贯通测量技术在煤矿测绘中的应用

李智伟

(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700)

引 言

贯通测量是煤矿生产中的一项重要步骤，贯通测量参数的精度和偏差将直接决定构建巷道的质量，从而影响煤矿的安全生产[1-2]。随着科学技术的迅速发展，贯通测量技术也在不断地丰富，如早期多数煤矿使用的光学仪器和钢尺量距受矿山地理环境的影响极大，而且测量精度低、耗时多、人力成本高[3]，而近年来出现的全站仪、GPS等设备使得测量精度有了大幅度提高，不仅为测量工作者提高了极大的便利，还有效保障了煤矿的安全生产[4]。本文以西部矿山为例，提出了新型的贯通测量方案，采用了防爆全站仪、GPS和激光指向仪，实验确定了最佳贯通点，计算了最佳贯通点在水平重要方向上的预计误差，并对该方案是否满足矿井贯通和隧道贯通最长距离要求进行了探讨，阐明了新方案的合理性和可靠性。

1 贯通测量方案的确定

针对西部矿山的实际地理环境，考虑到导线长度、三角高程路线和夹角等因素，选择以一矿附井为起点，经过1635巷道，最终贯穿至三矿主井线路。该线路总长2 700 m，含有5个小于60 m的边长，不含小于15°的夹角。西部矿山原来的测量方法是利用光电测距导线进行地面控制，而井下由光学经纬仪测量角度，由钢尺测量边长，这种测量方式工作强度大、耗时长，精度差，为推动矿井测量的高效化，本文选择了SET22D型防爆全站仪代替传统的光学经纬仪和钢尺，以HD8200E型GPS作为地面控制测量工具，大大提高了测量精度，缩短测量时间，减少了人工成本。

1.1 地面控制测量

基于GPS 建立地面独立平面控制网络，与西部矿区原有控制点互为补充，共同监测。布网基于实际测绘需要和交通状况，满足每个控制点需具备一个以上的通视方向的原则，选择符合《全球定位系统(GPS)测量规范》要求的点位，在矿区原有控制点红山寺、将军坟滩、五龙头沟脑的基础上布设地面 E 级 GPS 网，作为矿区近井网。实际布设图，如图1所示。

图1 GPS近井网布设

观测时采用静态定位法，保证每个站点的卫星高度角大于15°，有效观测卫星数控制在5颗以上，每次至少观测1 h，设置GPS 点位几何强度因子小于 6。观测前，建立GPS 卫星可见性预报表，对可见卫星号、卫星高度角、最佳观测卫星组、最佳观测时间、点位图形、几何图形强度因子等内容进行统计，观测时保证接收机天线的定向标志位于正北方向，定向误差小于±5°；观测前后分别量取实地天线高度值，两次数值偏差不得超过3 mm；观测后，及时填写观测记录。采用HD8200E 随机软件 HDS2003 进行数据处理，记录GPS 网平差处理结果。地面矿井间的高程控制测量按照《国家水准测量规范》进行，分别采用S3型水准仪和区格式水准尺测量，取两次测得的平均值作为最终值，根据相应公式计算得到水准点和井口水准基点的标高。

1.2 井下导线测量

井下导线测量按照《煤矿测量规程》中7″级控制导线的规定设置贯通测量控制导线，基于SET22D 本安型防爆全站仪采用测回法测试角度，以悬挂棱镜作为参照物，测量水平角时需瞄准悬挂棱镜的线绳，而测量竖直角时需瞄准悬挂棱镜的中心，测角时水准气泡偏差控制在一格以内，以两次独立测量值的平均值为最终结果，测量时应严格遵守《煤矿安全规程》的相关规定。井下 1635 大巷按照《煤矿测量规程》中高程控制测量准则测试，每组水准点间往返各测一次，取往返测的平均值作为结果；井筒和井下斜巷按全站仪三角高程法的规定测试，以对向观测的方式。所有测量需在实验前对仪器进行校正，测试结果由两人分别计算，保证测量的准确性。

2 贯通测量方案误差预计

若贯通相遇点K在贯通最佳相遇点的一定范围内变化，其预计误差仍小于允许偏差值，则无需进行详细的误差计算，该贯通相遇点可以满足要求，而变化范围则为贯通相遇点的允许区间。考虑到地面近井点是以GPS进行测定的，任意两个井点之间是相通的，因此地面连接对贯通无影响，而边长变化也与最佳贯通点无关，因此，可直接由井下导线计算最佳贯通点位置。根据最佳贯通点求解理论，垂直方向上全导线顶点的重心投影即为最佳贯通点。经过计算，西山煤矿的最佳贯通点为垂直方向负坐标轴上的186 m处，此外，进一步计算可得最佳贯通点在水平重要方向上的预计误差为±0.019 m, 该误差由GPS测量和井下测角误差和测边误差决定。若最佳贯通点为贯通相遇点允许区间内的任意一点，经过计算发现任意贯通相遇点在水平重要方向上的误差通式符合双曲线公式，图2所示为相遇点位置与水平重要方向上的预计误差的关系曲线图。

根据《煤矿测量规程》相关规定，贯通相遇点在水平重要方向上的最大允许偏差为±0.3 m。基于图2中的误差双曲线，经过计算可得，当贯通相遇点在垂直方向上(-1 181 m, +1 181 m)范围内任意变化时，在水平重要方向上的预计误差都在允许范围内。为了进一步比较新方案的优越性，将传统测量方案与新方案的各类预计误差进行了计算和比较。其结果，如表1所示。根据表1结果可知，新方案在水平重要方向上的各类误差明显降低，测量精度显著提高。

图2 任意贯通相遇点在水平重要方向上的误差曲线

表1 西部煤矿新旧方案各类预计误差对比

3 结语

由于我国西部矿井地理环境的恶劣和经济水平的低下，贯通测量普遍存在测量精度低、耗时长、人工成本高等问题，严重危险矿井的安全生产。本文提出了一种新型的贯通测量方案，引入了智能化的本安型防爆全站仪和GPS，论述了基于GPS技术的地面近井点的网形布设、观测方法和数据处理；同时基于最佳贯通点求解理论，计算出了最佳贯通点的位置，其在水平重要方向上的误差小于规定值，同时确定了贯通相遇点的允许变化区域，最佳贯通点在在该区域内变化时其预计误差均小于允许误差；实验比较了新旧方案的地面平面控制误差、井下平面控制误差和井上下总误差，新方案各类误差值明显降低，充分说明了新贯通方案具有测量精度高、用时少、人力成本低等优点，可广泛应用于矿山的贯通测量，为煤矿的安全生产提高准确可靠的数据支持。