两井间巷道贯通测量设计及误差预计

张永红 郭东涛

摘要：两个井筒之间的巷道贯通一般需要贯通测量距离长，受已有巷道坡度和角度限制，导线点不能均匀布置，导线边长一般较短，导线测站多，对贯通测量增加了难度。为保证巷道能够准确贯通，在工程施工前要对贯通测量方案进行设计，依据设计的测量方法和各项精度要求进行误差预计计算，误差预计结果能满巷道贯通要求说明测量方案正确，否则需要重新设计。

关键词：两井；贯通；测量设计；误差预计

中图分类号：TU113.2+1 文献标识码： A 文章编号：

一、概述

铜川矿业公司玉华煤矿位于铜川市印台区，随矿井发展设计从地面开拓北风井与井下现有巷道定点贯通。两井口间井下导线全长5300多米，地面控制距离近5600米，闭合长度10893米。井下受巷道条件限制导线边长和角度不能均匀布置且观测条件差，所以施工前必须进行贯通设计和误差预计。

二、地面控制测量设计

1．GPS平面控制

根据付(斜)井和北风井两个井口附近的具体条件并兼顾今后测量工作，设计在付井附近布设六个近井点，北风井附近布设一组四个近井点，并与测区附近的三个国家控制点共同构网联测，采用GPS测量方案。

(1)已知点资料

根据现有的“矿区控制点成果资料”，选取距测区10km以内的三个高等级控制点“葡萄寺”(Ⅱ等点)、“中石峁”(Ⅱ等点)及“草滩”(Ⅲ等点)作为GPS起算点。

(2)近井点布设

首先布置与井下通视的井口永久点，其它点布设在稳定位置，要求最小基线长度不低于200m。保证相邻两点之间相互通视，并尽可能使同组近井点之间都通视。设计在两个井口共设置10个近井点，点位与编号见附图1。

(3)GPS网的精度设计

根据《煤矿测量规程》确定近井点测量采用E级GPS网。

(4)GPS网的图形设计

GPS网共有10个未知点(近井点)和3个已知点，其图形布设如附图1。采用边连接方式，包括6个同步环。最长基线边9238m，最短基线边300m。总基线边36条，其中独立基线边18条，必要基线边12条，多余基线边6条。

表1E级GPS网测量精度与技术要求

(5)GPS测量方法

先对三个已知点进行GPS检测，在确认已知点进行GPS约束平差，然后再进行整体控制测量。

用标称精度不低于表1要求的双频GPS接收机静态方式观测，设计同步接收机4台，观测2个时段，时段长度为60min，数据采样间隔为10″，最大PDOP值小于6。

(6)GPS网平差处理

先用GPS平差处理软件先作基线解算和无约束平差，得到各点的WGS-84坐标。再根据已知点54坐标与高程作三维约束平差，获得近井点的平面坐标。基线向量的改正数及基线边相对误差应小于规范要求。

2．地面复测导线

在两井口之间布设5″级复测导线，以检测两井近井点的相对精度。地面复测导线起于GPS近井点P2-P1终于P7-P8，尽量沿两井口的连线方向布设成近似等边直伸形状。按一级光电测距导线要求施测。导线平差先检查最远边(P7-P8)的导线测量方位角与GPS测量的方位角之差，以及相对于GPS成果的导线相对闭合差是否都满足要求。若在限差范围内，证明复测导线精度及GPS近井点的精度均满足测量要求。否则，须重新进行导线复测和GPS控制测量，直到满足规范要求。

3．近井点高程联测

GPS正常高测量精度较低，不能作为近井点高程数据。起始近井点高程的绝对精度对于贯通测量没有影响，但两井口高程起算点只能使用同一基准点高程值，按四等水准测量要求先检测原有井口导线 “付2”和“付1”的高程值高差不符值在2倍允许限差以内时，取其中任一点的高程作为基准高程，再按四等水准测量要求对10个近井点进行高程联测。

由于本次贯通在高程上为重要方向，精度要求较高。因此，副井和北风井之间的高程联测应独立复测一次，取两次测量均值作为高程结果。

三、井下控制测量设计

1．井下平面控制

(1)导线布设方案

导线点应选择在稳定位置，尽可能加大导线边长度。北风井从地面单向掘进与井下现有暗风井贯通，贯通点K (见附图2)。由于受巷道条件限制，部分导线边长小于40m，平均边长100 m左右，导线点数为27个。

北风井的井下控制导线随井筒施工掘进延伸，每隔150 m左右设置永久导线点，在巷道变坡和转折处设点。共布设永久导线点8个。其平面位置见附图2。

(2)导线测量技术要求

井下控制使用2″级全站仪按井下7″级基本控制导线要求施测。每次独立观测，每测站两个测回，边长采用光电测距法，每边往返观测两测回。并进行一次独立复测，当两次测量的成果符合精度要求时，取其平均值作为最终观测成果，若两次观测的互差超过限差要求时，则应重新独立观测。

在边长测量中，测定气压读至100Pa，气温读至1°C。每条边长往返二个测回。其限差为：一测回读数较差不大于10mm，往返观测同一边长时，化算为水平距离(经气象和倾斜改正)后的互差，不得大于l／6000。

对于边长小于30m的导线点及临时导线点，可采用“三架法”观测，以减少对中误差和提高观测速度。用全站仪测定的边长观测值应加入温度和气压改正。

(3)边长的归化改正

测区距高斯投影带中央子午线较远，平均高程超过1400米，测点高差超过500米。实测边在经过温度和气象改正后，还应根据测距边的平均高程及平均横坐标进行高程归化改正及高斯投影改正，改正公式如下：

式中—测距边在高斯投影面上的长度。

—测距边实测长度

—测距边两端点横坐标的平均值。

—地球曲率半径

—测距边两端点的高程平均值

(4)井下加测陀螺定向边

由于付井导线长度近3km，因巷道转折点有多条短边，为了提高方位精度，确定在付井中部导线边“G16-G17”及最远导线边“G26-G27”上加测两条陀螺定向边，则支导线变为两段方向附合导线。

陀螺定向使用WILDGAK-1型陀螺经纬仪。一次测量陀螺方位角中误差为15″。采用付井外的GPS基线边(如P2-P1)测定仪器常数，要求方位角误差<10″。井下陀螺定向边长度不小于50m，采用“地面2测回一井下2测回一地面2测回”作业模式，用跟踪逆转点法观测。陀螺定向独立进行两次，取其平均值作为定向边方位角结果，方位角均值中误差为10″。

2．井下高程控制

(1)井下水准测量

井下控制导线位于水平巷道部分采用往返水准测量方法进行高程控制测量，相邻点高差采用两次变仪器高观测，其互差＜5mm时，取平均值作为高差观测结果。往返测高差较差允许值为±50 mm(其中L为线路长度，单位为km)，取往返测的平均值作为高程结果。井下水准测量应独立复测一次，取两次测量的均值作为最终高程结果。

(2)井下三角高程测量

倾斜巷道导线点高程采用三角高程方法测量。井下三角高程测量与导线同时施测，每测站2测回，采用往返观测。

三角高程测量相邻两点往返测高差互差<10mm＋O.3mm×L(其中L为导线长度，以m为单位)。三角高程闭合差或两次独立三角高程的互差≤±100 mm。

井下三角高程测量应独立复测，取两次独立测量平均值作为复测导线最终高程值。

四、贯通测量误差预计

1．误差参数的确定

巷道工程是北风井单向掘进与现有巷道贯通（贯通点K）。从付井井口起始导线点至贯通点K的导线水平总长度为2830m，北风井至K点的导线水平总长度为947 m。依据导线形状建立以K点为坐标原点，沿现巷道延伸方向为x/轴正向，与其垂直方向为Y/轴的误差预计假定坐标系统。见附图2。

(1)导线起始点及起始边方位角误差

如附图2所示。贯通点两侧的井下导线起始边分别为GPS近井点P2-P1及P7-P8。GPS点位误差根据平差后基线边的精度确定。以起始边（P2-P1）为300m计算，取相对点位中误差m0＝lOmm，则井下导线起始边方位角误差

= ×Arctan(m0／(3xlO5))=7″

(2)陀螺定向误差

采用WILD GAK—1型陀螺经纬仪进行陀螺定向，一次定向中误差取为15″则井下导线陀螺边一次定向的方位角误差mαT=15″。

(3)井下导线测角误差

按《煤矿测量规程》规定取：mβ下=7″

(4)井下导线边测距误差

2″级全站仪的标称测距精度为2mm+3×10－6D(D为距离，单位为mm)。井下导线边长一般不超过200m，比例误差小，主要是仪器对中和观测条件差对测距的影响。参照《煤矿测量手册》，取井下全站仪测边中误差为mS＝lOmm(平均边长100m)。

2．贯通点K在水平X′轴方向的误差预计

A、付井一侧井下导线误差预计

(1)起始边及陀螺定边误差引起K点在x′轴上的误差

如附图2所示，此段导线为两条以陀螺定向边G16一G17及G26—G27作为坚强边的方向附合导线。依据附图2用计算机算出贯通预计的各项参数，如附表1、附表2所示。根据《煤矿测量手册》，由起始点误差m0及起始边方位角误差mα0与陀螺定向边方位角误差mαT引起K点在x′轴上的误差为：

=±12mm

式中， 、 —两段方向附合导线重心在假定坐标系中的横坐标。如附表1。

、 —导线起点P2及贯通预计点的假定横坐标由附表l得 ＝－214， =o

(2)付井一侧井下导线测角误差引起K点在x＇轴上的误差

由测角误差引起的导线终点K在x′轴上的误差为：

＝±9.9 mm

式中，第1段导线中 ， ，第2段导线中 ， 。计算过程见附表1。

(3)付井一侧井下导线测边误差引起K点在x＇轴上的误差

m

=±51mm

式中，Lli、αi/为付井一侧各导线边长及其假定方位角。计算过程见附表2。

B、北风井一侧井下导线误差预计

北风井一侧井下导线误差预计计算方法付井一侧导线误差计算方法相同，没有陀螺坚强边误差计算。

计算结果：MXα2=±12mm

MXβ2=±12mm

Mxs2=±30mm

C、贯通点K在水平方向x/轴上的总误差

由于井下控制导线测量和陀螺经纬仪定向测量都独立复测一次，故贯通点K在水平重要方向x/轴上总的预计中误差为：

=±45mm

取2倍中误差作为预计误差，则贯通点K在水平X/轴方向上的预计误差为

MX预=±2MXK＝±90 mm

3．贯通点K在水平y/轴方向的误差预计

A、付井一侧井下导线误差预计

(1)付井一侧井下导线起始边及陀螺定向边误差引起K点在y/轴上的误差

由起始点误差m0及起始边方位角误差 。与陀螺定向边方位角误差mαT引起K点在y/轴上的误差为：

=±87mm

式中，x/01、x/02—两段方向附合导线重心在假定坐标系中的横坐标。计算过程见附表1。

X/1、x/K—导线起点及贯通预计点的假定横坐标，由附表1得X/1＝－2666，X/K=O

(2)付井一侧井下导线测角误差引起K点在y/轴上的误差

由测角误差引起的导线终点K在y/轴上的误差为：

=±80mm

(3)付井一侧井下导线测边误差引起K点在Y/轴上的误差

m

=±15mm

式中， 、 为付井一侧各导线边长及其在假定坐标系中的方位角。计算过程见附表2。

B、北风井一侧井下导线误差预计

同样方法，北风井一侧井下导线起始点位与起始方位误差、测角误差、测边误差引起K点在y/轴上的误差分别为：

Myα2=±34mm

Myβ2=±58mm

Mys2=±12mm

C、贯通点K在水平y′轴方向上的总误差

由于井下控制导线测量和陀螺经纬仪定向测量都独立复测一次，故贯通点K在水平方向Y/轴上总的预计中误差为：

=±97mm

取2倍中误差为预计误差，贯通点K在水平重要方向x/轴上预计误差为：

mm

4．贯通点K在高程方向的误差预计

(1)地面水准测量引起的误差

付井与北风井之间的四等水准线路总长约5km，引起的高程中误差为：

(2)付井一侧井下导线水准和三角高程测量引起的误差

根据附表2的统计结果，付井一侧井下导线位于平巷和斜巷部分的导线长度分别为1.620km和1.209km。平巷部分采用水准测量方法，斜巷部分采用三角高程方法测量导线点高程。按《煤矿测量规程》规定的允许限差的一半，算出井下水准测量每公里高差中误差为±25mm，井下三角高程测量每公里高差中误差为±50mm故付井一侧井下导线水准和三角高程测量引起的误差为：

(3)北风井一侧井下导线三角高程测量引起的误差

北风井的倾斜长度为1078m，井下三角高程测量每公里高差中误差为±50mm，则该井下导线三角高程测量引起的误差为：

(4)贯通点K在高程方向的总误差

由于井下控制导线水准测量和三角高程测量均独立复测一次，故贯通点K在高程方向的预计中误差为：

=±63mm

取2倍中误差作为预计误差，则贯通点K在高程方向的预计误差为

5．贯通点K的总预计误差

在水平x/轴方向的误差预计为：

在水平y/轴方向的误差预计为：

在高程h方向的误差预计为：

贯通点K在三个方向的预计误差均小于贯通允许偏差值，证明本贯通测量设计方案合理可行。

五、北风井施工测量及贯通结果

本次贯通导线全长10893m，地面、井下导线共40余站，测量工作除集中测量现有巷道段外，并随井巷施工进度进行标定。依据GPS控制点按极坐标法直接标定北风井井口位置。在施工过程中，每隔40—50m布设一个临时导线点用于施工放线，每隔3个临时点设置一个永久导线点。即每掘进150米跟测一次基本控制，日常掘进使用经纬仪按15"导线标定，腰线的标定采用经纬仪伪倾角法标定，使用激光指向仪作斜巷施工中腰线指向。

该工程定点贯通后联测结果如下：

方位角闭合差：15.3"

中线偏差：30mm

腰线偏差：45mm

导线坐标闭合差：fx=72mm

fy=96mm

导线线量误差为：F=120mm

导线相对闭合差：1/90775

附图1：地面控制网示意图

附图2：导线布置及贯通误差预计示意图

附表1：付井一侧导线坐标及误差预计参数计算表

附表2 ：付井一侧导线边长与方位角及误差预计参数计算表

附表3北风井一侧导线误差预计参数计算表

参考资料：

(1)《煤矿测量规程》．中华人民共和国能源部．煤炭工业出版社(1989)

(2)《全球定位系统GPS测量规范》．国家质量技术监督局．(GB／T18314—2001)

(3)《工程测量规范》．国家标准．中国计划出版社(GB50026┅93)

(4)《煤矿测量手册》．煤炭工业出版社(1990)

作者简介：

张永红，（1970-），男，陕西蒲城人，测量工程师、采煤工程师，1994年毕业于山西矿业学院矿山测量专业，2006-2009年西安科技大学采矿专业进修，现铜川矿业公司玉华煤矿工作。

单位：陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿

郭东涛，（1979-），男，陕西省泾阳人，大专学历，测量助理工程师，现铜川矿业公司玉华煤矿工作。

单位：陕西陕煤铜川矿业有限公司玉华煤矿