楊建輝，華照來，丁維波

(陜西榆北曹家灘礦業(yè)有限公司,榆林 719000)

曹家灘煤礦位于陜西省榆林市神木縣西南部，地理坐標為東經109°48′02.61＂～ 110°00′22.11＂，北緯38°32′27.12＂～38°40′47.03＂，是榆神礦區(qū)的特大型礦井之一。為了提高工程進度，采用相向對掘的方式貫通主要巷道，包括主斜井與進風立井之間的貫通，以及副斜井與副斜井反掘之間的貫通。根據(jù)設計要求，其橫向貫通偏差不得超過±0.15 m，遠低于現(xiàn)行《煤礦測量規(guī)程》中0.5 m的限差。如果仍按現(xiàn)行《規(guī)程》中的各項測量要求進行施測，無法滿足如此高精度的貫通測量要求。為此，針對井巷工程距離長、立井聯(lián)系測量困難、井巷拐彎多、觀測環(huán)境差的不利條件，改進現(xiàn)有的貫通測量技術方法及數(shù)據(jù)處理模型，實現(xiàn)曹家灘礦井主、副井與風井之間的高精度貫通。

1 高精度貫通測量主要技術環(huán)節(jié)改進

為了滿足礦井高精度貫通測量的限差要求，必須對各主要測量環(huán)節(jié)和現(xiàn)行的《規(guī)程》要求進行改進，以確保貫通偏差不超過0.15 m。主要環(huán)節(jié)包括斜井進洞導線邊的方位角測量、貫通測量中加測陀螺定向邊的合理位置等方面[1]。

1.1 斜井進洞導線邊方位角傳遞測量

在一般情況下采用常規(guī)單一導線從斜井向下傳遞方位角時，在進洞口附近由于導線的前、后視傾角和視線折光程度差異很大，導致進洞口的導線測角、量邊誤差顯著大于洞內導線[2-3]。為了減小斜井洞口導線測量誤差，提高導線測量精度尤其是方位角測量精度，本文探索采用聯(lián)系三角形方式進行洞口導線測量，其布設形式如圖1所示。

圖1 斜井洞口聯(lián)系三角形導線形式

圖1中，已知近井點為C1，后視已知點為C2，在進井口處的巷道兩側布設洞口導線點K1、K2，在洞內布設導線點X1，前視X2等。上述聯(lián)系三角形導線的外業(yè)觀測分別在C1、K1、K2、X1上架設全站儀，按照5＂級導線要求施測每一個水平夾角和邊長。在外業(yè)觀測過程中可采用三架法或四架法傳遞方向，以減小對中誤差影響[4-5]。在圖1中，聯(lián)系三角形C1-K1-K2和K1-K2-X1的觀測值為三個內角和三條邊長，每個聯(lián)系三角形均包含三個多余觀測元素，可列出六個條件方程。按照條件平差的最小二乘原理可以解算出聯(lián)系三角形的角度和邊長平差值。在此基礎上，沿C2-C1-K1-X1-X2和C2-C1-K2-X1-X2兩條路線可推算出洞內導線起始邊X1-X2的方位角和坐標值，在限差范圍內取其平均值作為井下導線起始點X1和起始邊X1-X2的坐標和方位角。上述兩條導線方位角的差值限差由洞內起始邊X1-X2的方位角中誤差M0確定，若要求M0=5＂，則上述推算方位角互差的允許限差為20＂。

按照上述方式通過斜井將地面近井點的坐標和方位角傳遞到井下，操作較為方便，顯著提高了洞內導線邊方位角的精度和可靠性。

1.2 加測陀螺定向邊的合理位置與數(shù)量

在井下導線中加測陀螺定向邊，可將井下支導線變?yōu)榉较蚋胶蠈Ь€，通過改正測角誤差來提高導線精度，以減小貫通橫向誤差[6-7]。這是高精度貫通測量中控制誤差的主要方式，但加測陀螺邊的位置和數(shù)量與貫通線路長度、測角和陀螺定向的精度，線路形狀及貫通的限差要求等密切相關[8-9]。

在一般情況下，陀螺方位角誤差遠小于導線測角累積的方位角誤差，此時方向附合導線的起始邊和終邊可視為真正的已知邊。設測角中誤差為mβ，測角個數(shù)為n，陀螺定向邊方位角中誤差為mα。

(1)

當滿足式(1)時陀螺邊的誤差影響可以忽略不計。由上式確定可以作為堅強邊的單一方向附合導線邊(或角)的個數(shù)n為：

(2)

在等邊直伸導線且為等精度測角條件下，假設陀螺邊中誤差ma=10＂，導線測角中誤差mβ=7＂，則按照式(2)可以確定一條方向附合導線的合理邊數(shù)為16條。一般情況下，井下導線平均邊長約為100 m左右，則上述測量精度條件下，井下導線加測陀螺定向邊的合理距離為1.6 km，這與現(xiàn)行《規(guī)程》規(guī)定，井下基本控制導線每隔1.5～2.0 km應加測陀螺定向邊的要求相符合。

但在實際貫通工程中導線形式不一定是等邊直伸形或等精度測角的導線，因而陀螺邊的最佳位置確定很復雜，不可能由某個簡單的公式所確定。理論上，應利用貫通測量誤差預計模型對重要方向的誤差進行反復計算，當達到誤差最小時，對應的加測陀螺邊位置和數(shù)量即為最佳布設方案。

在貫通精度要求很高以及導線形狀較復雜的條件下，應將上述導線點的數(shù)量適當減小[10]。因此，當貫通橫向偏差遠低于現(xiàn)行規(guī)程要求時，必須在提高導線測角、量邊精度和陀螺定向測量精度(降低mβ、ma的數(shù)值)的同時，減小加測陀螺邊的距離和增加陀螺邊的數(shù)量。

按照貫通限差為0.15 m的要求，設定測角誤差mβ=5＂、陀螺定向方位角誤差ma=5＂或7＂時，可以確定不同貫通線路長度所對應的井下導線加測陀螺邊的合理距離和陀螺邊數(shù)量，以及采用的導線復測次數(shù)和陀螺定向的必要精度，結果如表1所示。根據(jù)所采取的測角精度和陀螺定向精度，參照表1可確定陀螺邊的合理位置與數(shù)量。按照現(xiàn)行《規(guī)程》，井下基本控制導線一般邊長在60～200 m，邊長小于30 m視為短邊。在一段導線中短邊數(shù)量占比超過1/4時，陀螺邊間距可取下限值。在貫通兩側的線路長度相差較大時，可根據(jù)實際調整兩側的陀螺邊數(shù)?？傊?，在實際貫通測量之前應依據(jù)限差要求，通過誤差預計來調整陀螺邊的位置和數(shù)量。

表1 高精度貫通中加測陀螺邊的間距和數(shù)量

2 高精度貫通施測的技術要求

2.1 高精度貫通測量的精度指標

現(xiàn)行《規(guī)程》規(guī)定，兩井之間貫通巷道在水平重要方向的容許偏差為0.5 m，然而，該礦要求貫通橫向偏差不超過0.15 m，在如此高的貫通精度要求下，對地面控制測量、聯(lián)系測量、陀螺定向測量、井下導線測量等各個環(huán)節(jié)均提出了高于現(xiàn)行《規(guī)程》的精度標準[11-12]。實踐表明，在目前儀器技術條件下采用2＂級全站儀進行井下導線測量，其測角中誤差可控制在5＂，高精度陀螺全站儀定向測量精度可達到5＂～7＂[13]，通過加測陀螺定向邊及其它技術措施，能夠實現(xiàn)上述高精度貫通測量的要求，其主要精度指標如表2所示。

表2 礦井高精度貫通測量的主要精度指標

由表2可見，對于高精度重要貫通工程，在地面用于聯(lián)系測量和陀螺定向的已知邊精度、井下起始邊精度、井下導線測量和陀螺定向精度指標方面均有顯著提高。

2.2 高精度貫通工程的聯(lián)系測量技術要求

通過平硐或斜井的聯(lián)系測量按照全站儀5＂(一級)導線要求從地面GPS控制點開始，采用聯(lián)系三角形方式施測，并進行平差處理，以減小井口導線邊的方位角誤差。

通過立井的聯(lián)系測量其井口點由GPS近井點通過導線聯(lián)測，導線轉點個數(shù)不超過2個，按照一級導線要求施測。投點采用鋼絲繩，按擺動觀測法測定其動態(tài)位置，每次投點擺動讀數(shù)次數(shù)不少于40次，經過統(tǒng)計與計算得到投點的平面坐標值。聯(lián)系測量獨立進行兩次，所測得的井下起始點的坐標互差不超過10 mm，取兩次測量平均值。

2.3 高精度貫通工程的陀螺定向技術要求

考慮到煤礦井下通風、施工干擾和儀器在對中、整平、瞄準、讀數(shù)等環(huán)節(jié)存在的誤差影響，陀螺定向方位角的實際精度一般低于目前國內礦山用的陀螺定向儀器的標稱精度[14-15]。在高精度貫通工程中實施井下導線邊的陀螺定向測量時，應遵循以下技術要求：

(1)陀螺定向測量采用3-2(3)-3的流程施測，并且測量工作應該在較短時間內完成，一般不超過48 h。用于測定陀螺儀器常數(shù)的地面已知定向邊應滿足點位中誤差不超過10 mm，邊長一般不小于400 m，最短不小于200 m，方位角中誤差不超過5″的要求。

(2)同一邊任意測回之間的陀螺方位角的互差，對于標稱定向精度5＂的陀螺儀，不得超過15＂；標稱定向精度7＂的陀螺儀，不得超過20＂；對于現(xiàn)行《規(guī)程》中精度較低的15＂陀螺儀，不得超過40＂。

2.4 高精度貫通工程的井下導線測角技術要求

提高井下導線測角精度尤其是控制短邊條件下的測角誤差，是高精度貫通測量中的關鍵環(huán)節(jié)[16]。由于井下巷道條件和作業(yè)環(huán)境所限制，導線施測中并不能完全按照地面5＂級導線的要求作業(yè)。井下5＂級導線水平角觀測的各項限差如表3所示。

表3 井下導線水平角觀測的各項限差

在一測站上觀測水平角時，應按照上述限差要求檢查觀測數(shù)據(jù)，若超限應立即重測。對于邊長小于15 m的水平角應4次對中4測回觀測，確保短邊測角的精度。在傾角大于30°的斜巷中施測導線時，各項限差可為表3中的1.5倍。

3 曹家灘礦井高精度貫通測量實例

3.1 貫通測量方案

本次貫通測量工作包括主斜井與風井之間的貫通以及副斜井與副斜井反掘貫通。其貫通測量線路及其導線點布設如圖2、圖3所示。

圖2 曹家灘礦井主斜井與進風立井貫通測量示意圖

圖3 曹家灘礦井副斜井與副斜井反掘貫通測量示意圖

主斜井與進風風井的貫通測量在主斜井一側由地面控制點CZ03、CZ02，引測導線到主斜井巷道到達主斜井貫通點。風井一側由地面控制點CF01、CF03引測導線到進風立井，進行井上下聯(lián)系測量，將地面坐標與高程引入井下，敷設導線沿膠帶大巷到達貫通點。貫通測量導線長度約5 100.082 m，布設5″級導線點27個，加測陀螺邊4條，分別為風井井下起始邊T1-F1、主斜井一側的導線邊Z5-Z6、風井一側的導線邊ZY9-ZY11、ZY21-ZY23。進風立井的上、下聯(lián)系測量進行2次。

在上述貫通完成后，進行副斜井與副斜井反掘的貫通測量。通過聯(lián)巷對主斜井和副斜井反掘的導線進行聯(lián)測，使得副斜井和主斜井的起始數(shù)據(jù)均來自于地面近井點CZ01、CZ02、CZ03。實際貫通測量施測過程中，由副斜井敷設29個導線點至貫通點K。副斜井反掘從主斜井敷設控制導線”Z1-Z2-Z3……Z31-Z29-Z27-Z25-Z23”到膠帶大巷和輔運大巷之間的聯(lián)巷“L1-L2”，至輔運大巷反掘“FX21-FX23-…-K”，共計23個導線點至貫通點K。該貫通導線總長度7 713.3 m。為了控制測角誤差，在主斜井 “Z5-Z6”處已經加測陀螺邊的情況下，實際作業(yè)中又分別在副斜井側“F21-F22”處和副斜井反掘側“FX27-FX29”處各加測一條陀螺邊，共計加測3條陀螺邊。

地面控制使用天寶R8 Model3型GPS接收機，采用D級GPS控制網(wǎng)進行施測。立井聯(lián)系測量采用懸垂鋼絲法，使用擺動觀測法測量投點位置。井下測量按照上述5＂級導線要求進行兩次獨立觀測，對導線邊長進行高程投影和長度變形改正，陀螺定向采用標稱精度5＂的GAT磁懸浮陀螺全站儀進行，陀螺定向方位角誤差為7＂。貫通測量中的主要技術環(huán)節(jié)按照本文的改進方法施測。

3.2 貫通測量結果

按照上述測量方法進行施測，實測導線傳遞方位角與陀螺定向方位角的差值最大為15＂，最小為9＂。每條陀螺邊測量結束之后，根據(jù)方位角閉合差值，對陀螺邊與起始方向邊、陀螺邊之間的導線，按照方向附合導線平差處理模型進行平差，得出陀螺邊的坐標成果。主斜井與進風立井貫通后，經過導線聯(lián)測，方位角閉合差為-9＂，在重要方向(巷道橫向)上貫通測量偏差36 mm，次要方向(延伸方向)上的偏差為16 mm。副斜井與副斜井反掘巷道貫通后，實測方位角閉合差為12＂，在重要方向(巷道橫向)上貫通測量偏差39 mm，次要方向(延伸方向)上的偏差為22 mm。實測證明，本文所提出的改進技術方法和精度標準，能夠滿足礦井高精度貫通測量的要求。

4 結 語

針對大型礦井高精度貫通測量的限差要求，通過改進現(xiàn)有的測量方法和規(guī)范要求，制定了合理有效的地面GNSS控制測量、立井投點聯(lián)系測量、陀螺定向測量、井下導線測量的施測方案，并按照改進的測量技術要求進行施測，確保了該礦井巷道工程的高精度貫通。通過本工程實例表明，所提出的貫通測量關鍵技術、測量方法及其規(guī)范要求，對于高精度的長距離立井貫通測量工作具有較好的實用價值。

應該指出，本文所提出的大型礦井高精度貫通施測方法是依據(jù)本礦井的貫通工程實踐所總結的，各項技術要求還需更多實際案例來驗證。在實際應用中，可根據(jù)施測儀器精度和技術人員水平進行適當調整，確保礦井貫通測量的精度和可靠性。