即可求出井下控制點(diǎn)B的坐標(biāo)；

將GAT陀螺全站儀架設(shè)在控制點(diǎn)B，利用GAT陀螺全站儀測(cè)量真方位角的功能測(cè)出MB方位角,輸入控制點(diǎn)B坐標(biāo)，測(cè)出M點(diǎn)坐標(biāo)。

具體地，所述距離測(cè)量裝置包括三角架和微型三角架，所述棱鏡安裝在三腳架上，所述測(cè)距裝置安裝在微型三角架上；微型三角架設(shè)置在三角架內(nèi)部；測(cè)距裝置的中心與棱鏡的中心位于同一鉛錘線上。

進(jìn)一步地，所述距離測(cè)量裝置還包括腳架盤，所述三角架和微型三角架均設(shè)置在腳架盤上。

具體地，所述角架盤包括上層盤體和下層盤體，上層盤體和下層盤體之間通過(guò)多個(gè)腳螺旋連接，上層盤體上設(shè)置有兩個(gè)相互垂直的水準(zhǔn)管和一個(gè)圓水準(zhǔn)氣泡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明的方法傳遞高程和坐標(biāo)的過(guò)程，消除了投點(diǎn)誤差，提高測(cè)距精度，觀測(cè)的時(shí)間較短，不需要礦井、隧洞長(zhǎng)時(shí)間封閉，為豎井快速聯(lián)系測(cè)量提供可能性。

附圖說(shuō)明

圖1為測(cè)量過(guò)程示意圖；

圖2為距離測(cè)量裝置示意圖；

圖中各標(biāo)號(hào)表示：1—棱鏡，2—三腳架，3—測(cè)距裝置，4—微型三腳架，5—腳架盤，6—水準(zhǔn)管，7—圓水準(zhǔn)氣泡，8—腳螺旋。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的方案作進(jìn)一步詳細(xì)地解釋和說(shuō)明。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基于三棱錐模型與陀螺全站儀聯(lián)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟一，選定高等級(jí)控制點(diǎn)T和近井點(diǎn)A，高等級(jí)控制點(diǎn)T和近井點(diǎn)A均由某設(shè)計(jì)院事先確定；在高等級(jí)控制點(diǎn)T架設(shè)棱鏡，在近井點(diǎn)A架設(shè)全站儀，其中高等級(jí)控制點(diǎn)T用來(lái)后視定向，近井點(diǎn)A用作指導(dǎo)豎井掘進(jìn)及坑道內(nèi)經(jīng)緯儀導(dǎo)向的起算點(diǎn)。在豎井的井蓋處選取投點(diǎn)O，在投點(diǎn)處O架設(shè)距離測(cè)量裝置，距離測(cè)量裝置包括棱鏡1；開(kāi)啟近井點(diǎn)A處的全站儀，輸入近井點(diǎn)A的坐標(biāo)和投點(diǎn)O處的距離測(cè)量裝置的棱鏡高度(h₁+h₂)，使全站儀瞄準(zhǔn)高等級(jí)控制點(diǎn)T處的棱鏡進(jìn)行后視定向測(cè)量，轉(zhuǎn)動(dòng)全站儀瞄準(zhǔn)投點(diǎn)O處的棱鏡，按下測(cè)量鍵，即可得到投點(diǎn)O的坐標(biāo)(X，Y，Z)。

所述距離測(cè)量裝置包括三角架2，所述棱鏡1設(shè)置在三腳架2的上方，三角架2包括3個(gè)長(zhǎng)度相等的三角支腿；三角架2設(shè)置在腳架盤5的上方，三腳架2與腳架盤5之間還設(shè)置有微型三角架4，微型三角架4上放置有測(cè)距裝置3，測(cè)距裝置3的中心與棱鏡1的中心位于同一鉛垂線上；測(cè)距裝置3可采用鋼尺或者光電測(cè)距儀；所述棱鏡1經(jīng)過(guò)嚴(yán)格整平和常數(shù)校準(zhǔn)后固定鎖死。所述腳架盤5包括上層盤體和下層盤體，上層盤體和下層盤體之間通過(guò)三個(gè)腳螺旋8連接，上層盤體上設(shè)置有兩個(gè)相互垂直的水準(zhǔn)管6和一個(gè)圓水準(zhǔn)氣泡7，用于調(diào)節(jié)三腳架2和微型三腳架4處于水平狀態(tài)。

步驟二，在豎井底部選取三個(gè)固定點(diǎn)N、P、Q，三點(diǎn)位于同一水平面上，四個(gè)點(diǎn)O、N、P和Q形成一個(gè)三棱錐O-NPQ；在三個(gè)固定點(diǎn)N、P、Q處分別設(shè)置反光裝置，用測(cè)距裝置3分別測(cè)量三棱錐的三條斜邊ON、OP和OQ的長(zhǎng)度L₁、L₂和L₃，用鋼尺量出底邊NP、PQ和QN的長(zhǎng)度S₁、S₂和S₃；

步驟三，投點(diǎn)O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影點(diǎn)為O＇，計(jì)算投點(diǎn)O與投影點(diǎn)O＇之間的距離，即高差H，計(jì)算公式如下：

計(jì)算三棱錐O-NPQ的體積V_O-NPQ，即：

計(jì)算底面三角形ΔNPQ的面積S_ΔNPQ，即：

其中，

則投點(diǎn)O與投影點(diǎn)O＇之間的高差H為：

即可得到投影點(diǎn)O＇的坐標(biāo)(X＇，Y＇，Z＇)，其中，X＇＝X，Y＇＝Y(jié)，Z＇＝Z-H。

步驟四，確定投點(diǎn)O在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影點(diǎn)O＇的位置，確定方法如下：

根據(jù)斜邊ON的長(zhǎng)度L₁和高差H，根據(jù)勾股定理求出斜邊ON在底面三角形ΔNPQ所在平面上的投影長(zhǎng)度l₁；同理可求出斜邊OP和OQ在底面三角形ΔNPQ所在平面上的l₂和l₃；

分別以N、P、Q三點(diǎn)為圓心，對(duì)應(yīng)以l₁、l₂、l₃為半徑畫圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為投影點(diǎn)O＇。

步驟五，計(jì)算井下控制點(diǎn)B和控制點(diǎn)M的坐標(biāo)。

在井下距離投影點(diǎn)O＇30～50m處選取一個(gè)地質(zhì)穩(wěn)定、受施工影響較小且與O＇通視良好的點(diǎn)，作為控制點(diǎn)B，用來(lái)向洞內(nèi)傳遞坐標(biāo)和方向。在控制點(diǎn)B架設(shè)GAT陀螺全站儀，在O＇安置棱鏡。利用GAT陀螺全站儀測(cè)量真方位角的功能測(cè)出BO＇方位角，輸入O＇坐標(biāo)，即可求出井下控制點(diǎn)B的坐標(biāo)。

若通視條件良好，在距離控制點(diǎn)B的200～300m處設(shè)置控制點(diǎn)M；若通視條件不能滿足200～300m通視要求，則在盡可能遠(yuǎn)且地質(zhì)穩(wěn)定、受施工影響較小的地方設(shè)置控制點(diǎn)M。

將GAT陀螺全站儀架設(shè)在控制點(diǎn)B，利用GAT陀螺全站儀測(cè)量真方位角的功能測(cè)出MB方位角,輸入控制點(diǎn)B坐標(biāo)，測(cè)出M點(diǎn)坐標(biāo)。

傳統(tǒng)的傳遞高程，即測(cè)量投點(diǎn)O與投影點(diǎn)O＇之間的高差H的方法為長(zhǎng)鋼尺量距導(dǎo)入、鋼絲法導(dǎo)入何光電測(cè)距儀導(dǎo)入等方法，傳統(tǒng)方法的誤差來(lái)源于投點(diǎn)誤差、投向誤差、以及鋼尺、鋼絲在重力作用下的尺長(zhǎng)誤差)，本發(fā)明的傳遞高程的方法的高程傳遞誤差來(lái)源于測(cè)距誤差，與傳統(tǒng)方法相比，誤差較小。

傳統(tǒng)的坐標(biāo)傳遞過(guò)程，即確定投影點(diǎn)O＇的位置的過(guò)程采用的方法為：通過(guò)在豎井中懸掛吊絲并通過(guò)底部連接吊錘來(lái)使吊絲保持鉛錘，為使吊錘較快地穩(wěn)定，一般將其置于盛有機(jī)油的容器中，但是由于受到井筒內(nèi)氣流、滴水等影響，使得垂球線在井上的位置投到井底后發(fā)生偏離，產(chǎn)生投點(diǎn)誤差，進(jìn)而引起垂球線連線的投向誤差。而采用本發(fā)明的坐標(biāo)傳遞方法只需滿足高精度測(cè)距即可。因此，本發(fā)明的基于三棱錐模型與陀螺全站儀聯(lián)合的豎井聯(lián)系測(cè)量方法，所需觀測(cè)時(shí)間較短，測(cè)量時(shí)間快，不需要礦井、隧道長(zhǎng)時(shí)間封閉，為豎井快速聯(lián)系測(cè)量提供了可能。