大型礦山高精度貫通測量的質量控制與精度評定

湯立坤TANG Li-kun

（內蒙古蒙東能源有限公司，呼倫貝爾 021100）

0 引言

貫通測量對煤礦開采前的基礎建設起著至關重要的作用，直接貫穿于煤礦建設與生產的整個過程。若貫通測量過程中出現差錯導致不能貫通或貫通結合處偏差值超限，則會發生較為嚴重的工程事故。輕則重整礦山巷道，改變原有的設計方案；重則廢棄巷道，使礦山企業承擔較大的經濟損失，影響企業發展?？梢?，為保證安全的貫通測量，則必須進行質量控制與精度評定，使施工人員做到對貫通偏差心中有數，進而保證工程質量符合預期要求。我國學者針對煤礦巷道內貫通測量技術的應用也提出了對應見解。許永杰[1]在文章中表示，由于煤礦作業中井下巷道施工具有一定的危險性與不確定性，所以通過采用三維激光掃描、貫通精度控制以及建立專用的地面控制網可有效把控施工精度。王宗偉、史志強[2]等人也通過結合貫通相遇K 在水平和高程上的誤差值，優化設計了貫通測量方案。但在實際使用中，現有的質量控制措施卻出現了實施難度高、應用成本大等弊端問題。因此，本文通過結合敏東一礦16-3 煤層回采面工作實際情況，針對性提出高精度貫通測量的質量控制措施與精度評定方法，以降低貫通測量誤差發生概率，助力大型礦山的高效施工。

1 工程概況

敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面掘進區域設計東西走向長3436.4m、工作面掘進區域南北設計傾向寬220m。該工作面貫通采用相向對頭貫通，貫通相遇點K點在開切眼中部，此貫通類型屬沿煤層貫通，只考慮中線不考慮腰線，所以此貫通在高程方向不在誤差預計。

此次貫通工作面門點拉門點在北一盤區軌道上山內，在BK 基控±15″級導線基礎上引測采區控制±30″級支導線至切眼相遇點K，其導線全長8024.4m，測站數約88 站。導線路線：北一盤區軌道大巷→16-3 煤層Ⅰ0216302 工作面運輸順槽車場→Ⅰ0216302 工作面運輸順槽→切眼→16-3煤層Ⅰ0216302 工作面回風順槽→Ⅰ0116300 工作面回風順槽聯絡巷→北一盤區軌道大巷。由于此貫通屬于采區內單一工作面貫通，雖然貫通距離超過1.5-2.0km，但考慮是采區控制±30″導線，故不加設陀螺定向邊。

2 貫通測量作業方式

2.1 井下導線測量

為滿足16-3 煤層I0216302 掘進工作面順利貫通并滿足《煤礦測量規程》規定的限差要求，采取井下導線貫通測量作業方式。

本次井下導線布設按照測角精度分為±15″與±30″兩級，主要技術指標見表1。

表1 基本控制導線的主要技術指標

布設從井底車場的起始邊開始，沿礦井主要巷道布設，并以支導線形式向前延伸。導線點應選在頂板完好，無淋水，通視良好便于觀測的地點，邊長在允許范圍內應盡量加長。在延長導線時，檢查角按±15″級導線不符值不超過±40″的要求進行檢測，邊長也應相應檢查[3]。

2.2 水平角測量誤差分析

本次井下水平角測量誤差來源主要為儀器誤差、測角方法誤差與對中誤差。

2.2.1 儀器誤差

針對敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面的情況，井下水平角測量儀器誤差的來源主要包括以下三個方面：①水平軸不垂直的誤差：是由于多次設置全站儀的過程中存在的水平軸偏差。可通過每次在北一盤區軌道大巷、工作面運輸順槽車場、切眼和其他關鍵位置設置儀器時，使用水準泡確保設備完全水平，解決該儀器誤差。②儀器中心線與站線不垂直的誤差：是由于導線全長和多個測站導致的誤差累積。解決方案為：在關鍵位置如切眼相遇點K 進行測量時，特別要確保全站儀的中心線與站線垂直，并定期進行校驗。③望遠鏡受到地磁或溫度影響的誤差：是由于導線路徑中的多種工作環境所導致望遠鏡受到溫度和地磁的變化影響，進而出現數值誤差?？赏ㄟ^選擇在溫度相對穩定的時段進行測量，并使用抗磁的專業測量設備解決該誤差問題。

2.2.2 測角方法誤差

測回法測角時，其測角方法誤差是由照準誤差和讀數誤差引起的，計算公式如式（1）所示：

該式中，mv為照準誤差，m0為讀數誤差，n 為測繪數。假設mv=3mm，m0=1mm 時，一個測繪時mi=3.2mm；兩個測繪時mi=2.2mm[4]。由此可知，在井下導線布設中，增加測繪數可有效減小測量角方法誤差。

2.2.3 對中誤差

對中誤差是由全站儀和前后視棱鏡對鐘先亮誤差引起的水平角測量誤差，對貫通測量精度有著直接影響。當前后視棱鏡的對中線量誤差相同（pA=pB），全站儀對中線量誤差為pk時：

結合井下實際情況，一般邊長近似相等，而水平角近于180°。由此可將上式簡化為：

令a=150m，p=2mm，則有mp=4.7″；若令a=50m，p=2mm，則有mp=14.3″。由此可知，在井下貫通實際測量中，短邊對水平角測量的影響較大，容易造成較大的數據誤差，所以在短邊觀測中技術人員應重點關注短邊或減少短邊。

3 高精度貫通測量質量控制措施

3.1 專用控制網

受敏東一礦持續開采影響，開采區與三角點位置會出現較大變化，原有得出地表布置網位置測量值極易出現較大誤差。因此，在進行“敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面”的高精度貫通測量時，建立專用控制網至關重要。專用控制網提供了高精度的參考基準，確保測量過程的精確性和一致性。特別是考慮到工作面的貫通特點和長距離，控制網能為定位提供準確坐標基準，減少地形變化帶來的誤差，同時方便后續測量和管理，提高整個貫通過程的安全性與工作效率。設計方案如下：

3.1.1 建立軸線控制網

①目標設定：根據貫通的具體情況，工作目標為確保Ⅰ0216302 工作面貫通的高精度，在北一盤區軌道上山內的BK 基控±15″級導線基礎上，引測至貫通相遇點K 的采區控制±30″級支導線[5]。

②網形選擇：由于是采區內單一工作面的貫通，采用閉合式的線型控制網。確保從北一盤區軌道大巷開始，經過各個重要工作區域，最終回到北一盤區軌道大巷的相對位置精度。

③控制點設置：1）在導線路線上設置控制點，特別是在貫通關鍵區域如16-3 煤層Ⅰ0216302 工作面運輸順槽車場、切眼和回風順槽。2）利用BK 基控±15″級導線，結合采區控制±30″級支導線確?？刂泣c精度。

④觀測方法：1）采用高精度全站儀進行觀測，確保控制點的相對位置精度。2）根據貫通的特點，至少對每個控制點進行兩次獨立觀測，確保測量的一致性和可靠性[6]。

⑤數據處理：1）使用最小二乘法對觀測數據進行平差。2）由于貫通只考慮中線不考慮腰線，并且在高程方向不預計誤差，所以數據處理時主要考慮橫向的相對位置精度。3）對觀測數據進行誤差分析，確保其滿足±30″的精度要求。

⑥質量控制：1）定期檢查控制點的穩定性，特別是在工作面動態變化的區域。2）雖然此次貫通的導線全長8024.4m，測站數約為88 站，但需要確保每個測站的測量數據都滿足精度要求。3）雖然貫通距離超過1.5-2.0km，但由于是采區控制，所以不加設陀螺定向邊。但仍需確保每個測量段的精度。

⑦總結：針對敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面的貫通情況，專用地表控制網的設計需確保從北一盤區軌道大巷開始，經過各個關鍵工作區域，至貫通相遇點K的所有測量數據都滿足±30″的精度要求，保證本次貫通工作的高質量進行。

3.1.2 建立廠區高程控制網

為保證貫通測量可得到可靠的起算依據，同時可隨時檢查水準點的穩定性，可通過在現場建立水準基點組，點數不少于5 個，用Ⅱ等水準測定，每隔2～3h，檢查水準點是否變動，完成水準點聯測[7]。且在水準點實測觀測時，水準視線長度不得大于40m，測站前后視距離之差不得大于1.5m，兩水準點間前后視累計差不大于3m，視線距地面高度不小于0.5m，水準基點的深度不得小于1.5m，高程的測量差不大于±0.6mm。

3.2 巷道導線精度測量要點

在本次項目橫向大巷道貫通工程中，存在涉及較多步驟的測量導線，涉及站點106 個，具體測量需充分結合巷道測量方案標準及相關規程，保證布置和測量的合理性與真實性。因此，為降低對準、對中誤差所帶來的干擾，除以上提出的利用公式降低誤差外，在測量環節在中：第一，確保數據準確性：基于BK 基控±15″級導線，采用采區控制±30″級支導線進行測量，進而確保數據準確性。第二，確保對齊精度：考慮到貫通類型為相向對頭貫通，并且貫通相遇點K 點位于開切眼中部，需要對K 點進行高精度測量和校準以確保起點與終點精確對齊。第三，確保設備校準：所有測量設備必須經過嚴格校準，以最大限度減少儀器誤差對測量精度的影響。第四，建立測量日志：建立詳細的測量日志，記錄所有測量條件和參數，用于后期數據分析和校正。第五，完成數據驗證：在測量完成后，進行數據復核與二次測量，確保測量結果的準確性和可靠性。通過以上措施，旨在確保整個貫通工程的導線布設和測量達到預定的高精度標準，以滿足工程貫通的精度和安全要求。

3.3 校正要點

本次巷道貫通項目需重點關注井下巷道布置網及礦區映射帶位置，同時需要單獨校正巷道內導線距離，進而控制內外距離差別[8]。根據相等的地表高程和煤礦井內高度，距離對應至映射橫截面校正數為：

該式中，l 為測量導線距離、R 為地球半徑、Hm為起點與終點的測量導線高程平均值。

邊長映射通過高斯映射面校正可得到：

該式中，ym為導線距離兩端點的平均y 值。由此得出公式（5）（6）的綜合影響為：

該式中，ΔLGM為映射橫向面與高斯-克呂格映射面的校正值之和；Y1、Y2分別為高斯映射面對邊長映射、距離對應至映射橫向面的校正值。

由此可以看出，煤礦巷道貫通測量精度會受到以上校正系數的影響，所以在實際施工中，施工人員需根據以上公式得出校正值之和，以保證煤礦高精度貫通測量質量。

4 貫通測量精度評定

在測量過程中，對于一個被觀測量進行兩次觀測稱為“雙觀測”。由于“雙觀測值法”可增加檢核條件，保證數據的可靠性，所以本項目在采取質量控制后，利用“雙觀測值法”評定誤差，即貫通測量精度，驗證以上所提質量控制措施的應用效果。

4.1 雙管測值之差評定誤差

在本次數值測量中，對于同一個量觀測兩次結果的差值是已知的（通過計算求得），所以利用雙觀測值之差評定誤差，即為評定貫通測量精度。以下對雙觀測列公式進行逐步推導：

假設對量X1，X2，X3，…，Xn分別觀測兩次，得出獨立觀測值和權分別為：

由于觀測值帶有誤差，對同一個量的兩個觀測值相減一般是不等于0 的。假設第i 個觀測量的兩次觀測值的差數為qi：

該式中qi則為真誤差。

再設Xi的真值為，由此得出：

即

由此得出n 個差數的真誤差Δbi和對應權Wbi，完成對誤差的精準評定。

4.2 評定結果

本次誤差來源分為測角誤差和測邊誤差兩部分，由這兩項誤差平方的和再開方得到中誤差，取二倍中誤差作為最終的預計偏差，并將測試結果與未采取質量控制措施前的誤差結果相比較，以驗證本次提出質量控制措施的可行性。實施前后的各項誤差詳細情況見表2。

表2 各項誤差來源及最終結果對比

從表2 中可以看出，質量控制措施實施后，高精度貫通測量中的實際偏差與預計偏差的差值明顯縮小，說明本文所提出的質量控制措施具有較高的實踐效果，可滿足后期大型礦山高精度貫通測量的精度要求。

5 結語

綜上所述，本文以敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面掘進區域為實際案例，通過結合該項目高精度貫通測量的實際情況，提出建立專用控制網、保證巷道導線精度測量與校正要點的質量控制措施，以為大型礦山高精度貫通測量提供一條可行的測量精度控制路徑，助力同類礦山高精度貫通測量工作有質開展。