井下陀螺定向、7″級控制導(dǎo)線布設(shè)方案研究與應(yīng)用

梁西棟 任鄧君

摘要：本項(xiàng)目主要用于布設(shè)礦井井下控制網(wǎng)，運(yùn)用布設(shè)陀螺加強(qiáng)邊的方式將各采區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連接，以提高各巷道施工精度及貫通精度。針對礦區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)頻繁、大巷風(fēng)速大等施工難度，自主設(shè)計(jì)制作新型永久點(diǎn)基樁，并采用等高四連腳架法進(jìn)行7″級導(dǎo)線聯(lián)測，極大地提高了井下控制網(wǎng)布設(shè)精度，為井下安全生產(chǎn)提供了保障

關(guān)鍵詞：陀螺加強(qiáng)邊;采區(qū)控制網(wǎng);支導(dǎo)線;等高四架法;沖擊地壓;貫通精度

1、項(xiàng)目概況

礦井位于國家規(guī)劃的十三個(gè)大型煤炭基地之一的彬長礦區(qū)西北部，占地面積560畝，井田面積219平方公里。礦井由井底車場巷道向南部延伸經(jīng)過輔助運(yùn)輸巷和膠帶機(jī)巷和風(fēng)巷分支出各個(gè)順槽進(jìn)入采區(qū)。為了盡早達(dá)到設(shè)計(jì)年產(chǎn)量，保證礦井順利進(jìn)行建設(shè)生產(chǎn)，為日后西部和南部采區(qū)順槽順利貫通打下基礎(chǔ)，需要進(jìn)行南部一盤區(qū)和西部采區(qū)井下控制測量，把西部采區(qū)和南部采區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連接。

2、任務(wù)內(nèi)容及完成情況

2.1工程主要內(nèi)容

1、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷頂板永久銅樁點(diǎn)埋設(shè);

2、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷迎頭測設(shè)陀螺定向邊;

3、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷-一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷-一盤區(qū)膠帶大巷施測7″控制導(dǎo)線;

2.2主要完成的工作內(nèi)容和工作量

1、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷共埋設(shè)永久銅樁點(diǎn)22個(gè)。

2、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷各測設(shè)陀螺定向邊一條，共測設(shè)三條陀螺定向邊。

3、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷建立井下7"級控制導(dǎo)線系統(tǒng)，共施測控制導(dǎo)線4.35公里;

4、成果、成圖資料的編制。

3、技術(shù)依據(jù)

（1）現(xiàn)行《煤礦測量規(guī)程》;

（2）《工程測量規(guī)范》（GB50026-2007）;

4、主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 采用的坐標(biāo)系統(tǒng)

4.1.1 平面坐標(biāo)系統(tǒng)

本工程成果為1980西安坐標(biāo)系，3°帶高斯正形投影，中央子午線108°。

4.1.2 高程系統(tǒng)

高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)成果。

4.2 測量成果精度要求

a.井下三角高程測量：

b. 井下導(dǎo)線控制測量：

5、投入人員及儀器設(shè)備

為保證本工程測量成果的精度和進(jìn)度，需投入的技術(shù)人員和設(shè)備見下表：

6、井下7″級控制導(dǎo)線施測

6.1井下平面觀測

6.1.1 井下永久銅樁點(diǎn)的埋設(shè)

礦井井下地壓較大，井下導(dǎo)線點(diǎn)經(jīng)常由于沖擊地壓被破壞或擠壓位移。在導(dǎo)線和陀螺施測前，首先實(shí)地踏勘本工程控制導(dǎo)線途徑巷道，發(fā)現(xiàn)途徑巷道已經(jīng)全部成型及整飾完畢，為了長久保存測量控制點(diǎn)，根據(jù)測量規(guī)范要求及礦方生產(chǎn)建設(shè)的需要，導(dǎo)線途徑巷道全部埋設(shè)永久性銅樁點(diǎn)，本次埋設(shè)的銅樁點(diǎn)長約40cm，頂端為6cm銅制穿線點(diǎn)。用充電式電鉆打孔埋入頂板，較為穩(wěn)定穩(wěn)固。每個(gè)點(diǎn)埋設(shè)完成后隨即噴上點(diǎn)名、掛好線繩，為下步測量工作做好了準(zhǔn)備。

6.1.2 井下導(dǎo)線起算點(diǎn)的確定

本次井下導(dǎo)線起算點(diǎn)為2015年施測的陀螺邊“T1-T2-T3”，此組控制點(diǎn)位于西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)，皆為保存完好的永久銅樁點(diǎn)。經(jīng)檢核，夾角、距離、高差相對關(guān)系良好，可以作為本次井下控制的起算點(diǎn)（起算點(diǎn)坐標(biāo)為礦地測科提供的1980西安坐標(biāo)系成果）。

6.1.3 導(dǎo)線測量實(shí)施技術(shù)要求

井下施測7"級控制導(dǎo)線，采用徠卡TC1202型全站儀（測角：2"，測距：2+2ppm）四架法觀測，導(dǎo)線邊長及高差采用正倒鏡、往返觀測。

井下控制導(dǎo)線最終要求測角中誤差不大于7″（實(shí)際每測回測角中誤差最大為3″），導(dǎo)線相對閉合差不超過，（實(shí)際相對閉合差遠(yuǎn)小于限差）。具體技術(shù)要求詳見下表：

注：n 為附合導(dǎo)線的總站數(shù);n1、n2分別為控制導(dǎo)線第一次和第二次測量的總站數(shù);mα1、mα2分別為附合導(dǎo)線起始邊和附合邊的坐標(biāo)方位角中誤差;mβ為導(dǎo)線測角中誤差。

6.1.4 井下導(dǎo)線測量

施測井下導(dǎo)線測量按7"級導(dǎo)線要求，采用了徠卡TC1202型全站儀測量，導(dǎo)線布設(shè)路線見7"導(dǎo)線控制示意圖，導(dǎo)線邊長及高差采用了正倒鏡、往返觀測，導(dǎo)線路徑：由西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷向東測至一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷經(jīng)過繞道進(jìn)入一盤區(qū)膠帶大巷，導(dǎo)線點(diǎn)T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

最終導(dǎo)線方位與陀螺定向方位比較：“T6 - T7”～“F9 - F10”，符合差為-11″“F9 - F10”～“F15 - F16”符合差為+5″。

6.2井下高程測量

井下高程測量采用在測井下7"級控制導(dǎo)線時(shí)一并測設(shè)的三角高程成果。三角高程測量中儀器高（本工程所用全站儀儀器高與棱鏡高等高）。在觀測前和結(jié)束后用5m鋼卷尺各量一次，兩次限差4mm，相鄰兩點(diǎn)往返測高差不大于10mm+0.3mm*L（L為導(dǎo)線水平邊長，以m為單位）。

采用我處的三角高程測量方法可以代替等外水準(zhǔn)測量。采取的主要措施有：采用等高四架法，高差正倒鏡、往返觀測，只量取儀器高等等。我處的《大型貫通井下導(dǎo)線施測方法的研究》已獲得2008年度煤炭部級工法。

井下采用等高四架法施測井下導(dǎo)線時(shí)，作業(yè)人員配備7人（記錄一人，觀測一人，后視一人，對點(diǎn)一人，擋風(fēng)二人，送架腿一人）。

7、井下陀螺定向

7.1 陀螺定向邊位置確定

本次控制導(dǎo)線長度在4km以上，屬于長距離控制導(dǎo)線，為減小導(dǎo)線末端橫向誤差，提高導(dǎo)線精度，需加測陀螺定向邊，在西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷迎頭和一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、膠帶大巷迎頭分別加測一條陀螺邊，用以控制西部采區(qū)和南部一盤區(qū)運(yùn)煤順槽的導(dǎo)線精度。三條陀螺邊均為永久基樁點(diǎn)，通過7秒導(dǎo)線將整個(gè)控制導(dǎo)線連接成為方位附和導(dǎo)線。

7.2 陀螺定向作業(yè)方法

7.2.1陀螺定向測量實(shí)施

a.陀螺地面常數(shù)觀測時(shí)，儀器、三腳架和電源部份避免陽光直射;井下對點(diǎn)時(shí)采用大塊擋風(fēng)布對陀螺儀進(jìn)行遮擋，使巷道風(fēng)力減至最小程度。

b.測陀螺時(shí)儀器嚴(yán)格整平，觀測過程中管水準(zhǔn)氣泡偏離均不超過0.5格。每次測量后，由一個(gè)測回轉(zhuǎn)到下一個(gè)測回觀測前，停止陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)10—15min，重新安置陀螺儀、整平和對中儀器，并使度盤位置變換180°/n（n為測回次數(shù)）;

c.相鄰擺動(dòng)中值互差和相隔擺動(dòng)中值互差均小于規(guī)范允許誤差 35″和55″;

d. 一測回的測前、測后方向值互差均小于規(guī)程允許的±10″。

e.采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測，連續(xù)觀測五個(gè)以上逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，計(jì)算三個(gè)以上陀螺擺動(dòng)

中值。

f.陀螺全站儀的懸掛帶零位測前測后分別測量一次，最大為±0.35格，較差最大為±0.05格，小于規(guī)程規(guī)定的±0.5格和0.2格。井上下零位變化小于0.1格，計(jì)算時(shí)可不加入零位改正。

g.本次定向采用GAK-1型15秒級陀螺經(jīng)緯儀，采用“跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法”結(jié)合“中天法”來進(jìn)行觀測，采用2—2—2的作業(yè)程序。已知邊為地面井田控制網(wǎng)控制點(diǎn)“E022—E021”。首先，在地面已知邊上進(jìn)行兩個(gè)測回的儀器常數(shù)測定，然后施測西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤區(qū)膠帶大巷迎頭分別測設(shè)一條陀螺邊，每條邊用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法施測兩測回。上井后再在地面已知邊進(jìn)行兩測回的儀器常數(shù)測定。陀螺定向工作在永久點(diǎn)埋設(shè)好后隨即進(jìn)行。

7.2.2方位角計(jì)算

根據(jù)井上陀螺定向測量，計(jì)算出儀器平均常數(shù)△=T-T平，再利用公式α= T平+△-γ計(jì)算井下定向邊的坐標(biāo)方位角，其中γ=△L×sinB（L為陀螺儀所在位置的經(jīng)差，B為緯度）。井下起始定向邊精度滿足規(guī)范要求，成果可靠。

7.3 陀螺定向精度評定

同一定向邊兩測回陀螺方位角的最大互差8″（限差40″），測前測后儀器常數(shù)最大互差7″（限差40″）。

觀測限差規(guī)定如下：

（1）測前與測后零位值的互差，對15″級儀器不得超過0.2格，對其它儀器不得超過0.4格;

（2）采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測時(shí)，一般應(yīng)連續(xù)觀測五個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，計(jì)算三個(gè)陀螺擺動(dòng)中值。相鄰和間隔擺動(dòng)中值的互差應(yīng)符合下表的限差規(guī)定。

（3）、根據(jù)瑞士GAK-1型15″級陀螺經(jīng)緯儀在野外多條邊上的雙次觀測值求算的陀螺方位角一測回測定中誤差為：

MT=±=±7."6

井下定向精度為：

Mɑ井下=±

=±=±7."2

8、導(dǎo)線平差后的精度評定

導(dǎo)線測量完成后，我們利用加測的3條陀螺邊先對導(dǎo)線方位進(jìn)行平差。然后再將方位平差后的測量數(shù)據(jù)輸入平差軟件進(jìn)行平差。平差結(jié)果為：附和導(dǎo)線最大點(diǎn)位誤差= 0.011（m），最小點(diǎn)位誤差 = 0.003（m），平均點(diǎn)位誤差 = 0.004（m），最大點(diǎn)間誤差 = 0.009（m），最大邊長比例誤差 = 1/24490，平面網(wǎng)驗(yàn)后單位權(quán)中誤差 = 1.80（s）。附和差 -0.014m，規(guī)程允許差：±40=±0.114m（符合規(guī)程要求）

[邊長統(tǒng)計(jì)]總邊長：4344.428（m），平均邊長：149.8（m），最小邊長：24.495（m），最大邊長：594.854（m）導(dǎo)線路徑：

T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

fx=-0.010（m）， fy=-0.018（m），總邊長[s]=4344.428m），全長相對閉合差k=1/94500。

9、工程結(jié)論與總結(jié)

從控制導(dǎo)線平差的結(jié)果可以看出，實(shí)際中誤差均小于規(guī)范允許中誤差，表明制定的巷道控制測量設(shè)計(jì)方案能夠滿足控制導(dǎo)線測量精度的要求。

1、對于影響測角精度的主要因素-對中問題，我們采用四架法測量，不重復(fù)架站，減少對中對測量精度的影響;風(fēng)特別大時(shí)，采取有效的擋風(fēng)措施和大錘球以最大限度地減小對中誤差對導(dǎo)線測角的影響;盡最大限度的采用長邊導(dǎo)線，這些措施極大的提高了導(dǎo)線施測精度。

2、檢核原始資料的可靠性。我們對該工程的起始資料，包括方位、坐標(biāo)、距離、高程、坡度都進(jìn)行了認(rèn)真的檢核。下井測量時(shí)對起算資料反復(fù)查對，確保準(zhǔn)確無誤。

3、精密導(dǎo)線的測量精度主要取決于測角的精度，本次井下導(dǎo)線布設(shè)為等邊直伸型，導(dǎo)線長度均勻，對貫通誤差的影響極小，經(jīng)成果分析，該精密導(dǎo)線測量成果可靠，達(dá)到技術(shù)設(shè)計(jì)的精度。

4、橫向誤差是導(dǎo)線點(diǎn)在長度的垂直方向產(chǎn)生的位移，是由測角誤差引起;縱向誤差是導(dǎo)線點(diǎn)在長度方向產(chǎn)生的位移，是由邊長誤差引起。測角誤差是橫向誤差主要的產(chǎn)生來源。四架法可以消除儀器對中產(chǎn)生的誤差，使用瑞士產(chǎn)15秒級GAK-1陀螺經(jīng)緯儀定向可以作為方位加強(qiáng)邊和定向邊指導(dǎo)巷道的開拓以提高施工精度。