高寒地區(qū)沙丘地表、軟巖頂板巷道井上下測量基本控制及深井兩井貫通技術(shù)

白光超,張法才

( 新礦內(nèi)蒙古能源有限責任公司沙章圖礦井籌建處，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016215)

新礦內(nèi)蒙古能源有限責任公司沙章圖礦井是基本建設(shè)礦井，井田面積49.87 km2，資源量7.23億t，設(shè)計生產(chǎn)能力為500萬t/a。

沙章圖礦井地理位置位于毛烏蘇沙地西南邊緣，地表由流動半流動沙丘構(gòu)成，地面控制點難以穩(wěn)定埋設(shè)，且冬夏及晝夜溫差大(夏季最高氣溫36.6℃，冬季最低氣溫-27.9℃)、凍土層厚(最大凍土厚度1.71 m)，地面控制點易受溫度變化和凍土影響發(fā)生位移，影響控制精度。沙章圖礦井主井井深755 m、副井深728 m、風井深389.5 m，深度較大，井上下聯(lián)系測量有一定難度；沙章圖礦井可采煤層頂?shù)装宥鄶?shù)為泥巖、砂質(zhì)泥巖等松軟地層，井下導線點易變形移動，這些都為測量工作帶來了困難。采用地面深埋控制點到凍土以下、陀螺定向、錨桿制作頂板導線點等技術(shù)措施，使井上下測量控制網(wǎng)更加穩(wěn)定、聯(lián)系測量更加精確，保證測量精度，實現(xiàn)主井、風井高精度兩井貫通。

1 測量的主要任務

測量工作的主要任務是建立礦井統(tǒng)一的地面E級GPS平面控制網(wǎng)、進行聯(lián)系測量、建立井下7”級測量控制系統(tǒng)等[1]。主副井與風井在中央回風上山下段貫通，實現(xiàn)礦井通風，貫通示意圖如圖1所示。井下測量線路為主副井從主副井定向點經(jīng)+550井底馬頭門定向點開始，經(jīng)過井底車場、+550軌道大巷至一采區(qū)回風上山； 風井從風井定向點經(jīng)風井井底車場至一采區(qū)回風上山。在一采區(qū)回風上山貫通。貫通距離約2 600 m，導線全長約6 000 m。

圖1 貫通示意圖

此項貫通工程為兩立井之間的巷道貫通,要求貫通誤差在允許范圍內(nèi)(水平重要方向小于0.5 m，高程小于0.2 m)[2]，在不增加經(jīng)濟與勞動成本的前提下盡可能的減少貫通偏差從而使巷道準確順利貫通。

2 采取的主要措施

2.1 建立礦井地面控制網(wǎng)采取的主要措施

(1)采用深埋控制點的方法保證地面控制點的穩(wěn)定性，實踐中采用在需要設(shè)點的沙丘高處挖2.3 m深坑，埋2.2 m鋼筋用混凝土(上部0.3 m×0.3 m，下部0.5 m×0.5 m柱臺)澆注,如圖2所示，控制點深入凍土層以下，大幅度降低了溫度變化及凍土層對控制點穩(wěn)定性的影響。(2)埋設(shè)后增加測量次數(shù)，檢查控制點穩(wěn)定性。控制點穩(wěn)定后，采用GPS在原有國家二等控制網(wǎng)3個已知點的基礎(chǔ)上進行加密測量，平差后作為最終結(jié)果[3-5]。

圖2 控制點示意圖

2.2 聯(lián)系測量采取的主要措施

聯(lián)系測量采用陀螺定向，用鋼絲傳遞坐標，用鋼尺導入高程。

(1)陀螺定向[1,6]

① 在地面己知邊上測定儀器常數(shù)

②在井下定向邊上測定陀螺方位角

井下設(shè)定向邊3條，測出陀螺方位角A′。則定向邊的地理方位角A為

A=A′+Δ

③求算子午線收斂角

A0=α0+γ0

子午線收斂角γ0的符號由于在中央子午線以東，取為正，其值根據(jù)安置儀器點的高斯平面坐標或經(jīng)緯度運用公式求取。

④求算井下定向邊的坐標方位角

井下定向邊的坐標方位角則為：

A=A-γ=A′+Δ-γ

詳細如圖3所示。

圖3 陀螺定向計算示意圖

(2)坐標傳遞[1]

①地面井口投點坐標的測定

地面投點的設(shè)置：在主副井井口上安置小絞車用于下放一根直徑約為1～2 mm的鋼絲，鋼絲自由、慢速、平穩(wěn)下放。以井口A1點為起算點，以導線的形式測定主副井中鋼絲的坐標位置，如圖4所示。

圖4 地面坐標投點示意圖

②井下坐標的傳遞

水平角觀測：先完成定2-定1-臨1導線測量，在臨1支設(shè)全站儀，對下放鋼絲進行擺動觀測，待其穩(wěn)定后以導線的形式測定鋼絲1-臨1-定1坐標位置。根據(jù)定1到定2的陀螺方位角并推算出坐標方位角。測設(shè)過程如圖5所示。

(3)導入高程[1,7]

在井口和井底各選取一點分別記為A、B，鋼尺通過井蓋放入井下，到達井底后，掛上一個10 kg垂球，以拉直鋼尺，使之居于自由懸掛位置。下放鋼尺的同時，在地面及井下安平水準儀，分別在A、B兩點所立水準尺上去讀數(shù)a與b，然后將水準儀照準鋼尺。當鋼尺掛好后，井上、下同時取讀數(shù)m和n。同時讀數(shù)可避免鋼尺移動所產(chǎn)生的誤差。最后再在A、B水準尺上讀數(shù)，以檢查儀器高度是否發(fā)生變動。

圖5 井下坐標測定示意圖

用點溫計測定井上下的溫度t1、t2。根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)，就能求得A、B兩點高差為：

h=(m-n)+(b-a)+∑△L

式中,∑△L為鋼尺的總改正數(shù)，它包括尺長、溫度、拉力和鋼尺自重等四項改正數(shù)。

計算溫度改正數(shù)時的溫度應取井上下溫度的平均值，即t=(t1+t2)/2。對于鋼尺的自重改正，可按下式計算：

式中,γ為鋼尺的相對密度，即7.8 g/cm3；E為鋼尺的彈性系數(shù)，等于2×106kg/cm2；(m-n)為井上、下兩水準儀視線間的鋼尺長度。

鋼尺的自重改正數(shù)為正號。

導入高程進行3次獨立觀測，加入各種改正數(shù)后，前后兩次之差，按《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定不得超過L/8 000(L為井上、下水準儀視線間鋼尺長度)。

聯(lián)系測量中坐標傳遞和導入高程通過增加測量次數(shù)(獨立進行3次)，減少了測量誤差。提前在井壁加導水裝置，減少井壁涌水對測量的影響。

2.3 井下控制測量采取的措施

(1)在井下大巷設(shè)導線點，以定向邊為起始邊，用全站儀按7”級復測支導線對各個導線點進行觀測，完成井下測量控制系統(tǒng)。

井下貫通巷道直接頂大部分屬于軟巖(泥巖)頂板，導線點受軟巖影響易移動變形，創(chuàng)新性采用錨桿設(shè)立導線點，具體方法是將2.2 m長錨桿一頭進行專門加工，易于穩(wěn)定吊掛線繩，在需要埋設(shè)導線點的軟巖巷道中用錨索鉆機鉆至2.2 m，把經(jīng)過加工的錨桿深入硬度較高的老頂后用錨固劑錨固，穩(wěn)定后用作導線點,如圖6所示。

圖6 錨桿作為導線點示意圖

(2)井下7”級導線點獨立觀測2次，在最弱邊加測陀螺邊，平差后作為井下測量基本控制系統(tǒng)最終結(jié)果。

2.4 貫通測量采取的措施

(1)貫通相遇點K在水平重要方向X′方向上的誤差預計[1,8-10]：

①主井、風井近井點GPS控制測量引起的K點在X'方向上的誤差

式中,a為固定誤差，E級GPS網(wǎng)的a≤10 mm;b為比例誤差系數(shù)，E級GPS網(wǎng)的b≤20 ppm;s為近井點邊長;a′為近井點與X′軸之間的夾角。

②主井、風井定向誤差引起K′點在X′方向上的誤差

=0.030 m

=0.110 m

式中,ρ為比例常數(shù),Mx0為定向誤差,mα0為定向中誤差,Ry0為與K點的連線在y軸上的投影長。

③由井下導線測角、量邊誤差引起K點在X′方向上的誤差

④K點在X′方向上的預計誤差，預計誤差為總中誤差的兩倍。

(2)貫通相遇點K在高程方向上的誤差預計

①主井、風井導入高程引起的K點高程誤差

式中,MH為導入高程誤差;l為井深，m。

②井下三角高程測量引起的K點高程誤差

式中,MHl為井下三角高程每千米高程中誤差;L為井下導線總長，km。

③井上水準測量引起的K點高程誤差

式中,L為井上水準路線總長，km。

④貫通在高程上的總誤差

⑤貫通在高程上的預計誤差

MH預=2×MH=2×MH=2×0.085=0.170 m

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，兩井間貫通水平方向限差為0.5 m，高程方向限差為0.2 m。本次預計在水平方向上的誤差為±0.356 m ，在高程方向誤差為±0.170 m，符合要求。

3 實際貫通精度評定

貫通后及時進行了聯(lián)測，主要技術(shù)指標為：導線全長：6 028.9 m，角度閉合差(H15-H13)：0°0′47″,坐標閉合差(H15點)：ΔX=0.022 m，ΔY=0.297 m，ΔZ=0.157 m，導線閉合差：0.298 m，導線相對精度 1/20 240。

4 結(jié) 論

本文針對沙章圖礦井在地面控制點穩(wěn)定性差、聯(lián)系測量難度大、軟巖頂板導線點易變形等不利因素，技術(shù)上采用深埋測量控制點到凍土層以下、錨桿加工后用作軟巖頂板的導線點、深井聯(lián)系測量增加觀測次數(shù)等技術(shù)方案，有效提高測量精度，減少長距離兩井貫通的貫通誤差，主要獲得研究成果如下：

(1)在高寒地區(qū)凍土層厚、易移動沙丘地表，通過增加地面控制點的埋深到凍土層以下，來提高測量控制點的穩(wěn)定性。

(2)在軟巖頂板巷道中，利用專門加工的錨桿深入到穩(wěn)定巖層作為井下導線點，以提高井下導線點的穩(wěn)定和精度。

(3)深井聯(lián)系測量增加觀測次數(shù)對提高聯(lián)系測量精度有較明顯的效果。

(4)采用誤差預計、科學制定貫通方案保證兩井間高精度貫通，為礦井生產(chǎn)保駕護航。