申家莊煤礦突水封堵點精確定位研究

劉 冰，馬銥涵

(1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南焦作454003;2.河南中緯測繪規劃信息工程有限公司，河南焦作454000)

1 工程概述

申家莊煤礦為河北省峰峰集團下屬的煤礦，位于河北磁縣境內，該礦為斜井開拓，煤層平均厚度4.15 m。此次測量工作是由于申家莊煤礦2302工作面出現透水事故，導致該工作面被淹，嚴重影響煤炭生產。為了封堵出水點，需要對該井上下鉆孔位置進行精確測量定位。

1.1 測量任務要求

(1)地面控制測量:利用該礦提供的工業廣場上的“新洗煤樓”和“新南山”兩個控制點，對打鉆地點進行測量，確定鉆孔地面三維坐標。

(2)井下7″導線測量:對該礦指定巷道導線進行導線測量，精度為7″導線，約4.5 km，并對導線點施測三角高程。

(3)陀螺定向測量:對施測導線在離井口約2 km和4 km處各施測陀螺定向邊。

(4)導線資料改算:由于離2302工作面有約1.5 km巷道已被水淹，無法進行導線測量，需要根據該礦提供的導線資料進行改化計算。

作業依據《煤礦測量規程》［1］，平面坐標系統為接近“國家統一分帶的3°帶第38帶，中央子午線為東經114°，1954年北京坐標系”的獨立坐標系［2－3］，高程系統為1985年國家高程基準(見表1)。

圖1 測量路線示意圖

表1 作業依據

2 地面控制測量

2.1 地面礦區一級導線測量

對于申家莊礦地面控制測量，利用該礦提供的工業廣場上的“新洗煤樓”和“新南山”兩個控制點，對打鉆地點進行測量，確定鉆孔地面三維坐標。此次采用SOKKIA SET2 130R3型全站儀(測角2″，測距(2+2ppm×D)mm)，按礦區地表的平面一級導線控制要求來進行測角和測距工作。水平角和垂直角測角觀測為4測回，距離、高差應進行正返覘觀測。此次測定新控制點9個，地面控制導線總長度9 947.1 m。

2.2 地面鉆孔位置測量

對于申家莊礦2302工作面堵場地面鉆孔位置測定，水平角測角1測回，垂直角觀測2個測回，高程為單向三角高程，確定鉆孔地面三維坐標。鉆孔位置測量總長度為2 137.4 m。測量鉆孔5個，由于鉆孔位置改變，孔1、孔2為礦上測量，已經應用本成果資料改算后的坐標。

3 井下陀螺全站儀定向測量

3.1 陀螺全站儀定向方法及程序

本次陀螺定向依據《煤礦測量規程》有關規定進行。

(1)使用儀器:采用與全站儀配套的陀螺儀(96800 GP－1)，標稱精度為一測回測量方位角中誤差為 ±20″。

(2)操作方法:通過逆轉點法［4－5］，跟蹤5個逆轉點，根據中位數擺動舒勒平均值法求取逆轉點擺動中值。

(3)定向程序:采用3－2－3的程序，即下井前在地面已知邊上測定儀器常數3次，井下待定邊上測定陀螺方位角2次，上井后在原來測定儀器常數的已知邊上再測定儀器常數3次。

3.2 陀螺全站儀定向成果計算

為了完成申家莊煤礦《地面控制測量及井上下陀螺定向和7″導線測量》項目，于2012年7月13日至2012年7月28日期間進行了該礦井下兩條邊的陀螺全站儀定向測量工作。陀螺全站儀定向數據處理成果及相關說明如下。

3.2.1 陀螺定向邊的精度評定

陀螺全站儀定向精度評定公式為:

式中:mα—陀螺定向邊坐標方位角的中誤差;

mΔ平—陀螺儀器常數測定平均值的中誤差;

mT'平—井下待定邊陀螺方位角平均值的中誤差;

mΔ—一次測定陀螺方位角的中誤差;

n0—陀螺經緯儀儀器常數測定的測回數;

n—為井下定向邊測定陀螺方位角的測回數。

3.2.2 陀螺全站儀定向成果精度分析

地面陀螺常數測定分別在“新洗煤樓”、“新南山”兩個近井點上進行，每次測3個測回，測定儀器常數6個，取平均值參與計算。井下陀螺邊設定于3#探巷繞道“T1－T2”，考慮到距離起始點較遠，測3個測回;另一條陀螺邊設定于－200車場繞道口“T25－T26”，測2個測回。

由此可計算出，一次測定陀螺方位角的中誤差為±12.5″，儀器常數平均值的中誤差為±5.1″。“T1－T2”邊陀螺定向方位角為154°14'28.7″，其中誤差為 ±8.8″，“T25 － T26”邊陀螺定向方位角為 122°03'－11.3″，其中誤差為±9.9″，均達到了該陀螺全站儀標稱精度±20″的要求，也達到了《煤礦測量規程》的要求。這樣高的精度為以后減小重要的水平方向的偏差奠定了良好的技術基礎。

4 井下導線測量

4.1 井下連接測量

由于申家莊煤礦的開拓方式為斜井運輸，地面的連測工作可直接從地面按導線測量方式進行引測，即由“新洗煤樓”點，后視“新南山”，連測到斜井口，再測量到井底。

4.2 井下導線測量

井下導線采用的全站儀與地面測量的相同。導線精度為7″施測，水平角、垂直角和邊長均觀測2個測回。對于15 m以下的邊長或角度兩邊之比大于3的角度，水平角觀測3個測回。往返測邊長經改正后化平距后的互差小于邊長的1/6 000。另外使用兩陀螺邊之間的導線進行簡易平差。利用清華山維公司的NASEW平差軟件來求取井下導線點坐標。

4.3 井下導線平差計算

4.3.1 第1次井下導線測量

第1次井下導線測量，共測量角度46個，邊數49條，導線點個數51個，導線全長5 027.667 m。第1段從“新洗煤樓”到“T25”，水平長度2 598.633 m，測角21個。假設井上起算邊坐標方位角中誤差ma1=±5″，井下陀螺定向邊方位角中誤差為ma2=±20″，那么第1段方向附合導線的方位角允許閉合差為:

實際閉合差為f1實際= －8.9″，在9個短邊角度上平均分配。第2段從“T26”到“T1”，水平長度1 544.082 m，測角18個，方位角允許閉合差為:

實際閉合差為f2實際=－72.0″，在18個角度上平均分配。從“T1”至最后“70”點為支導線，長度為242.767 m。

4.3.2 第2次井下導線測量

第2次井下導線測量，共測量角度48個，邊數50條，導線點個數53個，導線與第1次基本相同。第1段從“新洗煤樓”到“T25”，測角22個，方位角允許閉合差為:

實際閉合差為f1實際=－1.4″，在2個短邊角度上平均分配。第2段從“T26”到“T1”，測角18個，方位角允許閉合差為:

實際閉合差為f2實際=－28.3″，在18個角度上平均分配。

4.3.3 井下7″導線測量最終成果

由于兩次井下導線測量均按相同的精度進行施測，故取兩次測量的坐標的平均值作為最終成果。這樣在一定程度上提高了坐標的精確度。

4.4 井下導線測量計算成果精度分析

4.4.1 方向附合導線閉合差精度分析

根據《煤炭測量規程》的要求，井下7″導線，每1.5～2 km均需要加測一條陀螺定向邊，此次導線測量加測了2條陀螺定向邊［6］，因此導線為方向附合導線。數據見表2。

表2 方向附合導線方位角閉合差分析

由表2可知，兩次測量的方位角閉合差均未超限，且精度較高，完全符合《煤炭測量規程》的要求。

4.4.2 方向附合導線全長相對閉合差精度分析

此次井下導線分為3段，第1段“新洗煤樓—T25”、第2段“T26—T1”、第3段“T1—70”，第1、2段為方向附合導線，第3段為支導線。又因為此次井下導線測兩遍，故為方向附合導線復測支導線。見表3。

表3 方向附合導線相對角閉合差分析 m

第1段和全段導線的相對閉合差均遠小于1/8 000，說明導線相對閉合差精度高，完全符合《規程》要求。

4.4.3 方向附合導線高程精度分析

從表3中數據可知，第1段“新洗煤樓—T25”，△H=－4 mm。導線全段“新洗煤樓—45”，△H=+1 mm，說明導線高程閉合差精度高，完全符合《煤炭測量規程》要求。

5 礦上支導線資料及井下鉆孔坐標改算

5.1 資料來源

由于申家莊煤礦70號點以南的下山方向巷道被水淹沒，無法進行導線測量，只能根據礦方提供的原始資料進行坐標改算。原始數據資料來源于“磁縣申家莊煤礦測量成果臺賬”及“申家莊礦堵水工程鉆場布置圖”。

5.2 礦上導線資料和井下鉆孔坐標改算

5.2.1 對近井點進行簡要評述

因為該礦的地面近井點為井下的導線點按15″導線精度的要求進行返測到地面后所建，這屬于測量上的“低級控制高級”。這種控制測量的方式明顯違背了測量的基本準則，但是由于搶險救災，恢復生產等多方面原因，在短期內難以建立地面基本控制網并進行聯測的情況下，被迫應用當前的兩個地面近井點，即“新洗煤樓XXML”和“新南山XNS”來進行該項測量工作。很顯然，這種坐標系統屬于獨立坐標系。另外由于該礦測量上的歷史原因，并沒有將所測邊長換算到大地水準面和高斯投影面上，即所謂的兩差改正，所以為了與礦方資料保持一致性，因此此次測量成果亦未進行上述兩差改正。

5.2.2 改算方法

由于井上下所有測量資料的起算點為“新洗煤樓”，起算方位為“新洗煤樓—新南山”，起算點坐標和方位的誤差會傳遞到地面和井下，因此，此次所有測量資料均在其基礎上進行計算，包括地面控制測量資料和井下7″導線資料。

對于“礦上導線資料”和“申家莊礦堵水工程鉆場布置圖”中的鉆孔位置，其改算方法為:以“新洗煤樓”為中心，以“新洗煤樓”至“45”為標準，方向為153°45'36.30″和標準長度為 3 366.655 m，而“新洗煤樓”至“原45”的坐標方位角為153°46'56.29″，長度為3 366.191 m。先將“礦上導線資料”和鉆孔位置進行旋轉，逆時針旋轉角度為1'19.99″;然后以“新洗煤樓”為中心對其進行放大，放大系數為1.000 137 841。得到“礦上導線資料”和鉆孔位置的改算后坐標。

6 結論

此次申家莊煤礦測量項目完全按《煤礦測量規程》中規定要求進行，各項測量成果資料完全滿足《煤礦測量規程》規定的各項精度指標。依據此次的測量成果，按照經過改算后的鉆孔坐標進行打鉆封堵出水點的工作，所有鉆孔均在誤差范圍之內打通，成功封堵住了出水點，該成果可為同類測量工作提供較好的借鑒作用。

［1］ 中華人民共和國能源部.煤礦測量規程［M］.北京:煤炭工業出版社，1989.

［2］ 劉紹堂，蔣瑞波，蘇軒.陀螺全站儀在礦井聯系測量中的應用［J］.測繪科學，2011(2):94－96.

［3］ 梁洪有，張健雄，王寶山，等.古漢山－位村煤礦貫通測量地面控制網建設［J］.煤炭科學技術，2006，34(7):62－65.

［4］ 孫金禮，陳杰.煤礦井下巷道貫通測量精度分析及技術方法［J］.煤炭科學技術，2010，38(6):112－114.

［5］ 高福聚，高鐵軍.逆轉點法、中天法、時差法定向比較［J］.礦山測量，1994(4):3－6.

［6］ 張立志.貫通測量方案的選擇與誤差預計［J］.煤炭技術，2008，27(7):140－141.