超大型貫通測量人為干預的實踐

張 燚，劉明軒，徐健凱，李治龍

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在礦井生產工作中，測量是一項舉足輕重的工作，尤其對礦井最重要的貫通工程，貫通測量可能會關系到整個礦井的安全建設與生產[1-2]。

近些年來我國的航空航天發展迅速，基于衛星的測量新科技也得到大大的加強，地面測量也擺脫了老式測量方法，運用全新的測量技術，不僅使測量變得輕巧、方便、精準，而且在布設地面控制網時也得到了非常廣泛的應用[3-4]。由于礦井的特殊性，給基于衛星基礎的測量技術形成了屏障，井下不能進行衛星信號與定位[5]，這時傳統導線測量就是礦井工程測量的最后保障[6-7]。

隨著礦山生產工藝的不斷發展，采煤工作面的不斷擴大，工作面順槽的長度已經發展到一個前所未有的新高，很多礦井開采順槽總長度都達到了10 km以上。為了適應超大型貫通測量任務要求，在井下導線測量過程中，引入陀螺定向[8-9]，根據已有巷道測量導線進行貫通測量并且加測陀螺定向邊，對貫通點位置水平誤差進行估算，得到測量需要精度[10-13]。正文根據陜西有色杭來灣煤礦井下二盤區首采長距離工作面生產設計要求，設計以陀螺定向為核心的超大型貫通測量方案。通過實際測量過程中首次采用結合經驗改正陀螺定向角度，建立“安全區間”的措施導致出現一個可以接受的實際誤差，引入對“人工干預”的討論與研究。

1 工程概況

陜西有色杭來灣煤礦30201工作面位于該礦區南端，是該盤區首采工作面，工作面走向為228°，走向長度為6.1 km，工作面長度為0.3 km，該工作面設置膠、輔、回3條順槽。回風順槽采用單巷掘進，膠、輔順槽采用雙巷掘進。此次貫通導線閉合距離達到12.5 km，屬于超大型貫通。工作面概況如圖1所示。

圖1 30201工作面示意Fig.1 Layout of 30201 working face

2 方案設計

2.1 選定測量路線

本次7″級控制導線網全長12.49 km，路線為①30201膠運順槽—切眼;②30201回風順槽—切眼，實行雙巷同時掘進。

2.2 各方向允許偏差

根據30201工作面設計及總工程師要求，水平重要方向允許偏差不大于±0.6 m；巷道沿煤層底板預留0.8～1 m掘進，豎直方向不考慮偏差。

2.3 選定使用的設備

根據工程特點及精度要求選用儀器設備應按國家《計量法》第25條的規定執行，定期送儀器鑒定部門進行保養、校核、鑒定，如有不合格的儀器不得在工程中使用。

日常放線及導線測量使用儀器：采用拓普康GT1001型全站儀，儀器測角精度為±1″。

測距標稱精度：±(1 mm+1×106×D)，檢定合格無誤，可滿足測量要求，故選用其作為本次測量工程使用儀器。

陀螺定向使用儀器：陀螺定向采用議價招標的方式進行，定向中誤差不得大于±5″。

2.4 實測方案設計

設計依據：《煤礦測量規程》和《30201工作面設計施工平、斷面圖》。

誤差來源分析：加測堅強陀螺定向邊的誤差、儀器對中所產生的測角誤差、光電測距誤差、人員操作和環境影響誤差。其他可忽略不計。

限差要求：本次貫通測量采用1″級全站儀實施測量，布設7″級閉合導線，其間膠運、回風順槽加測3條陀螺堅強邊，共計6條，具體要求見表1和表2。

表1 水平角觀測采用儀器及作業要求Table 1 Instruments and operation requirements for horizontal angle observation

表2 傾角小于30°的井巷中水平角觀測限差要求Table 2 Requirements for horizontal angle observation limit in roadway with inclination less than 30°

陀螺定向觀測限差要求：同一條邊任意兩測回陀螺方位角的互差不得超過10″；測前方位值與測后方位值之差不得大于10″。

3 貫通參數確定及誤差預計

3.1 測量誤差參數確定

根據本礦1″級拓普康GT1001儀器井下106站2次獨立觀測求得2個測回平均值的測角中誤差mβ=3.3″；測距中誤差ml=±(0.9+1.1D)mm；陀螺定向中誤差ma=±5″；井巷掘進中，為了保證綜采工作面的寬度產生的偏差在允許范圍內，選取切眼方向為貫通重要方向，定為x′軸，垂直于切眼方向即沿順槽掘進方向定為y′軸，以貫通點K為原點，建立誤差預計假定坐標系。

3.2 貫通誤差預計

由導線測角誤差引起K點在x′上的誤差預計

式中，ρ為弧度與角度轉換常數，206 265；η為導線邊在x′上的投影長度；Ry′為導線邊在y′上的投影長度。

由導線量邊誤差引起K點在x′上的誤差預計

式中，α為各陀螺重心過k點與x′的夾角。

由陀螺定向誤差引起K點在x′上的誤差預計

式中，Ry′O為各陀螺重心之間的連線在y′上的投影長度。

K點在水平重要方向x′上的預計誤差

3.3 豎直方向的誤差預計

因工作面巷道是順煤層掘進(煤層近水平)，故忽略豎直方向上的誤差，不做預計。

3.4 綜合誤差預計

取2倍的中誤差作為貫通的預計誤差

Mx′預=2Mx′k=±0.258 m<0.6 m

預計誤差小于容許偏差值，說明理論貫通設計合理。

4 實際貫通測量成果與精度分析

4.1 實際貫通測量成果

在實際測量工作中，遇到了很多影響精度的情況，首先是回風順槽支導線延伸問題，因30201工作面是杭來灣煤礦二盤區首個工作面，回風順槽為單巷掘進，且30201工作面不設置腰巷，回風順槽單巷延伸測量工作的難度加大。在這種情況下，陀螺定向改正很難保證單支導線延伸精度。在具體解決過程中，結合陀螺定向采取分段改正，每次根據不同情況，向陀螺方向適當改正。并且在下一段陀螺定向時，將上段的陀螺定向邊重新復核，根據平均結果來審核上段改正角度的合理性，再利用本段陀螺定向與上段改正結合來適當修正本段支導線，使每一段陀螺邊改正都控制在一個合理的區間內，讓巷道的方向在直線偏離最小。

其次，對于超大型巷道貫通而言，不僅要保證巷道的順利貫通，還要保證2條巷道平行不偏離方位。這樣才能對后續工作面不造成影響，形成良性循環。在對回風順槽方向加以嚴格改正的同時，對與其齊頭并進的膠運順槽也采取相對的改正。利用成對出現的陀螺邊，分析2條巷道相對于陀螺定向邊的方位平行情況，根據情況的不同，人為干預，相應改正，并留有一定的緩沖角度，以便應對由于陀螺定向失誤導致的粗差出現，一定情況下減少對陀螺定向的依賴程度，留足“安全區間”。

4.2 精度分析

2020年12月底，30201工作面順利貫通。貫通后，第一時間對膠運順槽與回風順槽進行導線閉合測量，實測貫通數據。

角度閉合差：fβ實= 30.01″

坐標閉合差：fx= 359 mm,fy= 147 mm,

fs= 388 mm

相對閉合差：1/T=fs/12 473.152=1/32 147

實測數據角度閉合差小于《煤礦測量規程》7″級導線角度容許差84.26″，且小于方案設計5″級導線角度容許差60.19″，符合要求；相對閉合差小于規定1/15 000，符合要求；坐標閉合差388 mm小于設計要求600 mm大于誤差預計值258 mm，符合設計要求，不符合預計要求。經復盤測量整個過程，發現導線在重要方向上的誤差預計其實并不高，反而6條堅強陀螺定向邊重心點誤差預計占其比重較大。所以歸結原因主要有2個：①井下實測環境。實測時因井下環境時常不理想，例如：空氣濕度大、能見度低、交叉作業、底煤不穩等，往往會讓測量在精度上下降，不可避免。②在陀螺定向上，本工作面首次采用的“人工干預”留足“安全區間”的方法或多或少會出現一些誤差。雖然實測誤差較預計誤差高，但是在權衡利弊后得出，超出130 mm預計對于超大型巷道貫通來說，在可承受范圍之內。

5 結論

依據杭來灣煤礦二盤區30201工作面貫通情況，在超大型巷道貫通測量設計中陀螺定向重心權重占誤差比例的絕大部分，一定程度上說明陀螺定向的重要性，反映出該測量貫通方案的不足之處。該工程雖達到了設計要求，但出現的問題也值得深入研究，對憑借經驗“人工干預”的手段，很大程度上取決于決策者的以往經驗，如何降低經驗要求并提高陀螺定向可靠性將成為超大型貫通測量設計的研究方向。