礦井貫通測量方案的設計及誤差控制技術研究

崔凱旋

（晉能控股裝備制造集團趙莊煤業，山西 長治 046000）

1 實例概況

晉能裝備制造集團某礦規模較大，預期每年能夠開采90×104t，井田占地約為8.27km2，其中南北總長為3km，東西傾斜寬為3.9km。將G2105 作為試點進行試運轉，按設計要求，該采場位于510井段的西邊，G8105的南邊，其工作平面由順風槽、切眼巷、副輸送順槽組成，在切眼巷道上實現了輔助順槽和回風順槽的匯合，兩順槽貫通。根據礦井的測量規范，必須保證在礦井的掘進方向和掘進的安全通道之間的橫向偏差不能超過250mm，而礦井的掘進只能沿著煤體的底部進行，所以在高程精度方面的要求較低。

2 貫通測量方案及誤差預計

2.1 設計貫通測量方案

該礦井下巷道貫通工程為一井貫通，在巷道開采過程中，巷道的開采應該與煤層底板的走向保持一致，通過采集現場數據，以17″級導線精度作為基準，以8″級控制網為參考，經過周密的計算后，實現現場精確的控制測量和系統的架構鋪設。在輔運巷道的西側，可以通往G2105 回風通道和G2105 輔助輸送槽，然后從該通道進入工作面的切眼。通過預測貫通的方法，可以估算出隧道M 在切眼巷道上，該巷道距G2105 輔助運輸順槽120m。然后，就是在G2105 和G2105 的輔助輸送槽上，安裝17″的導線控制點，防爆全站儀的型號為CANON-332。

為了提升測量的準確性和效率，采用三聯腳架法（參見圖1）與省點法，以17″級導線的測量精度的要求為依據，在測量時需保證現場有兩名觀測人員，分別獨立進行觀測，并將兩次觀測的平均作為最終的觀測值，再用平均值進行平差處理[1]。在測量短邊時，要多次觀察，然后再計算出它的平均值，同時，在試驗中，角的回差必須小于13″，這樣，一次測得的邊長必須小于10mm，而單程測得的偏差應該小于14mm，而返測和往測的橫向距離的誤差應該小于1/60000。

圖1 三聯腳架法

2.2 貫通測量裝置

經分析，本貫通工程是由煤層底板開挖，可以不考慮豎向誤差造成的影響，僅注意橫向偏差，規定橫向偏差不大于0.5m，長導線之間的封閉誤差小于1/5000。以下是貫穿全過程所需要的貫穿測量設備。

（1）在貫通測量中，全站儀的應用較為廣泛，主要功能是標稱精度，其在測量過程中的可測角度誤差在±2″。

（2）在四等水準測量中，水準儀的應用較為廣泛，主要功能是觀測水平角，測量過程中的誤差范圍為±2mm/km。

（3）在前視測量中，對點器的應用較為廣泛，首先要求地面的平整度滿足要求，同時還需要棱鏡與腳架的聯合使用，要求在測試過程中，觀測儀器的水平平整度需要滿足要求，對中誤差不得大于1mm。

2.3 作業規程

2.3.1 首次導入高程

（1）首先，就是要根據考核的要求，對人員的職責和儀器設備進行分配。

（2）在井臺上設置長鋼尺引導帶輪，要求勻速、緩慢地將長鋼尺放下，并在下降時在長鋼尺處掛上特殊的條形碼，在此期間要保證井上和井下的工作人員維持通訊暢通。在下沉到井底附近的時候，工人必須隨時報告下面的位置和坐標，通過實時通訊，確保定位準確，特殊砝碼必須浸泡在穩定液中，使砝碼處于自由懸掛狀態。

（3）水平尺應分別置于地面井口及井底水平基準位置，并將水平儀安裝在水平尺與豎向懸掛的長鋼尺之間。

（4）在鋼尺穩定的情況下，必須在井下和井上同時把測量儀置于指定的水平面上，再分別在后視水準和前視長鋼尺上進行讀數，以上的兩次讀數應及時在特定的表格中進行記錄[2]。在做記錄時，必須有一個記錄者的紀錄，同時指認員對水準尺上的數據進行讀取，操作員對讀取和記錄的數據進行審核，最終再由三個操作工人共同對記錄的數據進行確認，才能夠完成讀數過程。

（5）儀器高程升降的過程中，需要保證礦井上下動作的一致性，單次升降的幅值不得低于10cm，不斷重復升降過程，進行多次測量。

2.3.2 第二次導入高程

正式測試之前，需要對鋼尺的平面位置進行調整，在合適的時機，按照第一次導入高程的程序再次進行高程導入，高程導入的距離為長鋼尺與地面之間的間距，高程導入完成后，需要將長鋼尺提升。

2.4 貫通誤差預計

在正式測試之前，為了準確地進行貫通點的定位和誤差分析，需要建立一個假想的坐標系，以切眼的方向作為X 軸，以與切眼垂直的方向作為Y 軸，在坐標系內進行誤差估計，表1列舉了各貫通點的估計系數。

表1 貫通點M在x軸上的測角偏差計算結果

對G2105 工作面進行分析發現，貫通誤差的主要來源為M 水平方向上的誤差。從誤差擴散原理可知，在貫通點處橫向的偏差主要是由于導線的距離和角度的偏差。表2是設計誤差的參數，通過計算可知，在橫向x軸上，貫通點M的誤差是：

表2 誤差參數

式中：α——各導線分別與x軸的夾角；

Mβ——導線角度的測量誤差;

m1——導線長度的測量誤差;

Ry——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)，可以計算得到在水平方向上的貫通誤差結果：

以上述的誤差統計預計為參考，可以得出貫通點在M 點在水平方向上的誤差在允許的范圍內，允許值為0.3m，實際誤差為0.16m，表明該測量方案的應用效果較好。另外，對通點M誤差的計算結果進行了分析，得出了由于水平角觀測而產生的橫向偏差會導致貫通點誤差，因此，在實際貫通測量中，需要盡可能減少水平誤差，避免誤差累計。其次，還發現了影響隧道貫通精度的關鍵因素之一是測站數目，在滿足實際的允許條件下，應盡量增加其邊長，減少站點數目，從而達到了提高貫通精度的目標。

3 誤差控制策略及結果驗證

3.1 操作施工方向

在進行測量時，必須成立一個專門的貫通測量小組，對該貫通項目的整個測量和控制工作進行全面的監控，并對施工單位按照上述的貫通測量和誤差控制標準進行施工和放線，還要對實測資料進行及時的觀測，并對其進行及時的分析、檢驗，以確定其是否滿足誤差控制的要求，并從整體的觀察結果中，判斷其可信度和準確性。另外，徠卡公司、尼康公司的防爆全站儀也要采購，以備以后的貫通測量，并按設備的要求進行測量前后的檢測，并定期進行維修和校對。

3.2 巷道貫通測量環境對測量精度的影響

在進行巷道測量時，應先對所處的環境進行檢測，并對所處的環境因素進行分析，以確定其對測量結果的影響。由于對測量結果造成影響的因素較多，所以，在進行測試之前，必須首先對哪些因素的作用最大進行判斷。主要的環境影響因素有：礦井溫度變化、采煤過程中粉塵量的大小、風速值、采掘工作面的損害現狀等。

3.3 誤差控制策略

在8″級控制網中，分別選擇GH6 和GH7 作為誤差控制計算起點，然后以貫通點M 為基準點進行控制點的鋪設，在誤差計算中，導線點之間的距離被限定在70～150m之間，表3和表4顯示了測量的誤差結果。

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

貫穿測量常常要面對許多復雜的環境問題，例如工作面高低不平，并伴隨著隧道內的巷道風和低溫的影響。這就要求采用各種防范手段，以確保檢測的準確性，并防止出現較大的錯誤。保護措施主要有以下幾種：

（1）測量開始之前需要做好相應的準備工作，在溫度變化較大的情況下，需要等待一段時間，確保儀器工作在穩定的溫度范圍內。

（2）在全站儀的使用過程中，必須保障設備的穩定，所以應該加裝防風裝置，從而保證設備的對中性能，增加垂球質量也是提升穩定性的有效措施。

（3）對設備，在進行試驗之前，要將其調整到最佳的校準精度，并在進行試驗時，確保設備的平整度。每隔一段時間要進行一次檢驗和試驗，并對其精度進行評估。

總之，在觀察的時候，我們要做好充分的調查和定量的研究，盡可能地減少巷道中可能存在的各種環境問題（比如溫度極低、風速大、巷道開采的波動），為了減少環境影響的影響，采用多種技術聯合方法，對原有的方案進行了優化，以確保試驗的準確性。在環境溫度發生變化的情況下，為了修正溫度造成的干擾，必須對儀器進行重新校正，首先將設備歸零，然后在當前的工作溫度下進行設備的校正，待校準工作完成后，才可以繼續進行測試。為了減少風對防范措施的影響，可以采取多種措施，例如增加防風裝置、增加垂球重量、提升對中次數。同時也可以及時地更新高性能的設備，儀器的測試精度提升對貫通工作的實施有顯著的影響。特別要留意的是，在觀察之前必須按照作業規范對設備進行平整，每次在礦井中開挖一段長的距離都要按時檢查，并進行測量，并進行誤差估計和記錄。

3.4 結果驗證

在完成測量方案和誤差控制方案的優化后，將優化的方案應用在晉能控股裝備制造集團某礦的貫通工程中，經現場實踐驗證發現，在貫通點位置處，橫坐標和縱坐標兩個方向的誤差分別為0.163m、-0.114m，誤差結果均與誤差的允許值間存在較大差距。測試結果表明本文提出的誤差控制方案的有效性，達到了預期的目標，同時也對貫通工程進行了有效的控制[3]。最少的貫通點。

4 結論

本文以晉能控股裝備制造集團某礦貫通工程測量為出發點，根據現場條件，制定了施工過程中的貫穿測量與誤差調控方案，經現場驗證，得出以下幾個主要結果：

（1）在貫通點位置處，橫坐標和縱坐標兩個方向的誤差分別為0.163m、-0.114m，誤差結果均與誤差的允許值間存在較大差距。

（2）在對貫通點進行選取時，要著重考慮橫向偏差