榆樹坡礦長(zhǎng)距離巷道貫通測(cè)量誤差控制及分析

趙敏

（晉能控股集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

巷道是煤礦井下重要的基礎(chǔ)生產(chǎn)設(shè)施，是煤炭物料運(yùn)輸、行人、通風(fēng)等的通道。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)10 萬(wàn)km[1-2]。每條巷道在開掘前均需要進(jìn)行測(cè)量定位。測(cè)量是煤礦建設(shè)和運(yùn)行管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。巷道對(duì)掘是常用的一種施工方式，從兩個(gè)方向施工可以大大提高掘巷效率，有利于促進(jìn)系統(tǒng)盡早形成，緩解礦井采掘接替緊張的局面[3-4]。但巷道對(duì)掘貫通對(duì)測(cè)量工作提出了更高的要求，需要進(jìn)行井下導(dǎo)線測(cè)量、高程測(cè)量等。在巷道距離較長(zhǎng)的情況下，導(dǎo)線點(diǎn)極易發(fā)生破壞，影響測(cè)量精度。并且井下環(huán)境相對(duì)惡劣，噪音大、粉塵多，對(duì)測(cè)量工作造成了較大的影響。陳濤[5]等結(jié)合杭來(lái)灣煤礦30105 工作面順槽巷道的實(shí)際情況采用T2 陀螺經(jīng)緯儀、拓普康7501 全站儀等實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)米巷道的高精度貫通；袁會(huì)[6]等通過(guò)誤差設(shè)計(jì)優(yōu)化貫通方案，實(shí)現(xiàn)了兩立井之間的高精度貫通測(cè)量；孫金禮[7]等建立了地面專用的控制網(wǎng)，提出了一種有效的誤差控制方法，實(shí)現(xiàn)了大同煤礦集團(tuán)晉華宮礦+870 m 水平大巷貫通測(cè)量；王金海[8]通過(guò)合理確定測(cè)量方案，使用先進(jìn)的儀器等實(shí)現(xiàn)了鶴煤六礦三水平皮帶運(yùn)輸巷的順利貫通，保證了礦井的正常生產(chǎn)；張敬書[9]使用井下三架法導(dǎo)線測(cè)量和紅外三角高程代四等水準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了-600 m北大巷的貫通，效果良好。本文結(jié)合華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)山西寧武榆樹坡煤礦5201 首采面的實(shí)際情況，開展了長(zhǎng)距離巷道貫通技術(shù)的研究。

1 工程背景

1.1 巷道概況

榆樹坡礦5 號(hào)煤共劃分為3 個(gè)采區(qū)，其中二采區(qū)位于F14 斷層以南區(qū)域，緯線4319160 以北區(qū)域?yàn)槎蓞^(qū)。該區(qū)域內(nèi)5 號(hào)煤煤厚9.05～16.25 m，平均14.03 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸4～6 層，為全區(qū)穩(wěn)定可采的巨厚煤層。據(jù)采樣測(cè)試，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度12.57 m、黑灰色，中厚層狀，水平層理，致密，破碎，見植物化石，抗壓強(qiáng)度平均68.5 MPa，抗拉強(qiáng)度平均4 MPa，屬較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度4.4 m，抗壓強(qiáng)度平均28.7 MPa，抗拉強(qiáng)度平均0.9 MPa，屬較軟—較堅(jiān)硬巖。

榆樹坡礦5201 工作面位于二采區(qū)最南部，為該采區(qū)首個(gè)5 號(hào)煤工作面。工作面為刀把形，進(jìn)風(fēng)順槽長(zhǎng)度1350 m，回風(fēng)順槽1230 m，工作面長(zhǎng)度205 m。回風(fēng)順槽施工時(shí)間較早，進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)至1050 m 時(shí)停止，由開切眼處進(jìn)行對(duì)掘貫通，如圖1 所示。

圖1 對(duì)掘貫通段示意Fig.1 Schematic diagram of roadway excavation section at both ends

1.2 測(cè)量要求

如果貫通巷道存在的偏差較大，將對(duì)巷道內(nèi)設(shè)備布置造成影響，需要進(jìn)行擴(kuò)幫、臥底甚至挑頂?shù)?，給生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。因此，經(jīng)過(guò)分析研究確定兩側(cè)貫通巷道之間的中線偏差小于0.5 m，高程偏差小于0.3 m。

2 貫通測(cè)量思路與方案

該巷道的貫通屬于井下工作面內(nèi)巷道貫通，與開拓巷道不同，只需要進(jìn)行井下導(dǎo)線測(cè)量和高程測(cè)量，控制巷道水平和垂直方向誤差即可，無(wú)需進(jìn)行地面聯(lián)系測(cè)量。

2.1 設(shè)計(jì)思路

在巷道施工前，首先確定好具體的坐標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一選定1954 年北京坐標(biāo)系，高程選用1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)。其次為保證順利貫通，減少誤差，指定4 名經(jīng)驗(yàn)豐富的測(cè)量工實(shí)施閉合測(cè)量，其中觀測(cè)和記錄各1 人，前后站位打視各1人。每人均配有井下專用的對(duì)講機(jī)，保證溝通順暢。最后選用當(dāng)前先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，在測(cè)量過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)測(cè)數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析，確保導(dǎo)線點(diǎn)準(zhǔn)確。

2.2 導(dǎo)線方案

2.2.1 測(cè)量?jī)x器

導(dǎo)線測(cè)量使用拓普康GTS-750 全站儀，采用“井下一架法”測(cè)量。陀螺定向選用2 臺(tái)儀器，初測(cè)為Y/JTD-1 陀螺經(jīng)緯儀，復(fù)測(cè)選用GAK1 陀螺經(jīng)緯儀。高程測(cè)量?jī)x器分平巷和斜巷2 種，對(duì)于平巷選用天寶電子水平儀，斜巷選用的儀器為全站儀，測(cè)量方法為三角高程測(cè)量。高程測(cè)量均需要獨(dú)立測(cè)量2 次，減小誤差。

2.2.2 導(dǎo)線測(cè)量方案

根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)線測(cè)量的測(cè)線應(yīng)沿巷道中線布置，邊長(zhǎng)選擇80 m，并且等邊布置。選用的精度等級(jí)為7″級(jí)，2 個(gè)測(cè)回。不同邊長(zhǎng)測(cè)回回?cái)?shù)及測(cè)角限差見表1、表2。

表1 水平角測(cè)回回?cái)?shù)Table 1 Horizontal angle measurement number

表2 測(cè)角限差要求Table 2 Limit difference requirements of measurement angle

為防止人為破壞，將導(dǎo)線點(diǎn)全部布置在巷道頂板上，前后視懸掛微棱鏡。具體測(cè)量時(shí)，首先掛繩觀測(cè)水平角，然后測(cè)量全站儀到微棱鏡的距離和垂直角度。針對(duì)以往測(cè)量中出現(xiàn)的掛繩擺動(dòng)問(wèn)題，在微棱鏡底部懸掛1 個(gè)1.5 kg 的重錘，保證測(cè)量精度，如圖2 所示。

圖2 微棱鏡安裝示意Fig.2 Installation of microprism

2.2.3 高程測(cè)量方案

平巷段采用S3 水準(zhǔn)儀進(jìn)行往返測(cè)量，斜巷中同時(shí)采用三角高程測(cè)量和導(dǎo)線測(cè)量。同時(shí)在每次測(cè)量前后應(yīng)對(duì)儀器高度進(jìn)行對(duì)比，前后兩次的互差不大于4 mm。

2.3 精度控制措施

2.3.1 測(cè)角精度控制

為提高測(cè)角的精度控制，在測(cè)量過(guò)程中必須做到以下方面。

（1） 每次角度觀測(cè)前必須進(jìn)行檢查角核驗(yàn)。

（2） 如果巷道中速度過(guò)大，應(yīng)采取擋風(fēng)板或其他措施進(jìn)行擋風(fēng)，中對(duì)中的精度要求控制在1 mm 以內(nèi)。

（3） 擋風(fēng)板等擋風(fēng)措施的使用在前后視中必須保持一致。

2.3.2 中線控制

在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中采用激光指向儀進(jìn)行指向，所選取的導(dǎo)向點(diǎn)盡量選擇巷道中心線，激光前方3個(gè)導(dǎo)向點(diǎn)之間的距離保持在40 m 左右。

2.3.3 其他方面

（1） 提前做好準(zhǔn)備工作。將所使用的全站儀、陀螺儀、激光儀等設(shè)備提前進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，使其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足精度要求。

（2） 在測(cè)量過(guò)程中盡量避免相鄰的兩條測(cè)線長(zhǎng)度變化大，前后視距相近。并且在保證清晰度和精度的前提下，延長(zhǎng)導(dǎo)線邊的長(zhǎng)度，減少測(cè)站數(shù)量，避免誤差累積。

（3） 測(cè)量過(guò)程中，提高對(duì)中精度，多人輪換測(cè)量，獨(dú)立計(jì)算，盡量減少人為誤差，提高測(cè)量精度。

（4） 及時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，必要的情況下進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3 測(cè)量誤差分析

巷道貫通后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析誤差，主要包括水平誤差和量程誤差2 個(gè)方面[10-12]。

3.1 水平誤差

（1） 測(cè)角水平誤差。

把平行于巷道方向作為X 軸，測(cè)角誤差M測(cè)角的計(jì)算公式為：

式中：Mβ為測(cè)角精度；ρ 為弧度值；η 為導(dǎo)線重心與導(dǎo)線點(diǎn)的連線在垂巷方向的投影；Ry'為原點(diǎn)與各點(diǎn)的距離在垂巷方向的投影。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，由導(dǎo)線測(cè)角誤差引起的水平方向上的誤差為68.2 mm。

（2） 量邊水平誤差。

量邊誤差按如下公式計(jì)算：

式中：α'為巷道方向與各導(dǎo)線邊的夾角。代入相關(guān)計(jì)算可得，量邊誤差為46.3 mm。

（3） 陀螺定向誤差。

由陀螺定向引起的誤差M陀螺按如下公式計(jì)算：

式中：MB'為陀螺定向精度；y'oi為各分段導(dǎo)線重心的Y'軸的坐標(biāo)。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，由陀螺定向引起的水平誤差為32.5 mm。

（4） 水平誤差計(jì)算。

由以上3 項(xiàng)引起的水平誤差按如下公式計(jì)算：

代入上述計(jì)算數(shù)據(jù)可得，實(shí)際的水平誤差為88.6 mm。

3.2 高程誤差

高程測(cè)量采用的是三角高程測(cè)量，按單位公里數(shù)三角高程路線的高差計(jì)算，如下式：

式中：Mk為高程誤差，mm；S 為邊長(zhǎng)，km。代入計(jì)算可得，高程誤差為47.1 mm。

3.3 誤差分析

由以上計(jì)算可知，在貫通點(diǎn)的水平誤差和高程誤差分別為88.6 mm 和47.1 mm，小于允許偏差0.5 m 和0.3 m，滿足施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

榆樹坡礦采用雙向?qū)虻姆绞绞┕?201 進(jìn)風(fēng)順槽，可以盡早實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面系統(tǒng)的形成。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)線和高程測(cè)量方案，在測(cè)量過(guò)程中采取測(cè)角精度和中線控制等措施，水平誤差和高程誤差小，實(shí)現(xiàn)了巷道的順利貫通，工作面提前4 d 投產(chǎn)，有效緩解了礦井采掘接替緊張的局面，可為長(zhǎng)距離順槽巷道的掘進(jìn)提供參考。