礦山巷道貫通測量技術(shù)研究

周 福，周關(guān)虎

巷道貫通測量其實(shí)包含前中后期全生命周期內(nèi)對巷道的測量，前期規(guī)劃測量，中期施工放樣測量以及監(jiān)測測量，后期竣工檢查測量，三個階段都非常重要。所采用的方法主要分為經(jīng)典大地測量和現(xiàn)代大地測量兩種，經(jīng)典大地測量主要使用光學(xué)儀器，通過測量邊、角及水準(zhǔn)測量的方式，采用幾何法確定地面的水平位置和高程，物理法是用地球的重力等物理觀測量通過地球重力場的理論和方法推求大地水準(zhǔn)面相對于地球橢球的距離、地球橢球的扁率等，傳統(tǒng)的測量手段有導(dǎo)線測量、水準(zhǔn)測量、三角測量等，所付出的人力物力較大，效率較低。而現(xiàn)代大地測量主要是衛(wèi)星的使用，統(tǒng)稱為GNSS系統(tǒng)，美國的GPS，我國的北斗等等，還有多類型遙感測量技術(shù)，能夠大大提升工程測量的質(zhì)量和效率，而在礦山貫通測量體系中，現(xiàn)代大地測量技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，通常是經(jīng)典大地測量和現(xiàn)代大地測量配合使用，相信未來會變得更加優(yōu)秀。

1 礦山貫通測量的概念、技術(shù)要點(diǎn)以及注意事項

1.1 礦山巷道貫通工程概念

所謂的礦山巷道貫通，就指的是為了完成礦山掘進(jìn)總?cè)蝿?wù)，在礦山的不同地點(diǎn)，分別設(shè)置工作面，分段掘進(jìn)多個巷道，最終將所有分段巷道連接成一段，礦山巷道貫通能夠提升礦山掘進(jìn)的效率，提高工作質(zhì)量。礦山巷道貫通的類型分為相向貫通、同向貫通、單向貫通三大類，簡圖如下圖1所示，同時也可以分為一井內(nèi)巷道貫通和兩井間巷道貫通兩類，顧名思義指的是具體有一井還是兩井參與到工作的方式。

圖1 礦山貫通類型簡圖

1.2 巷道貫通測量的內(nèi)涵

礦山巷道測量應(yīng)包含前中后期全生命周期的測量。①前期規(guī)劃設(shè)計測量：為礦山巷道貫通工作做準(zhǔn)備，測繪提供礦山地形以及巷道設(shè)計資源，將礦山相應(yīng)的位置、高度、地形資料讀取出來，繪制成三維圖形，以此為依據(jù)進(jìn)行巷道貫通設(shè)計；②中期施工放樣以及監(jiān)測測量：拿全站儀按照設(shè)計的坐標(biāo)，把要施工的礦山貫的平面位置、形狀、高程、以及垂直度等標(biāo)記出來，主要標(biāo)定巷道的中線和腰線，嚴(yán)格按照設(shè)計施工，另外，礦山貫通較為復(fù)雜，可能遇到復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，就可能需要進(jìn)行變形監(jiān)測；③工程竣工測量：礦山巷道貫通竣工后的驗(yàn)收，測量貫通的實(shí)際偏差值，對最后一段巷道的中腰線進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行巷道貫通精度分析和評定，繪制技術(shù)總結(jié)。

2 礦山巷道貫通測量技術(shù)分析

2.1 數(shù)字化測繪，為礦山巷道貫通設(shè)計提供資料

主要靠無人機(jī)遙感測繪技術(shù)。以無人機(jī)為載體，搭載多種精密測繪設(shè)備，無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代無人機(jī)飛行技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性都能滿足測繪需求，在惡劣天氣條件下，利用飛行算法的控制也能保證良好的工作狀態(tài)。測繪技術(shù)包括①圖像信息獲?。豪脽o人機(jī)上搭載的專業(yè)級相機(jī)，拍攝目標(biāo)地物的外觀特征圖片資料或視頻資料，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟，相機(jī)的拍攝能力也在飛速提升，航拍相機(jī)不斷朝著大面陣、多光譜、數(shù)字化的方向發(fā)展，人機(jī)遙感獲取圖像的空間分辨率達(dá)到分米級，可快速采集到清晰真實(shí)的圖像數(shù)據(jù)；②地理信息收集：主要靠遙感技術(shù)，遙感技術(shù)指的是一種非接觸的、遠(yuǎn)距離的探測技術(shù)，無人機(jī)上搭載遙感監(jiān)測傳感器，其主要原理是對目標(biāo)地物發(fā)射電子波，根據(jù)電磁波的輻射、反射特性，結(jié)合有規(guī)律的圖譜，來收集目標(biāo)地物的性質(zhì)、狀態(tài)和變化規(guī)律等等多方面信息，遙感是一個比較大的概念，根據(jù)不同的遙感傳感器，可以分為紅外掃描儀、微波輻射計、激光掃描儀、磁測儀、合成孔徑雷達(dá)等等，激光掃描測量是比較常見的；③地理位置信息測定：簡單來說就是要知道無人機(jī)空間位置、目標(biāo)地物空間位置信息等等，用全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)（GNSS）來實(shí)現(xiàn)，GNSS是總稱，最常見的、最常說的就是GPS系統(tǒng)，我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)等等，GNSS技術(shù)的技術(shù)原理是設(shè)置地面接收裝置，地面接收裝置和無人機(jī)同時向天上多個衛(wèi)星發(fā)送信號，因?yàn)榫嚯x不同和位置不同，導(dǎo)致接收到信號的時間不同，反饋的信號也會不同，對信號的不同時間量進(jìn)行做差處理，就能得出目標(biāo)地物的三維地理位置信息， GNSS測量技術(shù)將會在巷道貫通的地面控制測量中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這里將原理進(jìn)行簡單說明，可配合來看。

除此之外，利用測量到的目標(biāo)地物的清晰圖像，以及測量到的目標(biāo)地物的詳細(xì)地理信息和位置信息，進(jìn)一步進(jìn)行建模處理，比如利用GIS系統(tǒng)，也就是地理信息系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)字化的模型，三者也就是常說的“集成3s”數(shù)字化測量技術(shù)。

2.2 施工中的井巷掘進(jìn)工程測量

根據(jù)礦山巷道貫通的實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)臏y量方案以及測量計劃，編制礦山貫通測量計劃書，并進(jìn)行貫通測量誤差預(yù)算，要注意的方面就是按照所有的程序計算出來軸線的誤差和高程誤差，兩個誤差值是很重要的，如果很大的話需要進(jìn)一步處理。在巷道開挖的過程中，要遵循“步步有測量、步步有檢核”的原則，這個階段的測量工作最主要的就是放樣（放線），測量放線在測量的時候很重要，指的就是在指定的掘進(jìn)點(diǎn)、掘進(jìn)面上測量，明確平面位置、形狀、高程、以及垂直度等等，對掘進(jìn)現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定掘進(jìn)的中心線，水平線也需要在這個時候畫出來，因?yàn)榉啪€是需要很準(zhǔn)確的，標(biāo)注的方法也很重要，最好是使用激光來指引方向，這樣才能減小誤差，并且這樣的方法也能節(jié)省很多的時間，做到快又準(zhǔn)。同時在測量的時候要注意排除很多的影響因素，不要給測量帶來阻力。在測量的時候注意控制施工，必要時可暫停。地下巷道貫通控制測量大致可分為包括地面和洞內(nèi)兩部分，每一部分又分為平面測量和高程控制測量。地面平面測量常采用三角網(wǎng)、電磁波測距導(dǎo)線、GPS網(wǎng)等等，地面高程測量為水準(zhǔn)測量，地下平面測量主要采用全站儀導(dǎo)線、鋼尺量邊導(dǎo)線和電磁波測距導(dǎo)線進(jìn)行，測陀螺儀方位角，高程測量為水準(zhǔn)測量，這里分別進(jìn)行說明。

（1）井下平面測量：井下平面測量最常使用“導(dǎo)線測量”，因此也常常直接被稱為井下導(dǎo)線測量，因?yàn)榈叵聸]有GPS信號，用慣性導(dǎo)航也不夠精確，導(dǎo)線測量主要是測水平角角度和測水平邊距離，導(dǎo)線測量的原理簡單來說就是將控制點(diǎn)用直線連接起來形成折線，相鄰導(dǎo)線邊之間的夾角稱為轉(zhuǎn)折角，與坐標(biāo)方位角已知的導(dǎo)線邊（定向邊）相連接的轉(zhuǎn)折角稱為連接角，導(dǎo)線測量時洞口的點(diǎn)位以及進(jìn)洞邊，然后測算多條定向邊邊長，測算導(dǎo)線的軸線和夾角等數(shù)據(jù)，形成導(dǎo)線控制網(wǎng)，那么就可以利用觀測導(dǎo)線邊的邊長和轉(zhuǎn)折角，根據(jù)起算數(shù)據(jù)經(jīng)正弦余弦等數(shù)學(xué)方法進(jìn)行平面坐標(biāo)計算，從而獲得導(dǎo)線點(diǎn)平面坐標(biāo)，全站儀導(dǎo)線、鋼尺量邊導(dǎo)線和電磁波測距導(dǎo)線等等方式，它們的主要技術(shù)本質(zhì)是導(dǎo)線測量技術(shù)，全站儀、鋼尺量邊、電磁波測距等等技術(shù)，都是用來測量導(dǎo)線的長度、角度等信息量的手段，比如電磁波測距導(dǎo)線技術(shù)，本質(zhì)上仍舊是布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)，由導(dǎo)線網(wǎng)一段發(fā)射電磁波，接收回波，測定發(fā)射波與回波相隔的時間，以測量導(dǎo)線長度的方法。不過導(dǎo)線測量說起來簡單，實(shí)際上導(dǎo)線測量卻是很繁復(fù)的工作，放樣的時候，基本控制導(dǎo)線按照測角精度分為+-7”和+-15”兩級，一般進(jìn)洞點(diǎn)、進(jìn)洞邊為起始點(diǎn)、起始邊開始沿井巷敷設(shè)，通常每隔1.5km～2.0km應(yīng)加測陀螺定向邊，以提供檢核和方位平差條件。在進(jìn)行井下的導(dǎo)線測量的時候，為了保證測量工作量不會太大，同時測量精準(zhǔn)度得以保證，控制點(diǎn)點(diǎn)位的選擇是很重要的，相應(yīng)的，導(dǎo)線控制網(wǎng)也會隨之變化，選擇便于擴(kuò)展、觀測的，同時點(diǎn)位穩(wěn)定能長期保存的控制點(diǎn)很重要，兩個控制點(diǎn)之間的視線傾角不宜過大，逐漸形成了幾點(diǎn)布設(shè)的方式，包括主輔點(diǎn)菱形導(dǎo)線法、主輔點(diǎn)四邊形導(dǎo)線法、環(huán)形導(dǎo)線法、基本雙導(dǎo)線等等。

（2）井下高程測量：井下高程測量本質(zhì)上采用的是“水準(zhǔn)測量”技術(shù)，常使用電子水準(zhǔn)儀，基本原理是在相同水平的條件下，一條水平的視線，前后尺的讀數(shù)差就是兩點(diǎn)的高差就是水平高程的差，電子水準(zhǔn)儀將水準(zhǔn)讀書精準(zhǔn)化了，光線從物鏡的中心到十字絲分劃板中心，到目鏡的中心，再到人的眼珠，這就是一條視線這條視線與水準(zhǔn)儀的管水準(zhǔn)軸平行，視準(zhǔn)軸是十字絲中央交點(diǎn)與物鏡光心的連線，在測量的時候如果誤差超限，那么應(yīng)重新測量以便后期的處理數(shù)據(jù)。那么有個已知點(diǎn)高程，或者假定高程，水準(zhǔn)測量利用測定地面兩點(diǎn)間的高差，這樣就可由已知點(diǎn)的高程推算出未知點(diǎn)的高程。按國標(biāo)規(guī)范，水準(zhǔn)測量按精度分級，分為一、二、三、四等。一等精度最高。在國家標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)測量規(guī)范中沒有等外水準(zhǔn)，在測圖類的國標(biāo)規(guī)范中有等外水準(zhǔn)的說法，是低于四等的一級水準(zhǔn)，在井下高程測量中，對精度等級的要求并不高，能夠達(dá)到四等標(biāo)準(zhǔn)限差以及五等標(biāo)準(zhǔn)限差即可。不過要注意，在井下高程測量的時候，因?yàn)橄锏赖耐L(fēng)強(qiáng)度較大，可能會導(dǎo)致高程測量比較困難，高程測量的精度有一定誤差，應(yīng)盡可能減少測量影響，同時采用全站儀前后鏡三角高程測量+水準(zhǔn)儀的方式，通過標(biāo)準(zhǔn)化高度測量，來提升測量的精度，會有不錯的效用。

（3）地面控制測量：一井間不需要地面控制測量和巷道聯(lián)系測量，而二井間巷道貫通則必須進(jìn)行地面控制測量和井巷聯(lián)系測量。地面控制測量氛圍地面平面控制和地面高程控制兩個模塊，平面控制是測算巷道的洞口控制點(diǎn)，以便將控制點(diǎn)導(dǎo)向地下，高程控制測量的目的大致也是這樣。在地面平面測量體系中，常見為導(dǎo)線測量，在現(xiàn)代大地測量技術(shù)背景下，引入GNSS測量技術(shù)，常為“GNSS+導(dǎo)線”測量，或者僅使用GNSS，地面控制點(diǎn)的布設(shè)靈活方便，且定位精度目前已優(yōu)于常規(guī)控制方法。GNSS系統(tǒng)包括GPS、北斗等系統(tǒng)，主要測量設(shè)備有空間GPS星座、地面監(jiān)控裝置，以及地面信號接收機(jī)，原理在上文提到過，另外地面導(dǎo)線測量點(diǎn)的布置以及測量網(wǎng)的形成，原理也在上文提到過，這里不再贅述，對于一些比較復(fù)雜的山嶺地區(qū)，地面平面控制網(wǎng)常采用“三角網(wǎng)法”，測定三角網(wǎng)的全部角度和若干條邊長，或全部邊長，使之成為邊角網(wǎng)，計算原理是根據(jù)實(shí)地測定的地面點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）和設(shè)計高程，在DTM模型中把每個三角形當(dāng)做一個面，代替實(shí)地的地形，通過生產(chǎn)的三角網(wǎng)來計算每一個三棱錐的填挖方量，最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土石方量，并繪出填挖方的分界線。在地面平面測量時，在井筒各下放一根垂球線，然后在地面和井下分別將其連接，從而很好地把地面坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)和方位角引測到井下。地面高程測量的測量方法仍舊為“水準(zhǔn)測量”，利用水平條件下的視差來計算高程差，從而測算得知高程。

（4）井巷聯(lián)系測量：井巷聯(lián)系測量其實(shí)是包含測量以及計算的一種測量方式，聯(lián)系地面數(shù)據(jù)和地下數(shù)據(jù)，確定基準(zhǔn)點(diǎn)，測出起始邊坐標(biāo)方位角，導(dǎo)入平面測量和高程測量數(shù)據(jù)，求出井下平面基點(diǎn)位置和水準(zhǔn)基點(diǎn)高程。

2.3 地下工程碎部測量

地下工程碎部測量及施工放樣。主要是以地下工程控制測量的成果為基準(zhǔn)對地下物體的所需特征點(diǎn)進(jìn)行測量或進(jìn)行指導(dǎo)施工或進(jìn)行施工監(jiān)測，一般采用全站儀、水準(zhǔn)儀，還有可能會用到靜力水準(zhǔn)、三維激光掃描等技術(shù)，上文提到的礦井貫通測量中，整個過程都需要貫通監(jiān)測，監(jiān)測井巷軸線及井巷斷面與規(guī)劃設(shè)計是否一致，監(jiān)測巷道內(nèi)空間信息是否符合規(guī)劃要求，監(jiān)測是否有沉降、塌頂?shù)茸冃危梢詺w到碎部采集的范疇。

2.4 工程竣工測量

礦山巷道貫通竣工后的驗(yàn)收，測量貫通的實(shí)際偏差值，用經(jīng)緯儀將兩端的中線延長到巷道結(jié)合面，再對偏角的角度進(jìn)行處理，就是水平面的偏差，用水準(zhǔn)儀測得兩端腰線的高差，就是水平偏差，對最后一段巷道的中線、腰線進(jìn)行調(diào)整，可將巷道相遇點(diǎn)一端中線點(diǎn)和另一端中線點(diǎn)的連線代替原來的中線，以最恰當(dāng)、工程量最小的方式選擇為宜，對于腰線的調(diào)整，要根據(jù)高程和距離來計算坡度，不能過大程度的調(diào)整腰線，實(shí)際調(diào)整的坡度與原本設(shè)計的坡度相比，相差要在百分之二以內(nèi)，如果實(shí)際情況調(diào)整超出百分之二，那么就要考慮延長調(diào)整距離，減少坡度差，從而保證坡度調(diào)整差控制在百分之二內(nèi)。同時，相關(guān)測量單位和人員進(jìn)行巷道貫通精度分析和評定，分析本次貫通測量的優(yōu)點(diǎn)和問題所在，繪制技術(shù)總結(jié)。

3 提升礦山巷道貫通精度的要點(diǎn)

礦山巷道貫通測量工作的原則，首先要保證礦山巷道貫通的精度，礦山巷道貫通設(shè)計要有精度，同時利用精準(zhǔn)的貫通測量來保證巷道貫通的精準(zhǔn)性，做好巷道進(jìn)口以及出口控制網(wǎng)，根據(jù)控制網(wǎng)做好貫通誤差估算，貫通誤差要盡可能小，要保證在相關(guān)規(guī)定的范疇內(nèi)，選擇最恰當(dāng)?shù)呢炌y量技術(shù)，在一定程度上，采用現(xiàn)代大地測量技術(shù)，測量的精度高，測量的工作量少，有著非常積極的意義。其次，礦山貫通測量一定要準(zhǔn)確，這就需要使用高精度的測量設(shè)備，同時測量人員要有高度的專業(yè)性，保證測量工作不受場外因素影響，相關(guān)礦山貫通測量部門要引育并舉，從采礦專業(yè)、地質(zhì)測繪專業(yè)等領(lǐng)域挖掘人才，同時對現(xiàn)有人員進(jìn)行一定的培養(yǎng)，保證其專業(yè)能力能夠符合實(shí)際巷道測量需求，并且，礦山貫通測量一定要有必要的檢核，因?yàn)槊恳豁棞y量工作都有可能產(chǎn)生誤差，都有可能受到客觀因素的影響，因此進(jìn)行相應(yīng)的檢核，來最大程度避免測量誤差，比如由兩人分別采用不同測量方法進(jìn)行測量，最后對比結(jié)果，比如對某一次巷道貫通工程的地面控制測量，采用三角鎖測量的方式，再采用全站儀測量進(jìn)行復(fù)檢，要遵循“步步有測量、步步有檢核”的原則。再次，在多種巷道貫通測量技術(shù)中，進(jìn)行優(yōu)化選擇，在不影響巷道貫通測量的準(zhǔn)度前提下，選擇相對而言工作量少、測量成本低、測量效率強(qiáng)的測量技術(shù)，比如受到井下環(huán)境的影響，采用全站儀前后鏡三角高程測量+水準(zhǔn)儀的方式，通過標(biāo)準(zhǔn)化高程測量，測量的精度更高，比如在巷道下測量不易，可采用受到環(huán)境影響較小的光學(xué)經(jīng)緯儀來進(jìn)行測量，減少環(huán)境的誤差。最后，在巷道貫穿施工的時候，可采用模型施工的方式，采用數(shù)字化制圖的方式，將巷道貫通的技術(shù)要點(diǎn)更加清晰更加直觀地呈現(xiàn)出來，相關(guān)人員一目了然。

4 結(jié)語

綜上所述，在做礦山巷道貫通工程的時候，巷道貫通測量非常重要，是保證巷道貫通能夠精準(zhǔn)化施工的必要手段，礦山巷道貫通測量包括地面和洞內(nèi)兩部分，每一部分又分為平面測量和高程控制測量，高程測量統(tǒng)一采用“水準(zhǔn)測量”的方法，井下的平面測量測量因?yàn)闊oGPS或GPS信號不好，因此采用全站儀導(dǎo)線、鋼尺量邊導(dǎo)線和電磁波測距導(dǎo)線等，測陀螺儀方位角的方法，本質(zhì)是“導(dǎo)線測量”，地面平面測量則多采用“GPS+導(dǎo)線”的測量方法，連續(xù)測量其實(shí)屬于控制測量的一部分，主要是把地表的導(dǎo)線和高程導(dǎo)入井下，綜合下來，利用多項測量，來保證巷道貫通掘進(jìn)的精度。