榆树坡矿长距离巷道贯通测量误差控制及分析

赵敏

（晋能控股集团泽州天安煤业有限公司，山西晋城 048000）

0 引言

巷道是煤矿井下重要的基础生产设施，是煤炭物料运输、行人、通风等的通道。据统计，我国每年巷道掘进长度超过10 万km[1-2]。每条巷道在开掘前均需要进行测量定位。测量是煤矿建设和运行管理的关键环节。巷道对掘是常用的一种施工方式，从两个方向施工可以大大提高掘巷效率，有利于促进系统尽早形成，缓解矿井采掘接替紧张的局面[3-4]。但巷道对掘贯通对测量工作提出了更高的要求，需要进行井下导线测量、高程测量等。在巷道距离较长的情况下，导线点极易发生破坏，影响测量精度。并且井下环境相对恶劣，噪音大、粉尘多，对测量工作造成了较大的影响。陈涛[5]等结合杭来湾煤矿30105 工作面顺槽巷道的实际情况采用T2 陀螺经纬仪、拓普康7501 全站仪等实现了万米巷道的高精度贯通；袁会[6]等通过误差设计优化贯通方案，实现了两立井之间的高精度贯通测量；孙金礼[7]等建立了地面专用的控制网，提出了一种有效的误差控制方法，实现了大同煤矿集团晋华宫矿+870 m 水平大巷贯通测量；王金海[8]通过合理确定测量方案，使用先进的仪器等实现了鹤煤六矿三水平皮带运输巷的顺利贯通，保证了矿井的正常生产；张敬书[9]使用井下三架法导线测量和红外三角高程代四等水准测量相结合的技术实现了-600 m北大巷的贯通，效果良好。本文结合华阳新材料科技集团山西宁武榆树坡煤矿5201 首采面的实际情况，开展了长距离巷道贯通技术的研究。

1 工程背景

1.1 巷道概况

榆树坡矿5 号煤共划分为3 个采区，其中二采区位于F14 断层以南区域，纬线4319160 以北区域为二采区。该区域内5 号煤煤厚9.05～16.25 m，平均14.03 m，结构简单，含夹矸4～6 层，为全区稳定可采的巨厚煤层。据采样测试，煤层顶板为砂质泥岩，厚度12.57 m、黑灰色，中厚层状，水平层理，致密，破碎，见植物化石，抗压强度平均68.5 MPa，抗拉强度平均4 MPa，属较坚硬—坚硬岩；底板为砂质泥岩，厚度4.4 m，抗压强度平均28.7 MPa，抗拉强度平均0.9 MPa，属较软—较坚硬岩。

榆树坡矿5201 工作面位于二采区最南部，为该采区首个5 号煤工作面。工作面为刀把形，进风顺槽长度1350 m，回风顺槽1230 m，工作面长度205 m。回风顺槽施工时间较早，进风顺槽掘进至1050 m 时停止，由开切眼处进行对掘贯通，如图1 所示。

图1 对掘贯通段示意Fig.1 Schematic diagram of roadway excavation section at both ends

1.2 测量要求

如果贯通巷道存在的偏差较大，将对巷道内设备布置造成影响，需要进行扩帮、卧底甚至挑顶等，给生产带来一定的影响。因此，经过分析研究确定两侧贯通巷道之间的中线偏差小于0.5 m，高程偏差小于0.3 m。

2 贯通测量思路与方案

该巷道的贯通属于井下工作面内巷道贯通，与开拓巷道不同，只需要进行井下导线测量和高程测量，控制巷道水平和垂直方向误差即可，无需进行地面联系测量。

2.1 设计思路

在巷道施工前，首先确定好具体的坐标参数标准。统一选定1954 年北京坐标系，高程选用1985 年国家高程基准。其次为保证顺利贯通，减少误差，指定4 名经验丰富的测量工实施闭合测量，其中观测和记录各1 人，前后站位打视各1人。每人均配有井下专用的对讲机，保证沟通顺畅。最后选用当前先进的测量仪器，在测量过程中，对现测数据和原始数据进行实时对比分析，确保导线点准确。

2.2 导线方案

2.2.1 测量仪器

导线测量使用拓普康GTS-750 全站仪，采用“井下一架法”测量。陀螺定向选用2 台仪器，初测为Y/JTD-1 陀螺经纬仪，复测选用GAK1 陀螺经纬仪。高程测量仪器分平巷和斜巷2 种，对于平巷选用天宝电子水平仪，斜巷选用的仪器为全站仪，测量方法为三角高程测量。高程测量均需要独立测量2 次，减小误差。

2.2.2 导线测量方案

根据《煤矿测量规程》的相关规定，导线测量的测线应沿巷道中线布置，边长选择80 m，并且等边布置。选用的精度等级为7″级，2 个测回。不同边长测回回数及测角限差见表1、表2。

表1 水平角测回回数Table 1 Horizontal angle measurement number

表2 测角限差要求Table 2 Limit difference requirements of measurement angle

为防止人为破坏，将导线点全部布置在巷道顶板上，前后视悬挂微棱镜。具体测量时，首先挂绳观测水平角，然后测量全站仪到微棱镜的距离和垂直角度。针对以往测量中出现的挂绳摆动问题，在微棱镜底部悬挂1 个1.5 kg 的重锤，保证测量精度，如图2 所示。

图2 微棱镜安装示意Fig.2 Installation of microprism

2.2.3 高程测量方案

平巷段采用S3 水准仪进行往返测量，斜巷中同时采用三角高程测量和导线测量。同时在每次测量前后应对仪器高度进行对比，前后两次的互差不大于4 mm。

2.3 精度控制措施

2.3.1 测角精度控制

为提高测角的精度控制，在测量过程中必须做到以下方面。

（1） 每次角度观测前必须进行检查角核验。

（2） 如果巷道中速度过大，应采取挡风板或其他措施进行挡风，中对中的精度要求控制在1 mm 以内。

（3） 挡风板等挡风措施的使用在前后视中必须保持一致。

2.3.2 中线控制

在整个测量过程中采用激光指向仪进行指向，所选取的导向点尽量选择巷道中心线，激光前方3个导向点之间的距离保持在40 m 左右。

2.3.3 其他方面

（1） 提前做好准备工作。将所使用的全站仪、陀螺仪、激光仪等设备提前进行检查和校准，使其各项技术指标满足精度要求。

（2） 在测量过程中尽量避免相邻的两条测线长度变化大，前后视距相近。并且在保证清晰度和精度的前提下，延长导线边的长度，减少测站数量，避免误差累积。

（3） 测量过程中，提高对中精度，多人轮换测量，独立计算，尽量减少人为误差，提高测量精度。

（4） 及时对测量结果进行计算分析，出现问题及时处理，必要的情况下进行复测。

3 测量误差分析

巷道贯通后，需要对数据进行整理，分析误差，主要包括水平误差和量程误差2 个方面[10-12]。

3.1 水平误差

（1） 测角水平误差。

把平行于巷道方向作为X 轴，测角误差M测角的计算公式为：

式中：Mβ为测角精度；ρ 为弧度值；η 为导线重心与导线点的连线在垂巷方向的投影；Ry'为原点与各点的距离在垂巷方向的投影。

代入相关数据计算可得，由导线测角误差引起的水平方向上的误差为68.2 mm。

（2） 量边水平误差。

量边误差按如下公式计算：

式中：α'为巷道方向与各导线边的夹角。代入相关计算可得，量边误差为46.3 mm。

（3） 陀螺定向误差。

由陀螺定向引起的误差M陀螺按如下公式计算：

式中：MB'为陀螺定向精度；y'oi为各分段导线重心的Y'轴的坐标。

代入相关数据计算可得，由陀螺定向引起的水平误差为32.5 mm。

（4） 水平误差计算。

由以上3 项引起的水平误差按如下公式计算：

代入上述计算数据可得，实际的水平误差为88.6 mm。

3.2 高程误差

高程测量采用的是三角高程测量，按单位公里数三角高程路线的高差计算，如下式：

式中：Mk为高程误差，mm；S 为边长，km。代入计算可得，高程误差为47.1 mm。

3.3 误差分析

由以上计算可知，在贯通点的水平误差和高程误差分别为88.6 mm 和47.1 mm，小于允许偏差0.5 m 和0.3 m，满足施工要求。

4 结语

榆树坡矿采用双向对掘的方式施工5201 进风顺槽，可以尽早实现整个工作面系统的形成。通过设计合理的导线和高程测量方案，在测量过程中采取测角精度和中线控制等措施，水平误差和高程误差小，实现了巷道的顺利贯通，工作面提前4 d 投产，有效缓解了矿井采掘接替紧张的局面，可为长距离顺槽巷道的掘进提供参考。