魏家地礦兩立井貫通測(cè)量方案及精度分析

黎偉明

(甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730910)

魏家地煤礦位于甘肅省白銀市平川區(qū)東南約10 km，生產(chǎn)規(guī)模300萬(wàn)t/a，總面積為21.20 km2，井田地處魏家地盆地東南部，盆地多為低矮黃土丘陵區(qū)。礦井采用立井開拓，中央分列式及對(duì)角式混合通風(fēng)方式。為了解決東二采區(qū)開采時(shí)的通風(fēng)困難問(wèn)題，在礦井東翼新建一回風(fēng)立井(東二回風(fēng)立井)，設(shè)計(jì)與東二采區(qū)管子道貫通。為保證巷道貫通精度，通過(guò)優(yōu)化測(cè)量設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行誤差預(yù)計(jì)[1]，同時(shí)采取有效措施控制地面GPS測(cè)量、井上下聯(lián)系測(cè)量和井下導(dǎo)線測(cè)量的精度，確保了精準(zhǔn)貫通。

1 工程概況

東二采區(qū)管子道和+980回風(fēng)大巷由甘肅煤炭第一工程有限責(zé)任公司魏礦項(xiàng)目部施工，其中+980回風(fēng)大巷用于東二采區(qū)總回風(fēng)，設(shè)計(jì)為半圓拱型斷面巖石巷道，采用炮掘錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，設(shè)計(jì)工程量215.0 m，斷面寬4.8 m、高3.9 m、方位314°00′00″、坡度-4‰；東二采區(qū)管子道用于安裝供水、排水、壓風(fēng)、注氮管路，于 2019 年 3月 28日開始掘進(jìn)，為半圓拱型斷面巖石巷道，采用炮掘錨網(wǎng)噴支護(hù)方式，設(shè)計(jì)工程量326.5 m，斷面寬3.6 m、高3.2 m、方位134°00′00″、坡度+22°.兩條巷道相向掘進(jìn)，貫通總長(zhǎng)約4 023.5 m，貫通存在著井筒涌水量大(15 m3/h)、風(fēng)速高(6.32 m/s)，且導(dǎo)線多布置在上、下山巷道，短邊多通視距離短等問(wèn)題。

2 貫通方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 貫通測(cè)量方案設(shè)計(jì)

為了提高巷道貫通質(zhì)量，對(duì)本次測(cè)量方案進(jìn)行深入的研究對(duì)比，并結(jié)合礦井實(shí)際，制定了以下4種方案。

1) 地面GPS控制網(wǎng)布設(shè)。東二回風(fēng)立井周邊附近有D1、D2、D3三個(gè) D 級(jí)GPS 礦區(qū)控制點(diǎn)，其中D3點(diǎn)位于東二回風(fēng)立井正北的山頂上，距東二回風(fēng)立井一百余米；主副井工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)有一個(gè)F3控制點(diǎn)，與主副井井口及周圍均不通視。由于該區(qū)域地形復(fù)雜，導(dǎo)線測(cè)量工作難度大、精度要求高且有誤差積累傳播的明顯缺點(diǎn)，不宜在地面布設(shè)導(dǎo)線測(cè)量控制方案。周行禮等[2]通過(guò)應(yīng)用GPS技術(shù)確保了兩井間的貫通，因此，地面平面控制測(cè)量采用E級(jí)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)布設(shè)。

通過(guò)GPS儀器進(jìn)行同步觀測(cè)，經(jīng)基線解算、約束平差等解算出主井井口近井點(diǎn)“J1”“J2”2個(gè)E級(jí)GPS控制點(diǎn)。地面GPS控制網(wǎng)示意如圖1所示。

圖1 地面GPS控制網(wǎng)示意

2) 地面水準(zhǔn)測(cè)量。利用D3三等水準(zhǔn)點(diǎn)作為起算依據(jù)，從東二回風(fēng)立井井口經(jīng)簡(jiǎn)易公路沿鐵路線至主井測(cè)設(shè)四等水準(zhǔn)線路，并在東二回風(fēng)立井、主井附近布設(shè)四等水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程基準(zhǔn)。

3) 井上下聯(lián)系測(cè)量。東二回風(fēng)立井、主井平面聯(lián)系測(cè)量選用規(guī)格為D2 mm的鋼絲和60 kg圓盤式砝碼的垂球進(jìn)行投點(diǎn)完成；高程傳遞在保證精度要求的前提下,為了提高測(cè)量工作效率，在進(jìn)行連接點(diǎn)平面聯(lián)系測(cè)量時(shí),一并進(jìn)行光電測(cè)距三角高程測(cè)量,把聯(lián)系測(cè)量的地表高程基準(zhǔn)測(cè)設(shè)在連接點(diǎn)上,利用鋼尺法進(jìn)行高程導(dǎo)入。

4) 井下控制測(cè)量。胡嘉權(quán)等[2]通過(guò)應(yīng)用陀螺全站儀測(cè)量技術(shù)，減小了礦山貫通測(cè)量的偏差值。因此，參照陀螺定向技術(shù)分別在東二回風(fēng)立井、主井井底布置兩條定向邊，作為井下導(dǎo)線測(cè)量的起始邊，向管子道貫通點(diǎn)布設(shè)，由于主井距管子道貫通位置有約4 km遠(yuǎn)，且巷道布置的限制，從主井到管子道貫通點(diǎn)西側(cè)的導(dǎo)線有許多短邊，所以在管子道口增加了一條陀螺定向邊。井下控制測(cè)量線路圖如圖2所示。

圖2 井下控制測(cè)量線路圖

2.2 貫通方案實(shí)施

2.2.1 地面控制測(cè)量

地面E級(jí)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)采用5臺(tái)海星達(dá)iRTK5 GPS進(jìn)行同步觀測(cè)，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于40 min.用隨機(jī)附帶的中海達(dá)HGO軟件經(jīng)基線解算、約束平差等解算出主井井口近井點(diǎn)J1、J2的平面坐標(biāo)。

本次地面四等水準(zhǔn)路線測(cè)量采用 DSZ1自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀,共施測(cè)水準(zhǔn)4 539.24 m.在東二回風(fēng)立井側(cè)由于D3到東二風(fēng)井井口地表地形起伏過(guò)大,用光電測(cè)距三角高程連測(cè)D3至井口、轉(zhuǎn)4點(diǎn)的高差。整體測(cè)量成果用GPS擬合高差進(jìn)行檢核，同時(shí)與原測(cè)成果進(jìn)行了對(duì)比分析，數(shù)據(jù)無(wú)誤后取水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)解算東二回風(fēng)立井井口點(diǎn)高程與主井口J3與J1點(diǎn)高程。地面水準(zhǔn)控制測(cè)量示意如圖3所示。

圖3 地面水準(zhǔn)控制測(cè)量示意

2.2.2 聯(lián)系測(cè)量

立井聯(lián)系測(cè)量工作分為井口與井底連接測(cè)量、立井井筒聯(lián)系測(cè)量、井下起始邊方位角測(cè)量即陀螺定向測(cè)量三部分。

1) 井口平面連接測(cè)量。D3點(diǎn)位于東二回風(fēng)立井正北山頂上，距東二回風(fēng)立井約130 m，與東二回風(fēng)立井井口通視良好，作為近井點(diǎn)建立東二回風(fēng)立井聯(lián)系測(cè)量的連接點(diǎn)；主井在J1點(diǎn)架設(shè)全站儀，J2點(diǎn)為后視點(diǎn)，以地面一級(jí)導(dǎo)線精度4測(cè)回測(cè)設(shè)J3點(diǎn)，作為投點(diǎn)與導(dǎo)入高程用的井口連接點(diǎn)。測(cè)量?jī)x器均采用2″+(2+2×10-6)精度級(jí)的SET1130R全站儀，測(cè)回法以兩次對(duì)中兩測(cè)回進(jìn)行 7″級(jí)光電測(cè)距導(dǎo)線測(cè)量，距離測(cè)量時(shí)照準(zhǔn)目標(biāo)一次讀數(shù)一次，讀數(shù)互差限差±2 mm.

2) 井底平面連接測(cè)量。在東二回風(fēng)立井、主井口上方橫檔處分別焊接承重鋼梁，在鋼梁上固定下放鋼絲與鋼尺的滑輪，焊接的鋼梁要防止移動(dòng)，固定的滑輪要保證位置不會(huì)滑動(dòng)，并在井口地面上固定下放鋼絲和鋼尺的小絞車。當(dāng)下方下放鋼絲后，經(jīng)加配重、水筒穩(wěn)定后，下放信號(hào)圈進(jìn)行鋼絲自由懸掛檢查，帶鋼絲擺動(dòng)進(jìn)一步穩(wěn)定進(jìn)行觀測(cè)。在連接點(diǎn)上應(yīng)用 2″級(jí)的SET1130R全站儀，用測(cè)回法進(jìn)行連接角的測(cè)量。在連接點(diǎn)上的水平角觀測(cè)，儀器每次對(duì)中時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器基座 120～180°.連接邊用光電測(cè)距，用鋼尺丈量大數(shù)比長(zhǎng)以免出錯(cuò)。同一邊讀數(shù)互差不超過(guò)±10 mm，測(cè)回間互差不超過(guò)±15 mm，在一定的時(shí)間間隔連續(xù)觀測(cè)4～8個(gè)讀數(shù)，取其平均值作為觀測(cè)終值。

3) 井筒高程聯(lián)系測(cè)量。在井上下平面聯(lián)系測(cè)量結(jié)束后，將鋼絲上收，并下放鋼尺進(jìn)行導(dǎo)入高程測(cè)量，井上下同時(shí)進(jìn)行。下放鋼尺穩(wěn)定后，按圖4、圖5形式使用NA2水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程聯(lián)系測(cè)量。讀取水準(zhǔn)尺上的讀數(shù)與視線在鋼尺上的讀數(shù)。在井下在T1點(diǎn)立水準(zhǔn)尺，在 T1點(diǎn)與鋼尺之間架設(shè)水準(zhǔn)儀，讀取水準(zhǔn)尺與鋼尺上的讀數(shù)。高程聯(lián)系測(cè)量獨(dú)立進(jìn)行三次，每次將鋼尺升降10 cm.

圖4 高程聯(lián)系測(cè)量地面豎直方向布設(shè)示意

圖5 高程聯(lián)系測(cè)量井下豎直方向示意

4) 陀螺定向測(cè)量。井下基準(zhǔn)邊坐標(biāo)方位角的測(cè)定，采用 20″級(jí)的索佳GP1陀螺全站儀，以中天法獨(dú)立定向二次來(lái)測(cè)定基準(zhǔn)邊的坐標(biāo)方位角,定向前后在地表各測(cè)量?jī)x器常數(shù)Δ兩測(cè)回,即采用“2-2-2”方式來(lái)進(jìn)行方位角測(cè)定。東二回風(fēng)立井井下定向基準(zhǔn)邊受成巷長(zhǎng)度限制只有17.5 m，對(duì)確保聯(lián)測(cè)精度不利因素，在管子道口加測(cè)一條基準(zhǔn)邊,經(jīng)檢測(cè)性連測(cè)兩條邊的陀螺定向坐標(biāo)方位角附合差±13″，優(yōu)于限差要求。

2.2.3 井下控制測(cè)量

主井井下7″級(jí)導(dǎo)線用徠卡TS15全站儀從中央石門的陀螺邊T2、T3開始，用T2—T3的方位為起始方位、T3點(diǎn)的坐標(biāo)為起始坐標(biāo)，按測(cè)回法經(jīng)過(guò)中央石門、北一軌道石門、東翼軌道下山、東翼+900軌道大巷、東二軌道石門聯(lián)巷、+900軌道石門、管子道；東二回風(fēng)立井井底用陀螺邊F1—h1的方位為起始方位、h1點(diǎn)的坐標(biāo)為起始坐標(biāo)，經(jīng)+980回風(fēng)大巷、管子道，最后在管子道貫通，導(dǎo)線全長(zhǎng)4 023.54 m.

3 貫通測(cè)量誤差預(yù)計(jì)

為了掌握測(cè)量方案是否滿足巷道貫通測(cè)量精度和施工工程的要求，對(duì)巷道貫通點(diǎn)的誤差進(jìn)行預(yù)計(jì)。根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》要求，繪制了一張貫通測(cè)量導(dǎo)線設(shè)計(jì)圖，比例尺1∶500，并在圖上建立了坐標(biāo)系，Y軸沿巷道走向，標(biāo)注設(shè)計(jì)導(dǎo)線點(diǎn)位置。如圖6所示。

圖6 貫通誤差預(yù)計(jì)示意

3.1 貫通相遇點(diǎn)K在平面上誤差預(yù)計(jì)

X軸是平面上貫通重要方向，根據(jù)已施測(cè)方案共測(cè)定三條定向邊，為提高貫通精度，分別計(jì)算三條定向邊測(cè)角誤差引起K點(diǎn)在X方向上的誤差預(yù)計(jì)。K點(diǎn)與各導(dǎo)線點(diǎn)的連線在貫通面上的投影長(zhǎng)度,可從貫通測(cè)量導(dǎo)線設(shè)計(jì)圖CAD軟件上量取，取值到0.001 m，由三條定向邊引起的各導(dǎo)線點(diǎn)在貫通面上到K的投影長(zhǎng)度平方的和如表1所示。

表1 Dy數(shù)據(jù)

把表1數(shù)據(jù)，分別代入誤差預(yù)計(jì)公式(1)：

(1)

計(jì)算出三條定向邊引起K點(diǎn)在X方向上的誤差預(yù)計(jì)如表2所示。

表2 重要方向誤差預(yù)計(jì)

3.2 貫通相遇點(diǎn)K在高程上誤差預(yù)計(jì)

高程誤差預(yù)計(jì)，根據(jù)公式(2)：

(2)

式中：mh為高程預(yù)計(jì)誤差，m；mΔ為測(cè)段路線往返測(cè)高差不符值計(jì)算的每公里的高差中誤差,m；L為測(cè)量路線全長(zhǎng)，m.

計(jì)算出地面水準(zhǔn)測(cè)量路線和井下三角高程測(cè)量預(yù)計(jì)誤差如表3所示。

表3 高程誤差預(yù)計(jì)

因此，K點(diǎn)在高程上預(yù)計(jì)中誤差±0.056 m，預(yù)計(jì)誤差為±0.112 m，滿足《煤礦測(cè)量規(guī)程》高程上的誤差預(yù)計(jì)小于0.2 m的要求。通過(guò)以上在重要方向和高程上預(yù)計(jì)誤差分析，按照該方案進(jìn)行貫通測(cè)量，可以保證貫通偏差值符合相關(guān)規(guī)定，該方案可行。

4 貫通精度

巷道貫通后，測(cè)量技術(shù)人員第一時(shí)間趕往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際貫通偏差值，通過(guò)導(dǎo)線連測(cè)，貫通點(diǎn)與H3點(diǎn)的坐標(biāo)閉合差為△X=-0.194 m，△Y=-0.006 m，△H=-0.124 m，方位角閉合差為0°00′52″。即貫通導(dǎo)線在重要方向上的誤差絕對(duì)值0.194 m，小于誤差預(yù)計(jì)絕對(duì)值0.272 m，反映出在平面上貫通精度較高，完全符合《煤礦測(cè)量規(guī)程》的要求，滿足生產(chǎn)需要；貫通在高程的誤差絕對(duì)值0.124 m，大于誤差預(yù)計(jì)絕對(duì)值0.112 m,但在允許誤差范圍之內(nèi)，符合《煤礦測(cè)量規(guī)程》，說(shuō)明在立井間貫通測(cè)量中，通過(guò)不同測(cè)量方法導(dǎo)入高程進(jìn)行閉合，偶然誤差是存在的，因此在立井高程導(dǎo)入時(shí)，要引起高度重視，在不利的施測(cè)條件下，采取有效的措施減小誤差。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 傳統(tǒng)兩立井貫通測(cè)量，不僅工作量大而且還存在著誤差累計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)地面采用GPS衛(wèi)星定位、光電測(cè)距導(dǎo)線測(cè)量，以及在井下采用全站儀、陀螺全站儀、三架法等測(cè)量技術(shù)減少技術(shù)人員的工作強(qiáng)度，提高了地面控制測(cè)量精度，為復(fù)雜的井上下聯(lián)系測(cè)量減少了誤差累計(jì)。

2) 通過(guò)制定貫通方案，并誤差預(yù)計(jì)其方案的可行性，以及選用可靠的地面、井下控制網(wǎng)是保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)。貫通測(cè)量受巷道布置的限制，加測(cè)陀螺定向是提高巷道貫通精度的有力保證[4]。

3) 魏家地煤礦管子道的相向貫通精度非常高，遠(yuǎn)小于預(yù)計(jì)誤差，通過(guò)本次貫通測(cè)量，進(jìn)一步增加了測(cè)量工程技術(shù)人員工作經(jīng)驗(yàn)，也為類似貫通測(cè)量工程的礦井提供一些參考。

4) 東二回風(fēng)立井聯(lián)系測(cè)量深度726 m，為超大井深立井聯(lián)系測(cè)量，加之井筒中涌水量(15 m3/h)大、風(fēng)速高(6.32 m/s)，本次立井聯(lián)系測(cè)量采取了單重穩(wěn)定投點(diǎn)，投點(diǎn)選用規(guī)格為D=2 mm 的鋼絲，穩(wěn)點(diǎn)垂球用60 kg圓盤式砝碼，并用油筒裝水穩(wěn)定，通過(guò)在本次貫通測(cè)量應(yīng)用，減小對(duì)中誤差，該措施完全可行。