綜合陀螺定向與三角高程技術在傾斜巷道貫通測量應用研究

周 慧

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037027）

在長距離的巷道貫通作業中往往采用多頭或者多井口掘進的方法提升掘進效率縮短周期，為了保證多頭或者多井口的巷道貫通作業能夠在預定的位置交匯，在作業過程中需要較為精準的測量，如果測量不準確導致出現問題會對整個施工過程造成重大影響，導致礦井無法使用甚至報廢[1]。巷道貫通的測量工作也是保證煤礦安全生產的重要工作，所以構建一個高精度的巷道貫通測量測量方法是極為必要的，巷道貫通測量技術必須要確保精度與可靠性。巷道貫通施工中如果測量精度存在問題，即使在貫通后也可能會導致運輸礦車或皮帶出現問題，為保證能夠安全、高效的生產離不開精準、高質量的傾斜巷道貫通施工測量工作。

1 巷道貫通測量技術

煤礦在巷道貫通測量分為兩個部分：三角高程測量和平面導線測量。三角高程測量應用在傾斜或者階梯型等不平整的地段；平面導線測量主要應用在較為平整的地區，運用全站儀等水準測量。

平面導線測量設備一般布置在主巷道中，常見的位置如主巷道、通風口、運輸巷道等地方。在巷道中會根據功能的需要布置永久和臨時的平面導線點，永久導線點一般位于巷道中較為穩定的區域中，臨時點會根據需要布置在需要施工的區域中。無論永久點還是臨時點都需要進行編號，以便后期的工作中方便使用。平面導線觀察技術的主要指標如表1所示。

表1 導線觀測技術指標

井下三角高程測量的控制點并是在巷道地面[2]。井下三角高程測量的主要作業示意圖如圖1所示。

圖1 三角高程測量的原理

井下三角高程測量的原理為，在礦井的巷道斜坡底端地面點A正下方架設全站儀，全站儀的高度為i，點B為測量點，在B點的正下方架設高度為v的覘標，此時可以使用全站儀測量出全站儀到覘標的傾斜距離，長度為d，同時能夠測量出垂直角，垂直角為α，可以求出點A與點B兩點之間的高度差：

在計算點A和點B的高度差的過程中，需要量取全站儀儀器高i和覘標高v，站儀儀器高i和覘標高v是從巷道頂部的鉛錘到設備中心之間的距離。但因為礦井內會有強通風，使用此井下三角高程測量的方式的結果精度會受到影響。除此之外，因為需要量取全站儀的高度和覘標的高度，在測量過程中也會有誤差，也會影響井下三角高程測量的精度。

三角高程測量與平面導線測量會在測量中產生誤差，誤差原因如表2所示。

表2 測量誤差原因

2 綜合陀螺定向與三角高程技術的測量方法

為了降低巷道貫通測量中的誤差，提升測量精度，綜合陀螺定向與三角高程技術的測量方法對井下巷道進行測量，降低平面導線測量與三角高程測量中的誤差。

陀螺定向技術利用了陀螺儀的自身角運動特性，具有測量精度高的優點，陀螺儀的自身角運動不會受外界因素影響，如礦井巷道的深度、礦井內的地形等因素[3]。陀螺定向技術能夠降低礦井井下平面導線測量過程中的方向誤差積累，在長距離井下巷道的平面測量時，使用陀螺定向技術對導線進行增強，不僅能夠提升平面導線測量的精度，并且能保證平面導線測量的穩定性。陀螺定向的主要儀器設備為陀螺經緯儀，陀螺經緯儀由經緯儀和陀螺儀兩個部分組成，陀螺經緯儀測量具有測量精度高、不受地形環境和作業時間限制、便攜方便、操作簡單等優點，具有提高精度和粗差探測兩種作用，陀螺經緯儀非常適用于礦山及地下工程的測量工作。

陀螺儀定向產生的誤差計算公式為：

式中：Mβ為陀螺定向的精度，yo為各分段導線中心的Y軸坐標，J為設備測量點，K為貫通點。

礦井井下前后視三角高程測量的原理如圖2所示。

圖2 礦井井下前后視三角高程測量的原理

在礦井的巷道斜坡底端地面點A正下方架設全站儀，全站儀的高度為i，點C在A點的后視方，在C點正下方架設標高為V0的覘標，點B在A點的前視方，在A點正下方架設標高為V1的覘標，此時使用全站儀測量出A點的全站儀到B、C兩點的傾斜距離分別為d0和d1，同時能夠測量出垂直角，點A和點C以及點A和點B的垂直角分別為α，點A和C、點A和點B之間的高度差分別為：

可以求出點A和點B兩點的高差：

該公式計算點A和點B兩點間的高差，并且無需量取全站儀儀器的高度i。如果全站儀儀器高度i為精確測量后的數據，誤差較小，可以通過前后視三角高程測量的方式消除全站儀垂直角α的比例誤差項。假設比例誤差項為α，垂直角觀測方程可以寫成：

式中：α為垂直角觀測角，那么公式可以擴展成：

則點A和點B的的高度差為：

該公式消除了因為角α產生的誤差。

3 結論

煤礦礦井中傾斜巷道的內部地形多變、環境復雜，貫通巷道的測量過程中保證測量精度與穩定性極其重要，采用綜合陀螺定向與三角高程技術的測量方法可以得出：

1）通過綜合陀螺定向與三角高程技術的測量方法能夠降低在巷道貫通中測量的誤差，確保巷道貫通工作高效、精準施工。

2）提高礦區的傾斜巷道貫通的精度水平，保障礦區生產的安全性，在礦區后續建設及維護時。