貫通測量技術(shù)在煤礦測繪中的應(yīng)用

李智偉

(山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

貫通測量是煤礦生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要步驟，貫通測量參數(shù)的精度和偏差將直接決定構(gòu)建巷道的質(zhì)量，從而影響煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，貫通測量技術(shù)也在不斷地豐富，如早期多數(shù)煤礦使用的光學(xué)儀器和鋼尺量距受礦山地理環(huán)境的影響極大，而且測量精度低、耗時(shí)多、人力成本高[3]，而近年來出現(xiàn)的全站儀、GPS等設(shè)備使得測量精度有了大幅度提高，不僅為測量工作者提高了極大的便利，還有效保障了煤礦的安全生產(chǎn)[4]。本文以西部礦山為例，提出了新型的貫通測量方案，采用了防爆全站儀、GPS和激光指向儀，實(shí)驗(yàn)確定了最佳貫通點(diǎn)，計(jì)算了最佳貫通點(diǎn)在水平重要方向上的預(yù)計(jì)誤差，并對該方案是否滿足礦井貫通和隧道貫通最長距離要求進(jìn)行了探討，闡明了新方案的合理性和可靠性。

1 貫通測量方案的確定

針對西部礦山的實(shí)際地理環(huán)境，考慮到導(dǎo)線長度、三角高程路線和夾角等因素，選擇以一礦附井為起點(diǎn)，經(jīng)過1635巷道，最終貫穿至三礦主井線路。該線路總長2 700 m，含有5個(gè)小于60 m的邊長，不含小于15°的夾角。西部礦山原來的測量方法是利用光電測距導(dǎo)線進(jìn)行地面控制，而井下由光學(xué)經(jīng)緯儀測量角度，由鋼尺測量邊長，這種測量方式工作強(qiáng)度大、耗時(shí)長，精度差，為推動礦井測量的高效化，本文選擇了SET22D型防爆全站儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學(xué)經(jīng)緯儀和鋼尺，以HD8200E型GPS作為地面控制測量工具，大大提高了測量精度，縮短測量時(shí)間，減少了人工成本。

1.1 地面控制測量

基于GPS 建立地面獨(dú)立平面控制網(wǎng)絡(luò)，與西部礦區(qū)原有控制點(diǎn)互為補(bǔ)充，共同監(jiān)測。布網(wǎng)基于實(shí)際測繪需要和交通狀況，滿足每個(gè)控制點(diǎn)需具備一個(gè)以上的通視方向的原則，選擇符合《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求的點(diǎn)位，在礦區(qū)原有控制點(diǎn)紅山寺、將軍墳灘、五龍頭溝腦的基礎(chǔ)上布設(shè)地面 E 級 GPS 網(wǎng)，作為礦區(qū)近井網(wǎng)。實(shí)際布設(shè)圖，如圖1所示。

圖1 GPS近井網(wǎng)布設(shè)

觀測時(shí)采用靜態(tài)定位法，保證每個(gè)站點(diǎn)的衛(wèi)星高度角大于15°，有效觀測衛(wèi)星數(shù)控制在5顆以上，每次至少觀測1 h，設(shè)置GPS 點(diǎn)位幾何強(qiáng)度因子小于 6。觀測前，建立GPS 衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)表，對可見衛(wèi)星號、衛(wèi)星高度角、最佳觀測衛(wèi)星組、最佳觀測時(shí)間、點(diǎn)位圖形、幾何圖形強(qiáng)度因子等內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，觀測時(shí)保證接收機(jī)天線的定向標(biāo)志位于正北方向，定向誤差小于±5°；觀測前后分別量取實(shí)地天線高度值，兩次數(shù)值偏差不得超過3 mm；觀測后，及時(shí)填寫觀測記錄。采用HD8200E 隨機(jī)軟件 HDS2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，記錄GPS 網(wǎng)平差處理結(jié)果。地面礦井間的高程控制測量按照《國家水準(zhǔn)測量規(guī)范》進(jìn)行，分別采用S3型水準(zhǔn)儀和區(qū)格式水準(zhǔn)尺測量，取兩次測得的平均值作為最終值，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得到水準(zhǔn)點(diǎn)和井口水準(zhǔn)基點(diǎn)的標(biāo)高。

1.2 井下導(dǎo)線測量

井下導(dǎo)線測量按照《煤礦測量規(guī)程》中7″級控制導(dǎo)線的規(guī)定設(shè)置貫通測量控制導(dǎo)線，基于SET22D 本安型防爆全站儀采用測回法測試角度，以懸掛棱鏡作為參照物，測量水平角時(shí)需瞄準(zhǔn)懸掛棱鏡的線繩，而測量豎直角時(shí)需瞄準(zhǔn)懸掛棱鏡的中心，測角時(shí)水準(zhǔn)氣泡偏差控制在一格以內(nèi)，以兩次獨(dú)立測量值的平均值為最終結(jié)果，測量時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。井下 1635 大巷按照《煤礦測量規(guī)程》中高程控制測量準(zhǔn)則測試，每組水準(zhǔn)點(diǎn)間往返各測一次，取往返測的平均值作為結(jié)果；井筒和井下斜巷按全站儀三角高程法的規(guī)定測試，以對向觀測的方式。所有測量需在實(shí)驗(yàn)前對儀器進(jìn)行校正，測試結(jié)果由兩人分別計(jì)算，保證測量的準(zhǔn)確性。

2 貫通測量方案誤差預(yù)計(jì)

若貫通相遇點(diǎn)K在貫通最佳相遇點(diǎn)的一定范圍內(nèi)變化，其預(yù)計(jì)誤差仍小于允許偏差值，則無需進(jìn)行詳細(xì)的誤差計(jì)算，該貫通相遇點(diǎn)可以滿足要求，而變化范圍則為貫通相遇點(diǎn)的允許區(qū)間。考慮到地面近井點(diǎn)是以GPS進(jìn)行測定的，任意兩個(gè)井點(diǎn)之間是相通的，因此地面連接對貫通無影響，而邊長變化也與最佳貫通點(diǎn)無關(guān)，因此，可直接由井下導(dǎo)線計(jì)算最佳貫通點(diǎn)位置。根據(jù)最佳貫通點(diǎn)求解理論，垂直方向上全導(dǎo)線頂點(diǎn)的重心投影即為最佳貫通點(diǎn)。經(jīng)過計(jì)算，西山煤礦的最佳貫通點(diǎn)為垂直方向負(fù)坐標(biāo)軸上的186 m處，此外，進(jìn)一步計(jì)算可得最佳貫通點(diǎn)在水平重要方向上的預(yù)計(jì)誤差為±0.019 m, 該誤差由GPS測量和井下測角誤差和測邊誤差決定。若最佳貫通點(diǎn)為貫通相遇點(diǎn)允許區(qū)間內(nèi)的任意一點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)任意貫通相遇點(diǎn)在水平重要方向上的誤差通式符合雙曲線公式，圖2所示為相遇點(diǎn)位置與水平重要方向上的預(yù)計(jì)誤差的關(guān)系曲線圖。

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，貫通相遇點(diǎn)在水平重要方向上的最大允許偏差為±0.3 m。基于圖2中的誤差雙曲線，經(jīng)過計(jì)算可得，當(dāng)貫通相遇點(diǎn)在垂直方向上(-1 181 m, +1 181 m)范圍內(nèi)任意變化時(shí)，在水平重要方向上的預(yù)計(jì)誤差都在允許范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步比較新方案的優(yōu)越性，將傳統(tǒng)測量方案與新方案的各類預(yù)計(jì)誤差進(jìn)行了計(jì)算和比較。其結(jié)果，如表1所示。根據(jù)表1結(jié)果可知，新方案在水平重要方向上的各類誤差明顯降低，測量精度顯著提高。

圖2 任意貫通相遇點(diǎn)在水平重要方向上的誤差曲線

表1 西部煤礦新舊方案各類預(yù)計(jì)誤差對比

3 結(jié)語

由于我國西部礦井地理環(huán)境的惡劣和經(jīng)濟(jì)水平的低下，貫通測量普遍存在測量精度低、耗時(shí)長、人工成本高等問題，嚴(yán)重危險(xiǎn)礦井的安全生產(chǎn)。本文提出了一種新型的貫通測量方案，引入了智能化的本安型防爆全站儀和GPS，論述了基于GPS技術(shù)的地面近井點(diǎn)的網(wǎng)形布設(shè)、觀測方法和數(shù)據(jù)處理；同時(shí)基于最佳貫通點(diǎn)求解理論，計(jì)算出了最佳貫通點(diǎn)的位置，其在水平重要方向上的誤差小于規(guī)定值，同時(shí)確定了貫通相遇點(diǎn)的允許變化區(qū)域，最佳貫通點(diǎn)在在該區(qū)域內(nèi)變化時(shí)其預(yù)計(jì)誤差均小于允許誤差；實(shí)驗(yàn)比較了新舊方案的地面平面控制誤差、井下平面控制誤差和井上下總誤差，新方案各類誤差值明顯降低，充分說明了新貫通方案具有測量精度高、用時(shí)少、人力成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于礦山的貫通測量，為煤礦的安全生產(chǎn)提高準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。