礦井高精度貫通測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用研究

邱博

霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 霍州 031400

1 前言

在礦井開采過程中，地質(zhì)測(cè)量是必不可少的環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)兩條巷道掘進(jìn)到指定地點(diǎn)接通，我們稱之為巷道貫通。在巷道貫通時(shí)，大型巷道具有一定的難度，巷道的貫通可靠性及精度與礦山生產(chǎn)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)效益有著密不可分的關(guān)系。在較長(zhǎng)距離巷道貫通時(shí)，多采用多井口掘進(jìn)從而出現(xiàn)的井間或井田內(nèi)的長(zhǎng)距離貫通測(cè)量，這種測(cè)量主要是為了提高礦山的貫通速度，縮短貫通周期，礦山掘進(jìn)時(shí)，需要測(cè)量人員擁有一定的技術(shù)支撐，從而確保掘進(jìn)工作面按設(shè)計(jì)掘進(jìn)，偏差不超過規(guī)范要求，避免后續(xù)對(duì)開采帶來影響[1]。在巷道貫通過程中，由于礦山內(nèi)部地形、煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素的影響，貫通工作存在一定的難度，同時(shí)由于我國很多巷道設(shè)計(jì)成傾斜巷道，其貫通難度不言而喻[2]，本文針對(duì)傾斜巷道貫通難度大的問題，利用陀螺定向、三角高程測(cè)量手段，較好的實(shí)現(xiàn)傾斜巷道聯(lián)系測(cè)量，解決了傾斜巷道貫通精度不高的問題。

2 巷道貫通測(cè)量方法

高精度巷道貫通在礦山安全、加快生產(chǎn)進(jìn)等方面至關(guān)重要，但由于礦山內(nèi)部地形條件復(fù)雜，通視條件差等對(duì)巷道工作較為不利。一般來說巷道的貫通測(cè)量主要包括兩個(gè)部分的工作：高程測(cè)量、平面導(dǎo)線測(cè)量。其中平面導(dǎo)線測(cè)量大多采用全站儀，在平緩地段采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，而在傾斜地段則采用三角高程測(cè)量。在三角高程測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)由于全站儀的垂直角測(cè)量誤差、儀器高量取誤差、測(cè)距誤差等會(huì)對(duì)高差測(cè)量產(chǎn)生較大的影響，所以提出前后視三角高程測(cè)量法，從而解決或者消除全站儀三角高程測(cè)量的誤差，大幅度提高巷道貫通精度[6]。

陀螺定向技術(shù)原理是利用陀螺儀角運(yùn)動(dòng)特質(zhì)形成的一種技術(shù)，具有測(cè)量精度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，其我國井下測(cè)量改善精度的有效方法，其主要受到成本及操作人員專業(yè)水平的限制，目前應(yīng)用不太廣泛。陀螺經(jīng)緯儀是主要的陀螺定向儀器設(shè)備，其內(nèi)部主要由陀螺儀、經(jīng)緯儀兩個(gè)部分組成，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單，在巷道貫通測(cè)量中十分重要的作用。在井下長(zhǎng)距離巷道測(cè)量中，增加一條陀螺定向邊可以大幅度提高井下導(dǎo)線測(cè)量穩(wěn)定性。本文選用 HGK15全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀，如圖1所示，陀螺經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)為下掛式，尋北工作方式采用積分法測(cè)量，其初始架設(shè)角度范圍為±30°，定向精度優(yōu)于 15″（1σ），觀測(cè)時(shí)間一次不小于 10 分鐘。內(nèi)部采用液體阻尼法，能夠較大幅度的消除陀螺章動(dòng)效應(yīng)，降低風(fēng)振、振動(dòng)等不利因素，提高巷道導(dǎo)線定向測(cè)量結(jié)果的可靠性。

圖1 HGK15 全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀示意圖

井下三角高程測(cè)量與井上不同，所以無法適用。為了降低高量取誤差，解決巷道頂部控制點(diǎn)到全站儀距離測(cè)量精度的誤差，提出前后視三角高程的測(cè)量方法，前后視三角高程測(cè)量原理如圖2所示，在圖2中A 點(diǎn)為全站儀安置點(diǎn)，B 點(diǎn)待測(cè)點(diǎn)，C 點(diǎn)為已知后視點(diǎn)。

圖2 前后視三角高程測(cè)量原理圖

前后視三角高程測(cè)量工作原理主要：在已知點(diǎn) A 下方布設(shè)全站儀，從而得出測(cè)量?jī)x器高程 i，然后通過在后視點(diǎn) C 下方架設(shè)覘標(biāo)，從而得到覘標(biāo)高 v0，然后再在前視點(diǎn) B 下方架設(shè)覘標(biāo)，得出覘標(biāo)高 v1，此時(shí)通過全站儀可以測(cè)得垂直角 α和傾斜距離 d，所以此時(shí)通過數(shù)學(xué)推算可得出 AC 和AB 兩點(diǎn)間的高差為：

結(jié)合以上分析，以某礦二號(hào)井運(yùn)輸巷道為研究背景，利用陀螺定向儀為工具，研究巷道貫通技術(shù)，從而確定前后視三角高程測(cè)量方法的可行性。煤礦地理坐標(biāo)是東經(jīng) 112°19′01″-112°25′14″，北緯 39°28′07″-39°28′07″。測(cè)區(qū)屬于溫帶寒冷半干旱氣候區(qū)，年平均氣溫一般為 3.6℃～7.3℃ 左右。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，對(duì)傾斜巷道貫通測(cè)量需要的精度較高，目前高程基準(zhǔn)控制成果很大程度衰減，安全生產(chǎn)隱患較大，需要改善井下的控制測(cè)量成果的精度。

根據(jù)需要解決的問題，開展了基于陀螺定向提高井下導(dǎo)線控制精度研究。除了使用陀螺定向技術(shù)外，同時(shí)采用前后視三角高程測(cè)量方法、地面控制點(diǎn)粗差探測(cè)方法進(jìn)一步提升巷道貫通測(cè)量的精度。

3 驗(yàn)證研究

在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)時(shí)，對(duì)地面控制網(wǎng)進(jìn)行儀器常數(shù)標(biāo)定。采用加測(cè) 6 條陀螺定向邊來有效提升陀螺定向邊施測(cè)的可靠性及有效性。同時(shí)值得注意的為在加測(cè)陀螺定向邊前，需要確定控制網(wǎng)最弱邊的位置。采用相關(guān)軟件對(duì)儀器測(cè)得的導(dǎo)線網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終計(jì)算出控制網(wǎng)方位角的誤差，得出最弱邊的位置。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)情況，同時(shí)結(jié)合相關(guān)理論分析，本次量測(cè)將加測(cè)陀螺邊的數(shù)目同比增加至 8 條。通過采用上述導(dǎo)線增強(qiáng)法，在沒有降低導(dǎo)線測(cè)角的精度及不調(diào)整控制網(wǎng)導(dǎo)線布設(shè)形式的基礎(chǔ)上，較好的削弱測(cè)角誤差對(duì)導(dǎo)線點(diǎn)位測(cè)量精度的影響，解決 了方向誤差的積累，確保了礦井井下控制網(wǎng)測(cè)量的精度。在完成陀螺定向后，對(duì)陀螺導(dǎo)線網(wǎng)進(jìn)行平差。處理導(dǎo)線網(wǎng)數(shù)據(jù)前要確定合適的定權(quán)方法，結(jié)合井下測(cè)量受到風(fēng)流、水汽、震動(dòng)、光線等因素的影響誤差、照準(zhǔn)誤差、測(cè)距誤差及視線偏差對(duì)照陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行定向邊精度，在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，將陀螺邊誤差設(shè)定為 2.72″；全站儀測(cè)邊誤差設(shè)定2+2ppm。

在采用前后視三角高程測(cè)量、陀螺定向后，對(duì)井下導(dǎo)線平差結(jié)果進(jìn)行分析，主要采用三種方法進(jìn)行驗(yàn)證：1.全站儀+水準(zhǔn)儀；2 全站儀+水準(zhǔn)儀+前后視三角高程測(cè)量；3、全站儀+水準(zhǔn)儀+前后視三角高程測(cè)量+陀螺儀定向。采用全站儀+水準(zhǔn)儀的貫通方案，貫通點(diǎn)超出限差；當(dāng)增加前后視三角高程測(cè)量法后，高程的貫通精度從方案1的0.323 m 提高到 0.150 m，精度顯著提升，此時(shí)平面貫通精度變化不明顯；在方案3下平面貫通精度從 0.4 m 提高到 0.3 m，此時(shí)精度能夠滿足規(guī)范要求，所以方案可行。

4 結(jié)束語

本文提出基于陀螺定向、三角高程測(cè)量技術(shù)的一種巷道貫通方法，通過采用前后視三角高程測(cè)量方法，有效消除全站儀測(cè)距的固定誤差，將高程的貫通精度從 0.323 m 提高到 0.150 m，平面貫通精度從 0.4 m 提高到 0.3 m，有效提升了高程、平面位置的精度，較好的實(shí)現(xiàn)傾斜巷道聯(lián)系測(cè)量，解決了傾斜巷道貫通精度不高的問題，為礦井高效開采提供一定的參考。