煤礦井下測量工作必要精度的確定及提高

韓鑫儒，張 燚

(陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

煤礦井下的各種測量工作都是直接為采煤服務的[1]。測量人員在進行某項測量工作以前，必須依據該項工程的性質確定合理的容許偏差，據此來確定測量工作的精度要求，即精度標準。各項測量精度標準主要是根據采礦工程對測量工作的要求，它具體體現在生產限差上，即采礦工程竣工時與其設計規格間的最大允許偏差[2-3]。合理確定精度標準的理論值對采礦生產和測量工作本身無疑是非常重要的。隨著煤炭工業技術的不斷發展，新技術、新設備和新工藝在采煤工業生產建設中的推廣使用，對測量工作也提出了更高的要求[4-6]。在煤礦測量工作中，目前不少礦區都相繼采用了陀螺定向，全站儀測角測邊，微機計算、管理、制圖等[7-9]。這些先進的儀器、設備和軟件技術的應用，不僅促進了煤礦測量科學技術的發展，完善了測量工作質量管理體系，也改變了某些測量方法和工作程序[10-12]。

杭來灣煤礦工業場地位于井田東北角，礦井采用斜井開拓，現有301、302這2個盤區。2個盤區各布置了膠、輔回3條大巷，井田東西長度約為11.7 km，南北長度約為7.8 km，永久大巷巷道全長18 km，井下支導線最遠點距離為18.4 km。在制定礦井主要測量工作的必要精度時，需充分利用現有的先進技術和設備，在滿足必要精度的前提下，盡量采用省時方便，對施工生產影響小的測量方案。

1 測量工作必要精度的確定依據

1.1 測量工作的精度標準

測量工作的精度標準主要是根據采礦工程對測量工作的要求，但是也應考慮礦井現有的測量儀器設備和技術水平等條件。采礦工程對測量工作的要求，體現在生產限差上，也就是實際采煤工程與它的設計規定的最大容許偏差。由于測量工作的誤差，會使實際采煤工程與它的設計產生一定的偏差，但是這種偏差不會影響采煤工作正常進行。采煤工程對測量工作的要求，一般利用大巷平差過的導線數據來解決工程問題，還必須進行測量設計，重新進行測量。

鑒于以上原因，以井下導線最弱點(一般為支導線最遠點)的位置誤差能滿足采煤工程的要求為原則確定工程礦井測量的精度要求。受井下巷道的限制，平面控制只能采用敷設導線的形式。杭來灣礦井經緯儀導線是由工業廣場井口開始，隨著巷道向井田邊界掘進而逐段測設的支導線，加之定向誤差的影響，致使導線點的精度隨著距井筒距離的增加而逐漸降低。所以規定一般工程測量精度標準時，應以井下導線最弱點的位置誤差能滿足采礦工程的要求為原則，解決一般采礦工程所提出的問題。

1.2 必要精度的確定依據

1.2.1 編制開采計劃及礦井地質確定的依據

在采礦過程中，經常要根據礦圖來編制采掘計劃，檢查生產指標完成情況，設計巷道、推斷地質構造，出水地點、尋找斷層丟失翼。由于原有勘探資料不足，地質描繪點的數量比較少，因而對礦圖的精度要求不高。故導線點的一般誤差在5 m左右即可。

1.2.2 保證安全生產方面確定的依據

首先必須保證由礦圖上確定的工作面位置的誤差不超過保安煤柱的設計邊界。同時還應保證兩相鄰礦井間邊界煤柱設計尺寸的正確性。其次，在向瓦斯和煤突出的巷道掘進時，應保證能滿足保安規程規定的超前探鉆距離的要求。上述各項對礦圖的精度要求，一般為3.5 m左右。

1.2.3 產量計算方面確定的依據

產量、儲量及損失量都是根據礦圖量的面積計算的。為滿足計算產量等所必須的礦圖精度，一般不大于3 m。但應該看到，這方面對礦圖的精度要求相對的說只決定局部地區圖紙上的允許點位誤差，而與導線最遠點位無關。

1.2.4 地面某一點向開采水平打孔時確定的依據

有時由于要為井下送電纜、滅火、抽瓦斯及防水等所打的鉆孔。這種鉆孔一般是向開采水平的大巷或壁龕的中心線鉆進的。很明顯，當鉆孔偏離巷道中心線不超過半個巷道的寬度即2.5 m時，便能滿足要求。因此，2.5 m這種鉆孔的允許偏差，亦即產生限差。由地面標定鉆孔位置時，先在礦圖上量取巷道中線上的鉆孔孔口到最近的導線點的距離，根據巷道中線的方向和該導線點坐標算出鉆孔的坐標。然后反算出孔口到地面最近控制點的距離及方位角，便可以根據該控制點將鉆孔標設在實地上。顯然，鉆孔達到開采水平的位置誤差，除了井上下位置誤差外，還包括了鉆孔彎曲的誤差。由地面向開采水平打鉆的深度，按照杭來灣煤礦井打鉆的深度為240 m左右，誤差為0.3 m。根據經驗在最不利的情況下標定鉆孔的位置誤差，對定向基點來說不會超過0.4 m。因此，井下導線最遠點對定向基點的允許位置偏差應為M允=±(2.5-0.3-0.4)=±1.8 m。因此，測量生產限差中的最小值±1.8 m可作為杭來灣煤礦井下工程測量工作的必要精度。

1.2.5 工程測量必要精度確定依據

由于杭來灣礦井的所有綜采工作面長度都在4 000～6 000 m及以上，為不影響巷道工程的質量和綜采支架安裝，平面位置要求偏差M允≤0.4 m。因此杭來灣礦井綜采工作面順槽貫通屬特殊工程測量，取測量生產限差中的最小值±0.4 m，來作為杭來灣煤礦井下特殊工程測量工作的必要精度。

2 提高礦井測量精度方法與應用

2.1 提高礦井測量精度的方法

在礦井導線測量中，由于設計、環境、人為因素影響較大，想要達到預期的測量精度是有很大困難的。因此，需要采取一些測量技術措施進行調整，方法主要有以下幾種。

2.1.1 增加測回數

井下支導線一般均復測二次，而且大部分往測和返測時測點位置不變，取平均值作為角值。因此，若理想角值的誤差是±3.13″，則一次測角中誤差為±4.42″。按照杭來灣煤礦現有的儀器和井下的施測條件，這個精度要求不易達到，因此也不宜采用增加測角次數的方法來提高測角精度。

2.1.2 放大導線邊長

井下觀測條件允許時，盡量將邊長加長，杭來灣煤礦條件好時，平均邊長可達到200 m左右。這時邊長誤差為0.029 m，測角中誤差為Mβ=±3.61″。考慮到導線以相同測點復測2次，則一次測角中誤差可達±5.1″，精度有所提高，但收效甚微。

2.1.3 加測陀螺定向邊

陀螺定向邊在礦井測量中應用最為廣泛，效果最為顯著。在相同條件下，加測陀螺定向邊，可以大幅度提高測角精度，以達到我們的理想角值。顯而易見，在眾多的方法中，加測陀螺定向邊，無疑是礦井測量最有效、最直觀的方法。

2.2 杭來灣煤礦工程測量實踐

在杭來灣煤礦井下導線的實際測量中，因巷道距離長，有時還會出現單巷掘進。在大量實際測量經驗判斷下，最理想的方法是每隔1 500～2 000 m時加測一條陀螺定向邊，加測陀螺邊也成為杭來灣煤礦的核心礦測手段。

2.2.1 礦井測量參數確定

取n=123，用HGG-05陀螺經緯儀的標稱精度mT=±5″。按照《測量規程》規定一次定向測定儀器常數，在地面已知點觀測儀器常數的測回數nΔ=4。井下定向邊陀螺方位角觀測測回數n下=2，則一次定向中誤差為

(1)

式中，mα0，mα平為次定向中誤差，″；m為陀螺經緯儀的標稱精度，″；n為井下定向邊陀螺方位角觀測測回數；nΔ為觀測儀器常數的測回數。

測量容許誤差中，包括了導線測量容許差及碎部測量容許差。其中碎部測量的極限誤差不會大于5 cm。因此，得井下導線測量誤差引起的導線中誤差MD為

(2)

式中，MD為導線中誤差，m；M允為導線測量的容許差，m。

某工作面巷道總長L=6 000 m，導線點平均邊長為150 m，共有n=40條邊。采用全站儀測距的方法，所用全站儀的標稱精度為3 mm+3×10-6×D，則由量邊誤差引起的中誤差ML為

(3)

式中，ML為量邊誤差所引起的中誤差，m；n為導線邊數。

測角誤差所引起的導線中誤差Mβ為

(4)

式中，Mβ為導線終點位置中誤差，m；ML為量邊誤差引起的中誤差，m；MD為導線中誤差，m。

求得測角中誤差為

(5)

式中，mβ為測角中誤差，″；L為導線總長，m；ρ為弧度約等于206 265″。

2.2.2 每隔2 km加測一條堅強陀螺定向邊

3個分段的附合導線，取N=3，則由定向引起的誤差為

(6)

式中，M0為定向引起的誤差，m；mα0為次定向中誤差，″；Mβ為測角中誤差，″；L為導線總長，m。

由導線測角引起的誤差為

(7)

式中，M允為測量的容許誤差，M允=±0.4m；M碎為測量的容許誤差，M碎=±0.05 m；ML為量邊誤差引起的中誤差，ML=±0．019 m；M0為定向引起的誤差，M0=±0.066 m。

取n=13；N=3，算得測角中誤差為

(8)

式中，mβ為測角中誤差，″；Mβ為導線終點位置中誤差，m；L為導線總長，m；ρ為弧度約等于206 265″。

(9)

式中，mβ為測角中誤差，″；mα0為次定向中誤差，″；n為導線點個數,取13；L為導線總長，m；ρ為弧度約等于206 265″。

算得測角、量邊引起的誤差為

=0.145 m

(10)

導線貫通點K的總誤差為

(11)

式中，Mk為導線貫通點K的總誤差，m；MD為導線中誤差，m；Mβ為導線終點位置中誤差，m；M0為定向引起的誤差，M0=±0.066 m；M碎為測量的容許誤差，M碎=±0.05 m；煤礦規定容許差M允≤±0.4 m，MK≥M允/2。可以看出，實測誤差完全符合規范要求。

3 結論

當井下支導線最遠點距離超過18.4 km時，礦井一般采礦工程測量測角中誤差可允許達到42.9″，礦井特殊采礦工程測量測角中誤差可允許達到13.4″，符合要求。此時，陀螺儀分階段測設高精度陀螺定向堅強邊的方式進行導線測量均可滿足煤礦測量一般工程1.8 m和特殊工程0.4 m的限差也同時滿足要求，并且陀螺定向中誤差指標在所有誤差指標當中權重最大，所以陀螺定向中誤差指標是井下測量必要精度指標之一。