大型矿井高精度贯通施测方法研究

杨建辉，华照来，丁维波

(陕西榆北曹家滩矿业有限公司,榆林 719000)

曹家滩煤矿位于陕西省榆林市神木县西南部，地理坐标为东经109°48′02.61＂～ 110°00′22.11＂，北纬38°32′27.12＂～38°40′47.03＂，是榆神矿区的特大型矿井之一。为了提高工程进度，采用相向对掘的方式贯通主要巷道，包括主斜井与进风立井之间的贯通，以及副斜井与副斜井反掘之间的贯通。根据设计要求，其横向贯通偏差不得超过±0.15 m，远低于现行《煤矿测量规程》中0.5 m的限差。如果仍按现行《规程》中的各项测量要求进行施测，无法满足如此高精度的贯通测量要求。为此，针对井巷工程距离长、立井联系测量困难、井巷拐弯多、观测环境差的不利条件，改进现有的贯通测量技术方法及数据处理模型，实现曹家滩矿井主、副井与风井之间的高精度贯通。

1 高精度贯通测量主要技术环节改进

为了满足矿井高精度贯通测量的限差要求，必须对各主要测量环节和现行的《规程》要求进行改进，以确保贯通偏差不超过0.15 m。主要环节包括斜井进洞导线边的方位角测量、贯通测量中加测陀螺定向边的合理位置等方面[1]。

1.1 斜井进洞导线边方位角传递测量

在一般情况下采用常规单一导线从斜井向下传递方位角时，在进洞口附近由于导线的前、后视倾角和视线折光程度差异很大，导致进洞口的导线测角、量边误差显著大于洞内导线[2-3]。为了减小斜井洞口导线测量误差，提高导线测量精度尤其是方位角测量精度，本文探索采用联系三角形方式进行洞口导线测量，其布设形式如图1所示。

图1 斜井洞口联系三角形导线形式

图1中，已知近井点为C1，后视已知点为C2，在进井口处的巷道两侧布设洞口导线点K1、K2，在洞内布设导线点X1，前视X2等。上述联系三角形导线的外业观测分别在C1、K1、K2、X1上架设全站仪，按照5＂级导线要求施测每一个水平夹角和边长。在外业观测过程中可采用三架法或四架法传递方向，以减小对中误差影响[4-5]。在图1中，联系三角形C1-K1-K2和K1-K2-X1的观测值为三个内角和三条边长，每个联系三角形均包含三个多余观测元素，可列出六个条件方程。按照条件平差的最小二乘原理可以解算出联系三角形的角度和边长平差值。在此基础上，沿C2-C1-K1-X1-X2和C2-C1-K2-X1-X2两条路线可推算出洞内导线起始边X1-X2的方位角和坐标值，在限差范围内取其平均值作为井下导线起始点X1和起始边X1-X2的坐标和方位角。上述两条导线方位角的差值限差由洞内起始边X1-X2的方位角中误差M0确定，若要求M0=5＂，则上述推算方位角互差的允许限差为20＂。

按照上述方式通过斜井将地面近井点的坐标和方位角传递到井下，操作较为方便，显著提高了洞内导线边方位角的精度和可靠性。

1.2 加测陀螺定向边的合理位置与数量

在井下导线中加测陀螺定向边，可将井下支导线变为方向附合导线，通过改正测角误差来提高导线精度，以减小贯通横向误差[6-7]。这是高精度贯通测量中控制误差的主要方式，但加测陀螺边的位置和数量与贯通线路长度、测角和陀螺定向的精度，线路形状及贯通的限差要求等密切相关[8-9]。

在一般情况下，陀螺方位角误差远小于导线测角累积的方位角误差，此时方向附合导线的起始边和终边可视为真正的已知边。设测角中误差为mβ，测角个数为n，陀螺定向边方位角中误差为mα。

(1)

当满足式(1)时陀螺边的误差影响可以忽略不计。由上式确定可以作为坚强边的单一方向附合导线边(或角)的个数n为：

(2)

在等边直伸导线且为等精度测角条件下，假设陀螺边中误差ma=10＂，导线测角中误差mβ=7＂，则按照式(2)可以确定一条方向附合导线的合理边数为16条。一般情况下，井下导线平均边长约为100 m左右，则上述测量精度条件下，井下导线加测陀螺定向边的合理距离为1.6 km，这与现行《规程》规定，井下基本控制导线每隔1.5～2.0 km应加测陀螺定向边的要求相符合。

但在实际贯通工程中导线形式不一定是等边直伸形或等精度测角的导线，因而陀螺边的最佳位置确定很复杂，不可能由某个简单的公式所确定。理论上，应利用贯通测量误差预计模型对重要方向的误差进行反复计算，当达到误差最小时，对应的加测陀螺边位置和数量即为最佳布设方案。

在贯通精度要求很高以及导线形状较复杂的条件下，应将上述导线点的数量适当减小[10]。因此，当贯通横向偏差远低于现行规程要求时，必须在提高导线测角、量边精度和陀螺定向测量精度(降低mβ、ma的数值)的同时，减小加测陀螺边的距离和增加陀螺边的数量。

按照贯通限差为0.15 m的要求，设定测角误差mβ=5＂、陀螺定向方位角误差ma=5＂或7＂时，可以确定不同贯通线路长度所对应的井下导线加测陀螺边的合理距离和陀螺边数量，以及采用的导线复测次数和陀螺定向的必要精度，结果如表1所示。根据所采取的测角精度和陀螺定向精度，参照表1可确定陀螺边的合理位置与数量。按照现行《规程》，井下基本控制导线一般边长在60～200 m，边长小于30 m视为短边。在一段导线中短边数量占比超过1/4时，陀螺边间距可取下限值。在贯通两侧的线路长度相差较大时，可根据实际调整两侧的陀螺边数。总之，在实际贯通测量之前应依据限差要求，通过误差预计来调整陀螺边的位置和数量。

表1 高精度贯通中加测陀螺边的间距和数量

2 高精度贯通施测的技术要求

2.1 高精度贯通测量的精度指标

现行《规程》规定，两井之间贯通巷道在水平重要方向的容许偏差为0.5 m，然而，该矿要求贯通横向偏差不超过0.15 m，在如此高的贯通精度要求下，对地面控制测量、联系测量、陀螺定向测量、井下导线测量等各个环节均提出了高于现行《规程》的精度标准[11-12]。实践表明，在目前仪器技术条件下采用2＂级全站仪进行井下导线测量，其测角中误差可控制在5＂，高精度陀螺全站仪定向测量精度可达到5＂～7＂[13]，通过加测陀螺定向边及其它技术措施，能够实现上述高精度贯通测量的要求，其主要精度指标如表2所示。

表2 矿井高精度贯通测量的主要精度指标

由表2可见，对于高精度重要贯通工程，在地面用于联系测量和陀螺定向的已知边精度、井下起始边精度、井下导线测量和陀螺定向精度指标方面均有显著提高。

2.2 高精度贯通工程的联系测量技术要求

通过平硐或斜井的联系测量按照全站仪5＂(一级)导线要求从地面GPS控制点开始，采用联系三角形方式施测，并进行平差处理，以减小井口导线边的方位角误差。

通过立井的联系测量其井口点由GPS近井点通过导线联测，导线转点个数不超过2个，按照一级导线要求施测。投点采用钢丝绳，按摆动观测法测定其动态位置，每次投点摆动读数次数不少于40次，经过统计与计算得到投点的平面坐标值。联系测量独立进行两次，所测得的井下起始点的坐标互差不超过10 mm，取两次测量平均值。

2.3 高精度贯通工程的陀螺定向技术要求

考虑到煤矿井下通风、施工干扰和仪器在对中、整平、瞄准、读数等环节存在的误差影响，陀螺定向方位角的实际精度一般低于目前国内矿山用的陀螺定向仪器的标称精度[14-15]。在高精度贯通工程中实施井下导线边的陀螺定向测量时，应遵循以下技术要求：

(1)陀螺定向测量采用3-2(3)-3的流程施测，并且测量工作应该在较短时间内完成，一般不超过48 h。用于测定陀螺仪器常数的地面已知定向边应满足点位中误差不超过10 mm，边长一般不小于400 m，最短不小于200 m，方位角中误差不超过5″的要求。

(2)同一边任意测回之间的陀螺方位角的互差，对于标称定向精度5＂的陀螺仪，不得超过15＂；标称定向精度7＂的陀螺仪，不得超过20＂；对于现行《规程》中精度较低的15＂陀螺仪，不得超过40＂。

2.4 高精度贯通工程的井下导线测角技术要求

提高井下导线测角精度尤其是控制短边条件下的测角误差，是高精度贯通测量中的关键环节[16]。由于井下巷道条件和作业环境所限制，导线施测中并不能完全按照地面5＂级导线的要求作业。井下5＂级导线水平角观测的各项限差如表3所示。

表3 井下导线水平角观测的各项限差

在一测站上观测水平角时，应按照上述限差要求检查观测数据，若超限应立即重测。对于边长小于15 m的水平角应4次对中4测回观测，确保短边测角的精度。在倾角大于30°的斜巷中施测导线时，各项限差可为表3中的1.5倍。

3 曹家滩矿井高精度贯通测量实例

3.1 贯通测量方案

本次贯通测量工作包括主斜井与风井之间的贯通以及副斜井与副斜井反掘贯通。其贯通测量线路及其导线点布设如图2、图3所示。

图2 曹家滩矿井主斜井与进风立井贯通测量示意图

图3 曹家滩矿井副斜井与副斜井反掘贯通测量示意图

主斜井与进风风井的贯通测量在主斜井一侧由地面控制点CZ03、CZ02，引测导线到主斜井巷道到达主斜井贯通点。风井一侧由地面控制点CF01、CF03引测导线到进风立井，进行井上下联系测量，将地面坐标与高程引入井下，敷设导线沿胶带大巷到达贯通点。贯通测量导线长度约5 100.082 m，布设5″级导线点27个，加测陀螺边4条，分别为风井井下起始边T1-F1、主斜井一侧的导线边Z5-Z6、风井一侧的导线边ZY9-ZY11、ZY21-ZY23。进风立井的上、下联系测量进行2次。

在上述贯通完成后，进行副斜井与副斜井反掘的贯通测量。通过联巷对主斜井和副斜井反掘的导线进行联测，使得副斜井和主斜井的起始数据均来自于地面近井点CZ01、CZ02、CZ03。实际贯通测量施测过程中，由副斜井敷设29个导线点至贯通点K。副斜井反掘从主斜井敷设控制导线”Z1-Z2-Z3……Z31-Z29-Z27-Z25-Z23”到胶带大巷和辅运大巷之间的联巷“L1-L2”，至辅运大巷反掘“FX21-FX23-…-K”，共计23个导线点至贯通点K。该贯通导线总长度7 713.3 m。为了控制测角误差，在主斜井 “Z5-Z6”处已经加测陀螺边的情况下，实际作业中又分别在副斜井侧“F21-F22”处和副斜井反掘侧“FX27-FX29”处各加测一条陀螺边，共计加测3条陀螺边。

地面控制使用天宝R8 Model3型GPS接收机，采用D级GPS控制网进行施测。立井联系测量采用悬垂钢丝法，使用摆动观测法测量投点位置。井下测量按照上述5＂级导线要求进行两次独立观测，对导线边长进行高程投影和长度变形改正，陀螺定向采用标称精度5＂的GAT磁悬浮陀螺全站仪进行，陀螺定向方位角误差为7＂。贯通测量中的主要技术环节按照本文的改进方法施测。

3.2 贯通测量结果

按照上述测量方法进行施测，实测导线传递方位角与陀螺定向方位角的差值最大为15＂，最小为9＂。每条陀螺边测量结束之后，根据方位角闭合差值，对陀螺边与起始方向边、陀螺边之间的导线，按照方向附合导线平差处理模型进行平差，得出陀螺边的坐标成果。主斜井与进风立井贯通后，经过导线联测，方位角闭合差为-9＂，在重要方向(巷道横向)上贯通测量偏差36 mm，次要方向(延伸方向)上的偏差为16 mm。副斜井与副斜井反掘巷道贯通后，实测方位角闭合差为12＂，在重要方向(巷道横向)上贯通测量偏差39 mm，次要方向(延伸方向)上的偏差为22 mm。实测证明，本文所提出的改进技术方法和精度标准，能够满足矿井高精度贯通测量的要求。

4 结 语

针对大型矿井高精度贯通测量的限差要求，通过改进现有的测量方法和规范要求，制定了合理有效的地面GNSS控制测量、立井投点联系测量、陀螺定向测量、井下导线测量的施测方案，并按照改进的测量技术要求进行施测，确保了该矿井巷道工程的高精度贯通。通过本工程实例表明，所提出的贯通测量关键技术、测量方法及其规范要求，对于高精度的长距离立井贯通测量工作具有较好的实用价值。

应该指出，本文所提出的大型矿井高精度贯通施测方法是依据本矿井的贯通工程实践所总结的，各项技术要求还需更多实际案例来验证。在实际应用中，可根据施测仪器精度和技术人员水平进行适当调整，确保矿井贯通测量的精度和可靠性。