復(fù)雜地質(zhì)條件下大型貫通測(cè)量的研究

周 琳

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

大型貫通測(cè)量是礦山測(cè)量工作的一項(xiàng)重要工作[1]。礦井的順利貫通能夠有效加快礦井的建設(shè)速度，縮短建井的周期，提高礦井的年產(chǎn)量[2-4]。井下巷道的安全、準(zhǔn)確貫通出現(xiàn)失誤，將會(huì)給礦井的生產(chǎn)、安全帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。羊東礦面臨開采深度大、井下壓力大、地質(zhì)情況復(fù)雜、開采水平多等問(wèn)題，因此要保證貫通測(cè)量的安全、準(zhǔn)確貫通，必須選擇合理的貫通方案，并采用現(xiàn)代先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)。

1 地面控制網(wǎng)的建立

1.1 測(cè)區(qū)概況

羊東礦位于太行山東麓，西側(cè)為山間盆地，東側(cè)是傾斜平原，最高海拔891 m，地勢(shì)平坦。新建工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)開鑿羊東副井和風(fēng)井。羊東副井開鑿到-850 m水平后施工水平大巷，在-850 m水平大巷施工52回風(fēng)巷道時(shí)與羊二井在回風(fēng)巷道中貫通。羊二井與羊東副井直線距離約4.1 km，井下貫通導(dǎo)線水平長(zhǎng)度為6500 m，屬于大型貫通。羊二井井深約250 m，羊東副井井深約980 m，兩井高差730 m，屬于深井開采。在-400 m處的大巷巖層松動(dòng)嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，地質(zhì)條件復(fù)雜。該貫通測(cè)量屬于地質(zhì)條件復(fù)雜的深井大型貫通測(cè)量。

1.2 GPS控制網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

羊東礦貫通測(cè)量地面控制網(wǎng)布設(shè)等級(jí)為E級(jí)GPS控制網(wǎng)[5]，共測(cè)量7個(gè)控制點(diǎn)，即：彭廂北、科技樓、變電所、604A、絞車房、皮帶走廊、蔣村東2。其中變電所、絞車房、皮帶走廊3個(gè)點(diǎn)為新布設(shè)點(diǎn)，604A、科技樓為Ⅵ等三角點(diǎn)，彭廂北、蔣村東2為Ⅵ等GPS點(diǎn)。布設(shè)的GPS控制網(wǎng)示意圖如圖1。

圖1 羊東礦貫通測(cè)量地面控制網(wǎng)示意圖

1.3 GPS控制網(wǎng)施測(cè)

（1）GPS控制網(wǎng)共測(cè)量7個(gè)控制點(diǎn)，觀測(cè)方案為四邊形網(wǎng)格法，即任兩點(diǎn)間均有兩個(gè)以上同步觀測(cè)時(shí)段，達(dá)到控制網(wǎng)最合理，各控制點(diǎn)等精度觀測(cè)。GPS控制網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)采用四臺(tái)Trimble GPS接收機(jī)進(jìn)行精密相對(duì)定位觀測(cè)，采用3個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)1 h。每個(gè)時(shí)段觀測(cè)3個(gè)同步環(huán)，6條基線邊。

（2）GPS控制網(wǎng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)觀測(cè)的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)在中海達(dá)HDS軟件中進(jìn)行基線解算和平差處理，對(duì)于兩臺(tái)及兩臺(tái)以上GPS接收機(jī)同步觀測(cè)值進(jìn)行獨(dú)立基線向量（坐標(biāo)差）的平差計(jì)算。其主要處理流程如圖2。

圖2 基線解算流程

（3）坐標(biāo)成果采用四點(diǎn)約束平差。蔣村東2、彭廂北為Ⅵ等GPS點(diǎn)，604A、科技樓為Ⅵ等三角點(diǎn)，其精度均為Ⅵ等。為了保持控制點(diǎn)成果的一致性，四點(diǎn)同時(shí)作為該網(wǎng)平面控制的起算點(diǎn)。平面距離平差結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 平面距離平差值

其中，距離中誤差最小的邊為“彭廂北-變電所”、“變電所-蔣村東2”和“604A-變電所”，中誤差均為±4.7 mm；最大的邊為“變電所-絞車房”，中誤差為±7.1 mm。平差后平面點(diǎn)位精度最高的點(diǎn)為“變電所”，點(diǎn)位中誤差為±4.7 mm；平面點(diǎn)位精度最低的點(diǎn)為“絞車房”，點(diǎn)位中誤差為±6.5 mm。4個(gè)Ⅵ等點(diǎn)同時(shí)作為全控制網(wǎng)的起算點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)精度均勻，保證新建GPS控制點(diǎn)的精度。

根據(jù)對(duì)羊東礦E級(jí)GPS控制網(wǎng)的精度分析，選用4個(gè)高級(jí)點(diǎn)作為起算點(diǎn)的約束平差作為最終成果，達(dá)到平差方案優(yōu)化的目的，為礦井建設(shè)和井下大型貫通測(cè)量提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。最終的平差成果見(jiàn)表2。

表2 控制網(wǎng)平面坐標(biāo)成果

2 井下陀螺定向和導(dǎo)線測(cè)量

2.1 陀螺定向

（1）當(dāng)加測(cè)陀螺定向邊時(shí)，要考慮加測(cè)的陀螺定向邊的最佳位置的選定。因?yàn)楫?dāng)增加K條陀螺定向邊時(shí)，便將整個(gè)導(dǎo)線分成K+1段[6]。當(dāng)加測(cè)一條陀螺邊時(shí)，其導(dǎo)線終點(diǎn)位置橫向誤差的計(jì)算式為：

式中：Mq為導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向中誤差；mα為陀螺定向邊的定向中誤差（設(shè)各定向邊的定向中誤差相同）；mβ為導(dǎo)線的測(cè)角中誤差；L為等邊直伸形導(dǎo)線邊長(zhǎng)。

根據(jù)要加測(cè)陀螺邊的最佳位置要求，即：橫向中誤差的平方和最小。同理當(dāng)加測(cè)K條陀螺邊時(shí)，橫向中誤差為：

其中最佳位置為：

式中：Ti表示加測(cè)的第i條陀螺定向邊（i=1、2、……K）。

考慮到井下的環(huán)境，并綜合考慮各項(xiàng)誤差條件，最終將加測(cè)陀螺邊的最佳位置確定為5條，如圖3所示。

圖3 陀螺定向邊位置示意圖

（2）陀螺全站儀定向成果精度分析

羊東礦井下5條邊的陀螺全站儀定向測(cè)量工作，共進(jìn)行6次定向測(cè)量，副井井下進(jìn)行4次，羊二井井下進(jìn)行2次，采用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法[7]。陀螺定向成果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3計(jì)算數(shù)據(jù)，定向精度均達(dá)到了該陀螺全站儀標(biāo)稱精度±20″的要求，達(dá)到了7″級(jí)基本控制導(dǎo)線的陀螺經(jīng)緯儀定向精度不得低于±10″的要求。

表3 羊東礦井下陀螺定向成果匯總表

2.2 井下導(dǎo)線布設(shè)

井下平面控制網(wǎng)主要布設(shè)在井下的巷道中，受礦井客觀條件的限制，只能布設(shè)成導(dǎo)線的形式，井下導(dǎo)線施測(cè)方案為：

（1）以羊二井V14、C30、846、845、A、F1為導(dǎo)線的平面起算數(shù)據(jù)，C30、F1為高程起算數(shù)據(jù)進(jìn)行施測(cè)；

（2）導(dǎo)線全長(zhǎng)6 450.118 m，沿線布設(shè)66個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)94.855 m，導(dǎo)線測(cè)量嚴(yán)格按照井下7"導(dǎo)線要求測(cè)量；

（3）在井下導(dǎo)線上加測(cè)5條陀螺定向邊以提高井下導(dǎo)線控制精度，滿足精度及施工要求。

2.3 井下導(dǎo)線測(cè)量成果及精度分析

貫通測(cè)量井下導(dǎo)線成果見(jiàn)表4、表5。

由表4、表5可知測(cè)角中誤差±3.95″、最大點(diǎn)位中誤差±2.4 cm，最大點(diǎn)間中誤差±0.6 cm，最大角度閉合差Wa=-30.10″，最大導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差1/66 208等具體精度指標(biāo)分析，說(shuō)明羊東礦貫通測(cè)量導(dǎo)線精度高，各項(xiàng)精度符合井下7″導(dǎo)線的要求。

表4 網(wǎng)形及精度統(tǒng)計(jì)表

表5 導(dǎo)線段閉合差

2.4 貫通精度分析

（1）貫通相遇點(diǎn)處精度分析

羊二井從井底C30，按照復(fù)測(cè)支導(dǎo)線要求，測(cè)至點(diǎn)549，羊東副井從井底F1，測(cè)至B4，貫通位于551—B4之間，貫通后測(cè)至549，因此方位角推算至549—551，點(diǎn)位推算至549。549點(diǎn)位坐標(biāo)推算比較見(jiàn)表6。

從表6可以看出，高程差值為-0.127 m＜±0.2 m；從點(diǎn)位誤差計(jì)算，支導(dǎo)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差為1/8100＜1/6000，完全符合規(guī)程要求。貫通位置如圖4。

圖4 貫通位置示意圖

貫通位置預(yù)計(jì)位于點(diǎn)551和B4之間。通過(guò)對(duì)貫通的中線偏差進(jìn)行實(shí)地量測(cè)，在貫通相遇點(diǎn)中線實(shí)際偏差為0.351 m，小于允許偏差0.400 m；腰線實(shí)際偏差為0.127 m，小于允許偏差0.200 m。貫通效果良好，達(dá)到了貫通工程精度要求。

3 結(jié)論

本文結(jié)合羊東礦大型貫通項(xiàng)目，對(duì)大型貫通測(cè)量方案進(jìn)行研究，羊東副井地面導(dǎo)線長(zhǎng)1 101.608 m，井下貫通導(dǎo)線長(zhǎng)6 450.118 m，貫通距離總長(zhǎng)為12 872.883 m。取得以下研究成果：采用E級(jí)GPS控制測(cè)量，建立羊東礦的地面控制網(wǎng)，并對(duì)GPS控制網(wǎng)布設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)約束平差，經(jīng)過(guò)分析得出最優(yōu)平差結(jié)果。井下采用光電測(cè)距導(dǎo)線和陀螺定向，將井上坐標(biāo)投傳到井下，顯著提高了井下導(dǎo)線邊方位角的精度和可靠性。通過(guò)對(duì)井下最優(yōu)貫通位置的分析，確定最佳陀螺定向邊條數(shù)的配置，在井下導(dǎo)線上加測(cè)5條陀螺定向邊，提高井下導(dǎo)線控制精度，有效地控制貫通相遇點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，確保了羊東副井至羊二井的順利貫通。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和精度評(píng)定成果表明，本次貫通測(cè)量觀測(cè)成果全部達(dá)到并超過(guò)貫通設(shè)計(jì)及工程需要的精度，測(cè)量設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，行之有效，成果可靠。