礦山巷道貫通測量技術研究

周 福，周關虎

巷道貫通測量其實包含前中后期全生命周期內對巷道的測量，前期規劃測量，中期施工放樣測量以及監測測量，后期竣工檢查測量，三個階段都非常重要。所采用的方法主要分為經典大地測量和現代大地測量兩種，經典大地測量主要使用光學儀器，通過測量邊、角及水準測量的方式，采用幾何法確定地面的水平位置和高程，物理法是用地球的重力等物理觀測量通過地球重力場的理論和方法推求大地水準面相對于地球橢球的距離、地球橢球的扁率等，傳統的測量手段有導線測量、水準測量、三角測量等，所付出的人力物力較大，效率較低。而現代大地測量主要是衛星的使用，統稱為GNSS系統，美國的GPS，我國的北斗等等，還有多類型遙感測量技術，能夠大大提升工程測量的質量和效率，而在礦山貫通測量體系中，現代大地測量技術的應用還處于初級階段，通常是經典大地測量和現代大地測量配合使用，相信未來會變得更加優秀。

1 礦山貫通測量的概念、技術要點以及注意事項

1.1 礦山巷道貫通工程概念

所謂的礦山巷道貫通，就指的是為了完成礦山掘進總任務，在礦山的不同地點，分別設置工作面，分段掘進多個巷道，最終將所有分段巷道連接成一段，礦山巷道貫通能夠提升礦山掘進的效率，提高工作質量。礦山巷道貫通的類型分為相向貫通、同向貫通、單向貫通三大類，簡圖如下圖1所示，同時也可以分為一井內巷道貫通和兩井間巷道貫通兩類，顧名思義指的是具體有一井還是兩井參與到工作的方式。

圖1 礦山貫通類型簡圖

1.2 巷道貫通測量的內涵

礦山巷道測量應包含前中后期全生命周期的測量。①前期規劃設計測量：為礦山巷道貫通工作做準備，測繪提供礦山地形以及巷道設計資源，將礦山相應的位置、高度、地形資料讀取出來，繪制成三維圖形，以此為依據進行巷道貫通設計；②中期施工放樣以及監測測量：拿全站儀按照設計的坐標，把要施工的礦山貫的平面位置、形狀、高程、以及垂直度等標記出來，主要標定巷道的中線和腰線，嚴格按照設計施工，另外，礦山貫通較為復雜，可能遇到復雜的地質環境，就可能需要進行變形監測；③工程竣工測量：礦山巷道貫通竣工后的驗收，測量貫通的實際偏差值，對最后一段巷道的中腰線進行調整，進行巷道貫通精度分析和評定，繪制技術總結。

2 礦山巷道貫通測量技術分析

2.1 數字化測繪，為礦山巷道貫通設計提供資料

主要靠無人機遙感測繪技術。以無人機為載體，搭載多種精密測繪設備，無人機技術的飛速發展，現代無人機飛行技術的可靠性、穩定性以及可擴展性都能滿足測繪需求，在惡劣天氣條件下，利用飛行算法的控制也能保證良好的工作狀態。測繪技術包括①圖像信息獲取：利用無人機上搭載的專業級相機，拍攝目標地物的外觀特征圖片資料或視頻資料，傳輸到數據處理中心，隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟，相機的拍攝能力也在飛速提升，航拍相機不斷朝著大面陣、多光譜、數字化的方向發展，人機遙感獲取圖像的空間分辨率達到分米級，可快速采集到清晰真實的圖像數據；②地理信息收集：主要靠遙感技術，遙感技術指的是一種非接觸的、遠距離的探測技術，無人機上搭載遙感監測傳感器，其主要原理是對目標地物發射電子波，根據電磁波的輻射、反射特性，結合有規律的圖譜，來收集目標地物的性質、狀態和變化規律等等多方面信息，遙感是一個比較大的概念，根據不同的遙感傳感器，可以分為紅外掃描儀、微波輻射計、激光掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達等等，激光掃描測量是比較常見的；③地理位置信息測定：簡單來說就是要知道無人機空間位置、目標地物空間位置信息等等，用全球定位導航系統技術（GNSS）來實現，GNSS是總稱，最常見的、最常說的就是GPS系統，我國北斗衛星系統等等，GNSS技術的技術原理是設置地面接收裝置，地面接收裝置和無人機同時向天上多個衛星發送信號，因為距離不同和位置不同，導致接收到信號的時間不同，反饋的信號也會不同，對信號的不同時間量進行做差處理，就能得出目標地物的三維地理位置信息， GNSS測量技術將會在巷道貫通的地面控制測量中發揮關鍵作用，這里將原理進行簡單說明，可配合來看。

除此之外，利用測量到的目標地物的清晰圖像，以及測量到的目標地物的詳細地理信息和位置信息，進一步進行建模處理，比如利用GIS系統，也就是地理信息系統，構建數字化的模型，三者也就是常說的“集成3s”數字化測量技術。

2.2 施工中的井巷掘進工程測量

根據礦山巷道貫通的實際情況，選擇恰當的測量方案以及測量計劃，編制礦山貫通測量計劃書，并進行貫通測量誤差預算，要注意的方面就是按照所有的程序計算出來軸線的誤差和高程誤差，兩個誤差值是很重要的，如果很大的話需要進一步處理。在巷道開挖的過程中，要遵循“步步有測量、步步有檢核”的原則，這個階段的測量工作最主要的就是放樣（放線），測量放線在測量的時候很重要，指的就是在指定的掘進點、掘進面上測量，明確平面位置、形狀、高程、以及垂直度等等，對掘進現場進行標定，標定掘進的中心線，水平線也需要在這個時候畫出來，因為放線是需要很準確的，標注的方法也很重要，最好是使用激光來指引方向，這樣才能減小誤差，并且這樣的方法也能節省很多的時間，做到快又準。同時在測量的時候要注意排除很多的影響因素，不要給測量帶來阻力。在測量的時候注意控制施工，必要時可暫停。地下巷道貫通控制測量大致可分為包括地面和洞內兩部分，每一部分又分為平面測量和高程控制測量。地面平面測量常采用三角網、電磁波測距導線、GPS網等等，地面高程測量為水準測量，地下平面測量主要采用全站儀導線、鋼尺量邊導線和電磁波測距導線進行，測陀螺儀方位角，高程測量為水準測量，這里分別進行說明。

（1）井下平面測量：井下平面測量最常使用“導線測量”，因此也常常直接被稱為井下導線測量，因為地下沒有GPS信號，用慣性導航也不夠精確，導線測量主要是測水平角角度和測水平邊距離，導線測量的原理簡單來說就是將控制點用直線連接起來形成折線，相鄰導線邊之間的夾角稱為轉折角，與坐標方位角已知的導線邊（定向邊）相連接的轉折角稱為連接角，導線測量時洞口的點位以及進洞邊，然后測算多條定向邊邊長，測算導線的軸線和夾角等數據，形成導線控制網，那么就可以利用觀測導線邊的邊長和轉折角，根據起算數據經正弦余弦等數學方法進行平面坐標計算，從而獲得導線點平面坐標，全站儀導線、鋼尺量邊導線和電磁波測距導線等等方式，它們的主要技術本質是導線測量技術，全站儀、鋼尺量邊、電磁波測距等等技術，都是用來測量導線的長度、角度等信息量的手段，比如電磁波測距導線技術，本質上仍舊是布設導線網，由導線網一段發射電磁波，接收回波，測定發射波與回波相隔的時間，以測量導線長度的方法。不過導線測量說起來簡單，實際上導線測量卻是很繁復的工作，放樣的時候，基本控制導線按照測角精度分為+-7”和+-15”兩級，一般進洞點、進洞邊為起始點、起始邊開始沿井巷敷設，通常每隔1.5km～2.0km應加測陀螺定向邊，以提供檢核和方位平差條件。在進行井下的導線測量的時候，為了保證測量工作量不會太大，同時測量精準度得以保證，控制點點位的選擇是很重要的，相應的，導線控制網也會隨之變化，選擇便于擴展、觀測的，同時點位穩定能長期保存的控制點很重要，兩個控制點之間的視線傾角不宜過大，逐漸形成了幾點布設的方式，包括主輔點菱形導線法、主輔點四邊形導線法、環形導線法、基本雙導線等等。

（2）井下高程測量：井下高程測量本質上采用的是“水準測量”技術，常使用電子水準儀，基本原理是在相同水平的條件下，一條水平的視線，前后尺的讀數差就是兩點的高差就是水平高程的差，電子水準儀將水準讀書精準化了，光線從物鏡的中心到十字絲分劃板中心，到目鏡的中心，再到人的眼珠，這就是一條視線這條視線與水準儀的管水準軸平行，視準軸是十字絲中央交點與物鏡光心的連線，在測量的時候如果誤差超限，那么應重新測量以便后期的處理數據。那么有個已知點高程，或者假定高程，水準測量利用測定地面兩點間的高差，這樣就可由已知點的高程推算出未知點的高程。按國標規范，水準測量按精度分級，分為一、二、三、四等。一等精度最高。在國家標準水準測量規范中沒有等外水準，在測圖類的國標規范中有等外水準的說法，是低于四等的一級水準，在井下高程測量中，對精度等級的要求并不高，能夠達到四等標準限差以及五等標準限差即可。不過要注意，在井下高程測量的時候，因為巷道的通風強度較大，可能會導致高程測量比較困難，高程測量的精度有一定誤差，應盡可能減少測量影響，同時采用全站儀前后鏡三角高程測量+水準儀的方式，通過標準化高度測量，來提升測量的精度，會有不錯的效用。

（3）地面控制測量：一井間不需要地面控制測量和巷道聯系測量，而二井間巷道貫通則必須進行地面控制測量和井巷聯系測量。地面控制測量氛圍地面平面控制和地面高程控制兩個模塊，平面控制是測算巷道的洞口控制點，以便將控制點導向地下，高程控制測量的目的大致也是這樣。在地面平面測量體系中，常見為導線測量，在現代大地測量技術背景下，引入GNSS測量技術，常為“GNSS+導線”測量，或者僅使用GNSS，地面控制點的布設靈活方便，且定位精度目前已優于常規控制方法。GNSS系統包括GPS、北斗等系統，主要測量設備有空間GPS星座、地面監控裝置，以及地面信號接收機，原理在上文提到過，另外地面導線測量點的布置以及測量網的形成，原理也在上文提到過，這里不再贅述，對于一些比較復雜的山嶺地區，地面平面控制網常采用“三角網法”，測定三角網的全部角度和若干條邊長，或全部邊長，使之成為邊角網，計算原理是根據實地測定的地面點坐標（X，Y，Z）和設計高程，在DTM模型中把每個三角形當做一個面，代替實地的地形，通過生產的三角網來計算每一個三棱錐的填挖方量，最后累計得到指定范圍內填方和挖方的土石方量，并繪出填挖方的分界線。在地面平面測量時，在井筒各下放一根垂球線，然后在地面和井下分別將其連接，從而很好地把地面坐標系的平面坐標和方位角引測到井下。地面高程測量的測量方法仍舊為“水準測量”，利用水平條件下的視差來計算高程差，從而測算得知高程。

（4）井巷聯系測量：井巷聯系測量其實是包含測量以及計算的一種測量方式，聯系地面數據和地下數據，確定基準點，測出起始邊坐標方位角，導入平面測量和高程測量數據，求出井下平面基點位置和水準基點高程。

2.3 地下工程碎部測量

地下工程碎部測量及施工放樣。主要是以地下工程控制測量的成果為基準對地下物體的所需特征點進行測量或進行指導施工或進行施工監測，一般采用全站儀、水準儀，還有可能會用到靜力水準、三維激光掃描等技術，上文提到的礦井貫通測量中，整個過程都需要貫通監測，監測井巷軸線及井巷斷面與規劃設計是否一致，監測巷道內空間信息是否符合規劃要求，監測是否有沉降、塌頂等變形，可以歸到碎部采集的范疇。

2.4 工程竣工測量

礦山巷道貫通竣工后的驗收，測量貫通的實際偏差值，用經緯儀將兩端的中線延長到巷道結合面，再對偏角的角度進行處理，就是水平面的偏差，用水準儀測得兩端腰線的高差，就是水平偏差，對最后一段巷道的中線、腰線進行調整，可將巷道相遇點一端中線點和另一端中線點的連線代替原來的中線，以最恰當、工程量最小的方式選擇為宜，對于腰線的調整，要根據高程和距離來計算坡度，不能過大程度的調整腰線，實際調整的坡度與原本設計的坡度相比，相差要在百分之二以內，如果實際情況調整超出百分之二，那么就要考慮延長調整距離，減少坡度差，從而保證坡度調整差控制在百分之二內。同時，相關測量單位和人員進行巷道貫通精度分析和評定，分析本次貫通測量的優點和問題所在，繪制技術總結。

3 提升礦山巷道貫通精度的要點

礦山巷道貫通測量工作的原則，首先要保證礦山巷道貫通的精度，礦山巷道貫通設計要有精度，同時利用精準的貫通測量來保證巷道貫通的精準性，做好巷道進口以及出口控制網，根據控制網做好貫通誤差估算，貫通誤差要盡可能小，要保證在相關規定的范疇內，選擇最恰當的貫通測量技術，在一定程度上，采用現代大地測量技術，測量的精度高，測量的工作量少，有著非常積極的意義。其次，礦山貫通測量一定要準確，這就需要使用高精度的測量設備，同時測量人員要有高度的專業性，保證測量工作不受場外因素影響，相關礦山貫通測量部門要引育并舉，從采礦專業、地質測繪專業等領域挖掘人才，同時對現有人員進行一定的培養，保證其專業能力能夠符合實際巷道測量需求，并且，礦山貫通測量一定要有必要的檢核，因為每一項測量工作都有可能產生誤差，都有可能受到客觀因素的影響，因此進行相應的檢核，來最大程度避免測量誤差，比如由兩人分別采用不同測量方法進行測量，最后對比結果，比如對某一次巷道貫通工程的地面控制測量，采用三角鎖測量的方式，再采用全站儀測量進行復檢，要遵循“步步有測量、步步有檢核”的原則。再次，在多種巷道貫通測量技術中，進行優化選擇，在不影響巷道貫通測量的準度前提下，選擇相對而言工作量少、測量成本低、測量效率強的測量技術，比如受到井下環境的影響，采用全站儀前后鏡三角高程測量+水準儀的方式，通過標準化高程測量，測量的精度更高，比如在巷道下測量不易，可采用受到環境影響較小的光學經緯儀來進行測量，減少環境的誤差。最后，在巷道貫穿施工的時候，可采用模型施工的方式，采用數字化制圖的方式，將巷道貫通的技術要點更加清晰更加直觀地呈現出來，相關人員一目了然。

4 結語

綜上所述，在做礦山巷道貫通工程的時候，巷道貫通測量非常重要，是保證巷道貫通能夠精準化施工的必要手段，礦山巷道貫通測量包括地面和洞內兩部分，每一部分又分為平面測量和高程控制測量，高程測量統一采用“水準測量”的方法，井下的平面測量測量因為無GPS或GPS信號不好，因此采用全站儀導線、鋼尺量邊導線和電磁波測距導線等，測陀螺儀方位角的方法，本質是“導線測量”，地面平面測量則多采用“GPS+導線”的測量方法，連續測量其實屬于控制測量的一部分，主要是把地表的導線和高程導入井下，綜合下來，利用多項測量，來保證巷道貫通掘進的精度。