大型礦井高精度貫通測量技術控制研究

成建峰

（山西汾西礦業集團有限責任公司賀西礦，山西 呂梁 032300）

1 概述

我國煤炭資源儲量豐富，但整體覆存不均，主要集中于內蒙古、山西、陜西等地，在礦井開采過程中，地質測量是必不可少的環節。根據設計兩條巷道掘進到指定地點接通，我們稱之為巷道貫通。在巷道貫通時，大型巷道具有一定的難度，巷道的貫通可靠性及精度與礦山生產建設、經濟效益有著密不可分的關系。在較長距離巷道貫通時，多采用多井口掘進從而出現的井間或井田內的長距離貫通測量，這種測量主要是為了提高礦山的貫通速度，縮短貫通周期，礦山掘進時，需要測量人員擁有一定的技術支撐，從而確保掘進工作面按設計掘進，偏差不超過規范要求，避免后續對開采帶來影響[1-3]。在巷道貫通過程中，由于礦山內部地形、煤層地質結構等因素的影響，貫通工作存在一定的難度，同時由于我國很多巷道設計成傾斜巷道，其貫通難度不言而喻[4-5]，本文針對傾斜巷道貫通難度大的問題，利用陀螺定向、三角高程測量手段，較好地實現傾斜巷道聯系測量，解決了傾斜巷道貫通精度不高的問題。

2 巷道貫通測量方法

高精度巷道貫通在礦山安全、加快生產進度等方面至關重要，但由于礦山內部地形條件復雜、通視條件差等對巷道工作較為不利。一般來說巷道的貫通測量主要包括兩個部分的工作：高程測量、平面導線測量。其中平面導線測量大多采用全站儀，在平緩地段采用四等水準測量，而在傾斜地段則采用三角高程測量。在三角高程測量過程中發現由于全站儀的垂直角測量誤差、儀器高量取誤差、測距誤差等會對高差測量產生較大的影響，所以提出前后視三角高程測量法，從而解決或者消除全站儀三角高程測量的誤差，大幅度提高巷道貫通精度[6]。

陀螺定向技術原理是利用陀螺儀角運動特質形成的一種技術，具有測量精度高、環境適應能力強的特點，其我國井下測量改善精度的有效方法，主要受到成本及操作人員專業水平的限制，目前應用不太廣泛。陀螺經緯儀是主要的陀螺定向儀器設備，其內部主要由陀螺儀、經緯儀兩個部分組成，陀螺經緯儀測量精度高、操作簡單，在巷道貫通測量中十分重要的作用。在井下長距離巷道測量中，增加一條陀螺定向邊可以大幅度提高井下導線測量穩定性。本文選用HGK15 全自動陀螺經緯儀，如圖1所示，陀螺經緯儀結構為下掛式，尋北工作方式采用積分法測量，其初始架設角度范圍為±30°，定向精度優于15″，觀測時間一次不小于10min。內部采用液體阻尼法，能夠較大幅度地消除陀螺章動效應，降低風振、振動等不利因素，提高巷道導線定向測量結果的可靠性。

圖1 HGK15 全自動陀螺經緯儀示意圖

井下三角高程測量與井上不同，所以無法適用。為了降低高量取誤差，解決巷道頂部控制點到全站儀距離測量精度的誤差，提出前后視三角高程的測量方法，前后視三角高程測量原理如圖2 所示，在圖2 中A點為全站儀安置點，B點待測點，C點為已知后視點。

圖2 前后視三角高程測量原理圖

前后視三角高程測量工作原理主要：在已知點A下方布設全站儀，從而得出測量儀器高程i，然后通過在后視點C 下方架設覘標，從而得到覘標高v0，然后再在前視點B 方架設覘標，得出覘標v1，此時通過全站儀可以測得垂直角α和傾斜距離d，所以此時通過數學推算可得出AC和AB兩點間的高差為：

結合以上分析，以某礦二號井運輸巷道為研究背景，利用陀螺定向儀為工具，研究巷道貫通技術，從而確定前后視三角高程測量方法的可行性。測區屬于溫帶寒冷半干旱氣候區，年平均氣溫一般為3.6℃～7.3℃左右。礦區地質構造較為復雜，對傾斜巷道貫通測量需要的精度較高，目前高程基準控制成果很大程度衰減，安全生產隱患較大，需要改善井下的控制測量成果的精度。

根據需要解決的問題，開展了基于陀螺定向提高井下導線控制精度研究。除了使用陀螺定向技術外，同時采用前后視三角高程測量方法、地面控制點粗差探測方法進一步提升巷道貫通測量的精度[7-8]。具體流程如圖3所示。

圖3 巷道貫通測量流程圖

3 驗證研究

在進行實際作業時，對地面控制網進行儀器常數標定。采用加測6條陀螺定向邊來有效提升陀螺定向邊施測的可靠性及有效性。同時值得注意的為在加測陀螺定向邊前，需要確定控制網最弱邊的位置。采用相關軟件對儀器測得的導線網數據進行處理，最終計算出控制網方位角的誤差，得出最弱邊的位置。結合項目實際地質情況，同時結合相關理論分析，本次量測將加測陀螺邊的數目同比增加至8 條。通過采用上述導線增強法，在沒有降低導線測角的精度及不調整控制網導線布設形式的基礎上，較好地削弱測角誤差對導線點位測量精度的影響，解決了方向誤差的積累，確保了礦井井下控制網測量的精度。在完成陀螺定向后，對陀螺導線網進行平差。處理導線網數據前要確定合適的定權方法，結合井下測量受到風流、水汽、震動、光線等因素的影響誤差、照準誤差、測距誤差及視線偏差對照陀螺經緯儀進行定向邊精度，在進行平差計算時，將陀螺邊誤差設定為2.72″；全站儀測邊誤差設定2+2ppm。

在采用前后視三角高程測量、陀螺定向后，對井下導線平差結果進行分析，主要采用三種方法進行驗證：①全站儀+水準儀；②全站儀+水準儀+前后視三角高程測量；③全站儀+水準儀+前后視三角高程測量+陀螺儀定向。采用全站儀+水準儀的貫通方案，貫通點超出限差；當增加前后視三角高程測量法后，高程的貫通精度從方案1的0.323m提高到0.150m，精度顯著提升，此時平面貫通精度變化不明顯；在方案3下平面貫通精度從0.4m提高到0.3m，此時精度能夠滿足規范要求，所以方案可行[9-10]。

4 結論

本文提出基于陀螺定向、三角高程測量技術的一種巷道貫通方法，通過采用前后視三角高程測量方法，有效消除全站儀測距的固定誤差，將高程的貫通精度從0.323m提高到0.150m，平面貫通精度從0.4m提高到0.3m，有效提升了高程、平面位置的精度，較好地實現傾斜巷道聯系測量，解決了傾斜巷道貫通精度不高的問題，為礦井高效開采提供一定的參考。