采面貫通測量方案的探討與實(shí)踐

郝寶利

(陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

“測量是礦山的眼睛”，礦山測量尤其是貫通測量對于礦山生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義[12]。貫通測量工作的好壞關(guān)系著礦山生產(chǎn)能否按設(shè)計(jì)要求實(shí)施，關(guān)系著礦山職工的生命安全和礦山開采的工程造價[34]。伴隨礦山開采逐步向深立井方向發(fā)展，礦山地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，礦山測量工作的重要性日漸凸顯，大型貫通、長距離貫通成為礦山測量的經(jīng)常性工作，對于貫通測量的技術(shù)和精度要求也越來越高。在現(xiàn)有測量設(shè)備和技術(shù)的條件下，確定貫通巷道在水平和高程面上的方向，根據(jù)求得的數(shù)據(jù)，標(biāo)定貫通巷道的中線和腰線，定期進(jìn)行已掘巷道的檢查測量和填圖，以控制工作面按設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)。因此研究貫通測量方案是一件具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

1 貫通測量

1.1 導(dǎo)線布設(shè)及誤差控制

井下大巷巷道相對較直，導(dǎo)線點(diǎn)可沿巷道中線均勻布置，布設(shè)成等邊直伸型導(dǎo)線。實(shí)際布點(diǎn)時可根據(jù)井下頂?shù)装迩闆r作適當(dāng)調(diào)整，不穩(wěn)定地段可布置臨時點(diǎn)，穩(wěn)定地段布置永久導(dǎo)線點(diǎn)[5]。

當(dāng)巷道長度較短，無需加測陀螺定向邊，貫通導(dǎo)線布設(shè)成單一支導(dǎo)線時由誤差理論與測量平差相關(guān)理論可知，等邊直伸形支導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

(1)

式中，mβ為測角中誤差；ρ為1弧度所對應(yīng)的秒值，取206 265；L為支導(dǎo)線起算點(diǎn)到終點(diǎn)的距離，L≈nl；n為導(dǎo)線邊條數(shù)；l為導(dǎo)線平均邊長。

按照掘進(jìn)巷道施工要求，一般巷道中線允許偏差為0～100 mm。巷道中線允許偏差一定時，隨著導(dǎo)線平均邊長的增大，允許的支導(dǎo)線長度變長，支導(dǎo)線長度一定時，隨著導(dǎo)線平均邊長的增大，巷道中線偏差變小。因此，在布設(shè)導(dǎo)線的過程中應(yīng)根據(jù)巷道條件盡可能加大邊長，減少導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)，使得在導(dǎo)線長度一定時盡可能減小巷道中線偏差。同時可根據(jù)導(dǎo)線平均邊長及巷道中線允許偏差確定允許的支導(dǎo)線長度，當(dāng)支導(dǎo)線長度超出巷道中線偏差所能容許的長度范圍時，應(yīng)采取加測陀螺定向邊等措施。

當(dāng)巷道長度較長，需加測陀螺定向邊，貫通導(dǎo)線布設(shè)成方向附合導(dǎo)線+支導(dǎo)線形式時，由誤差理論與測量平差相關(guān)理論可知，等邊直伸形方向附合導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

(2)

比較式(1)與式(2)可知，等邊直伸形方向附合導(dǎo)線經(jīng)角度平差后的終點(diǎn)橫向誤差比支導(dǎo)線小了一半。由此可見，加測陀螺定向邊對于提高巷道中線精度效果明顯。加測陀螺定向邊的位置可依式(1)中確定的支導(dǎo)線長度確定。另據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，當(dāng)井下導(dǎo)線加測一條陀螺定向邊時，最好選擇在離貫通相遇點(diǎn)1/3處。當(dāng)加測多條陀螺定向邊時，采取“等分割原則”加測陀螺定向邊。實(shí)際上，該結(jié)論也是由上述理論推演得出的。

1.2 導(dǎo)線測量

控制導(dǎo)線采用全站儀導(dǎo)線形式，按《煤礦測量規(guī)程》中井下平面控制測量基本控制中的7″級導(dǎo)線要求施測。采用2″級全站儀每次獨(dú)立觀測每測站2個測回，邊長采用光電測距法，每邊往返觀測兩測回。同時進(jìn)行一次獨(dú)立復(fù)測，當(dāng)2次測量的成果符合精度要求時，取其平均值作為最終觀測成果，若2次觀測的互差超過限差要求時，則應(yīng)重新獨(dú)立觀測。

在邊長測量中，測定氣壓讀至100 Pa，氣溫讀至1 ℃。每條邊長往返2測回。其限差為一測回讀數(shù)較差不大于10 mm，往返觀測同一邊長時，化算為水平距離(經(jīng)氣象和傾斜改正)后的互差，不得大于1/6 000。同時適時進(jìn)行斜邊測量，對已測水平邊長進(jìn)行檢核。對于曲線巷道中邊長小于30 m的導(dǎo)線點(diǎn)及不穩(wěn)定地段的臨時導(dǎo)線點(diǎn)，可采用“三架法”觀測，以減少對中誤差和提高觀測速度。 在測角測距時，盡可能減少望遠(yuǎn)鏡的傾角，調(diào)節(jié)微動螺旋時沿同一方向。儀器多次對中整平，瞄目標(biāo)時盡可能瞄垂球線的上部，采用擺動觀測、正倒鏡觀測。

按《工程測量規(guī)范》要求，實(shí)測邊在經(jīng)過溫度和氣象改正后，還應(yīng)根據(jù)測距邊的平均高程及平均橫坐標(biāo)進(jìn)行高程歸化改正及高斯投影改正，改正方法如下[67]

(3)

式中，D′為測距邊在高斯投影面上的長度；D為測距邊實(shí)測長度；ym為測距邊兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)的平均值；R為地球曲率半徑；Hm為測距邊兩端點(diǎn)的高程平均值。

在實(shí)際計(jì)算中，當(dāng)這2項(xiàng)改正數(shù)很小時，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時可忽略不計(jì)。

1.3 三角高程測量

2 貫通誤差預(yù)計(jì)

2.1 誤差預(yù)計(jì)所需基本參數(shù)的確定

按《煤礦測量規(guī)程》的規(guī)定，測角中誤差mβ下=7″。實(shí)際測量時，2測回水平角均值的中誤差更小，仍取mβ下=7″。2″級全站儀的標(biāo)稱測距精度為2 mm+2×10-6D(D為距離，單位為mm)。考慮到井下儀器對中困難及觀測條件較差，且邊長一般不超過200 m，測距的比例誤差影響較小。參照《煤礦測量手冊》相關(guān)資料，取井下全站儀測邊的中誤差為m1=10 mm。井下三角高程測量每公里高差中誤差為50 mm。

2.2 貫通誤差預(yù)計(jì)

貫通相遇點(diǎn)K在水平重要方向x′上的誤差預(yù)計(jì)，未加測陀螺邊井下導(dǎo)線測角誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)見式[89]

(4)

式中，mβ為井下導(dǎo)線測角中誤差；ρ為1弧度對應(yīng)的秒值，取206 265;Ry′為各導(dǎo)線點(diǎn)與貫通點(diǎn)K連線在y′軸上的投影長，即各導(dǎo)線點(diǎn)到貫通重要方向x′軸的距離。

加測陀螺邊導(dǎo)線測角誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)公式如下[1011]。

如圖1所示由導(dǎo)線測角誤差引起K點(diǎn)貫通誤差

(5)

式中，η為各導(dǎo)線點(diǎn)至本段導(dǎo)線重心o的連線在y′軸上的投影長度；Ry′為由方向附和導(dǎo)線終點(diǎn)B至貫通點(diǎn)K的支導(dǎo)線各導(dǎo)線點(diǎn)與K點(diǎn)連線在y′軸上的投影長度。

圖1 加測陀螺邊定向邊導(dǎo)線Fig.1 Additional measurement of gyro side directional side wire

如圖1所示由陀螺定向邊的定向誤差引起K點(diǎn)貫通誤差

(6)

當(dāng)mα0=mα1=…=mαN時，則

(7)

導(dǎo)線測邊誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)公式

(8)

K點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)中誤差為

(9)

為了檢核，導(dǎo)線獨(dú)立測量2次，并取二倍中誤差作為預(yù)計(jì)的貫通誤差，則K點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為

(10)

2.3 貫通相遇點(diǎn)K在高程方向上的誤差預(yù)計(jì)

三角高程測量誤差引起的

(11)

考慮到高程測量需獨(dú)立施測2次，并取二倍中誤差作為預(yù)計(jì)的貫通誤差，則K點(diǎn)在豎直方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為

(12)

3 應(yīng)用實(shí)例

401106工作面位于彬長礦區(qū)胡家河礦井401盤區(qū)，為胡家河礦井402104工作面的接續(xù)工作面。根據(jù)工程計(jì)劃安排，需要實(shí)現(xiàn)401106工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷高精度貫通。根據(jù)施工進(jìn)度預(yù)計(jì)，貫通點(diǎn)位置為運(yùn)輸巷離切眼300 m處，井下導(dǎo)線全長4 002 m，平均邊長120 m。由于此貫通為一井內(nèi)巷道貫通，按《煤礦測量規(guī)程》要求，貫通在水平方向的容許偏差為0.3 m、豎直方向的容許偏差為0.2 m。

測量采用 2秒級全站儀1臺，測距精度為(2+2×10-6)mm，在使用之前按規(guī)定對全站儀進(jìn)行各種檢驗(yàn)、校正。三腳架、垂球、塔尺、棱鏡、鋼卷尺若干。從順槽開口側(cè)起始邊開始分別沿膠帶順槽和泄水、灌漿巷敷設(shè)支導(dǎo)線，導(dǎo)線測量采用2″全站儀獨(dú)立測量2次，高程測量采用三角高程法獨(dú)立測量2次。 貫通誤差預(yù)計(jì)參數(shù)參照2中提及的各項(xiàng)誤差預(yù)計(jì)參數(shù)，利用式(4)，(8)～(12)得出貫通點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為0.160 6 m，在豎直方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為0.127 7 m，均明顯小于貫通誤差限差。由此證明上述測量方案具有可行性。

當(dāng)對掘工作面在切眼中部貫通時，經(jīng)貫通誤差預(yù)計(jì)得，貫通重要方向誤差為0.072 5 m(測角誤差引起的貫通誤差為0.018 6 m，測邊誤差引起的貫通誤差為0.049 1 m)，明顯小于上述方案中預(yù)計(jì)的0.160 6 m。通過數(shù)據(jù)分析得，當(dāng)在切眼中部貫通時，測邊誤差的影響對貫通精度起決定性作用。為了提高貫通精度，需提高測邊精度。

當(dāng)對掘工作面在回風(fēng)順槽、泄水灌漿巷或運(yùn)輸順槽貫通時，通過計(jì)算貫通點(diǎn)在離切眼0 m、120 m、240 m、360 m、480 m、600 m、720 m、840 m、960 m、1 080 m、1 200 m處貫通重要方向誤差見表1，由表1可知，當(dāng)貫通點(diǎn)在720 m處(約為3條大巷的中部)時，貫通誤差最小，繪制成曲線如圖2所示，從720 m處向兩側(cè)貫通誤差呈遞增趨勢。切眼中部貫通誤差最小，明顯小于3條大巷中部的貫通誤差。從3條大巷中部到切眼方向，貫通誤差呈遞增趨勢。因此，在巷道實(shí)際施工過程中，在保證通風(fēng)可靠、運(yùn)輸方便的前提下，首選將貫通點(diǎn)選在切眼中，其次是3條大巷中盡可能靠近巷道的中部位置。同時，在保證貫通精度的前提下，還必須控制好巷道中線，使得由導(dǎo)線測量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內(nèi)，不可一味追求高貫通精度忽略巷道中線的偏差，繼而造成后續(xù)安裝給線問題。

表1 貫通點(diǎn)位置與貫通重要方向誤差對應(yīng)關(guān)系

圖2 貫通點(diǎn)位置與貫通誤差關(guān)系Fig.2 The relationship between the position of the penetration point and the penetration error

綜上所述，提高貫通測量精度的方法有：在條件允許的情況下采用高精度的測量儀器。在井下導(dǎo)線延伸到一定長度時加測陀螺邊，減小測角誤差的累積；在布設(shè)導(dǎo)線的過程中根據(jù)巷道條件盡可能加大邊長，減少導(dǎo)線點(diǎn)數(shù)；在導(dǎo)線測量時采用三架法、省點(diǎn)法、支站法減少對中誤差；在測角測距時，儀器多次對中整平，瞄目標(biāo)時盡可能瞄垂球線的上部，采用擺動觀測、正倒鏡觀測；盡可能減少望遠(yuǎn)鏡的傾角，調(diào)節(jié)微動螺旋時沿同一方向；適時進(jìn)行斜邊測量，對已測水平邊長進(jìn)行檢核。提高井下三角高程測量精度的方法有：在條件允許的條件下采用高精度的測量儀器；使用操作熟練的測量技術(shù)人員進(jìn)行施測；井下三角高程測量時通過2次或多次變儀器高觀測來提供測量精度，避免測量粗差的產(chǎn)生；井下三角高程測量時采用往返測量。

4 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)對采面貫通測量方案中的若干問題進(jìn)行了探討分析，并結(jié)合實(shí)例提出最佳貫通點(diǎn)的選擇原則：在貫通導(dǎo)線長度一定、導(dǎo)線平均邊長一定、測繪儀器及施測技術(shù)要求不變的的前提下，最佳貫通點(diǎn)首選切眼中部，其次是切眼兩端順槽中部。實(shí)際施測過程中，應(yīng)在保證貫通精度的前提下，控制好巷道中線，使得由導(dǎo)線測量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內(nèi)，同時，通過合理安排施工組織，使得貫通點(diǎn)盡可能的接近上述位置，確保高精度貫通。當(dāng)貫通精度滿足限差要求，巷道中線偏差超出容許范圍時，應(yīng)通過加測陀螺定向邊優(yōu)化測量導(dǎo)線。最后，結(jié)合工作實(shí)際提出了若干提高貫通測量精度的方法，對貫通測量日常施測具有一定的指導(dǎo)意義。