采面貫通測量方案的探討與實踐

郝寶利

(陜西彬長胡家河礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

“測量是礦山的眼睛”，礦山測量尤其是貫通測量對于礦山生產實踐具有重要意義[12]。貫通測量工作的好壞關系著礦山生產能否按設計要求實施，關系著礦山職工的生命安全和礦山開采的工程造價[34]。伴隨礦山開采逐步向深立井方向發展，礦山地質條件越來越復雜，礦山測量工作的重要性日漸凸顯，大型貫通、長距離貫通成為礦山測量的經常性工作，對于貫通測量的技術和精度要求也越來越高。在現有測量設備和技術的條件下，確定貫通巷道在水平和高程面上的方向，根據求得的數據，標定貫通巷道的中線和腰線，定期進行已掘巷道的檢查測量和填圖，以控制工作面按設計方向掘進。因此研究貫通測量方案是一件具有現實意義的工作。

1 貫通測量

1.1 導線布設及誤差控制

井下大巷巷道相對較直，導線點可沿巷道中線均勻布置，布設成等邊直伸型導線。實際布點時可根據井下頂底板情況作適當調整，不穩定地段可布置臨時點，穩定地段布置永久導線點[5]。

當巷道長度較短，無需加測陀螺定向邊，貫通導線布設成單一支導線時由誤差理論與測量平差相關理論可知，等邊直伸形支導線終點的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

(1)

式中，mβ為測角中誤差；ρ為1弧度所對應的秒值，取206 265；L為支導線起算點到終點的距離，L≈nl；n為導線邊條數；l為導線平均邊長。

按照掘進巷道施工要求，一般巷道中線允許偏差為0～100 mm。巷道中線允許偏差一定時，隨著導線平均邊長的增大，允許的支導線長度變長，支導線長度一定時，隨著導線平均邊長的增大，巷道中線偏差變小。因此，在布設導線的過程中應根據巷道條件盡可能加大邊長，減少導線點數，使得在導線長度一定時盡可能減小巷道中線偏差。同時可根據導線平均邊長及巷道中線允許偏差確定允許的支導線長度，當支導線長度超出巷道中線偏差所能容許的長度范圍時，應采取加測陀螺定向邊等措施。

當巷道長度較長，需加測陀螺定向邊，貫通導線布設成方向附合導線+支導線形式時，由誤差理論與測量平差相關理論可知，等邊直伸形方向附合導線終點的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

(2)

比較式(1)與式(2)可知，等邊直伸形方向附合導線經角度平差后的終點橫向誤差比支導線小了一半。由此可見，加測陀螺定向邊對于提高巷道中線精度效果明顯。加測陀螺定向邊的位置可依式(1)中確定的支導線長度確定。另據相關文獻介紹，當井下導線加測一條陀螺定向邊時，最好選擇在離貫通相遇點1/3處。當加測多條陀螺定向邊時，采取“等分割原則”加測陀螺定向邊。實際上，該結論也是由上述理論推演得出的。

1.2 導線測量

控制導線采用全站儀導線形式，按《煤礦測量規程》中井下平面控制測量基本控制中的7″級導線要求施測。采用2″級全站儀每次獨立觀測每測站2個測回，邊長采用光電測距法，每邊往返觀測兩測回。同時進行一次獨立復測，當2次測量的成果符合精度要求時，取其平均值作為最終觀測成果，若2次觀測的互差超過限差要求時，則應重新獨立觀測。

在邊長測量中，測定氣壓讀至100 Pa，氣溫讀至1 ℃。每條邊長往返2測回。其限差為一測回讀數較差不大于10 mm，往返觀測同一邊長時，化算為水平距離(經氣象和傾斜改正)后的互差，不得大于1/6 000。同時適時進行斜邊測量，對已測水平邊長進行檢核。對于曲線巷道中邊長小于30 m的導線點及不穩定地段的臨時導線點，可采用“三架法”觀測，以減少對中誤差和提高觀測速度。 在測角測距時，盡可能減少望遠鏡的傾角，調節微動螺旋時沿同一方向。儀器多次對中整平，瞄目標時盡可能瞄垂球線的上部，采用擺動觀測、正倒鏡觀測。

按《工程測量規范》要求，實測邊在經過溫度和氣象改正后，還應根據測距邊的平均高程及平均橫坐標進行高程歸化改正及高斯投影改正，改正方法如下[67]

(3)

式中，D′為測距邊在高斯投影面上的長度；D為測距邊實測長度；ym為測距邊兩端點橫坐標的平均值；R為地球曲率半徑；Hm為測距邊兩端點的高程平均值。

在實際計算中，當這2項改正數很小時，內業數據處理時可忽略不計。

1.3 三角高程測量

2 貫通誤差預計

2.1 誤差預計所需基本參數的確定

按《煤礦測量規程》的規定，測角中誤差mβ下=7″。實際測量時，2測回水平角均值的中誤差更小，仍取mβ下=7″。2″級全站儀的標稱測距精度為2 mm+2×10-6D(D為距離，單位為mm)。考慮到井下儀器對中困難及觀測條件較差，且邊長一般不超過200 m，測距的比例誤差影響較小。參照《煤礦測量手冊》相關資料，取井下全站儀測邊的中誤差為m1=10 mm。井下三角高程測量每公里高差中誤差為50 mm。

2.2 貫通誤差預計

貫通相遇點K在水平重要方向x′上的誤差預計，未加測陀螺邊井下導線測角誤差引起的貫通誤差預計見式[89]

(4)

式中，mβ為井下導線測角中誤差；ρ為1弧度對應的秒值，取206 265;Ry′為各導線點與貫通點K連線在y′軸上的投影長，即各導線點到貫通重要方向x′軸的距離。

加測陀螺邊導線測角誤差引起的貫通誤差預計公式如下[1011]。

如圖1所示由導線測角誤差引起K點貫通誤差

(5)

式中，η為各導線點至本段導線重心o的連線在y′軸上的投影長度；Ry′為由方向附和導線終點B至貫通點K的支導線各導線點與K點連線在y′軸上的投影長度。

圖1 加測陀螺邊定向邊導線Fig.1 Additional measurement of gyro side directional side wire

如圖1所示由陀螺定向邊的定向誤差引起K點貫通誤差

(6)

當mα0=mα1=…=mαN時，則

(7)

導線測邊誤差引起的貫通誤差預計公式

(8)

K點在x′方向上的預計中誤差為

(9)

為了檢核，導線獨立測量2次，并取二倍中誤差作為預計的貫通誤差，則K點在x′方向上的預計貫通誤差為

(10)

2.3 貫通相遇點K在高程方向上的誤差預計

三角高程測量誤差引起的

(11)

考慮到高程測量需獨立施測2次，并取二倍中誤差作為預計的貫通誤差，則K點在豎直方向上的預計貫通誤差為

(12)

3 應用實例

401106工作面位于彬長礦區胡家河礦井401盤區，為胡家河礦井402104工作面的接續工作面。根據工程計劃安排，需要實現401106工作面回風巷和運輸巷高精度貫通。根據施工進度預計，貫通點位置為運輸巷離切眼300 m處，井下導線全長4 002 m，平均邊長120 m。由于此貫通為一井內巷道貫通，按《煤礦測量規程》要求，貫通在水平方向的容許偏差為0.3 m、豎直方向的容許偏差為0.2 m。

測量采用 2秒級全站儀1臺，測距精度為(2+2×10-6)mm，在使用之前按規定對全站儀進行各種檢驗、校正。三腳架、垂球、塔尺、棱鏡、鋼卷尺若干。從順槽開口側起始邊開始分別沿膠帶順槽和泄水、灌漿巷敷設支導線，導線測量采用2″全站儀獨立測量2次，高程測量采用三角高程法獨立測量2次。 貫通誤差預計參數參照2中提及的各項誤差預計參數，利用式(4)，(8)～(12)得出貫通點在x′方向上的預計貫通誤差為0.160 6 m，在豎直方向上的預計貫通誤差為0.127 7 m，均明顯小于貫通誤差限差。由此證明上述測量方案具有可行性。

當對掘工作面在切眼中部貫通時，經貫通誤差預計得，貫通重要方向誤差為0.072 5 m(測角誤差引起的貫通誤差為0.018 6 m，測邊誤差引起的貫通誤差為0.049 1 m)，明顯小于上述方案中預計的0.160 6 m。通過數據分析得，當在切眼中部貫通時，測邊誤差的影響對貫通精度起決定性作用。為了提高貫通精度，需提高測邊精度。

當對掘工作面在回風順槽、泄水灌漿巷或運輸順槽貫通時，通過計算貫通點在離切眼0 m、120 m、240 m、360 m、480 m、600 m、720 m、840 m、960 m、1 080 m、1 200 m處貫通重要方向誤差見表1，由表1可知，當貫通點在720 m處(約為3條大巷的中部)時，貫通誤差最小，繪制成曲線如圖2所示，從720 m處向兩側貫通誤差呈遞增趨勢。切眼中部貫通誤差最小，明顯小于3條大巷中部的貫通誤差。從3條大巷中部到切眼方向，貫通誤差呈遞增趨勢。因此，在巷道實際施工過程中，在保證通風可靠、運輸方便的前提下，首選將貫通點選在切眼中，其次是3條大巷中盡可能靠近巷道的中部位置。同時，在保證貫通精度的前提下，還必須控制好巷道中線，使得由導線測量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內，不可一味追求高貫通精度忽略巷道中線的偏差，繼而造成后續安裝給線問題。

表1 貫通點位置與貫通重要方向誤差對應關系

圖2 貫通點位置與貫通誤差關系Fig.2 The relationship between the position of the penetration point and the penetration error

綜上所述，提高貫通測量精度的方法有：在條件允許的情況下采用高精度的測量儀器。在井下導線延伸到一定長度時加測陀螺邊，減小測角誤差的累積；在布設導線的過程中根據巷道條件盡可能加大邊長，減少導線點數；在導線測量時采用三架法、省點法、支站法減少對中誤差；在測角測距時，儀器多次對中整平，瞄目標時盡可能瞄垂球線的上部，采用擺動觀測、正倒鏡觀測；盡可能減少望遠鏡的傾角，調節微動螺旋時沿同一方向；適時進行斜邊測量，對已測水平邊長進行檢核。提高井下三角高程測量精度的方法有：在條件允許的條件下采用高精度的測量儀器；使用操作熟練的測量技術人員進行施測；井下三角高程測量時通過2次或多次變儀器高觀測來提供測量精度，避免測量粗差的產生；井下三角高程測量時采用往返測量。

4 結論

通過數據分析和理論推導對采面貫通測量方案中的若干問題進行了探討分析，并結合實例提出最佳貫通點的選擇原則：在貫通導線長度一定、導線平均邊長一定、測繪儀器及施測技術要求不變的的前提下，最佳貫通點首選切眼中部，其次是切眼兩端順槽中部。實際施測過程中，應在保證貫通精度的前提下，控制好巷道中線，使得由導線測量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內，同時，通過合理安排施工組織，使得貫通點盡可能的接近上述位置，確保高精度貫通。當貫通精度滿足限差要求，巷道中線偏差超出容許范圍時，應通過加測陀螺定向邊優化測量導線。最后，結合工作實際提出了若干提高貫通測量精度的方法，對貫通測量日常施測具有一定的指導意義。