井下陀螺定向、7″級控制導線布設方案研究與應用

梁西棟 任鄧君

摘要：本項目主要用于布設礦井井下控制網，運用布設陀螺加強邊的方式將各采區控制網進行連接，以提高各巷道施工精度及貫通精度。針對礦區沖擊地壓顯現頻繁、大巷風速大等施工難度，自主設計制作新型永久點基樁，并采用等高四連腳架法進行7″級導線聯測，極大地提高了井下控制網布設精度，為井下安全生產提供了保障

關鍵詞：陀螺加強邊;采區控制網;支導線;等高四架法;沖擊地壓;貫通精度

1、項目概況

礦井位于國家規劃的十三個大型煤炭基地之一的彬長礦區西北部，占地面積560畝，井田面積219平方公里。礦井由井底車場巷道向南部延伸經過輔助運輸巷和膠帶機巷和風巷分支出各個順槽進入采區。為了盡早達到設計年產量，保證礦井順利進行建設生產，為日后西部和南部采區順槽順利貫通打下基礎，需要進行南部一盤區和西部采區井下控制測量，把西部采區和南部采區控制網進行連接。

2、任務內容及完成情況

2.1工程主要內容

1、西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷頂板永久銅樁點埋設;

2、西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷迎頭測設陀螺定向邊;

3、西區輔助運輸大巷-一盤區輔助運輸大巷-一盤區膠帶大巷施測7″控制導線;

2.2主要完成的工作內容和工作量

1、西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷共埋設永久銅樁點22個。

2、西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷各測設陀螺定向邊一條，共測設三條陀螺定向邊。

3、西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷建立井下7"級控制導線系統，共施測控制導線4.35公里;

4、成果、成圖資料的編制。

3、技術依據

（1）現行《煤礦測量規程》;

（2）《工程測量規范》（GB50026-2007）;

4、主要技術指標

4.1 采用的坐標系統

4.1.1 平面坐標系統

本工程成果為1980西安坐標系，3°帶高斯正形投影，中央子午線108°。

4.1.2 高程系統

高程系統為1985國家高程基準成果。

4.2 測量成果精度要求

a.井下三角高程測量：

b. 井下導線控制測量：

5、投入人員及儀器設備

為保證本工程測量成果的精度和進度，需投入的技術人員和設備見下表：

6、井下7″級控制導線施測

6.1井下平面觀測

6.1.1 井下永久銅樁點的埋設

礦井井下地壓較大，井下導線點經常由于沖擊地壓被破壞或擠壓位移。在導線和陀螺施測前，首先實地踏勘本工程控制導線途徑巷道，發現途徑巷道已經全部成型及整飾完畢，為了長久保存測量控制點，根據測量規范要求及礦方生產建設的需要，導線途徑巷道全部埋設永久性銅樁點，本次埋設的銅樁點長約40cm，頂端為6cm銅制穿線點。用充電式電鉆打孔埋入頂板，較為穩定穩固。每個點埋設完成后隨即噴上點名、掛好線繩，為下步測量工作做好了準備。

6.1.2 井下導線起算點的確定

本次井下導線起算點為2015年施測的陀螺邊“T1-T2-T3”，此組控制點位于西區輔助運輸大巷內，皆為保存完好的永久銅樁點。經檢核，夾角、距離、高差相對關系良好，可以作為本次井下控制的起算點（起算點坐標為礦地測科提供的1980西安坐標系成果）。

6.1.3 導線測量實施技術要求

井下施測7"級控制導線，采用徠卡TC1202型全站儀（測角：2"，測距：2+2ppm）四架法觀測，導線邊長及高差采用正倒鏡、往返觀測。

井下控制導線最終要求測角中誤差不大于7″（實際每測回測角中誤差最大為3″），導線相對閉合差不超過，（實際相對閉合差遠小于限差）。具體技術要求詳見下表：

注：n 為附合導線的總站數;n1、n2分別為控制導線第一次和第二次測量的總站數;mα1、mα2分別為附合導線起始邊和附合邊的坐標方位角中誤差;mβ為導線測角中誤差。

6.1.4 井下導線測量

施測井下導線測量按7"級導線要求，采用了徠卡TC1202型全站儀測量，導線布設路線見7"導線控制示意圖，導線邊長及高差采用了正倒鏡、往返觀測，導線路徑：由西區輔助運輸大巷向東測至一盤區輔助運輸大巷經過繞道進入一盤區膠帶大巷，導線點T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

最終導線方位與陀螺定向方位比較：“T6 - T7”～“F9 - F10”，符合差為-11″“F9 - F10”～“F15 - F16”符合差為+5″。

6.2井下高程測量

井下高程測量采用在測井下7"級控制導線時一并測設的三角高程成果。三角高程測量中儀器高（本工程所用全站儀儀器高與棱鏡高等高）。在觀測前和結束后用5m鋼卷尺各量一次，兩次限差4mm，相鄰兩點往返測高差不大于10mm+0.3mm*L（L為導線水平邊長，以m為單位）。

采用我處的三角高程測量方法可以代替等外水準測量。采取的主要措施有：采用等高四架法，高差正倒鏡、往返觀測，只量取儀器高等等。我處的《大型貫通井下導線施測方法的研究》已獲得2008年度煤炭部級工法。

井下采用等高四架法施測井下導線時，作業人員配備7人（記錄一人，觀測一人，后視一人，對點一人，擋風二人，送架腿一人）。

7、井下陀螺定向

7.1 陀螺定向邊位置確定

本次控制導線長度在4km以上，屬于長距離控制導線，為減小導線末端橫向誤差，提高導線精度，需加測陀螺定向邊，在西區輔助運輸大巷迎頭和一盤區輔助運輸大巷、膠帶大巷迎頭分別加測一條陀螺邊，用以控制西部采區和南部一盤區運煤順槽的導線精度。三條陀螺邊均為永久基樁點，通過7秒導線將整個控制導線連接成為方位附和導線。

7.2 陀螺定向作業方法

7.2.1陀螺定向測量實施

a.陀螺地面常數觀測時，儀器、三腳架和電源部份避免陽光直射;井下對點時采用大塊擋風布對陀螺儀進行遮擋，使巷道風力減至最小程度。

b.測陀螺時儀器嚴格整平，觀測過程中管水準氣泡偏離均不超過0.5格。每次測量后，由一個測回轉到下一個測回觀測前，停止陀螺轉動10—15min，重新安置陀螺儀、整平和對中儀器，并使度盤位置變換180°/n（n為測回次數）;

c.相鄰擺動中值互差和相隔擺動中值互差均小于規范允許誤差 35″和55″;

d. 一測回的測前、測后方向值互差均小于規程允許的±10″。

e.采用跟蹤逆轉點法觀測，連續觀測五個以上逆轉點，計算三個以上陀螺擺動

中值。

f.陀螺全站儀的懸掛帶零位測前測后分別測量一次，最大為±0.35格，較差最大為±0.05格，小于規程規定的±0.5格和0.2格。井上下零位變化小于0.1格，計算時可不加入零位改正。

g.本次定向采用GAK-1型15秒級陀螺經緯儀，采用“跟蹤逆轉點法”結合“中天法”來進行觀測，采用2—2—2的作業程序。已知邊為地面井田控制網控制點“E022—E021”。首先，在地面已知邊上進行兩個測回的儀器常數測定，然后施測西區輔助運輸大巷、一盤區輔助運輸大巷、一盤區膠帶大巷迎頭分別測設一條陀螺邊，每條邊用逆轉點法和中天法施測兩測回。上井后再在地面已知邊進行兩測回的儀器常數測定。陀螺定向工作在永久點埋設好后隨即進行。

7.2.2方位角計算

根據井上陀螺定向測量，計算出儀器平均常數△=T-T平，再利用公式α= T平+△-γ計算井下定向邊的坐標方位角，其中γ=△L×sinB（L為陀螺儀所在位置的經差，B為緯度）。井下起始定向邊精度滿足規范要求，成果可靠。

7.3 陀螺定向精度評定

同一定向邊兩測回陀螺方位角的最大互差8″（限差40″），測前測后儀器常數最大互差7″（限差40″）。

觀測限差規定如下：

（1）測前與測后零位值的互差，對15″級儀器不得超過0.2格，對其它儀器不得超過0.4格;

（2）采用跟蹤逆轉點法觀測時，一般應連續觀測五個逆轉點，計算三個陀螺擺動中值。相鄰和間隔擺動中值的互差應符合下表的限差規定。

（3）、根據瑞士GAK-1型15″級陀螺經緯儀在野外多條邊上的雙次觀測值求算的陀螺方位角一測回測定中誤差為：

MT=±=±7."6

井下定向精度為：

Mɑ井下=±

=±=±7."2

8、導線平差后的精度評定

導線測量完成后，我們利用加測的3條陀螺邊先對導線方位進行平差。然后再將方位平差后的測量數據輸入平差軟件進行平差。平差結果為：附和導線最大點位誤差= 0.011（m），最小點位誤差 = 0.003（m），平均點位誤差 = 0.004（m），最大點間誤差 = 0.009（m），最大邊長比例誤差 = 1/24490，平面網驗后單位權中誤差 = 1.80（s）。附和差 -0.014m，規程允許差：±40=±0.114m（符合規程要求）

[邊長統計]總邊長：4344.428（m），平均邊長：149.8（m），最小邊長：24.495（m），最大邊長：594.854（m）導線路徑：

T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

fx=-0.010（m）， fy=-0.018（m），總邊長[s]=4344.428m），全長相對閉合差k=1/94500。

9、工程結論與總結

從控制導線平差的結果可以看出，實際中誤差均小于規范允許中誤差，表明制定的巷道控制測量設計方案能夠滿足控制導線測量精度的要求。

1、對于影響測角精度的主要因素-對中問題，我們采用四架法測量，不重復架站，減少對中對測量精度的影響;風特別大時，采取有效的擋風措施和大錘球以最大限度地減小對中誤差對導線測角的影響;盡最大限度的采用長邊導線，這些措施極大的提高了導線施測精度。

2、檢核原始資料的可靠性。我們對該工程的起始資料，包括方位、坐標、距離、高程、坡度都進行了認真的檢核。下井測量時對起算資料反復查對，確保準確無誤。

3、精密導線的測量精度主要取決于測角的精度，本次井下導線布設為等邊直伸型，導線長度均勻，對貫通誤差的影響極小，經成果分析，該精密導線測量成果可靠，達到技術設計的精度。

4、橫向誤差是導線點在長度的垂直方向產生的位移，是由測角誤差引起;縱向誤差是導線點在長度方向產生的位移，是由邊長誤差引起。測角誤差是橫向誤差主要的產生來源。四架法可以消除儀器對中產生的誤差，使用瑞士產15秒級GAK-1陀螺經緯儀定向可以作為方位加強邊和定向邊指導巷道的開拓以提高施工精度。