豎井一井定向誤差分析的探討

丁太平

（新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

豎井一井定向誤差分析的探討

丁太平

（新疆阿舍勒銅業(yè)股份有限公司 哈巴河 836700）

新疆阿舍勒銅礦下采區(qū)550m中段至500m中段3號(hào)采場(chǎng)使用中深孔分段礦房法，其分段高度為16～17m，50m中段高度之間分幾個(gè)水平鑿巖分段。各水平鑿巖分段的平面控制測(cè)量采用豎井三角形連接法聯(lián)系測(cè)量，其誤差由兩個(gè)中段的連接誤差和投向誤差3部分組成，本文對(duì)其誤差精度進(jìn)行分析探討。

阿舍勒銅礦 聯(lián)系測(cè)量 連接誤差 投向誤差

1 概述

1.1 基本情況

地質(zhì)概況：新疆阿舍勒銅礦采用上下采區(qū)的分區(qū)開采方法，其下采區(qū)500m中段5003＃采場(chǎng)位于1號(hào)礦體中部；礦體上盤界線在平面上向北急劇收縮，其產(chǎn)狀近于直立，上下盤礦巖界線向內(nèi)緩緩收縮；采場(chǎng)寬度10m，中段高度50m，平均地質(zhì)品位，Cu 3.08%、Zn 1.12%；礦體下盤圍巖為黃鐵礦，向北變?yōu)橛舶邘r；上下盤圍巖穩(wěn)固性較差。

采場(chǎng)布置：礦房垂直礦體走向布置，其切井和人行聯(lián)絡(luò)井分別布置在礦房的兩端。切井作為中深孔爆破拉槽的自由面和補(bǔ)償空間要求較大為好。該采場(chǎng)分段高度分別為17m、16m、17m，即絕對(duì)標(biāo)高分別為500m、517m、535m，并都與切井和人行井聯(lián)通，作為中深孔鑿巖硐室。由于500m中段底板沿3號(hào)穿脈處巖石破碎嚴(yán)重，所以從巖石較穩(wěn)固的2號(hào)穿脈西部斜拉3號(hào)穿脈作為溝通巷道，鑒于5號(hào)采場(chǎng)目前出礦過(guò)程中暴露出來(lái)的出礦巷道和出礦進(jìn)路垮落嚴(yán)重的狀況，依照工程技術(shù)人員的指示，采用雙機(jī)芯中深孔拉底方法，以形成V型的出礦塹溝，那樣既能有效地保護(hù)出礦巷道不受破壞，又能減少殘留在礦房中的已采下的礦石量。

1.2 一井定向

一井定向是幾何定向的普通方法之一。一井定向通常采用三角形連接法。外業(yè)工作包括定向投點(diǎn)和上下水平段的連接測(cè)量，定向投點(diǎn)就是在井筒中掛兩根鋼絲線。

1.3 一井定向的準(zhǔn)備工作

一井定向準(zhǔn)備工作的完善與否是定向工作順利完成的關(guān)鍵之一，必須作好充分準(zhǔn)備。定向前的準(zhǔn)備工作有：

⑴查看定向用的豎井井底和豎井頂部的巖石安全情況，踏勘上下水平中段或分段的測(cè)量路線，以便合理作布置投點(diǎn)準(zhǔn)備，選擇上下段連接用的圖形和測(cè)量路線；

⑵布設(shè)與定向有關(guān)的導(dǎo)線點(diǎn)，并進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量；

⑶檢核定向用的測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)備定向投點(diǎn)用的工用具等，如定向投點(diǎn)用的重要設(shè)備有鋼絲線、錘球、大水桶(裝滿水)；

⑷點(diǎn)的布設(shè)與投點(diǎn)，即將鋼絲線系上錘球后放入大水桶中，并要求錘球不能碰到水桶底。

2 一井定向的誤差組成

定向測(cè)量是由井上連接、井下連接和投向組成，誤差分別為：⑴井上連接誤差m上；⑵投點(diǎn)誤差θ；⑶井下連接誤差m下。

則定向誤差為：

根據(jù)實(shí)際定向資料分析可知：

按《規(guī)程》要求，一井定向一次定向中誤差Mα0＝4 2″，因此，投向誤差最大應(yīng)為：

即有：θ≤30″

當(dāng)上下連接誤差影響大致相等時(shí)，連接誤差應(yīng)滿足：

2.1 投點(diǎn)誤差分析

一井定向是依靠?jī)筛N球線將地面坐標(biāo)與方向傳遞到定向水平，由于錘球線偏斜而引起的方向誤差，一般稱為“投向誤差”。欲使投向誤差＜30″，當(dāng)兩錘球線間距為2～5m時(shí),其投點(diǎn)誤差為0.3～0.8 mm，這個(gè)要求很高。下面就各種影響投點(diǎn)精度的因素分別進(jìn)行分析研究。

⑴氣流對(duì)錘球的影響：一般通風(fēng)情況下，礦井內(nèi)的風(fēng)流呈紊流狀態(tài)，從而造成對(duì)錘球線的側(cè)壓力。這種壓力的方向與大小都是混亂的，其中大部分可相互抵消。不過(guò)，由于錘球在井筒中所處位置不同，它所受氣流影響亦不同，一般分為3段：第一段鋼絲在井筒中間所受影響較小；第二段鋼絲在定向中段受氣流的單向側(cè)壓力影響，造成錘球線偏斜；第三段鋼絲和錘球在穩(wěn)定液中，基本不受氣流影響。

總之，錘球線在井筒內(nèi)因氣流作用所產(chǎn)生的偏斜值的大小，與錘球長(zhǎng)度、錘球質(zhì)量、風(fēng)流速度和在定向中段高度等因素有關(guān)，可以定量地計(jì)算氣流對(duì)投向誤差的影響量。這里不做詳細(xì)介紹。

減小風(fēng)流影響一般采取下述措施：①減小風(fēng)速，在定向時(shí)采取停風(fēng)，關(guān)閉風(fēng)門措施；②減小錘球線受氣流影響的長(zhǎng)度，若采取停風(fēng)，關(guān)閉風(fēng)門后，仍有負(fù)壓存在，則可在垂線上加一套管，以防氣流直接沖擊垂線；③加大錘球質(zhì)量，但應(yīng)注意錘重與所選用的鋼絲直徑相適應(yīng)。否則鋼絲直徑增大，鋼絲受風(fēng)流的作用力也增大，一般選用鋼絲直徑為1.5～2.0mm，而錘球質(zhì)量不超過(guò)300 kg為好；④選擇下放錘球位置，盡量使兩錘球線的聯(lián)線方向與風(fēng)流方向一致，以減小投向誤差。

⑵井筒內(nèi)滴水對(duì)錘球線的影響：井筒內(nèi)滴水、涌水或水管漏水等，將打擊錘球和垂線，破壞其均勻擺動(dòng)。但這種現(xiàn)象無(wú)法用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)，因此，只能在選擇錘球線的懸掛位置時(shí)給予注意，采用擋水板并在穩(wěn)定液桶上加擋水蓋等措施，以減小其影響。

⑶鋼絲的彈性作用：為了避免這種影響應(yīng)采用大直徑滾筒的絞車，直徑較細(xì)的鋼絲和相應(yīng)的錘重；選擇定點(diǎn)板下完全鉛直的位置進(jìn)行觀測(cè)。為此，在連接時(shí)要求視線低于定點(diǎn)板，盡量布置在兩錘球線的聯(lián)線方向上，并使滑輪與定點(diǎn)板間一段斜線對(duì)鉛垂線的偏角β盡可能小，以減少對(duì)投向的影響。

⑷錘球線的擺動(dòng)面和標(biāo)尺面不平行：當(dāng)進(jìn)行錘球線的擺動(dòng)觀測(cè)時(shí)，若垂線擺動(dòng)方向與標(biāo)尺面不平行，這時(shí)真正的穩(wěn)定位置應(yīng)位于擺幅的中點(diǎn)。該點(diǎn)在標(biāo)尺上的讀數(shù)與真實(shí)位置的距離差，即為由于錘球線的擺動(dòng)面與標(biāo)尺面不平行所引起的投點(diǎn)誤差。為了減少這項(xiàng)誤差的影響,觀測(cè)時(shí)應(yīng)盡量使錘球線的擺動(dòng)方向與標(biāo)尺平行,并適當(dāng)限制擺幅的大小,一般要求不超過(guò)100 mm。

⑸錘球線的附生擺動(dòng)：在理想條件下，井筒內(nèi)錘球線的擺動(dòng)，應(yīng)象單擺一樣具有均勻而逐漸衰減的擺幅，但從實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)錘球線的各相鄰擺幅中央位置的聯(lián)線并不成直線而是不規(guī)則曲線。這說(shuō)明錘球線在擺動(dòng)過(guò)程中，有其它附加的擺動(dòng)影響了其主要擺動(dòng)。這種附加的擺動(dòng)，稱為錘球線的附生擺動(dòng)。為了減少附生擺動(dòng)，可采取適當(dāng)增大垂線擺幅，并采用足夠的錘球質(zhì)量。同時(shí)將錘球放在穩(wěn)定液中，盡量減小風(fēng)速并保持穩(wěn)定氣流狀態(tài)，這樣可以減小附生擺動(dòng)的影響。

2.2 三角形法連接時(shí)的誤差分析

在圖1中,井下導(dǎo)線起始邊C'D'的方位角αc'd'，是由下式推算的：

圖1

所以可以認(rèn)為方位角αc'd'的誤差即為定向誤差，以Mαc'd'表示。該誤差除包括各角的測(cè)角誤差外，還有投向誤差e。因此，其總的定向誤差為：

實(shí)際該公式分別表示井上連接、井下連接和投向誤差等3部分，即有：

連接三角形中錘球線處角度的中誤差及連接三角的最有利形狀另起段在連接測(cè)量中錘球線處的角度α，是通過(guò)正弦定理間接算得，即：

根據(jù)誤差傳播定律對(duì)上式進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)計(jì)算，令ma=mc=ms可得β角的誤差為：

對(duì)井下定向水平的連接三角形，也可得同樣的誤差計(jì)算公式。

由該公式可知角誤差mα、mβ與錘球線距離c成反比，而與C點(diǎn)至兩錘球線間的距離a、b成正比。

根據(jù)上述分析，連接三角形如按下述要求布置與測(cè)算時(shí)最為有利，即所謂“有利連接三角形”：

（1）垂線間距c愈大愈好；

（2） C點(diǎn)至A、B兩點(diǎn)距離a、b愈小愈好。據(jù)研究認(rèn)為，當(dāng)c=3～5m時(shí)，a為8.5m左右最為有利；

（3）γ角觀測(cè)精度愈高愈好；

（4）銳角α愈小愈好，鈍角β角則愈大愈好：α應(yīng)＜2°，β應(yīng)＞178°，使A、B、C 3點(diǎn)盡可能位于一直線上，形成“延伸三角形”；

（5） 方位角傳遞時(shí)，必須通過(guò)誤差較小的銳角；

（6）由于γ在計(jì)算中沒有檢查，必須仔細(xì)觀測(cè)與計(jì)算。

3 誤差預(yù)計(jì)和分析

阿舍勒銅礦聯(lián)系測(cè)量中，在5003＃采場(chǎng)采用連接三角形法進(jìn)行一井定向，其連接方案見圖1。試根據(jù)下列實(shí)測(cè)結(jié)果，預(yù)計(jì)其定向誤差。

由圖 1可推得 αc'd'=αcd+φ-α+β'+φ'±4×180°；設(shè)ψ、β、α′和ψ′的中誤差為mψ、mβ、mα′和mψ′則定向水平起始邊方位角中誤差為：

式中，θ為投向誤差（可以查表或計(jì)算出來(lái)）。定向測(cè)量工作使用萊卡402全站儀。其主要技術(shù)指標(biāo)：一測(cè)回水平方向中誤差±0.71″；照準(zhǔn)誤差±2″；讀數(shù)誤差為0。

按下列順序估計(jì)或估算定向測(cè)量的各項(xiàng)誤差：

⑴連接誤差：

算角中誤差mβ、mα′：

e根據(jù)550m中段巷道頂板高度3～4m，對(duì)中線量誤差較大，設(shè)e=1mm，535m分段巷道斷面小，對(duì)中線量誤差較小，設(shè)e=0.1mm。

則在測(cè)站C點(diǎn)上：

該次的定向中誤差符合《測(cè)量工作規(guī)程》的精度要求。

收稿：2013-08-26