白洞礦井下貫通測量技術的誤差控制研究

賈寶瑞

（晉能控股煤業集團白洞礦業大同有限公司，山西 大同 037003）

1 實例概況

白洞礦隸屬于大同煤業有限公司，年設計產量90萬t，屬傳統大型礦井，井田面積為8.27 km2，其中南北總長為3 km，東西傾斜寬為3.9 km。G2105為該礦井的規劃設計試運轉工作面，根據設計方案，工作面地處510巷道的西側，G8105工作面的南側，其工作面包括回風順槽、開切眼巷道和輔助運輸順槽，并且輔助運輸順槽和回風順槽在切眼巷道上完成了相遇，兩順槽貫通，回風順槽的長度大約為1 900 m，寬度為4.3 m，開切眼巷道掘進長度為2 037 m，寬度為5.9 m，輔助運輸順槽長度為2 046 m，寬度為4.1 m，各巷道（順槽）高度均為2.9 m，按照煤礦測量標準要求，需要確保貫通點在開采方向以及安全通道方向的水平誤差應小于250 mm，由于煤炭開采時只需在巷道中順著煤層底板作業，所以不需要過多考慮高程精度要求范圍[1-2]。

2 貫通測量方案及誤差預計

2.1 設計貫通測量方案

白洞礦礦井下巷道貫通工程為一井貫通，開采巷道根據煤層底板的走向開展作業，經過計算和資料查證，要求礦井下的控制測量以17″級導線精度級作為依據，并且起算數據按照8″級控制網進行架構鋪設，通過西側的輔運巷道可以到達G2105回風順槽以及G2105輔助運輸順槽，再經此順槽到達工作面的切眼貫通點。根據貫通測量預計法，可預估貫通點M位于距離G2105輔助運輸順槽120 m處的切眼巷道上。緊接著需在G2105回風順槽和G2105輔助運輸順槽上分別架構鋪設17″級導線控制點，并且選擇CANON-332防爆全站儀作為測量儀。測量時，使用三聯腳架法（見圖1）和省點法共同進行測試以確保測試精度穩定高效[3]，依據17″級導線的精度實測要求，讓不同的觀測者分別獨立開展2次觀測，然后將2次所觀測到結果的平均值選為最終觀察值，最后使用平均值做平差計算。需要注意的是，在對短邊進行測量時需要反復觀測后才可以計算其平均值[4]，同時在測試時要求角度測回差≦13″，使得一測回比較差的邊長需≦10 mm，單程測回間較差數值應≦14 mm，返測與往測的邊長水平距離之間的互差應≦1/60 000。

圖1 三聯腳架法

2.2 貫通測量裝置

通過分析可知該貫通工程需從煤層底板開始進行掘進貫通，因此可以貫通作業時忽略垂直方向的誤差，只需要關注水平方向的誤差，規定水平方向的誤差要＜±0.5 m，全長導線間的閉合誤差≦1/5 000。整個貫通過程中所需的貫通測量裝置如下。

1）全站儀作為貫通測量主要設備，用于標稱精度，在測回方向中可測角度的誤差為±2"[5]。

2）在進行地面四等水準測量時選用水準儀，其可以觀測水平角，偶然誤差精度為±2 mm/km。

3）對點器，在前視測量過程中，使用棱鏡與對點器以及腳架的配合，同時要求進行整平環節，即要求觀測儀器與前視占標整平均需不能高于水準管氣泡的半格，其對中誤差需≦1mm。

4）投點設備以及導高鋼尺。投點設備配備帶有制動器的絞車，導高鋼尺長度為700 mm。

2.3 作業規程

2.3.1 首次導入高程

1）首先需要按照測試任務規程，將人員職責分配、儀器設備情況提前配備好。

2）將長鋼尺導向滑輪布置在井架上，需要勻速輕柔的向下放長鋼尺，在下放時需在長鋼尺下懸掛專用砝碼，整個過程需要保持礦井上下的信息交流通暢，當下放至井底周圍時，井下工作人員需要時刻匯報下方位置和坐標，上下及時通信保證下放精準，專用砝碼需沉浸在穩定液中，呈自由懸掛狀態[6-7]。

3）水準尺需分別安裝在地面井口和井下的水準基點位置處，同時設置水準儀放在水準尺和垂直懸吊的長鋼尺之間。

4）當鋼尺處于穩定狀態時，礦井上方和井下工作面需要同時將測量儀器設置在規定高度，然后進行后視水準讀數，前視長鋼尺讀數，將上述兩讀數及時記錄在專用表格中。記錄時需要有記錄員記錄，指認員在水準尺和長鋼尺上進行指認，進一步由經操作員審核，審核完畢后，再由記錄員、指認員和操作員三者共同確認，表示讀數過程結束[8]。

5）礦井上下進行同步升降儀器高程，升降幅度值需～10 cm，重復上述步驟，可進行第2、3次測量。

2.3.2 第二次導入高程

測試前首先要改變鋼尺的平面位置，然后按首次導入高程的布置依次重復進行，或選擇恰當的時間再進行二次導入高程，當高程導入結束后對鋼尺進行提升，高程的導入差值需要≦井下長鋼尺到地面的距離，且為井下的讀數間距差的1/6 000[9]。

2.4 貫通誤差預計

貫通測量前首先需要建立假想坐標系，定義貫通點M作為坐標原點，水平方向為x軸（即切眼方向），而與切眼方向相垂直的方向定義為y軸，在此坐標系內進行誤差估計，誤差估計系數見表1。

表1 貫通點M在x軸上的測角偏差計算結果

對于G2105工作面的貫通誤差預計主要由貫通點M的水平方向（即x軸）的誤差預計決定，參照誤差傳播定律，可以得知貫通點水平方向上的誤差主要是因為導線的測距誤差和測角誤差所造成[10]。表2為誤差參數設計取值，經過計算[3]，可以得知貫通點M在水平方向x軸上的誤差為：

表2 誤差參數

式中：α為導線各邊與x軸之間的夾角；mβ為導線的測角誤差；m1為導線量邊上所測量的誤差；Ry為導線點與貫通點M之間的連線在y軸上的投影距離。

通過式（1），可以得到水平方向上的預計貫通誤差為：

根據上述的誤差預計可得知，貫通點M在水平方向上的預計誤差符合標準規定的許用誤差，即0.160m＜0.3m，證明該貫通測量方案符合要求。此外，通過對貫通點M的誤差計算結果分析可知引起水平方向上誤差的原因是在進行水平角觀測時所造成的，所以需要在實際貫通測量工況中盡可能增加水平角的觀測精度，減少其誤差。其次還發現影響貫通精度值的主要因素為測站數，需要再滿足實際測量許可要求下，最大限度的提高其邊長長度，從而削減測站數，進而實現提高貫通精度的目的。

3 誤差控制策略及結果驗證

3.1 操作施工方向

測量時，需要組建專業的貫通測量部門，全程負責本貫通工程的測量控制工作，同時需要定期檢查和監督施工隊伍是否如實遵循上述設計的貫通測量方案和誤差控制標準進行作業和放線工作，進一步應及時觀測測量數據，及時分析檢查看是否符合誤差控制要求，綜合整個環節的觀察結果來判斷所觀測結果的可靠性和精準程度。此外，還需采購徠卡和尼康的防爆全站儀用來備用開展貫通測量工作，并要根據儀器要求進行測量前后檢查，還要定期保養和檢驗校正。

3.2 巷道貫通測量環境對測量精度的影響

巷道測量時首先需要探測測量環境的情況，分析測量環境對測量精度的影響比重，因為測量環境較為復雜，包含多種參數變量，因此需要在測量前先分析哪種環境變量對其精度的影響效果最大。常見的環境影響情況包括巷道溫度的變化、開采時粉塵量的大小、風速值、掘進開采區域的破壞情況。

3.3 誤差控制策略

以8"級控制網中GH6和GH7導線點作為起算數據，然后通過輔運巷道及G2105回風順槽和輔助運輸順槽到達工作面的切眼貫通位置M點進行架構鋪設導線控制點，其中將導線點之間的距離設為70～150 m，各項測量值的誤差范圍見表3和表4。

表3 貫通測量時導線的限差

表4 貫通測量時所用儀器的限差

貫通測量工作經常要面臨各種環境問題，如起伏凹凸不平的工作面，同時還伴有巷道風，較低的溫度。這就需要在測試時使用多種預防措施來保證測量精度，避免誤差值過高。防護策略如下：

1）開展測量工作時，提前測量礦井下的溫度，若溫度變化明顯，需等待儀器溫度穩定后再開始測量。

2）使用全站儀時，應配備防風裝備，保證儀器的穩定性，使得光學對中性穩定，也可以采取增加垂球，確保重量。

3）對于儀器，應在測試前調整為最佳對中精度，測試時要保證儀器的平整度，隨著開采巷道的掘進，應隔段定期對導線進行檢查測試，同時也要及時估算精度。

總而言之，觀測時我們需要全面調研，精確化定量分析，提前規避巷道中可避免的環境因素（如極低溫度、風速和風量較大、巷道開采環境起伏），需要制定最優化方案將環境因素的影響率降到最低，并且聯合使用多技術手段從而保證測試精度。當礦井環境溫度出現顯著的變化時，測試人員需要先校準測量儀器，在保證測量儀器歸零且在許用測量溫度進行測試工作，完成校準歸零工作后方可進行測試。對于風元素的防范策略，可采用安裝防風裝置，或者增加垂球重量、提高對中次數等方案。此外，也可通過提升測量儀器的對中精度和測試精度來提高貫通測量精度。最需要注意的是，觀測前一定要先按操作規程對儀器進行整平，巷道每開采掘進一定的長度距離需要準時對導線進行檢測，同時進行精度估算和記錄。

3.4 結果驗證

將設計的貫通測量方案和誤差控制方案應用在白洞礦的貫通工程中，測試發現貫通點橫坐標閉合差為0.163 m，縱坐標閉合差則為-0.114 m，2個方向的閉合差值遠小于標準規定。證明了該誤差控制方案的正確性，達到了預期的要求，也實現了貫通工程的精準控制。

4 結論

以白洞礦的貫通工程測量工作為切入點，依據實際情況設計了貫通測量方案和誤差控制方案，并在實際開采中進行了檢驗，結論如下：

1）該誤差控制方案可以將貫通點水平方向和垂直方向的閉合差嚴格控制在限差范圍內，前者閉合值為0.163 m，后者為-0.114 m。

2）在選擇貫通點時應重點關注水平方向上誤差最小的貫通相遇點。