超長(zhǎng)距離巷道貫通測(cè)量精度控制技術(shù)

秦凱鋒

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

礦山測(cè)量主要為了確保掘進(jìn)巷道中腰線是否嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)根據(jù)施工進(jìn)度定期延伸中腰線，標(biāo)定新的導(dǎo)線點(diǎn)，對(duì)新開口巷道現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定開口位置，根據(jù)各條巷道實(shí)測(cè)標(biāo)高，及時(shí)下發(fā)過巷通知和預(yù)報(bào)，是指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)和規(guī)范化管理的基礎(chǔ)技術(shù)工作。 貫通測(cè)量是井巷施工的重要環(huán)節(jié)，要求貫通前必須確保精度和偏差符合貫通標(biāo)準(zhǔn)。 但在實(shí)際過程中由于人為誤差、儀器誤差與累計(jì)誤差，尤其對(duì)于長(zhǎng)度超過1 km 的巷道超長(zhǎng)距離貫通，誤差更大，一旦出現(xiàn)貫通失誤，將對(duì)后期采煤工作面的設(shè)備布置，支架安裝，以及皮帶鋪設(shè)等造成嚴(yán)重影響；出現(xiàn)較大貫通失誤時(shí)，甚至可能導(dǎo)致巷道在空間層位上和平距上出現(xiàn)較大錯(cuò)差，造成巷道無法準(zhǔn)確貫通，影響貫通效果[1]。因此，在超長(zhǎng)距離巷道貫通中，采取有效措施確保測(cè)量精度，順利貫通，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 工作面概述

候村煤礦二盤區(qū)205 工作面位于盤區(qū)西南側(cè)，順槽走向長(zhǎng)度為4 975 m，切眼沿傾向布置，長(zhǎng)度為286 m，屬于大型長(zhǎng)距離綜采工作面。 其中，回風(fēng)順槽在掘進(jìn)至3 976 m 后停掘，同步施工的膠帶順槽正常掘進(jìn)，至切眼后，與回風(fēng)順槽反向掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)貫通。 除工作面上下兩巷與切眼長(zhǎng)度外，還有延伸導(dǎo)線進(jìn)行大巷基準(zhǔn)點(diǎn)導(dǎo)入的閉合測(cè)量工程合計(jì)超過10.5 km，屬于超長(zhǎng)距離閉合測(cè)量，對(duì)于測(cè)量精度控制具有較大難度。205 工作面貫通如圖1 所示。

圖1 205 工作面貫通施工

1.2 貫通測(cè)量設(shè)計(jì)思路

在開始測(cè)量前，先設(shè)定好總體測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)參數(shù)，按照《礦山控制測(cè)量手冊(cè)》相關(guān)要求，設(shè)定此次測(cè)量的基準(zhǔn)高程為1956 黃海高程系，經(jīng)緯坐標(biāo)為54 北京坐標(biāo)系，并以高斯投影的第36 帶和108°中央子午線作為基準(zhǔn)。 由于測(cè)量預(yù)定線路過長(zhǎng)，為減少人員計(jì)算和操作失誤的誤差影響，精選五名測(cè)量水平熟練的技術(shù)人員實(shí)施閉合測(cè)量。 具體分工如下：1 人負(fù)責(zé)觀測(cè)，1 人記錄觀測(cè)結(jié)果，2 人站位打前后視，1 人負(fù)責(zé)居中協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)。 每人現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)各配備手持式對(duì)講機(jī)，確保通訊暢通，數(shù)據(jù)記錄回傳準(zhǔn)確。

為確保導(dǎo)入到工作面順槽的導(dǎo)線點(diǎn)準(zhǔn)確無誤，首先確保從軌道大巷開始的起始基準(zhǔn)點(diǎn)導(dǎo)線數(shù)據(jù)沒有偏差移動(dòng)，對(duì)原始資料進(jìn)行實(shí)測(cè)后數(shù)據(jù)比對(duì)。 在驗(yàn)證起始點(diǎn)坐標(biāo)和高差未受到巷道變形影響后，方可開始按照站點(diǎn)測(cè)量[2]。本次測(cè)量選用NikonDtm532C 型的誤差精度2″級(jí)全站儀，實(shí)測(cè)精度選擇7″等級(jí)。由于受到工作面布置條件的限制，繞道車場(chǎng)、絞車坡和運(yùn)輸聯(lián)巷等的測(cè)點(diǎn)布置無法做到有效的直線連接。 因此，根據(jù)長(zhǎng)短邊直線布置要求，測(cè)量一共布置47 條邊，共計(jì)47 個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)。

此外，除對(duì)軌道大巷永久導(dǎo)線點(diǎn)作為基準(zhǔn)起始點(diǎn)進(jìn)行原始資料校正外，還需要考慮205 工作面回風(fēng)與膠帶順槽長(zhǎng)期受到地應(yīng)力的影響。 巷道支護(hù)擠壓變形嚴(yán)重，原定于U 型鋼梁上的導(dǎo)線點(diǎn)隨著支護(hù)變形，也會(huì)產(chǎn)生高程和坐標(biāo)的偏移，造成與原始數(shù)據(jù)之間的誤差。 所以，在測(cè)量過程中如實(shí)記錄實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并與原始資料進(jìn)行比對(duì)，避免數(shù)據(jù)直接拿來復(fù)核運(yùn)用，造成人為誤差失誤，影響巷道貫通。

2 貫通測(cè)量實(shí)施方案

2.1 閉合導(dǎo)線測(cè)量

在使用尼康全站儀進(jìn)行井下基準(zhǔn)點(diǎn)起始測(cè)量時(shí)，首先校準(zhǔn)第一條起始邊的精準(zhǔn)度，尤其需要將基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和高程與原始資料進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，查驗(yàn)有無受到巷道擠壓變形造成的數(shù)據(jù)誤差；在確認(rèn)無誤的前提下，才開始下一步的控制點(diǎn)測(cè)量。 在井下采用7″導(dǎo)線精度進(jìn)行施測(cè)，利用水平角對(duì)相鄰導(dǎo)線點(diǎn)之間進(jìn)行兩個(gè)測(cè)繪閉合驗(yàn)證，利用垂直角驗(yàn)證一個(gè)測(cè)回，測(cè)量?jī)纱慰刂泣c(diǎn)邊長(zhǎng)，且要求所有測(cè)量數(shù)據(jù)符合允許誤差精度標(biāo)準(zhǔn)。 在高程角度測(cè)量時(shí)氣泡允許偏差不得超過一格；選用棱鏡法測(cè)量時(shí)，水平角測(cè)量時(shí)要將視線對(duì)準(zhǔn)懸掛的線繩；對(duì)豎直角和測(cè)距時(shí)則要對(duì)準(zhǔn)棱鏡的中心。 在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量觀察時(shí)，為減少累計(jì)誤差影響，應(yīng)盡量延長(zhǎng)控制導(dǎo)線點(diǎn)的測(cè)量邊長(zhǎng)，并根據(jù)頂板穩(wěn)定條件和巷道變形情況設(shè)置巷道內(nèi)的永久導(dǎo)線點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，便于后期測(cè)量施工減少工程量[3]。此外，為減少測(cè)量誤差因素的影響，還通過利用擋風(fēng)板減少巷道內(nèi)風(fēng)流對(duì)測(cè)量對(duì)中誤差的影響，盡量加長(zhǎng)實(shí)際施測(cè)邊長(zhǎng)以減少測(cè)站數(shù)，從而減少測(cè)站累計(jì)誤差和工程量增加產(chǎn)生的測(cè)量和計(jì)算誤差。 角度計(jì)算時(shí)，采用加權(quán)平均法，對(duì)邊長(zhǎng)計(jì)算的修訂要考慮溫度、儀器加乘常數(shù)以及氣壓等的影響；測(cè)量結(jié)果修正后，采用光電測(cè)距的方法對(duì)支導(dǎo)線進(jìn)行再次核算，得出最終結(jié)果，如表1 所示。

表1 測(cè)量校正指標(biāo)

2.2 高程測(cè)量

煤礦井下各基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量，必須以地面基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高與坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，然后通過井上下聯(lián)系測(cè)量進(jìn)行校正核準(zhǔn)，再以同一黃海高程為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。 通常采用的測(cè)量方法是三角高程法，通過對(duì)兩個(gè)垂直角進(jìn)行測(cè)回，測(cè)出斜距后再量取儀器精確高度。 在每組水準(zhǔn)點(diǎn)之間各往返測(cè)量一次，為避免誤差影響，應(yīng)測(cè)兩遍儀器高，互差要求不大于3 mm，且往返測(cè)量時(shí)的允許誤差值不得超過水準(zhǔn)點(diǎn)之間路線長(zhǎng)度的±50 倍，水準(zhǔn)測(cè)量高差互差小于限差時(shí)，取往返值的平均值[4]。 測(cè)量之前必須確保儀器檢驗(yàn)合格，測(cè)量結(jié)束后測(cè)量結(jié)果要求兩人單獨(dú)核算。

3 誤差值的分析校準(zhǔn)

由于本次測(cè)量施工是在膠帶順槽里側(cè)，需要從回風(fēng)順槽經(jīng)過切眼直到反掘巷道進(jìn)行閉合測(cè)量，路線較長(zhǎng)，且剩余貫通距離超過1 km，以貫通點(diǎn)設(shè)定K作為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿205 工作面回風(fēng)順槽反向測(cè)量方向作為X 軸水平方向，與X 軸垂直方向設(shè)定為Y 軸方向，由此建立坐標(biāo)系統(tǒng)。 根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》中的規(guī)定，當(dāng)井下采用7″導(dǎo)線測(cè)量時(shí)，可取mβ=±7″，測(cè)角取兩次數(shù)據(jù)，從而得出導(dǎo)線的測(cè)角誤差水平軸上K 點(diǎn)發(fā)生的變化誤差Mxβ，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式（1）中，可得：

此外，井下采用電磁波對(duì)導(dǎo)線量邊進(jìn)行測(cè)距，再由獨(dú)立兩次的量邊測(cè)量校準(zhǔn)其觀測(cè)精度Md，根據(jù)公式Md=±（2+2×10-6×d）mm，可得出測(cè)距誤差值，再由井下的導(dǎo)線點(diǎn)量邊誤差求得K點(diǎn)的X軸線上水平方向誤差Mxd，得到公式（2）：

綜上求得K點(diǎn)沿水平軸X方向上的累計(jì)總中誤差Mxk，按照公式（3）計(jì)算：

由上公式得出K 點(diǎn)的水平軸總中誤差為±0.142 m。 所以，取K 點(diǎn)在X 軸線上的兩倍中誤差進(jìn)行貫通誤差預(yù)計(jì)，可得出Mx預(yù)計(jì)=2Mxk=±0.248 m，比實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)允許誤差0.3～0.5 m 要小。 所以，根據(jù)計(jì)算驗(yàn)證，貫通點(diǎn)在水平軸X 方向上的預(yù)計(jì)誤差滿足測(cè)量精度和允許誤差的范圍要求，可以確保準(zhǔn)確貫通。

4 測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的分析整理

4.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理

對(duì)于超長(zhǎng)距離巷道的貫通測(cè)量，需要多次反復(fù)測(cè)量，得到多組數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析比較，從而反算測(cè)量誤差，查找出最佳的測(cè)量數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)精度。 本次對(duì)于205 工作面兩巷貫通的測(cè)量主要采用多次獨(dú)立測(cè)量，對(duì)測(cè)角和量邊數(shù)據(jù)進(jìn)行不少于兩次的復(fù)核，并對(duì)中誤差值進(jìn)行驗(yàn)算。 根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果與規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行比對(duì)，查驗(yàn)是否超出誤差影響范圍，從而得到較為準(zhǔn)確的貫通數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證分析

根據(jù)前期測(cè)量貫通數(shù)據(jù)對(duì)巷道掘進(jìn)的指導(dǎo)，在巷道實(shí)現(xiàn)順利貫通后，又再次對(duì)貫通點(diǎn)的坐標(biāo)與角度進(jìn)行了閉合測(cè)量。 主要測(cè)角閉合公式按照下式：

∑β=180°×（n-2）=8 100°

fβ=8 100°-8 099.982 5°=0.017 5°（實(shí)測(cè)誤差）

fβ=±14″×=959 791″=±0.026 6°（允許誤差）

得到的結(jié)果，實(shí)測(cè)誤差為0.017 5°，小于允許測(cè)量誤差值0.026 6°，滿足誤差精度要求。

根據(jù)坐標(biāo)的閉合差值計(jì)算可得：fx=-60 mm，fy=-110 mm。

K=fk/L=125 mm/10 358 m=1/82 864

得到結(jié)果大大小于煤礦測(cè)量規(guī)程中關(guān)于1/8000 的7″級(jí)別精度要求，實(shí)現(xiàn)了整體貫通數(shù)據(jù)對(duì)貫通結(jié)果的預(yù)測(cè)與貫通實(shí)際誤差的最小化，滿足精度的控制。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)超長(zhǎng)距離多測(cè)邊工作面巷道的貫通預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)分析，對(duì)多組測(cè)點(diǎn)和測(cè)角經(jīng)過兩次或以上的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，有效提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，通過對(duì)施工質(zhì)量的嚴(yán)格管理，確保了巷道的順利貫通，其誤差滿足規(guī)程允許的誤差要求，為長(zhǎng)距離巷道貫通提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。