綜合陀螺定向與三角高程技術(shù)在傾斜巷道貫通測(cè)量應(yīng)用研究

周 慧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037027）

在長(zhǎng)距離的巷道貫通作業(yè)中往往采用多頭或者多井口掘進(jìn)的方法提升掘進(jìn)效率縮短周期，為了保證多頭或者多井口的巷道貫通作業(yè)能夠在預(yù)定的位置交匯，在作業(yè)過程中需要較為精準(zhǔn)的測(cè)量，如果測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致出現(xiàn)問題會(huì)對(duì)整個(gè)施工過程造成重大影響，導(dǎo)致礦井無法使用甚至報(bào)廢[1]。巷道貫通的測(cè)量工作也是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要工作，所以構(gòu)建一個(gè)高精度的巷道貫通測(cè)量測(cè)量方法是極為必要的，巷道貫通測(cè)量技術(shù)必須要確保精度與可靠性。巷道貫通施工中如果測(cè)量精度存在問題，即使在貫通后也可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸?shù)V車或皮帶出現(xiàn)問題，為保證能夠安全、高效的生產(chǎn)離不開精準(zhǔn)、高質(zhì)量的傾斜巷道貫通施工測(cè)量工作。

1 巷道貫通測(cè)量技術(shù)

煤礦在巷道貫通測(cè)量分為兩個(gè)部分：三角高程測(cè)量和平面導(dǎo)線測(cè)量。三角高程測(cè)量應(yīng)用在傾斜或者階梯型等不平整的地段；平面導(dǎo)線測(cè)量主要應(yīng)用在較為平整的地區(qū)，運(yùn)用全站儀等水準(zhǔn)測(cè)量。

平面導(dǎo)線測(cè)量設(shè)備一般布置在主巷道中，常見的位置如主巷道、通風(fēng)口、運(yùn)輸巷道等地方。在巷道中會(huì)根據(jù)功能的需要布置永久和臨時(shí)的平面導(dǎo)線點(diǎn)，永久導(dǎo)線點(diǎn)一般位于巷道中較為穩(wěn)定的區(qū)域中，臨時(shí)點(diǎn)會(huì)根據(jù)需要布置在需要施工的區(qū)域中。無論永久點(diǎn)還是臨時(shí)點(diǎn)都需要進(jìn)行編號(hào)，以便后期的工作中方便使用。平面導(dǎo)線觀察技術(shù)的主要指標(biāo)如表1所示。

表1 導(dǎo)線觀測(cè)技術(shù)指標(biāo)

井下三角高程測(cè)量的控制點(diǎn)并是在巷道地面[2]。井下三角高程測(cè)量的主要作業(yè)示意圖如圖1所示。

圖1 三角高程測(cè)量的原理

井下三角高程測(cè)量的原理為，在礦井的巷道斜坡底端地面點(diǎn)A正下方架設(shè)全站儀，全站儀的高度為i，點(diǎn)B為測(cè)量點(diǎn)，在B點(diǎn)的正下方架設(shè)高度為v的覘標(biāo)，此時(shí)可以使用全站儀測(cè)量出全站儀到覘標(biāo)的傾斜距離，長(zhǎng)度為d，同時(shí)能夠測(cè)量出垂直角，垂直角為α，可以求出點(diǎn)A與點(diǎn)B兩點(diǎn)之間的高度差：

在計(jì)算點(diǎn)A和點(diǎn)B的高度差的過程中，需要量取全站儀儀器高i和覘標(biāo)高v，站儀儀器高i和覘標(biāo)高v是從巷道頂部的鉛錘到設(shè)備中心之間的距離。但因?yàn)榈V井內(nèi)會(huì)有強(qiáng)通風(fēng)，使用此井下三角高程測(cè)量的方式的結(jié)果精度會(huì)受到影響。除此之外，因?yàn)樾枰咳∪緝x的高度和覘標(biāo)的高度，在測(cè)量過程中也會(huì)有誤差，也會(huì)影響井下三角高程測(cè)量的精度。

三角高程測(cè)量與平面導(dǎo)線測(cè)量會(huì)在測(cè)量中產(chǎn)生誤差，誤差原因如表2所示。

表2 測(cè)量誤差原因

2 綜合陀螺定向與三角高程技術(shù)的測(cè)量方法

為了降低巷道貫通測(cè)量中的誤差，提升測(cè)量精度，綜合陀螺定向與三角高程技術(shù)的測(cè)量方法對(duì)井下巷道進(jìn)行測(cè)量，降低平面導(dǎo)線測(cè)量與三角高程測(cè)量中的誤差。

陀螺定向技術(shù)利用了陀螺儀的自身角運(yùn)動(dòng)特性，具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，陀螺儀的自身角運(yùn)動(dòng)不會(huì)受外界因素影響，如礦井巷道的深度、礦井內(nèi)的地形等因素[3]。陀螺定向技術(shù)能夠降低礦井井下平面導(dǎo)線測(cè)量過程中的方向誤差積累，在長(zhǎng)距離井下巷道的平面測(cè)量時(shí)，使用陀螺定向技術(shù)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行增強(qiáng)，不僅能夠提升平面導(dǎo)線測(cè)量的精度，并且能保證平面導(dǎo)線測(cè)量的穩(wěn)定性。陀螺定向的主要儀器設(shè)備為陀螺經(jīng)緯儀，陀螺經(jīng)緯儀由經(jīng)緯儀和陀螺儀兩個(gè)部分組成，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量具有測(cè)量精度高、不受地形環(huán)境和作業(yè)時(shí)間限制、便攜方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有提高精度和粗差探測(cè)兩種作用，陀螺經(jīng)緯儀非常適用于礦山及地下工程的測(cè)量工作。

陀螺儀定向產(chǎn)生的誤差計(jì)算公式為：

式中：Mβ為陀螺定向的精度，yo為各分段導(dǎo)線中心的Y軸坐標(biāo)，J為設(shè)備測(cè)量點(diǎn)，K為貫通點(diǎn)。

礦井井下前后視三角高程測(cè)量的原理如圖2所示。

圖2 礦井井下前后視三角高程測(cè)量的原理

在礦井的巷道斜坡底端地面點(diǎn)A正下方架設(shè)全站儀，全站儀的高度為i，點(diǎn)C在A點(diǎn)的后視方，在C點(diǎn)正下方架設(shè)標(biāo)高為V0的覘標(biāo)，點(diǎn)B在A點(diǎn)的前視方，在A點(diǎn)正下方架設(shè)標(biāo)高為V1的覘標(biāo)，此時(shí)使用全站儀測(cè)量出A點(diǎn)的全站儀到B、C兩點(diǎn)的傾斜距離分別為d0和d1，同時(shí)能夠測(cè)量出垂直角，點(diǎn)A和點(diǎn)C以及點(diǎn)A和點(diǎn)B的垂直角分別為α，點(diǎn)A和C、點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的高度差分別為：

可以求出點(diǎn)A和點(diǎn)B兩點(diǎn)的高差：

該公式計(jì)算點(diǎn)A和點(diǎn)B兩點(diǎn)間的高差，并且無需量取全站儀儀器的高度i。如果全站儀儀器高度i為精確測(cè)量后的數(shù)據(jù)，誤差較小，可以通過前后視三角高程測(cè)量的方式消除全站儀垂直角α的比例誤差項(xiàng)。假設(shè)比例誤差項(xiàng)為α，垂直角觀測(cè)方程可以寫成：

式中：α為垂直角觀測(cè)角，那么公式可以擴(kuò)展成：

則點(diǎn)A和點(diǎn)B的的高度差為：

該公式消除了因?yàn)榻铅廉a(chǎn)生的誤差。

3 結(jié)論

煤礦礦井中傾斜巷道的內(nèi)部地形多變、環(huán)境復(fù)雜，貫通巷道的測(cè)量過程中保證測(cè)量精度與穩(wěn)定性極其重要，采用綜合陀螺定向與三角高程技術(shù)的測(cè)量方法可以得出：

1）通過綜合陀螺定向與三角高程技術(shù)的測(cè)量方法能夠降低在巷道貫通中測(cè)量的誤差，確保巷道貫通工作高效、精準(zhǔn)施工。

2）提高礦區(qū)的傾斜巷道貫通的精度水平，保障礦區(qū)生產(chǎn)的安全性，在礦區(qū)后續(xù)建設(shè)及維護(hù)時(shí)。