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        采面貫通測(cè)量方案的探討與實(shí)踐

        2022-09-28 05:51:44郝寶利
        陜西煤炭 2022年5期
        關(guān)鍵詞:中線邊長(zhǎng)陀螺

        郝寶利

        (陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713600)

        0 引言

        “測(cè)量是礦山的眼睛”,礦山測(cè)量尤其是貫通測(cè)量對(duì)于礦山生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義[12]。貫通測(cè)量工作的好壞關(guān)系著礦山生產(chǎn)能否按設(shè)計(jì)要求實(shí)施,關(guān)系著礦山職工的生命安全和礦山開(kāi)采的工程造價(jià)[34]。伴隨礦山開(kāi)采逐步向深立井方向發(fā)展,礦山地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜,礦山測(cè)量工作的重要性日漸凸顯,大型貫通、長(zhǎng)距離貫通成為礦山測(cè)量的經(jīng)常性工作,對(duì)于貫通測(cè)量的技術(shù)和精度要求也越來(lái)越高。在現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備和技術(shù)的條件下,確定貫通巷道在水平和高程面上的方向,根據(jù)求得的數(shù)據(jù),標(biāo)定貫通巷道的中線和腰線,定期進(jìn)行已掘巷道的檢查測(cè)量和填圖,以控制工作面按設(shè)計(jì)方向掘進(jìn)。因此研究貫通測(cè)量方案是一件具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

        1 貫通測(cè)量

        1.1 導(dǎo)線布設(shè)及誤差控制

        井下大巷巷道相對(duì)較直,導(dǎo)線點(diǎn)可沿巷道中線均勻布置,布設(shè)成等邊直伸型導(dǎo)線。實(shí)際布點(diǎn)時(shí)可根據(jù)井下頂?shù)装迩闆r作適當(dāng)調(diào)整,不穩(wěn)定地段可布置臨時(shí)點(diǎn),穩(wěn)定地段布置永久導(dǎo)線點(diǎn)[5]。

        當(dāng)巷道長(zhǎng)度較短,無(wú)需加測(cè)陀螺定向邊,貫通導(dǎo)線布設(shè)成單一支導(dǎo)線時(shí)由誤差理論與測(cè)量平差相關(guān)理論可知,等邊直伸形支導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

        (1)

        式中,mβ為測(cè)角中誤差;ρ為1弧度所對(duì)應(yīng)的秒值,取206 265;L為支導(dǎo)線起算點(diǎn)到終點(diǎn)的距離,L≈nl;n為導(dǎo)線邊條數(shù);l為導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)。

        按照掘進(jìn)巷道施工要求,一般巷道中線允許偏差為0~100 mm。巷道中線允許偏差一定時(shí),隨著導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)的增大,允許的支導(dǎo)線長(zhǎng)度變長(zhǎng),支導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí),隨著導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)的增大,巷道中線偏差變小。因此,在布設(shè)導(dǎo)線的過(guò)程中應(yīng)根據(jù)巷道條件盡可能加大邊長(zhǎng),減少導(dǎo)線點(diǎn)數(shù),使得在導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)盡可能減小巷道中線偏差。同時(shí)可根據(jù)導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)及巷道中線允許偏差確定允許的支導(dǎo)線長(zhǎng)度,當(dāng)支導(dǎo)線長(zhǎng)度超出巷道中線偏差所能容許的長(zhǎng)度范圍時(shí),應(yīng)采取加測(cè)陀螺定向邊等措施。

        當(dāng)巷道長(zhǎng)度較長(zhǎng),需加測(cè)陀螺定向邊,貫通導(dǎo)線布設(shè)成方向附合導(dǎo)線+支導(dǎo)線形式時(shí),由誤差理論與測(cè)量平差相關(guān)理論可知,等邊直伸形方向附合導(dǎo)線終點(diǎn)的橫向誤差μ(影響巷道中線的主要誤差)為

        (2)

        比較式(1)與式(2)可知,等邊直伸形方向附合導(dǎo)線經(jīng)角度平差后的終點(diǎn)橫向誤差比支導(dǎo)線小了一半。由此可見(jiàn),加測(cè)陀螺定向邊對(duì)于提高巷道中線精度效果明顯。加測(cè)陀螺定向邊的位置可依式(1)中確定的支導(dǎo)線長(zhǎng)度確定。另?yè)?jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹,當(dāng)井下導(dǎo)線加測(cè)一條陀螺定向邊時(shí),最好選擇在離貫通相遇點(diǎn)1/3處。當(dāng)加測(cè)多條陀螺定向邊時(shí),采取“等分割原則”加測(cè)陀螺定向邊。實(shí)際上,該結(jié)論也是由上述理論推演得出的。

        1.2 導(dǎo)線測(cè)量

        控制導(dǎo)線采用全站儀導(dǎo)線形式,按《煤礦測(cè)量規(guī)程》中井下平面控制測(cè)量基本控制中的7″級(jí)導(dǎo)線要求施測(cè)。采用2″級(jí)全站儀每次獨(dú)立觀測(cè)每測(cè)站2個(gè)測(cè)回,邊長(zhǎng)采用光電測(cè)距法,每邊往返觀測(cè)兩測(cè)回。同時(shí)進(jìn)行一次獨(dú)立復(fù)測(cè),當(dāng)2次測(cè)量的成果符合精度要求時(shí),取其平均值作為最終觀測(cè)成果,若2次觀測(cè)的互差超過(guò)限差要求時(shí),則應(yīng)重新獨(dú)立觀測(cè)。

        在邊長(zhǎng)測(cè)量中,測(cè)定氣壓讀至100 Pa,氣溫讀至1 ℃。每條邊長(zhǎng)往返2測(cè)回。其限差為一測(cè)回讀數(shù)較差不大于10 mm,往返觀測(cè)同一邊長(zhǎng)時(shí),化算為水平距離(經(jīng)氣象和傾斜改正)后的互差,不得大于1/6 000。同時(shí)適時(shí)進(jìn)行斜邊測(cè)量,對(duì)已測(cè)水平邊長(zhǎng)進(jìn)行檢核。對(duì)于曲線巷道中邊長(zhǎng)小于30 m的導(dǎo)線點(diǎn)及不穩(wěn)定地段的臨時(shí)導(dǎo)線點(diǎn),可采用“三架法”觀測(cè),以減少對(duì)中誤差和提高觀測(cè)速度。 在測(cè)角測(cè)距時(shí),盡可能減少望遠(yuǎn)鏡的傾角,調(diào)節(jié)微動(dòng)螺旋時(shí)沿同一方向。儀器多次對(duì)中整平,瞄目標(biāo)時(shí)盡可能瞄垂球線的上部,采用擺動(dòng)觀測(cè)、正倒鏡觀測(cè)。

        按《工程測(cè)量規(guī)范》要求,實(shí)測(cè)邊在經(jīng)過(guò)溫度和氣象改正后,還應(yīng)根據(jù)測(cè)距邊的平均高程及平均橫坐標(biāo)進(jìn)行高程歸化改正及高斯投影改正,改正方法如下[67]

        (3)

        式中,D′為測(cè)距邊在高斯投影面上的長(zhǎng)度;D為測(cè)距邊實(shí)測(cè)長(zhǎng)度;ym為測(cè)距邊兩端點(diǎn)橫坐標(biāo)的平均值;R為地球曲率半徑;Hm為測(cè)距邊兩端點(diǎn)的高程平均值。

        在實(shí)際計(jì)算中,當(dāng)這2項(xiàng)改正數(shù)很小時(shí),內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)可忽略不計(jì)。

        1.3 三角高程測(cè)量

        2 貫通誤差預(yù)計(jì)

        2.1 誤差預(yù)計(jì)所需基本參數(shù)的確定

        按《煤礦測(cè)量規(guī)程》的規(guī)定,測(cè)角中誤差mβ下=7″。實(shí)際測(cè)量時(shí),2測(cè)回水平角均值的中誤差更小,仍取mβ下=7″。2″級(jí)全站儀的標(biāo)稱(chēng)測(cè)距精度為2 mm+2×10-6D(D為距離,單位為mm)。考慮到井下儀器對(duì)中困難及觀測(cè)條件較差,且邊長(zhǎng)一般不超過(guò)200 m,測(cè)距的比例誤差影響較小。參照《煤礦測(cè)量手冊(cè)》相關(guān)資料,取井下全站儀測(cè)邊的中誤差為m1=10 mm。井下三角高程測(cè)量每公里高差中誤差為50 mm。

        2.2 貫通誤差預(yù)計(jì)

        貫通相遇點(diǎn)K在水平重要方向x′上的誤差預(yù)計(jì),未加測(cè)陀螺邊井下導(dǎo)線測(cè)角誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)見(jiàn)式[89]

        (4)

        式中,mβ為井下導(dǎo)線測(cè)角中誤差;ρ為1弧度對(duì)應(yīng)的秒值,取206 265;Ry′為各導(dǎo)線點(diǎn)與貫通點(diǎn)K連線在y′軸上的投影長(zhǎng),即各導(dǎo)線點(diǎn)到貫通重要方向x′軸的距離。

        加測(cè)陀螺邊導(dǎo)線測(cè)角誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)公式如下[1011]。

        如圖1所示由導(dǎo)線測(cè)角誤差引起K點(diǎn)貫通誤差

        (5)

        式中,η為各導(dǎo)線點(diǎn)至本段導(dǎo)線重心o的連線在y′軸上的投影長(zhǎng)度;Ry′為由方向附和導(dǎo)線終點(diǎn)B至貫通點(diǎn)K的支導(dǎo)線各導(dǎo)線點(diǎn)與K點(diǎn)連線在y′軸上的投影長(zhǎng)度。

        圖1 加測(cè)陀螺邊定向邊導(dǎo)線Fig.1 Additional measurement of gyro side directional side wire

        如圖1所示由陀螺定向邊的定向誤差引起K點(diǎn)貫通誤差

        (6)

        當(dāng)mα0=mα1=…=mαN時(shí),則

        (7)

        導(dǎo)線測(cè)邊誤差引起的貫通誤差預(yù)計(jì)公式

        (8)

        K點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)中誤差為

        (9)

        為了檢核,導(dǎo)線獨(dú)立測(cè)量2次,并取二倍中誤差作為預(yù)計(jì)的貫通誤差,則K點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為

        (10)

        2.3 貫通相遇點(diǎn)K在高程方向上的誤差預(yù)計(jì)

        三角高程測(cè)量誤差引起的

        (11)

        考慮到高程測(cè)量需獨(dú)立施測(cè)2次,并取二倍中誤差作為預(yù)計(jì)的貫通誤差,則K點(diǎn)在豎直方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為

        (12)

        3 應(yīng)用實(shí)例

        401106工作面位于彬長(zhǎng)礦區(qū)胡家河礦井401盤(pán)區(qū),為胡家河礦井402104工作面的接續(xù)工作面。根據(jù)工程計(jì)劃安排,需要實(shí)現(xiàn)401106工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷高精度貫通。根據(jù)施工進(jìn)度預(yù)計(jì),貫通點(diǎn)位置為運(yùn)輸巷離切眼300 m處,井下導(dǎo)線全長(zhǎng)4 002 m,平均邊長(zhǎng)120 m。由于此貫通為一井內(nèi)巷道貫通,按《煤礦測(cè)量規(guī)程》要求,貫通在水平方向的容許偏差為0.3 m、豎直方向的容許偏差為0.2 m。

        測(cè)量采用 2秒級(jí)全站儀1臺(tái),測(cè)距精度為(2+2×10-6)mm,在使用之前按規(guī)定對(duì)全站儀進(jìn)行各種檢驗(yàn)、校正。三腳架、垂球、塔尺、棱鏡、鋼卷尺若干。從順槽開(kāi)口側(cè)起始邊開(kāi)始分別沿膠帶順槽和泄水、灌漿巷敷設(shè)支導(dǎo)線,導(dǎo)線測(cè)量采用2″全站儀獨(dú)立測(cè)量2次,高程測(cè)量采用三角高程法獨(dú)立測(cè)量2次。 貫通誤差預(yù)計(jì)參數(shù)參照2中提及的各項(xiàng)誤差預(yù)計(jì)參數(shù),利用式(4),(8)~(12)得出貫通點(diǎn)在x′方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為0.160 6 m,在豎直方向上的預(yù)計(jì)貫通誤差為0.127 7 m,均明顯小于貫通誤差限差。由此證明上述測(cè)量方案具有可行性。

        當(dāng)對(duì)掘工作面在切眼中部貫通時(shí),經(jīng)貫通誤差預(yù)計(jì)得,貫通重要方向誤差為0.072 5 m(測(cè)角誤差引起的貫通誤差為0.018 6 m,測(cè)邊誤差引起的貫通誤差為0.049 1 m),明顯小于上述方案中預(yù)計(jì)的0.160 6 m。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得,當(dāng)在切眼中部貫通時(shí),測(cè)邊誤差的影響對(duì)貫通精度起決定性作用。為了提高貫通精度,需提高測(cè)邊精度。

        當(dāng)對(duì)掘工作面在回風(fēng)順槽、泄水灌漿巷或運(yùn)輸順槽貫通時(shí),通過(guò)計(jì)算貫通點(diǎn)在離切眼0 m、120 m、240 m、360 m、480 m、600 m、720 m、840 m、960 m、1 080 m、1 200 m處貫通重要方向誤差見(jiàn)表1,由表1可知,當(dāng)貫通點(diǎn)在720 m處(約為3條大巷的中部)時(shí),貫通誤差最小,繪制成曲線如圖2所示,從720 m處向兩側(cè)貫通誤差呈遞增趨勢(shì)。切眼中部貫通誤差最小,明顯小于3條大巷中部的貫通誤差。從3條大巷中部到切眼方向,貫通誤差呈遞增趨勢(shì)。因此,在巷道實(shí)際施工過(guò)程中,在保證通風(fēng)可靠、運(yùn)輸方便的前提下,首選將貫通點(diǎn)選在切眼中,其次是3條大巷中盡可能靠近巷道的中部位置。同時(shí),在保證貫通精度的前提下,還必須控制好巷道中線,使得由導(dǎo)線測(cè)量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內(nèi),不可一味追求高貫通精度忽略巷道中線的偏差,繼而造成后續(xù)安裝給線問(wèn)題。

        表1 貫通點(diǎn)位置與貫通重要方向誤差對(duì)應(yīng)關(guān)系

        圖2 貫通點(diǎn)位置與貫通誤差關(guān)系Fig.2 The relationship between the position of the penetration point and the penetration error

        綜上所述,提高貫通測(cè)量精度的方法有:在條件允許的情況下采用高精度的測(cè)量?jī)x器。在井下導(dǎo)線延伸到一定長(zhǎng)度時(shí)加測(cè)陀螺邊,減小測(cè)角誤差的累積;在布設(shè)導(dǎo)線的過(guò)程中根據(jù)巷道條件盡可能加大邊長(zhǎng),減少導(dǎo)線點(diǎn)數(shù);在導(dǎo)線測(cè)量時(shí)采用三架法、省點(diǎn)法、支站法減少對(duì)中誤差;在測(cè)角測(cè)距時(shí),儀器多次對(duì)中整平,瞄目標(biāo)時(shí)盡可能瞄垂球線的上部,采用擺動(dòng)觀測(cè)、正倒鏡觀測(cè);盡可能減少望遠(yuǎn)鏡的傾角,調(diào)節(jié)微動(dòng)螺旋時(shí)沿同一方向;適時(shí)進(jìn)行斜邊測(cè)量,對(duì)已測(cè)水平邊長(zhǎng)進(jìn)行檢核。提高井下三角高程測(cè)量精度的方法有:在條件允許的條件下采用高精度的測(cè)量?jī)x器;使用操作熟練的測(cè)量技術(shù)人員進(jìn)行施測(cè);井下三角高程測(cè)量時(shí)通過(guò)2次或多次變儀器高觀測(cè)來(lái)提供測(cè)量精度,避免測(cè)量粗差的產(chǎn)生;井下三角高程測(cè)量時(shí)采用往返測(cè)量。

        4 結(jié)論

        通過(guò)數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)對(duì)采面貫通測(cè)量方案中的若干問(wèn)題進(jìn)行了探討分析,并結(jié)合實(shí)例提出最佳貫通點(diǎn)的選擇原則:在貫通導(dǎo)線長(zhǎng)度一定、導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)一定、測(cè)繪儀器及施測(cè)技術(shù)要求不變的的前提下,最佳貫通點(diǎn)首選切眼中部,其次是切眼兩端順槽中部。實(shí)際施測(cè)過(guò)程中,應(yīng)在保證貫通精度的前提下,控制好巷道中線,使得由導(dǎo)線測(cè)量引起的巷道中線的偏差在容許范圍之內(nèi),同時(shí),通過(guò)合理安排施工組織,使得貫通點(diǎn)盡可能的接近上述位置,確保高精度貫通。當(dāng)貫通精度滿足限差要求,巷道中線偏差超出容許范圍時(shí),應(yīng)通過(guò)加測(cè)陀螺定向邊優(yōu)化測(cè)量導(dǎo)線。最后,結(jié)合工作實(shí)際提出了若干提高貫通測(cè)量精度的方法,對(duì)貫通測(cè)量日常施測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

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