榆樹坡礦長距離巷道貫通測量誤差控制及分析

趙敏

（晉能控股集團澤州天安煤業(yè)有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

巷道是煤礦井下重要的基礎(chǔ)生產(chǎn)設(shè)施，是煤炭物料運輸、行人、通風等的通道。據(jù)統(tǒng)計，我國每年巷道掘進長度超過10 萬km[1-2]。每條巷道在開掘前均需要進行測量定位。測量是煤礦建設(shè)和運行管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。巷道對掘是常用的一種施工方式，從兩個方向施工可以大大提高掘巷效率，有利于促進系統(tǒng)盡早形成，緩解礦井采掘接替緊張的局面[3-4]。但巷道對掘貫通對測量工作提出了更高的要求，需要進行井下導線測量、高程測量等。在巷道距離較長的情況下，導線點極易發(fā)生破壞，影響測量精度。并且井下環(huán)境相對惡劣，噪音大、粉塵多，對測量工作造成了較大的影響。陳濤[5]等結(jié)合杭來灣煤礦30105 工作面順槽巷道的實際情況采用T2 陀螺經(jīng)緯儀、拓普康7501 全站儀等實現(xiàn)了萬米巷道的高精度貫通；袁會[6]等通過誤差設(shè)計優(yōu)化貫通方案，實現(xiàn)了兩立井之間的高精度貫通測量；孫金禮[7]等建立了地面專用的控制網(wǎng)，提出了一種有效的誤差控制方法，實現(xiàn)了大同煤礦集團晉華宮礦+870 m 水平大巷貫通測量；王金海[8]通過合理確定測量方案，使用先進的儀器等實現(xiàn)了鶴煤六礦三水平皮帶運輸巷的順利貫通，保證了礦井的正常生產(chǎn)；張敬書[9]使用井下三架法導線測量和紅外三角高程代四等水準測量相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)了-600 m北大巷的貫通，效果良好。本文結(jié)合華陽新材料科技集團山西寧武榆樹坡煤礦5201 首采面的實際情況，開展了長距離巷道貫通技術(shù)的研究。

1 工程背景

1.1 巷道概況

榆樹坡礦5 號煤共劃分為3 個采區(qū)，其中二采區(qū)位于F14 斷層以南區(qū)域，緯線4319160 以北區(qū)域為二采區(qū)。該區(qū)域內(nèi)5 號煤煤厚9.05～16.25 m，平均14.03 m，結(jié)構(gòu)簡單，含夾矸4～6 層，為全區(qū)穩(wěn)定可采的巨厚煤層。據(jù)采樣測試，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度12.57 m、黑灰色，中厚層狀，水平層理，致密，破碎，見植物化石，抗壓強度平均68.5 MPa，抗拉強度平均4 MPa，屬較堅硬—堅硬巖；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度4.4 m，抗壓強度平均28.7 MPa，抗拉強度平均0.9 MPa，屬較軟—較堅硬巖。

榆樹坡礦5201 工作面位于二采區(qū)最南部，為該采區(qū)首個5 號煤工作面。工作面為刀把形，進風順槽長度1350 m，回風順槽1230 m，工作面長度205 m。回風順槽施工時間較早，進風順槽掘進至1050 m 時停止，由開切眼處進行對掘貫通，如圖1 所示。

圖1 對掘貫通段示意Fig.1 Schematic diagram of roadway excavation section at both ends

1.2 測量要求

如果貫通巷道存在的偏差較大，將對巷道內(nèi)設(shè)備布置造成影響，需要進行擴幫、臥底甚至挑頂?shù)龋o生產(chǎn)帶來一定的影響。因此，經(jīng)過分析研究確定兩側(cè)貫通巷道之間的中線偏差小于0.5 m，高程偏差小于0.3 m。

2 貫通測量思路與方案

該巷道的貫通屬于井下工作面內(nèi)巷道貫通，與開拓巷道不同，只需要進行井下導線測量和高程測量，控制巷道水平和垂直方向誤差即可，無需進行地面聯(lián)系測量。

2.1 設(shè)計思路

在巷道施工前，首先確定好具體的坐標參數(shù)標準。統(tǒng)一選定1954 年北京坐標系，高程選用1985 年國家高程基準。其次為保證順利貫通，減少誤差，指定4 名經(jīng)驗豐富的測量工實施閉合測量，其中觀測和記錄各1 人，前后站位打視各1人。每人均配有井下專用的對講機，保證溝通順暢。最后選用當前先進的測量儀器，在測量過程中，對現(xiàn)測數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進行實時對比分析，確保導線點準確。

2.2 導線方案

2.2.1 測量儀器

導線測量使用拓普康GTS-750 全站儀，采用“井下一架法”測量。陀螺定向選用2 臺儀器，初測為Y/JTD-1 陀螺經(jīng)緯儀，復測選用GAK1 陀螺經(jīng)緯儀。高程測量儀器分平巷和斜巷2 種，對于平巷選用天寶電子水平儀，斜巷選用的儀器為全站儀，測量方法為三角高程測量。高程測量均需要獨立測量2 次，減小誤差。

2.2.2 導線測量方案

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，導線測量的測線應(yīng)沿巷道中線布置，邊長選擇80 m，并且等邊布置。選用的精度等級為7″級，2 個測回。不同邊長測回回數(shù)及測角限差見表1、表2。

表1 水平角測回回數(shù)Table 1 Horizontal angle measurement number

表2 測角限差要求Table 2 Limit difference requirements of measurement angle

為防止人為破壞，將導線點全部布置在巷道頂板上，前后視懸掛微棱鏡。具體測量時，首先掛繩觀測水平角，然后測量全站儀到微棱鏡的距離和垂直角度。針對以往測量中出現(xiàn)的掛繩擺動問題，在微棱鏡底部懸掛1 個1.5 kg 的重錘，保證測量精度，如圖2 所示。

圖2 微棱鏡安裝示意Fig.2 Installation of microprism

2.2.3 高程測量方案

平巷段采用S3 水準儀進行往返測量，斜巷中同時采用三角高程測量和導線測量。同時在每次測量前后應(yīng)對儀器高度進行對比，前后兩次的互差不大于4 mm。

2.3 精度控制措施

2.3.1 測角精度控制

為提高測角的精度控制，在測量過程中必須做到以下方面。

（1） 每次角度觀測前必須進行檢查角核驗。

（2） 如果巷道中速度過大，應(yīng)采取擋風板或其他措施進行擋風，中對中的精度要求控制在1 mm 以內(nèi)。

（3） 擋風板等擋風措施的使用在前后視中必須保持一致。

2.3.2 中線控制

在整個測量過程中采用激光指向儀進行指向，所選取的導向點盡量選擇巷道中心線，激光前方3個導向點之間的距離保持在40 m 左右。

2.3.3 其他方面

（1） 提前做好準備工作。將所使用的全站儀、陀螺儀、激光儀等設(shè)備提前進行檢查和校準，使其各項技術(shù)指標滿足精度要求。

（2） 在測量過程中盡量避免相鄰的兩條測線長度變化大，前后視距相近。并且在保證清晰度和精度的前提下，延長導線邊的長度，減少測站數(shù)量，避免誤差累積。

（3） 測量過程中，提高對中精度，多人輪換測量，獨立計算，盡量減少人為誤差，提高測量精度。

（4） 及時對測量結(jié)果進行計算分析，出現(xiàn)問題及時處理，必要的情況下進行復測。

3 測量誤差分析

巷道貫通后，需要對數(shù)據(jù)進行整理，分析誤差，主要包括水平誤差和量程誤差2 個方面[10-12]。

3.1 水平誤差

（1） 測角水平誤差。

把平行于巷道方向作為X 軸，測角誤差M測角的計算公式為：

式中：Mβ為測角精度；ρ 為弧度值；η 為導線重心與導線點的連線在垂巷方向的投影；Ry'為原點與各點的距離在垂巷方向的投影。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得，由導線測角誤差引起的水平方向上的誤差為68.2 mm。

（2） 量邊水平誤差。

量邊誤差按如下公式計算：

式中：α'為巷道方向與各導線邊的夾角。代入相關(guān)計算可得，量邊誤差為46.3 mm。

（3） 陀螺定向誤差。

由陀螺定向引起的誤差M陀螺按如下公式計算：

式中：MB'為陀螺定向精度；y'oi為各分段導線重心的Y'軸的坐標。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算可得，由陀螺定向引起的水平誤差為32.5 mm。

（4） 水平誤差計算。

由以上3 項引起的水平誤差按如下公式計算：

代入上述計算數(shù)據(jù)可得，實際的水平誤差為88.6 mm。

3.2 高程誤差

高程測量采用的是三角高程測量，按單位公里數(shù)三角高程路線的高差計算，如下式：

式中：Mk為高程誤差，mm；S 為邊長，km。代入計算可得，高程誤差為47.1 mm。

3.3 誤差分析

由以上計算可知，在貫通點的水平誤差和高程誤差分別為88.6 mm 和47.1 mm，小于允許偏差0.5 m 和0.3 m，滿足施工要求。

4 結(jié)語

榆樹坡礦采用雙向?qū)虻姆绞绞┕?201 進風順槽，可以盡早實現(xiàn)整個工作面系統(tǒng)的形成。通過設(shè)計合理的導線和高程測量方案，在測量過程中采取測角精度和中線控制等措施，水平誤差和高程誤差小，實現(xiàn)了巷道的順利貫通，工作面提前4 d 投產(chǎn)，有效緩解了礦井采掘接替緊張的局面，可為長距離順槽巷道的掘進提供參考。