礦山井下巷道貫通測(cè)量精度分析及技術(shù)方法的探討

白利軍

（榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

在大型礦山井下生產(chǎn)作業(yè)中，巷道貫通測(cè)量工作是井下生產(chǎn)安全和作業(yè)效率的基本保障，對(duì)測(cè)量精度要求較高。但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，容易產(chǎn)生誤差累積，導(dǎo)致最終的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。為了確保井下巷道貫通測(cè)量的精確度，必須對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，并采取有效的方法降低誤差。此外，采用先進(jìn)的貫通測(cè)量方法也可以提高貫通測(cè)量精度，為礦山井下生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全提供保障。

1 礦山井下巷道工程概述

某大型礦山井下工程為提高井下生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)接替流暢，對(duì)縱向一翼開(kāi)拓二水平運(yùn)輸大巷，主要向中部和北部?jī)蓚€(gè)分段進(jìn)行開(kāi)拓，其中，中部分段為副立井到北二斜井，貫通距離為6284m，北部分段是從北二斜井到北三斜井，貫通距離為3086m。貫通總進(jìn)尺為9370m，整個(gè)過(guò)程質(zhì)量和精度較高，貫通測(cè)量設(shè)置一個(gè)地面小三角網(wǎng)，其中包括11個(gè)控制點(diǎn)，地面測(cè)量水準(zhǔn)為2500m，井下導(dǎo)線長(zhǎng)10020m，共包含98個(gè)控制點(diǎn)，測(cè)量水準(zhǔn)為7320m。井下共有4條陀螺邊[1]，屬于特大井下巷道貫通工程。

2 貫通測(cè)量精度分析

2.1 各分段巷道貫通精度分析

2.1.1 中部分段貫通測(cè)量精度分析

在上述礦山井下巷道貫通工程中，中部貫通分段是從副立井到北二斜井之間的區(qū)域，貫通測(cè)量前首先對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行預(yù)計(jì)，比較集中測(cè)量方案，考慮該分段的實(shí)際施工情況，最終采用立井鋼絲定向投點(diǎn)的測(cè)量方式和高程傳遞方式，井下設(shè)置陀螺邊，在平巷和斜井處設(shè)置鋼尺量邊和測(cè)距導(dǎo)線，對(duì)巷道測(cè)量誤差進(jìn)行控制。在設(shè)置導(dǎo)線的邊長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際施工需要，每500m長(zhǎng)邊設(shè)置一道80m～100m短邊，將陀螺邊設(shè)在距離貫通點(diǎn)1/3處。采用該貫通測(cè)量方案，中部分段的測(cè)量誤差預(yù)計(jì)為水平方向388mm，高程160mm。經(jīng)貫通施工后，實(shí)際水平誤差為115mm，高程誤差113mm[2]。

2.1.2 北部分段貫通測(cè)量精度分析

在對(duì)北部分段的測(cè)量誤差進(jìn)行預(yù)計(jì)時(shí)，由于該分段是兩個(gè)斜井之間的部分，因此采用2斜井紅外測(cè)距導(dǎo)線控制方案，根據(jù)測(cè)距的三角高程設(shè)置標(biāo)高，平巷測(cè)量為一等水準(zhǔn)。在該方案下，水平方向的預(yù)計(jì)誤差為296mm，高程誤差預(yù)計(jì)為188mm。經(jīng)過(guò)貫通施工后，實(shí)際水平誤差為14mm，高程誤差12mm，各分段貫通施工的貫通處閉合情況如表1所示[3]。

2.2 貫通測(cè)量誤差分析

該礦山井下巷道貫通工程的中部分段是一個(gè)典型貫通工程，采用地面連接測(cè)量和立井定向、導(dǎo)入標(biāo)高測(cè)量、導(dǎo)入斜井測(cè)量等方法，在井下使用測(cè)距導(dǎo)線和鋼尺量邊導(dǎo)向，加測(cè)陀螺定向邊。在該部分巷道貫通施工結(jié)束后，對(duì)各個(gè)測(cè)量過(guò)程的誤差進(jìn)行分析，包括地面連接誤差和定向誤差，以及井下的導(dǎo)線測(cè)量誤差等，并根據(jù)預(yù)計(jì)誤差中各項(xiàng)誤差所占的比例，參考其他井下巷道貫通資料，確定地面連接誤差與定向誤差及井下導(dǎo)線測(cè)量誤差的比例關(guān)系為1：3：4。根據(jù)這一比例關(guān)系，分別得出各項(xiàng)測(cè)量誤差占總誤差的比例，即地面連接誤差占1/8、定向測(cè)量誤差占3/8、井下導(dǎo)線測(cè)量誤差占4/8[4]。

在實(shí)際貫通測(cè)量過(guò)程中，水平方向誤差為115mm，其中，地面導(dǎo)線測(cè)量誤差為14mm，定向誤差為43mm，井下導(dǎo)線測(cè)量誤差為58mm。占據(jù)最大比例的井下導(dǎo)線誤差又可分為量邊誤差和測(cè)角誤差兩個(gè)部分。在中段巷道貫通施工中，井下導(dǎo)線多數(shù)采用直伸導(dǎo)線，測(cè)距邊精度較高，因此，井下導(dǎo)線誤差主要是測(cè)角產(chǎn)生的誤差。將礦井下測(cè)角誤差近似等于58mm，這58mm的誤差主要來(lái)源于對(duì)中誤差和測(cè)角方法引起的誤差。

在該工程中，采用T2經(jīng)緯儀測(cè)回法進(jìn)行測(cè)角，讀數(shù)誤差約為0.75″。由于實(shí)際井下觀測(cè)作業(yè)難度較大，難以做到精確瞄準(zhǔn)，因此實(shí)際瞄準(zhǔn)誤差較大，一般為估計(jì)值的2倍左右，這里取值5″。則測(cè)角方法引起的誤差約為3.6″。由于井下導(dǎo)線平均長(zhǎng)度為150mm，可以計(jì)算出對(duì)中誤差是0.7mm。在貫通施工結(jié)束后，對(duì)實(shí)際中線誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，講下導(dǎo)線測(cè)量誤差實(shí)際數(shù)值與觀測(cè)數(shù)值基本相符。

表1 各分段貫通誤差和閉合情況

2.3 提高貫通測(cè)量精度的措施

為提高礦山井下貫通測(cè)量精度，首先應(yīng)建立地面專(zhuān)用控制網(wǎng)，彌補(bǔ)采空區(qū)上部地面控制網(wǎng)不可靠的問(wèn)題。在上述工程實(shí)際施工中，為確保工程適量，對(duì)地面控制網(wǎng)進(jìn)行重新布置，在礦井北部設(shè)置小三角控制網(wǎng)，包含11個(gè)控制點(diǎn)，單位權(quán)重誤差可以控制為20″，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位誤差可以控制為21mm，最弱邊的相對(duì)誤差為1/61500。在中部設(shè)置測(cè)距閉合導(dǎo)線，近井點(diǎn)橫向點(diǎn)位誤差為12.1mm，縱向點(diǎn)位誤差為15.9mm，高程誤差為10.0mm。通過(guò)上述設(shè)定，可以消除地面控制網(wǎng)的不確定性，確保貫通測(cè)量精度。在此地面控制網(wǎng)的應(yīng)用下，預(yù)計(jì)地面連接誤差為65mm，而3項(xiàng)誤差分析結(jié)果僅為14mm，精度提升作用較為明顯。

在對(duì)導(dǎo)線誤差進(jìn)行處理時(shí)，由于該工程的導(dǎo)線測(cè)量總工作量非常大，工設(shè)置有90個(gè)測(cè)量點(diǎn)，為提高測(cè)量精度，需要從以下幾方面著手：①根據(jù)工程要求，嚴(yán)格執(zhí)行測(cè)量方案，在測(cè)量過(guò)程中組織好各項(xiàng)工作，測(cè)量人員密切配合；②使用三腳架進(jìn)行觀測(cè)和瞄準(zhǔn)，降低瞄準(zhǔn)誤差；③對(duì)中誤差要嚴(yán)格控制在1mm以內(nèi)，水平氣泡的偏斜不能超過(guò)半格；④發(fā)揮測(cè)距儀的優(yōu)勢(shì)，減少測(cè)量站點(diǎn)，延長(zhǎng)邊長(zhǎng)，每隔500m長(zhǎng)邊設(shè)置一組80m～100m的短邊。此外，在誤差預(yù)計(jì)時(shí)，比如測(cè)角誤差7″，對(duì)中誤差不超過(guò)1.5mm，則井下導(dǎo)線預(yù)計(jì)誤差為174mm。通過(guò)對(duì)三項(xiàng)誤差占總誤差的比例分析可以得出，礦井下導(dǎo)線測(cè)角誤差為58mm，與實(shí)際觀測(cè)值要求一致。通過(guò)采取上述處理措施，可以有效提高貫通測(cè)量精度。

與該礦山工程類(lèi)似的大型巷道貫通工程，要根據(jù)投影帶位置和控制網(wǎng)布置情況，綜合考慮礦山地質(zhì)與井下的高差等問(wèn)題，將井下導(dǎo)線的邊長(zhǎng)歸化到投影水準(zhǔn)面上。由于歸化后投影邊長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，如果未對(duì)精細(xì)導(dǎo)線邊長(zhǎng)進(jìn)行處理，就會(huì)導(dǎo)致上下長(zhǎng)度不一致，從而導(dǎo)致兩礦井間的貫通施工出現(xiàn)較大偏差。

應(yīng)分別計(jì)算歸化到投影水準(zhǔn)面和高斯投影面的改正數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出貫通導(dǎo)線綜合改正數(shù)。在上述工程中，中部分段的改正數(shù)為310mm，北部分段的改正數(shù)為440mm，總數(shù)為750mm。從改正數(shù)的數(shù)值可以看出，改正對(duì)貫通施工的影響不容忽視，在貫通測(cè)量計(jì)算中，必須加入改正項(xiàng)[5]。

3 礦山井下巷道貫通測(cè)量技術(shù)方法探究

3.1 貫通測(cè)量勘查技術(shù)的應(yīng)用

從上述對(duì)礦山井下巷道貫通測(cè)量精度的分析可以看出，貫通測(cè)量精度受多方面因素影響，需要采用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)方法，為測(cè)量精度提供保障。而且巷道貫通測(cè)量對(duì)整個(gè)井下作業(yè)影響重大，必須確保其測(cè)量精度符合要求。從以往的貫通測(cè)量實(shí)踐中可以總結(jié)出，巷道貫通測(cè)量應(yīng)滿足以下幾方面測(cè)量要求：①測(cè)量精度應(yīng)為貫通施工提供保障，根據(jù)實(shí)際施工情況，合理調(diào)整測(cè)量技術(shù)方案，分配測(cè)量資源；②在選擇貫通測(cè)量方法時(shí)，應(yīng)注意傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)的結(jié)合使用，全方位控制測(cè)量準(zhǔn)確度；③在人員素質(zhì)方面，要聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)測(cè)量人員，避免人為誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響；④完成貫通測(cè)量后，要合理安排抽查工作，確保抽查工作量符合要求，抽查結(jié)果能夠反映出測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。

基于上述幾點(diǎn)測(cè)量要求，在礦山井下巷道測(cè)量工作中，首先使用貫通測(cè)量勘查技術(shù)，明確具體勘查內(nèi)容，對(duì)測(cè)量技術(shù)方案進(jìn)行總體規(guī)劃，確保測(cè)量方法的可行性。在巷道測(cè)量勘查工作中，高程測(cè)量是重點(diǎn)和難點(diǎn)工作之一，由于井下高程測(cè)量通視條件差，在許多情況下測(cè)量位置要設(shè)置在頂板出，并對(duì)水準(zhǔn)尺進(jìn)行倒立放置。采用這種測(cè)量方法，獲取讀數(shù)后，要將負(fù)值代入計(jì)算公式中。在高程水準(zhǔn)支線測(cè)量中，要采用雙向測(cè)量方法，并控制好測(cè)量誤差，可以通過(guò)以下公式計(jì)算誤差，即h=1′·sinα+i-v。式中的h為高差，i和v是雙向測(cè)量數(shù)據(jù)，α為偏角。

3.2 陀螺定向技術(shù)的應(yīng)用

采用陀螺定向技術(shù)進(jìn)行礦井下巷道貫通測(cè)量，由于該技術(shù)不受礦井深度影響，因此在測(cè)量精度具有一定優(yōu)勢(shì)。陀螺定向測(cè)量技術(shù)特別適用于貫通導(dǎo)線較長(zhǎng)的測(cè)量項(xiàng)目，可以通過(guò)轉(zhuǎn)化復(fù)合導(dǎo)線測(cè)量，規(guī)避終點(diǎn)測(cè)量誤差。目前該技術(shù)已經(jīng)在礦井下巷道貫通測(cè)量中得到較為廣泛的應(yīng)用。陀螺定向技術(shù)的應(yīng)用主要分為四個(gè)方面。

（1）深井定向測(cè)量，在深度較大的大型礦井中，采用傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)會(huì)受井深以及測(cè)量環(huán)境溫度的影響，采用陀螺測(cè)量技術(shù)則不用考慮環(huán)境影響問(wèn)題，可以在深井中確保貫通測(cè)量結(jié)果的可靠性，從而為礦下作業(yè)安全提供保障。

（2）控制井下平面，在進(jìn)行巷道挖掘過(guò)程中，需要保持井下平面的穩(wěn)固性，利用陀螺定向技術(shù)的陀螺儀控制井下平面，與導(dǎo)線指示向結(jié)合，可以確保巷道掘進(jìn)方向和掘進(jìn)長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性。在傳統(tǒng)井下巷道挖掘工作中，采用單支導(dǎo)線測(cè)量容易出現(xiàn)誤差，現(xiàn)利用陀螺定向技術(shù)可以解決這一問(wèn)題，對(duì)單支導(dǎo)線測(cè)量誤差進(jìn)行有效控制。

（3）井筒安裝，在礦井下巷道作業(yè)中，可以使用陀螺儀輔助井筒安裝，快速測(cè)定井下幾點(diǎn)，幫助工作人員掌握井底情況，應(yīng)用陀螺定向測(cè)量技術(shù)可以確保井筒安裝位置準(zhǔn)確。

（4）在巷道驗(yàn)收檢查中的應(yīng)用，利用陀螺儀檢驗(yàn)巷道導(dǎo)線是否存在曲線，確定巷道方位角，為巷道施工設(shè)計(jì)調(diào)整提供支持。

3.3 中腰線一體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在礦井下施工作業(yè)過(guò)程中，面臨著多種多樣的安全問(wèn)題，特別是存在急傾斜的巷道施工，通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)榷既菀资艿礁蓴_。急傾斜巷道由于坡度的特殊性，與其他巷道施工相比難度更高，為確保巷道貫通測(cè)量精度和施工質(zhì)量，需要采用中腰線一體測(cè)量技術(shù)，對(duì)巷道貫通進(jìn)行準(zhǔn)確的放線定位，并輔助貫通測(cè)量確定井筒倉(cāng)位置。中腰線一體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用可以提高井下作業(yè)安全性和貫通測(cè)量的科學(xué)性。

3.4 新貫通測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)和礦產(chǎn)開(kāi)采技術(shù)的快速發(fā)展，新的貫通測(cè)量技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在礦井下巷道測(cè)量工作中積極引入新的技術(shù)方法，可以提高測(cè)量精度和測(cè)量效率，解決井下測(cè)量通視條件較差等問(wèn)題。目前在井下巷道測(cè)量中使用較多的新技術(shù)包括：

（1）全站儀測(cè)量技術(shù)，以功能強(qiáng)大的全站儀為基礎(chǔ)，發(fā)揮三維測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，提高巷道測(cè)量控制能力。全站儀測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道貫通測(cè)量誤差的精準(zhǔn)控制，輔助工作人員找出貫通測(cè)量誤差的產(chǎn)生原因，并對(duì)其誤差屬性進(jìn)行區(qū)分。而且全站儀測(cè)量技術(shù)自動(dòng)化程度較高，可以有效避免人為干擾，自動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

（2）全球定位技術(shù)，目前全球定位技術(shù)在井下巷道貫通測(cè)量中的應(yīng)用主要集中在構(gòu)建控制網(wǎng)方面，通過(guò)對(duì)井下巷道貫通的全方位監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱藏風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提高井下巷道貫通施工的安全性。

（3）三維激光技術(shù)，三維激光技術(shù)與全球定位技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的綜合使用，可以有效擴(kuò)大井下貫通測(cè)量的范圍和精度，目前在預(yù)計(jì)測(cè)量中應(yīng)用較多，可以整合新技術(shù)、新設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)巷道貫通細(xì)化測(cè)量，為測(cè)量精度提供保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，礦井下巷道貫通測(cè)量受多方面因素影響，對(duì)巷道管道貫通測(cè)量精度進(jìn)行分析，找出誤差類(lèi)型和誤差產(chǎn)生原因，可以為實(shí)際施工測(cè)量提供借鑒，做到對(duì)測(cè)量誤差的有效控制。根據(jù)井下巷道貫通測(cè)量的實(shí)際需要，綜合采用陀螺定向技術(shù)、中腰線一體測(cè)量技術(shù)以及全站儀測(cè)量技術(shù)、全球定位測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可以有效提升巷道貫通測(cè)量的精確度。