煤礦井下測(cè)量工作必要精度的確定及提高

韓鑫儒，張 燚

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

煤礦井下的各種測(cè)量工作都是直接為采煤服務(wù)的[1]。測(cè)量人員在進(jìn)行某項(xiàng)測(cè)量工作以前，必須依據(jù)該項(xiàng)工程的性質(zhì)確定合理的容許偏差，據(jù)此來(lái)確定測(cè)量工作的精度要求，即精度標(biāo)準(zhǔn)。各項(xiàng)測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)采礦工程對(duì)測(cè)量工作的要求，它具體體現(xiàn)在生產(chǎn)限差上，即采礦工程竣工時(shí)與其設(shè)計(jì)規(guī)格間的最大允許偏差[2-3]。合理確定精度標(biāo)準(zhǔn)的理論值對(duì)采礦生產(chǎn)和測(cè)量工作本身無(wú)疑是非常重要的。隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)、新設(shè)備和新工藝在采煤工業(yè)生產(chǎn)建設(shè)中的推廣使用，對(duì)測(cè)量工作也提出了更高的要求[4-6]。在煤礦測(cè)量工作中，目前不少礦區(qū)都相繼采用了陀螺定向，全站儀測(cè)角測(cè)邊，微機(jī)計(jì)算、管理、制圖等[7-9]。這些先進(jìn)的儀器、設(shè)備和軟件技術(shù)的應(yīng)用，不僅促進(jìn)了煤礦測(cè)量科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，完善了測(cè)量工作質(zhì)量管理體系，也改變了某些測(cè)量方法和工作程序[10-12]。

杭來(lái)灣煤礦工業(yè)場(chǎng)地位于井田東北角，礦井采用斜井開(kāi)拓，現(xiàn)有301、302這2個(gè)盤(pán)區(qū)。2個(gè)盤(pán)區(qū)各布置了膠、輔回3條大巷，井田東西長(zhǎng)度約為11.7 km，南北長(zhǎng)度約為7.8 km，永久大巷巷道全長(zhǎng)18 km，井下支導(dǎo)線最遠(yuǎn)點(diǎn)距離為18.4 km。在制定礦井主要測(cè)量工作的必要精度時(shí)，需充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，在滿足必要精度的前提下，盡量采用省時(shí)方便，對(duì)施工生產(chǎn)影響小的測(cè)量方案。

1 測(cè)量工作必要精度的確定依據(jù)

1.1 測(cè)量工作的精度標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)量工作的精度標(biāo)準(zhǔn)主要是根據(jù)采礦工程對(duì)測(cè)量工作的要求，但是也應(yīng)考慮礦井現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x器設(shè)備和技術(shù)水平等條件。采礦工程對(duì)測(cè)量工作的要求，體現(xiàn)在生產(chǎn)限差上，也就是實(shí)際采煤工程與它的設(shè)計(jì)規(guī)定的最大容許偏差。由于測(cè)量工作的誤差，會(huì)使實(shí)際采煤工程與它的設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的偏差，但是這種偏差不會(huì)影響采煤工作正常進(jìn)行。采煤工程對(duì)測(cè)量工作的要求，一般利用大巷平差過(guò)的導(dǎo)線數(shù)據(jù)來(lái)解決工程問(wèn)題，還必須進(jìn)行測(cè)量設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行測(cè)量。

鑒于以上原因，以井下導(dǎo)線最弱點(diǎn)(一般為支導(dǎo)線最遠(yuǎn)點(diǎn))的位置誤差能滿足采煤工程的要求為原則確定工程礦井測(cè)量的精度要求。受井下巷道的限制，平面控制只能采用敷設(shè)導(dǎo)線的形式。杭來(lái)灣礦井經(jīng)緯儀導(dǎo)線是由工業(yè)廣場(chǎng)井口開(kāi)始，隨著巷道向井田邊界掘進(jìn)而逐段測(cè)設(shè)的支導(dǎo)線，加之定向誤差的影響，致使導(dǎo)線點(diǎn)的精度隨著距井筒距離的增加而逐漸降低。所以規(guī)定一般工程測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)以井下導(dǎo)線最弱點(diǎn)的位置誤差能滿足采礦工程的要求為原則，解決一般采礦工程所提出的問(wèn)題。

1.2 必要精度的確定依據(jù)

1.2.1 編制開(kāi)采計(jì)劃及礦井地質(zhì)確定的依據(jù)

在采礦過(guò)程中，經(jīng)常要根據(jù)礦圖來(lái)編制采掘計(jì)劃，檢查生產(chǎn)指標(biāo)完成情況，設(shè)計(jì)巷道、推斷地質(zhì)構(gòu)造，出水地點(diǎn)、尋找斷層丟失翼。由于原有勘探資料不足，地質(zhì)描繪點(diǎn)的數(shù)量比較少，因而對(duì)礦圖的精度要求不高。故導(dǎo)線點(diǎn)的一般誤差在5 m左右即可。

1.2.2 保證安全生產(chǎn)方面確定的依據(jù)

首先必須保證由礦圖上確定的工作面位置的誤差不超過(guò)保安煤柱的設(shè)計(jì)邊界。同時(shí)還應(yīng)保證兩相鄰礦井間邊界煤柱設(shè)計(jì)尺寸的正確性。其次，在向瓦斯和煤突出的巷道掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)保證能滿足保安規(guī)程規(guī)定的超前探鉆距離的要求。上述各項(xiàng)對(duì)礦圖的精度要求，一般為3.5 m左右。

1.2.3 產(chǎn)量計(jì)算方面確定的依據(jù)

產(chǎn)量、儲(chǔ)量及損失量都是根據(jù)礦圖量的面積計(jì)算的。為滿足計(jì)算產(chǎn)量等所必須的礦圖精度，一般不大于3 m。但應(yīng)該看到，這方面對(duì)礦圖的精度要求相對(duì)的說(shuō)只決定局部地區(qū)圖紙上的允許點(diǎn)位誤差，而與導(dǎo)線最遠(yuǎn)點(diǎn)位無(wú)關(guān)。

1.2.4 地面某一點(diǎn)向開(kāi)采水平打孔時(shí)確定的依據(jù)

有時(shí)由于要為井下送電纜、滅火、抽瓦斯及防水等所打的鉆孔。這種鉆孔一般是向開(kāi)采水平的大巷或壁龕的中心線鉆進(jìn)的。很明顯，當(dāng)鉆孔偏離巷道中心線不超過(guò)半個(gè)巷道的寬度即2.5 m時(shí)，便能滿足要求。因此，2.5 m這種鉆孔的允許偏差，亦即產(chǎn)生限差。由地面標(biāo)定鉆孔位置時(shí)，先在礦圖上量取巷道中線上的鉆孔孔口到最近的導(dǎo)線點(diǎn)的距離，根據(jù)巷道中線的方向和該導(dǎo)線點(diǎn)坐標(biāo)算出鉆孔的坐標(biāo)。然后反算出孔口到地面最近控制點(diǎn)的距離及方位角，便可以根據(jù)該控制點(diǎn)將鉆孔標(biāo)設(shè)在實(shí)地上。顯然，鉆孔達(dá)到開(kāi)采水平的位置誤差，除了井上下位置誤差外，還包括了鉆孔彎曲的誤差。由地面向開(kāi)采水平打鉆的深度，按照杭來(lái)灣煤礦井打鉆的深度為240 m左右，誤差為0.3 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在最不利的情況下標(biāo)定鉆孔的位置誤差，對(duì)定向基點(diǎn)來(lái)說(shuō)不會(huì)超過(guò)0.4 m。因此，井下導(dǎo)線最遠(yuǎn)點(diǎn)對(duì)定向基點(diǎn)的允許位置偏差應(yīng)為M允=±(2.5-0.3-0.4)=±1.8 m。因此，測(cè)量生產(chǎn)限差中的最小值±1.8 m可作為杭來(lái)灣煤礦井下工程測(cè)量工作的必要精度。

1.2.5 工程測(cè)量必要精度確定依據(jù)

由于杭來(lái)灣礦井的所有綜采工作面長(zhǎng)度都在4 000～6 000 m及以上，為不影響巷道工程的質(zhì)量和綜采支架安裝，平面位置要求偏差M允≤0.4 m。因此杭來(lái)灣礦井綜采工作面順槽貫通屬特殊工程測(cè)量，取測(cè)量生產(chǎn)限差中的最小值±0.4 m，來(lái)作為杭來(lái)灣煤礦井下特殊工程測(cè)量工作的必要精度。

2 提高礦井測(cè)量精度方法與應(yīng)用

2.1 提高礦井測(cè)量精度的方法

在礦井導(dǎo)線測(cè)量中，由于設(shè)計(jì)、環(huán)境、人為因素影響較大，想要達(dá)到預(yù)期的測(cè)量精度是有很大困難的。因此，需要采取一些測(cè)量技術(shù)措施進(jìn)行調(diào)整，方法主要有以下幾種。

2.1.1 增加測(cè)回?cái)?shù)

井下支導(dǎo)線一般均復(fù)測(cè)二次，而且大部分往測(cè)和返測(cè)時(shí)測(cè)點(diǎn)位置不變，取平均值作為角值。因此，若理想角值的誤差是±3.13″，則一次測(cè)角中誤差為±4.42″。按照杭來(lái)灣煤礦現(xiàn)有的儀器和井下的施測(cè)條件，這個(gè)精度要求不易達(dá)到，因此也不宜采用增加測(cè)角次數(shù)的方法來(lái)提高測(cè)角精度。

2.1.2 放大導(dǎo)線邊長(zhǎng)

井下觀測(cè)條件允許時(shí)，盡量將邊長(zhǎng)加長(zhǎng)，杭來(lái)灣煤礦條件好時(shí)，平均邊長(zhǎng)可達(dá)到200 m左右。這時(shí)邊長(zhǎng)誤差為0.029 m，測(cè)角中誤差為Mβ=±3.61″?？紤]到導(dǎo)線以相同測(cè)點(diǎn)復(fù)測(cè)2次，則一次測(cè)角中誤差可達(dá)±5.1″，精度有所提高，但收效甚微。

2.1.3 加測(cè)陀螺定向邊

陀螺定向邊在礦井測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛，效果最為顯著。在相同條件下，加測(cè)陀螺定向邊，可以大幅度提高測(cè)角精度，以達(dá)到我們的理想角值。顯而易見(jiàn)，在眾多的方法中，加測(cè)陀螺定向邊，無(wú)疑是礦井測(cè)量最有效、最直觀的方法。

2.2 杭來(lái)灣煤礦工程測(cè)量實(shí)踐

在杭來(lái)灣煤礦井下導(dǎo)線的實(shí)際測(cè)量中，因巷道距離長(zhǎng)，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)單巷掘進(jìn)。在大量實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)判斷下，最理想的方法是每隔1 500～2 000 m時(shí)加測(cè)一條陀螺定向邊，加測(cè)陀螺邊也成為杭來(lái)灣煤礦的核心礦測(cè)手段。

2.2.1 礦井測(cè)量參數(shù)確定

取n=123，用HGG-05陀螺經(jīng)緯儀的標(biāo)稱精度mT=±5″。按照《測(cè)量規(guī)程》規(guī)定一次定向測(cè)定儀器常數(shù)，在地面已知點(diǎn)觀測(cè)儀器常數(shù)的測(cè)回?cái)?shù)nΔ=4。井下定向邊陀螺方位角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)n下=2，則一次定向中誤差為

(1)

式中，mα0，mα平為次定向中誤差，″；m為陀螺經(jīng)緯儀的標(biāo)稱精度，″；n為井下定向邊陀螺方位角觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)；nΔ為觀測(cè)儀器常數(shù)的測(cè)回?cái)?shù)。

測(cè)量容許誤差中，包括了導(dǎo)線測(cè)量容許差及碎部測(cè)量容許差。其中碎部測(cè)量的極限誤差不會(huì)大于5 cm。因此，得井下導(dǎo)線測(cè)量誤差引起的導(dǎo)線中誤差MD為

(2)

式中，MD為導(dǎo)線中誤差，m；M允為導(dǎo)線測(cè)量的容許差，m。

某工作面巷道總長(zhǎng)L=6 000 m，導(dǎo)線點(diǎn)平均邊長(zhǎng)為150 m，共有n=40條邊。采用全站儀測(cè)距的方法，所用全站儀的標(biāo)稱精度為3 mm+3×10-6×D，則由量邊誤差引起的中誤差ML為

(3)

式中，ML為量邊誤差所引起的中誤差，m；n為導(dǎo)線邊數(shù)。

測(cè)角誤差所引起的導(dǎo)線中誤差Mβ為

(4)

式中，Mβ為導(dǎo)線終點(diǎn)位置中誤差，m；ML為量邊誤差引起的中誤差，m；MD為導(dǎo)線中誤差，m。

求得測(cè)角中誤差為

(5)

式中，mβ為測(cè)角中誤差，″；L為導(dǎo)線總長(zhǎng)，m；ρ為弧度約等于206 265″。

2.2.2 每隔2 km加測(cè)一條堅(jiān)強(qiáng)陀螺定向邊

3個(gè)分段的附合導(dǎo)線，取N=3，則由定向引起的誤差為

(6)

式中，M0為定向引起的誤差，m；mα0為次定向中誤差，″；Mβ為測(cè)角中誤差，″；L為導(dǎo)線總長(zhǎng)，m。

由導(dǎo)線測(cè)角引起的誤差為

(7)

式中，M允為測(cè)量的容許誤差，M允=±0.4m；M碎為測(cè)量的容許誤差，M碎=±0.05 m；ML為量邊誤差引起的中誤差，ML=±0．019 m；M0為定向引起的誤差，M0=±0.066 m。

取n=13；N=3，算得測(cè)角中誤差為

(8)

式中，mβ為測(cè)角中誤差，″；Mβ為導(dǎo)線終點(diǎn)位置中誤差，m；L為導(dǎo)線總長(zhǎng)，m；ρ為弧度約等于206 265″。

(9)

式中，mβ為測(cè)角中誤差，″；mα0為次定向中誤差，″；n為導(dǎo)線點(diǎn)個(gè)數(shù),取13；L為導(dǎo)線總長(zhǎng)，m；ρ為弧度約等于206 265″。

算得測(cè)角、量邊引起的誤差為

=0.145 m

(10)

導(dǎo)線貫通點(diǎn)K的總誤差為

(11)

式中，Mk為導(dǎo)線貫通點(diǎn)K的總誤差，m；MD為導(dǎo)線中誤差，m；Mβ為導(dǎo)線終點(diǎn)位置中誤差，m；M0為定向引起的誤差，M0=±0.066 m；M碎為測(cè)量的容許誤差，M碎=±0.05 m；煤礦規(guī)定容許差M允≤±0.4 m，MK≥M允/2?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)誤差完全符合規(guī)范要求。

3 結(jié)論

當(dāng)井下支導(dǎo)線最遠(yuǎn)點(diǎn)距離超過(guò)18.4 km時(shí)，礦井一般采礦工程測(cè)量測(cè)角中誤差可允許達(dá)到42.9″，礦井特殊采礦工程測(cè)量測(cè)角中誤差可允許達(dá)到13.4″，符合要求。此時(shí)，陀螺儀分階段測(cè)設(shè)高精度陀螺定向堅(jiān)強(qiáng)邊的方式進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量均可滿足煤礦測(cè)量一般工程1.8 m和特殊工程0.4 m的限差也同時(shí)滿足要求，并且陀螺定向中誤差指標(biāo)在所有誤差指標(biāo)當(dāng)中權(quán)重最大，所以陀螺定向中誤差指標(biāo)是井下測(cè)量必要精度指標(biāo)之一。