大型礦山高精度貫通測量的質(zhì)量控制與精度評(píng)定

湯立坤TANG Li-kun

（內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，呼倫貝爾 021100）

0 引言

貫通測量對(duì)煤礦開采前的基礎(chǔ)建設(shè)起著至關(guān)重要的作用，直接貫穿于煤礦建設(shè)與生產(chǎn)的整個(gè)過程。若貫通測量過程中出現(xiàn)差錯(cuò)導(dǎo)致不能貫通或貫通結(jié)合處偏差值超限，則會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的工程事故。輕則重整礦山巷道，改變?cè)械脑O(shè)計(jì)方案；重則廢棄巷道，使礦山企業(yè)承擔(dān)較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響企業(yè)發(fā)展?？梢?，為保證安全的貫通測量，則必須進(jìn)行質(zhì)量控制與精度評(píng)定，使施工人員做到對(duì)貫通偏差心中有數(shù)，進(jìn)而保證工程質(zhì)量符合預(yù)期要求。我國學(xué)者針對(duì)煤礦巷道內(nèi)貫通測量技術(shù)的應(yīng)用也提出了對(duì)應(yīng)見解。許永杰[1]在文章中表示，由于煤礦作業(yè)中井下巷道施工具有一定的危險(xiǎn)性與不確定性，所以通過采用三維激光掃描、貫通精度控制以及建立專用的地面控制網(wǎng)可有效把控施工精度。王宗偉、史志強(qiáng)[2]等人也通過結(jié)合貫通相遇K 在水平和高程上的誤差值，優(yōu)化設(shè)計(jì)了貫通測量方案。但在實(shí)際使用中，現(xiàn)有的質(zhì)量控制措施卻出現(xiàn)了實(shí)施難度高、應(yīng)用成本大等弊端問題。因此，本文通過結(jié)合敏東一礦16-3 煤層回采面工作實(shí)際情況，針對(duì)性提出高精度貫通測量的質(zhì)量控制措施與精度評(píng)定方法，以降低貫通測量誤差發(fā)生概率，助力大型礦山的高效施工。

1 工程概況

敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面掘進(jìn)區(qū)域設(shè)計(jì)東西走向長3436.4m、工作面掘進(jìn)區(qū)域南北設(shè)計(jì)傾向?qū)?20m。該工作面貫通采用相向?qū)︻^貫通，貫通相遇點(diǎn)K點(diǎn)在開切眼中部，此貫通類型屬沿煤層貫通，只考慮中線不考慮腰線，所以此貫通在高程方向不在誤差預(yù)計(jì)。

此次貫通工作面門點(diǎn)拉門點(diǎn)在北一盤區(qū)軌道上山內(nèi)，在BK 基控±15″級(jí)導(dǎo)線基礎(chǔ)上引測采區(qū)控制±30″級(jí)支導(dǎo)線至切眼相遇點(diǎn)K，其導(dǎo)線全長8024.4m，測站數(shù)約88 站。導(dǎo)線路線：北一盤區(qū)軌道大巷→16-3 煤層Ⅰ0216302 工作面運(yùn)輸順槽車場→Ⅰ0216302 工作面運(yùn)輸順槽→切眼→16-3煤層Ⅰ0216302 工作面回風(fēng)順槽→Ⅰ0116300 工作面回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)巷→北一盤區(qū)軌道大巷。由于此貫通屬于采區(qū)內(nèi)單一工作面貫通，雖然貫通距離超過1.5-2.0km，但考慮是采區(qū)控制±30″導(dǎo)線，故不加設(shè)陀螺定向邊。

2 貫通測量作業(yè)方式

2.1 井下導(dǎo)線測量

為滿足16-3 煤層I0216302 掘進(jìn)工作面順利貫通并滿足《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定的限差要求，采取井下導(dǎo)線貫通測量作業(yè)方式。

本次井下導(dǎo)線布設(shè)按照測角精度分為±15″與±30″兩級(jí)，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基本控制導(dǎo)線的主要技術(shù)指標(biāo)

布設(shè)從井底車場的起始邊開始，沿礦井主要巷道布設(shè)，并以支導(dǎo)線形式向前延伸。導(dǎo)線點(diǎn)應(yīng)選在頂板完好，無淋水，通視良好便于觀測的地點(diǎn)，邊長在允許范圍內(nèi)應(yīng)盡量加長。在延長導(dǎo)線時(shí)，檢查角按±15″級(jí)導(dǎo)線不符值不超過±40″的要求進(jìn)行檢測，邊長也應(yīng)相應(yīng)檢查[3]。

2.2 水平角測量誤差分析

本次井下水平角測量誤差來源主要為儀器誤差、測角方法誤差與對(duì)中誤差。

2.2.1 儀器誤差

針對(duì)敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面的情況，井下水平角測量儀器誤差的來源主要包括以下三個(gè)方面：①水平軸不垂直的誤差：是由于多次設(shè)置全站儀的過程中存在的水平軸偏差?？赏ㄟ^每次在北一盤區(qū)軌道大巷、工作面運(yùn)輸順槽車場、切眼和其他關(guān)鍵位置設(shè)置儀器時(shí)，使用水準(zhǔn)泡確保設(shè)備完全水平，解決該儀器誤差。②儀器中心線與站線不垂直的誤差：是由于導(dǎo)線全長和多個(gè)測站導(dǎo)致的誤差累積。解決方案為：在關(guān)鍵位置如切眼相遇點(diǎn)K 進(jìn)行測量時(shí)，特別要確保全站儀的中心線與站線垂直，并定期進(jìn)行校驗(yàn)。③望遠(yuǎn)鏡受到地磁或溫度影響的誤差：是由于導(dǎo)線路徑中的多種工作環(huán)境所導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡受到溫度和地磁的變化影響，進(jìn)而出現(xiàn)數(shù)值誤差?？赏ㄟ^選擇在溫度相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行測量，并使用抗磁的專業(yè)測量設(shè)備解決該誤差問題。

2.2.2 測角方法誤差

測回法測角時(shí)，其測角方法誤差是由照準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差引起的，計(jì)算公式如式（1）所示：

該式中，mv為照準(zhǔn)誤差，m0為讀數(shù)誤差，n 為測繪數(shù)。假設(shè)mv=3mm，m0=1mm 時(shí)，一個(gè)測繪時(shí)mi=3.2mm；兩個(gè)測繪時(shí)mi=2.2mm[4]。由此可知，在井下導(dǎo)線布設(shè)中，增加測繪數(shù)可有效減小測量角方法誤差。

2.2.3 對(duì)中誤差

對(duì)中誤差是由全站儀和前后視棱鏡對(duì)鐘先亮誤差引起的水平角測量誤差，對(duì)貫通測量精度有著直接影響。當(dāng)前后視棱鏡的對(duì)中線量誤差相同（pA=pB），全站儀對(duì)中線量誤差為pk時(shí)：

結(jié)合井下實(shí)際情況，一般邊長近似相等，而水平角近于180°。由此可將上式簡化為：

令a=150m，p=2mm，則有mp=4.7″；若令a=50m，p=2mm，則有mp=14.3″。由此可知，在井下貫通實(shí)際測量中，短邊對(duì)水平角測量的影響較大，容易造成較大的數(shù)據(jù)誤差，所以在短邊觀測中技術(shù)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注短邊或減少短邊。

3 高精度貫通測量質(zhì)量控制措施

3.1 專用控制網(wǎng)

受敏東一礦持續(xù)開采影響，開采區(qū)與三角點(diǎn)位置會(huì)出現(xiàn)較大變化，原有得出地表布置網(wǎng)位置測量值極易出現(xiàn)較大誤差。因此，在進(jìn)行“敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面”的高精度貫通測量時(shí)，建立專用控制網(wǎng)至關(guān)重要。專用控制網(wǎng)提供了高精度的參考基準(zhǔn)，確保測量過程的精確性和一致性。特別是考慮到工作面的貫通特點(diǎn)和長距離，控制網(wǎng)能為定位提供準(zhǔn)確坐標(biāo)基準(zhǔn)，減少地形變化帶來的誤差，同時(shí)方便后續(xù)測量和管理，提高整個(gè)貫通過程的安全性與工作效率。設(shè)計(jì)方案如下：

3.1.1 建立軸線控制網(wǎng)

①目標(biāo)設(shè)定：根據(jù)貫通的具體情況，工作目標(biāo)為確保Ⅰ0216302 工作面貫通的高精度，在北一盤區(qū)軌道上山內(nèi)的BK 基控±15″級(jí)導(dǎo)線基礎(chǔ)上，引測至貫通相遇點(diǎn)K 的采區(qū)控制±30″級(jí)支導(dǎo)線[5]。

②網(wǎng)形選擇：由于是采區(qū)內(nèi)單一工作面的貫通，采用閉合式的線型控制網(wǎng)。確保從北一盤區(qū)軌道大巷開始，經(jīng)過各個(gè)重要工作區(qū)域，最終回到北一盤區(qū)軌道大巷的相對(duì)位置精度。

③控制點(diǎn)設(shè)置：1）在導(dǎo)線路線上設(shè)置控制點(diǎn)，特別是在貫通關(guān)鍵區(qū)域如16-3 煤層Ⅰ0216302 工作面運(yùn)輸順槽車場、切眼和回風(fēng)順槽。2）利用BK 基控±15″級(jí)導(dǎo)線，結(jié)合采區(qū)控制±30″級(jí)支導(dǎo)線確保控制點(diǎn)精度。

④觀測方法：1）采用高精度全站儀進(jìn)行觀測，確?？刂泣c(diǎn)的相對(duì)位置精度。2）根據(jù)貫通的特點(diǎn)，至少對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行兩次獨(dú)立觀測，確保測量的一致性和可靠性[6]。

⑤數(shù)據(jù)處理：1）使用最小二乘法對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行平差。2）由于貫通只考慮中線不考慮腰線，并且在高程方向不預(yù)計(jì)誤差，所以數(shù)據(jù)處理時(shí)主要考慮橫向的相對(duì)位置精度。3）對(duì)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，確保其滿足±30″的精度要求。

⑥質(zhì)量控制：1）定期檢查控制點(diǎn)的穩(wěn)定性，特別是在工作面動(dòng)態(tài)變化的區(qū)域。2）雖然此次貫通的導(dǎo)線全長8024.4m，測站數(shù)約為88 站，但需要確保每個(gè)測站的測量數(shù)據(jù)都滿足精度要求。3）雖然貫通距離超過1.5-2.0km，但由于是采區(qū)控制，所以不加設(shè)陀螺定向邊。但仍需確保每個(gè)測量段的精度。

⑦總結(jié)：針對(duì)敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面的貫通情況，專用地表控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)需確保從北一盤區(qū)軌道大巷開始，經(jīng)過各個(gè)關(guān)鍵工作區(qū)域，至貫通相遇點(diǎn)K的所有測量數(shù)據(jù)都滿足±30″的精度要求，保證本次貫通工作的高質(zhì)量進(jìn)行。

3.1.2 建立廠區(qū)高程控制網(wǎng)

為保證貫通測量可得到可靠的起算依據(jù)，同時(shí)可隨時(shí)檢查水準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，可通過在現(xiàn)場建立水準(zhǔn)基點(diǎn)組，點(diǎn)數(shù)不少于5 個(gè)，用Ⅱ等水準(zhǔn)測定，每隔2～3h，檢查水準(zhǔn)點(diǎn)是否變動(dòng)，完成水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測[7]。且在水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測觀測時(shí)，水準(zhǔn)視線長度不得大于40m，測站前后視距離之差不得大于1.5m，兩水準(zhǔn)點(diǎn)間前后視累計(jì)差不大于3m，視線距地面高度不小于0.5m，水準(zhǔn)基點(diǎn)的深度不得小于1.5m，高程的測量差不大于±0.6mm。

3.2 巷道導(dǎo)線精度測量要點(diǎn)

在本次項(xiàng)目橫向大巷道貫通工程中，存在涉及較多步驟的測量導(dǎo)線，涉及站點(diǎn)106 個(gè)，具體測量需充分結(jié)合巷道測量方案標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)程，保證布置和測量的合理性與真實(shí)性。因此，為降低對(duì)準(zhǔn)、對(duì)中誤差所帶來的干擾，除以上提出的利用公式降低誤差外，在測量環(huán)節(jié)在中：第一，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：基于BK 基控±15″級(jí)導(dǎo)線，采用采區(qū)控制±30″級(jí)支導(dǎo)線進(jìn)行測量，進(jìn)而確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。第二，確保對(duì)齊精度：考慮到貫通類型為相向?qū)︻^貫通，并且貫通相遇點(diǎn)K 點(diǎn)位于開切眼中部，需要對(duì)K 點(diǎn)進(jìn)行高精度測量和校準(zhǔn)以確保起點(diǎn)與終點(diǎn)精確對(duì)齊。第三，確保設(shè)備校準(zhǔn)：所有測量設(shè)備必須經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)，以最大限度減少儀器誤差對(duì)測量精度的影響。第四，建立測量日志：建立詳細(xì)的測量日志，記錄所有測量條件和參數(shù)，用于后期數(shù)據(jù)分析和校正。第五，完成數(shù)據(jù)驗(yàn)證：在測量完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核與二次測量，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過以上措施，旨在確保整個(gè)貫通工程的導(dǎo)線布設(shè)和測量達(dá)到預(yù)定的高精度標(biāo)準(zhǔn)，以滿足工程貫通的精度和安全要求。

3.3 校正要點(diǎn)

本次巷道貫通項(xiàng)目需重點(diǎn)關(guān)注井下巷道布置網(wǎng)及礦區(qū)映射帶位置，同時(shí)需要單獨(dú)校正巷道內(nèi)導(dǎo)線距離，進(jìn)而控制內(nèi)外距離差別[8]。根據(jù)相等的地表高程和煤礦井內(nèi)高度，距離對(duì)應(yīng)至映射橫截面校正數(shù)為：

該式中，l 為測量導(dǎo)線距離、R 為地球半徑、Hm為起點(diǎn)與終點(diǎn)的測量導(dǎo)線高程平均值。

邊長映射通過高斯映射面校正可得到：

該式中，ym為導(dǎo)線距離兩端點(diǎn)的平均y 值。由此得出公式（5）（6）的綜合影響為：

該式中，ΔLGM為映射橫向面與高斯-克呂格映射面的校正值之和；Y1、Y2分別為高斯映射面對(duì)邊長映射、距離對(duì)應(yīng)至映射橫向面的校正值。

由此可以看出，煤礦巷道貫通測量精度會(huì)受到以上校正系數(shù)的影響，所以在實(shí)際施工中，施工人員需根據(jù)以上公式得出校正值之和，以保證煤礦高精度貫通測量質(zhì)量。

4 貫通測量精度評(píng)定

在測量過程中，對(duì)于一個(gè)被觀測量進(jìn)行兩次觀測稱為“雙觀測”。由于“雙觀測值法”可增加檢核條件，保證數(shù)據(jù)的可靠性，所以本項(xiàng)目在采取質(zhì)量控制后，利用“雙觀測值法”評(píng)定誤差，即貫通測量精度，驗(yàn)證以上所提質(zhì)量控制措施的應(yīng)用效果。

4.1 雙管測值之差評(píng)定誤差

在本次數(shù)值測量中，對(duì)于同一個(gè)量觀測兩次結(jié)果的差值是已知的（通過計(jì)算求得），所以利用雙觀測值之差評(píng)定誤差，即為評(píng)定貫通測量精度。以下對(duì)雙觀測列公式進(jìn)行逐步推導(dǎo)：

假設(shè)對(duì)量X1，X2，X3，…，Xn分別觀測兩次，得出獨(dú)立觀測值和權(quán)分別為：

由于觀測值帶有誤差，對(duì)同一個(gè)量的兩個(gè)觀測值相減一般是不等于0 的。假設(shè)第i 個(gè)觀測量的兩次觀測值的差數(shù)為qi：

該式中qi則為真誤差。

再設(shè)Xi的真值為，由此得出：

即

由此得出n 個(gè)差數(shù)的真誤差Δbi和對(duì)應(yīng)權(quán)Wbi，完成對(duì)誤差的精準(zhǔn)評(píng)定。

4.2 評(píng)定結(jié)果

本次誤差來源分為測角誤差和測邊誤差兩部分，由這兩項(xiàng)誤差平方的和再開方得到中誤差，取二倍中誤差作為最終的預(yù)計(jì)偏差，并將測試結(jié)果與未采取質(zhì)量控制措施前的誤差結(jié)果相比較，以驗(yàn)證本次提出質(zhì)量控制措施的可行性。實(shí)施前后的各項(xiàng)誤差詳細(xì)情況見表2。

表2 各項(xiàng)誤差來源及最終結(jié)果對(duì)比

從表2 中可以看出，質(zhì)量控制措施實(shí)施后，高精度貫通測量中的實(shí)際偏差與預(yù)計(jì)偏差的差值明顯縮小，說明本文所提出的質(zhì)量控制措施具有較高的實(shí)踐效果，可滿足后期大型礦山高精度貫通測量的精度要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本文以敏東一礦16-3 煤層Ⅰ0216302 回采工作面掘進(jìn)區(qū)域?yàn)閷?shí)際案例，通過結(jié)合該項(xiàng)目高精度貫通測量的實(shí)際情況，提出建立專用控制網(wǎng)、保證巷道導(dǎo)線精度測量與校正要點(diǎn)的質(zhì)量控制措施，以為大型礦山高精度貫通測量提供一條可行的測量精度控制路徑，助力同類礦山高精度貫通測量工作有質(zhì)開展。