煤矿井下测量工作必要精度的确定及提高

韩鑫儒，张 燚

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719099)

0 引言

煤矿井下的各种测量工作都是直接为采煤服务的[1]。测量人员在进行某项测量工作以前，必须依据该项工程的性质确定合理的容许偏差，据此来确定测量工作的精度要求，即精度标准。各项测量精度标准主要是根据采矿工程对测量工作的要求，它具体体现在生产限差上，即采矿工程竣工时与其设计规格间的最大允许偏差[2-3]。合理确定精度标准的理论值对采矿生产和测量工作本身无疑是非常重要的。随着煤炭工业技术的不断发展，新技术、新设备和新工艺在采煤工业生产建设中的推广使用，对测量工作也提出了更高的要求[4-6]。在煤矿测量工作中，目前不少矿区都相继采用了陀螺定向，全站仪测角测边，微机计算、管理、制图等[7-9]。这些先进的仪器、设备和软件技术的应用，不仅促进了煤矿测量科学技术的发展，完善了测量工作质量管理体系，也改变了某些测量方法和工作程序[10-12]。

杭来湾煤矿工业场地位于井田东北角，矿井采用斜井开拓，现有301、302这2个盘区。2个盘区各布置了胶、辅回3条大巷，井田东西长度约为11.7 km，南北长度约为7.8 km，永久大巷巷道全长18 km，井下支导线最远点距离为18.4 km。在制定矿井主要测量工作的必要精度时，需充分利用现有的先进技术和设备，在满足必要精度的前提下，尽量采用省时方便，对施工生产影响小的测量方案。

1 测量工作必要精度的确定依据

1.1 测量工作的精度标准

测量工作的精度标准主要是根据采矿工程对测量工作的要求，但是也应考虑矿井现有的测量仪器设备和技术水平等条件。采矿工程对测量工作的要求，体现在生产限差上，也就是实际采煤工程与它的设计规定的最大容许偏差。由于测量工作的误差，会使实际采煤工程与它的设计产生一定的偏差，但是这种偏差不会影响采煤工作正常进行。采煤工程对测量工作的要求，一般利用大巷平差过的导线数据来解决工程问题，还必须进行测量设计，重新进行测量。

鉴于以上原因，以井下导线最弱点(一般为支导线最远点)的位置误差能满足采煤工程的要求为原则确定工程矿井测量的精度要求。受井下巷道的限制，平面控制只能采用敷设导线的形式。杭来湾矿井经纬仪导线是由工业广场井口开始，随着巷道向井田边界掘进而逐段测设的支导线，加之定向误差的影响，致使导线点的精度随着距井筒距离的增加而逐渐降低。所以规定一般工程测量精度标准时，应以井下导线最弱点的位置误差能满足采矿工程的要求为原则，解决一般采矿工程所提出的问题。

1.2 必要精度的确定依据

1.2.1 编制开采计划及矿井地质确定的依据

在采矿过程中，经常要根据矿图来编制采掘计划，检查生产指标完成情况，设计巷道、推断地质构造，出水地点、寻找断层丢失翼。由于原有勘探资料不足，地质描绘点的数量比较少，因而对矿图的精度要求不高。故导线点的一般误差在5 m左右即可。

1.2.2 保证安全生产方面确定的依据

首先必须保证由矿图上确定的工作面位置的误差不超过保安煤柱的设计边界。同时还应保证两相邻矿井间边界煤柱设计尺寸的正确性。其次，在向瓦斯和煤突出的巷道掘进时，应保证能满足保安规程规定的超前探钻距离的要求。上述各项对矿图的精度要求，一般为3.5 m左右。

1.2.3 产量计算方面确定的依据

产量、储量及损失量都是根据矿图量的面积计算的。为满足计算产量等所必须的矿图精度，一般不大于3 m。但应该看到，这方面对矿图的精度要求相对的说只决定局部地区图纸上的允许点位误差，而与导线最远点位无关。

1.2.4 地面某一点向开采水平打孔时确定的依据

有时由于要为井下送电缆、灭火、抽瓦斯及防水等所打的钻孔。这种钻孔一般是向开采水平的大巷或壁龛的中心线钻进的。很明显，当钻孔偏离巷道中心线不超过半个巷道的宽度即2.5 m时，便能满足要求。因此，2.5 m这种钻孔的允许偏差，亦即产生限差。由地面标定钻孔位置时，先在矿图上量取巷道中线上的钻孔孔口到最近的导线点的距离，根据巷道中线的方向和该导线点坐标算出钻孔的坐标。然后反算出孔口到地面最近控制点的距离及方位角，便可以根据该控制点将钻孔标设在实地上。显然，钻孔达到开采水平的位置误差，除了井上下位置误差外，还包括了钻孔弯曲的误差。由地面向开采水平打钻的深度，按照杭来湾煤矿井打钻的深度为240 m左右，误差为0.3 m。根据经验在最不利的情况下标定钻孔的位置误差，对定向基点来说不会超过0.4 m。因此，井下导线最远点对定向基点的允许位置偏差应为M允=±(2.5-0.3-0.4)=±1.8 m。因此，测量生产限差中的最小值±1.8 m可作为杭来湾煤矿井下工程测量工作的必要精度。

1.2.5 工程测量必要精度确定依据

由于杭来湾矿井的所有综采工作面长度都在4 000～6 000 m及以上，为不影响巷道工程的质量和综采支架安装，平面位置要求偏差M允≤0.4 m。因此杭来湾矿井综采工作面顺槽贯通属特殊工程测量，取测量生产限差中的最小值±0.4 m，来作为杭来湾煤矿井下特殊工程测量工作的必要精度。

2 提高矿井测量精度方法与应用

2.1 提高矿井测量精度的方法

在矿井导线测量中，由于设计、环境、人为因素影响较大，想要达到预期的测量精度是有很大困难的。因此，需要采取一些测量技术措施进行调整，方法主要有以下几种。

2.1.1 增加测回数

井下支导线一般均复测二次，而且大部分往测和返测时测点位置不变，取平均值作为角值。因此，若理想角值的误差是±3.13″，则一次测角中误差为±4.42″。按照杭来湾煤矿现有的仪器和井下的施测条件，这个精度要求不易达到，因此也不宜采用增加测角次数的方法来提高测角精度。

2.1.2 放大导线边长

井下观测条件允许时，尽量将边长加长，杭来湾煤矿条件好时，平均边长可达到200 m左右。这时边长误差为0.029 m，测角中误差为Mβ=±3.61″。考虑到导线以相同测点复测2次，则一次测角中误差可达±5.1″，精度有所提高，但收效甚微。

2.1.3 加测陀螺定向边

陀螺定向边在矿井测量中应用最为广泛，效果最为显著。在相同条件下，加测陀螺定向边，可以大幅度提高测角精度，以达到我们的理想角值。显而易见，在众多的方法中，加测陀螺定向边，无疑是矿井测量最有效、最直观的方法。

2.2 杭来湾煤矿工程测量实践

在杭来湾煤矿井下导线的实际测量中，因巷道距离长，有时还会出现单巷掘进。在大量实际测量经验判断下，最理想的方法是每隔1 500～2 000 m时加测一条陀螺定向边，加测陀螺边也成为杭来湾煤矿的核心矿测手段。

2.2.1 矿井测量参数确定

取n=123，用HGG-05陀螺经纬仪的标称精度mT=±5″。按照《测量规程》规定一次定向测定仪器常数，在地面已知点观测仪器常数的测回数nΔ=4。井下定向边陀螺方位角观测测回数n下=2，则一次定向中误差为

(1)

式中，mα0，mα平为次定向中误差，″；m为陀螺经纬仪的标称精度，″；n为井下定向边陀螺方位角观测测回数；nΔ为观测仪器常数的测回数。

测量容许误差中，包括了导线测量容许差及碎部测量容许差。其中碎部测量的极限误差不会大于5 cm。因此，得井下导线测量误差引起的导线中误差MD为

(2)

式中，MD为导线中误差，m；M允为导线测量的容许差，m。

某工作面巷道总长L=6 000 m，导线点平均边长为150 m，共有n=40条边。采用全站仪测距的方法，所用全站仪的标称精度为3 mm+3×10-6×D，则由量边误差引起的中误差ML为

(3)

式中，ML为量边误差所引起的中误差，m；n为导线边数。

测角误差所引起的导线中误差Mβ为

(4)

式中，Mβ为导线终点位置中误差，m；ML为量边误差引起的中误差，m；MD为导线中误差，m。

求得测角中误差为

(5)

式中，mβ为测角中误差，″；L为导线总长，m；ρ为弧度约等于206 265″。

2.2.2 每隔2 km加测一条坚强陀螺定向边

3个分段的附合导线，取N=3，则由定向引起的误差为

(6)

式中，M0为定向引起的误差，m；mα0为次定向中误差，″；Mβ为测角中误差，″；L为导线总长，m。

由导线测角引起的误差为

(7)

式中，M允为测量的容许误差，M允=±0.4m；M碎为测量的容许误差，M碎=±0.05 m；ML为量边误差引起的中误差，ML=±0．019 m；M0为定向引起的误差，M0=±0.066 m。

取n=13；N=3，算得测角中误差为

(8)

式中，mβ为测角中误差，″；Mβ为导线终点位置中误差，m；L为导线总长，m；ρ为弧度约等于206 265″。

(9)

式中，mβ为测角中误差，″；mα0为次定向中误差，″；n为导线点个数,取13；L为导线总长，m；ρ为弧度约等于206 265″。

算得测角、量边引起的误差为

=0.145 m

(10)

导线贯通点K的总误差为

(11)

式中，Mk为导线贯通点K的总误差，m；MD为导线中误差，m；Mβ为导线终点位置中误差，m；M0为定向引起的误差，M0=±0.066 m；M碎为测量的容许误差，M碎=±0.05 m；煤矿规定容许差M允≤±0.4 m，MK≥M允/2。可以看出，实测误差完全符合规范要求。

3 结论

当井下支导线最远点距离超过18.4 km时，矿井一般采矿工程测量测角中误差可允许达到42.9″，矿井特殊采矿工程测量测角中误差可允许达到13.4″，符合要求。此时，陀螺仪分阶段测设高精度陀螺定向坚强边的方式进行导线测量均可满足煤矿测量一般工程1.8 m和特殊工程0.4 m的限差也同时满足要求，并且陀螺定向中误差指标在所有误差指标当中权重最大，所以陀螺定向中误差指标是井下测量必要精度指标之一。