申家庄煤矿突水封堵点精确定位研究

刘 冰，马铱涵

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作454003;2.河南中纬测绘规划信息工程有限公司，河南焦作454000)

1 工程概述

申家庄煤矿为河北省峰峰集团下属的煤矿，位于河北磁县境内，该矿为斜井开拓，煤层平均厚度4.15 m。此次测量工作是由于申家庄煤矿2302工作面出现透水事故，导致该工作面被淹，严重影响煤炭生产。为了封堵出水点，需要对该井上下钻孔位置进行精确测量定位。

1.1 测量任务要求

(1)地面控制测量:利用该矿提供的工业广场上的“新洗煤楼”和“新南山”两个控制点，对打钻地点进行测量，确定钻孔地面三维坐标。

(2)井下7″导线测量:对该矿指定巷道导线进行导线测量，精度为7″导线，约4.5 km，并对导线点施测三角高程。

(3)陀螺定向测量:对施测导线在离井口约2 km和4 km处各施测陀螺定向边。

(4)导线资料改算:由于离2302工作面有约1.5 km巷道已被水淹，无法进行导线测量，需要根据该矿提供的导线资料进行改化计算。

作业依据《煤矿测量规程》［1］，平面坐标系统为接近“国家统一分带的3°带第38带，中央子午线为东经114°，1954年北京坐标系”的独立坐标系［2－3］，高程系统为1985年国家高程基准(见表1)。

图1 测量路线示意图

表1 作业依据

2 地面控制测量

2.1 地面矿区一级导线测量

对于申家庄矿地面控制测量，利用该矿提供的工业广场上的“新洗煤楼”和“新南山”两个控制点，对打钻地点进行测量，确定钻孔地面三维坐标。此次采用SOKKIA SET2 130R3型全站仪(测角2″，测距(2+2ppm×D)mm)，按矿区地表的平面一级导线控制要求来进行测角和测距工作。水平角和垂直角测角观测为4测回，距离、高差应进行正返觇观测。此次测定新控制点9个，地面控制导线总长度9 947.1 m。

2.2 地面钻孔位置测量

对于申家庄矿2302工作面堵场地面钻孔位置测定，水平角测角1测回，垂直角观测2个测回，高程为单向三角高程，确定钻孔地面三维坐标。钻孔位置测量总长度为2 137.4 m。测量钻孔5个，由于钻孔位置改变，孔1、孔2为矿上测量，已经应用本成果资料改算后的坐标。

3 井下陀螺全站仪定向测量

3.1 陀螺全站仪定向方法及程序

本次陀螺定向依据《煤矿测量规程》有关规定进行。

(1)使用仪器:采用与全站仪配套的陀螺仪(96800 GP－1)，标称精度为一测回测量方位角中误差为 ±20″。

(2)操作方法:通过逆转点法［4－5］，跟踪5个逆转点，根据中位数摆动舒勒平均值法求取逆转点摆动中值。

(3)定向程序:采用3－2－3的程序，即下井前在地面已知边上测定仪器常数3次，井下待定边上测定陀螺方位角2次，上井后在原来测定仪器常数的已知边上再测定仪器常数3次。

3.2 陀螺全站仪定向成果计算

为了完成申家庄煤矿《地面控制测量及井上下陀螺定向和7″导线测量》项目，于2012年7月13日至2012年7月28日期间进行了该矿井下两条边的陀螺全站仪定向测量工作。陀螺全站仪定向数据处理成果及相关说明如下。

3.2.1 陀螺定向边的精度评定

陀螺全站仪定向精度评定公式为:

式中:mα—陀螺定向边坐标方位角的中误差;

mΔ平—陀螺仪器常数测定平均值的中误差;

mT'平—井下待定边陀螺方位角平均值的中误差;

mΔ—一次测定陀螺方位角的中误差;

n0—陀螺经纬仪仪器常数测定的测回数;

n—为井下定向边测定陀螺方位角的测回数。

3.2.2 陀螺全站仪定向成果精度分析

地面陀螺常数测定分别在“新洗煤楼”、“新南山”两个近井点上进行，每次测3个测回，测定仪器常数6个，取平均值参与计算。井下陀螺边设定于3#探巷绕道“T1－T2”，考虑到距离起始点较远，测3个测回;另一条陀螺边设定于－200车场绕道口“T25－T26”，测2个测回。

由此可计算出，一次测定陀螺方位角的中误差为±12.5″，仪器常数平均值的中误差为±5.1″。“T1－T2”边陀螺定向方位角为154°14'28.7″，其中误差为 ±8.8″，“T25 － T26”边陀螺定向方位角为 122°03'－11.3″，其中误差为±9.9″，均达到了该陀螺全站仪标称精度±20″的要求，也达到了《煤矿测量规程》的要求。这样高的精度为以后减小重要的水平方向的偏差奠定了良好的技术基础。

4 井下导线测量

4.1 井下连接测量

由于申家庄煤矿的开拓方式为斜井运输，地面的连测工作可直接从地面按导线测量方式进行引测，即由“新洗煤楼”点，后视“新南山”，连测到斜井口，再测量到井底。

4.2 井下导线测量

井下导线采用的全站仪与地面测量的相同。导线精度为7″施测，水平角、垂直角和边长均观测2个测回。对于15 m以下的边长或角度两边之比大于3的角度，水平角观测3个测回。往返测边长经改正后化平距后的互差小于边长的1/6 000。另外使用两陀螺边之间的导线进行简易平差。利用清华山维公司的NASEW平差软件来求取井下导线点坐标。

4.3 井下导线平差计算

4.3.1 第1次井下导线测量

第1次井下导线测量，共测量角度46个，边数49条，导线点个数51个，导线全长5 027.667 m。第1段从“新洗煤楼”到“T25”，水平长度2 598.633 m，测角21个。假设井上起算边坐标方位角中误差ma1=±5″，井下陀螺定向边方位角中误差为ma2=±20″，那么第1段方向附合导线的方位角允许闭合差为:

实际闭合差为f1实际= －8.9″，在9个短边角度上平均分配。第2段从“T26”到“T1”，水平长度1 544.082 m，测角18个，方位角允许闭合差为:

实际闭合差为f2实际=－72.0″，在18个角度上平均分配。从“T1”至最后“70”点为支导线，长度为242.767 m。

4.3.2 第2次井下导线测量

第2次井下导线测量，共测量角度48个，边数50条，导线点个数53个，导线与第1次基本相同。第1段从“新洗煤楼”到“T25”，测角22个，方位角允许闭合差为:

实际闭合差为f1实际=－1.4″，在2个短边角度上平均分配。第2段从“T26”到“T1”，测角18个，方位角允许闭合差为:

实际闭合差为f2实际=－28.3″，在18个角度上平均分配。

4.3.3 井下7″导线测量最终成果

由于两次井下导线测量均按相同的精度进行施测，故取两次测量的坐标的平均值作为最终成果。这样在一定程度上提高了坐标的精确度。

4.4 井下导线测量计算成果精度分析

4.4.1 方向附合导线闭合差精度分析

根据《煤炭测量规程》的要求，井下7″导线，每1.5～2 km均需要加测一条陀螺定向边，此次导线测量加测了2条陀螺定向边［6］，因此导线为方向附合导线。数据见表2。

表2 方向附合导线方位角闭合差分析

由表2可知，两次测量的方位角闭合差均未超限，且精度较高，完全符合《煤炭测量规程》的要求。

4.4.2 方向附合导线全长相对闭合差精度分析

此次井下导线分为3段，第1段“新洗煤楼—T25”、第2段“T26—T1”、第3段“T1—70”，第1、2段为方向附合导线，第3段为支导线。又因为此次井下导线测两遍，故为方向附合导线复测支导线。见表3。

表3 方向附合导线相对角闭合差分析 m

第1段和全段导线的相对闭合差均远小于1/8 000，说明导线相对闭合差精度高，完全符合《规程》要求。

4.4.3 方向附合导线高程精度分析

从表3中数据可知，第1段“新洗煤楼—T25”，△H=－4 mm。导线全段“新洗煤楼—45”，△H=+1 mm，说明导线高程闭合差精度高，完全符合《煤炭测量规程》要求。

5 矿上支导线资料及井下钻孔坐标改算

5.1 资料来源

由于申家庄煤矿70号点以南的下山方向巷道被水淹没，无法进行导线测量，只能根据矿方提供的原始资料进行坐标改算。原始数据资料来源于“磁县申家庄煤矿测量成果台账”及“申家庄矿堵水工程钻场布置图”。

5.2 矿上导线资料和井下钻孔坐标改算

5.2.1 对近井点进行简要评述

因为该矿的地面近井点为井下的导线点按15″导线精度的要求进行返测到地面后所建，这属于测量上的“低级控制高级”。这种控制测量的方式明显违背了测量的基本准则，但是由于抢险救灾，恢复生产等多方面原因，在短期内难以建立地面基本控制网并进行联测的情况下，被迫应用当前的两个地面近井点，即“新洗煤楼XXML”和“新南山XNS”来进行该项测量工作。很显然，这种坐标系统属于独立坐标系。另外由于该矿测量上的历史原因，并没有将所测边长换算到大地水准面和高斯投影面上，即所谓的两差改正，所以为了与矿方资料保持一致性，因此此次测量成果亦未进行上述两差改正。

5.2.2 改算方法

由于井上下所有测量资料的起算点为“新洗煤楼”，起算方位为“新洗煤楼—新南山”，起算点坐标和方位的误差会传递到地面和井下，因此，此次所有测量资料均在其基础上进行计算，包括地面控制测量资料和井下7″导线资料。

对于“矿上导线资料”和“申家庄矿堵水工程钻场布置图”中的钻孔位置，其改算方法为:以“新洗煤楼”为中心，以“新洗煤楼”至“45”为标准，方向为153°45'36.30″和标准长度为 3 366.655 m，而“新洗煤楼”至“原45”的坐标方位角为153°46'56.29″，长度为3 366.191 m。先将“矿上导线资料”和钻孔位置进行旋转，逆时针旋转角度为1'19.99″;然后以“新洗煤楼”为中心对其进行放大，放大系数为1.000 137 841。得到“矿上导线资料”和钻孔位置的改算后坐标。

6 结论

此次申家庄煤矿测量项目完全按《煤矿测量规程》中规定要求进行，各项测量成果资料完全满足《煤矿测量规程》规定的各项精度指标。依据此次的测量成果，按照经过改算后的钻孔坐标进行打钻封堵出水点的工作，所有钻孔均在误差范围之内打通，成功封堵住了出水点，该成果可为同类测量工作提供较好的借鉴作用。

［1］ 中华人民共和国能源部.煤矿测量规程［M］.北京:煤炭工业出版社，1989.

［2］ 刘绍堂，蒋瑞波，苏轩.陀螺全站仪在矿井联系测量中的应用［J］.测绘科学，2011(2):94－96.

［3］ 梁洪有，张健雄，王宝山，等.古汉山－位村煤矿贯通测量地面控制网建设［J］.煤炭科学技术，2006，34(7):62－65.

［4］ 孙金礼，陈杰.煤矿井下巷道贯通测量精度分析及技术方法［J］.煤炭科学技术，2010，38(6):112－114.

［5］ 高福聚，高铁军.逆转点法、中天法、时差法定向比较［J］.矿山测量，1994(4):3－6.

［6］ 张立志.贯通测量方案的选择与误差预计［J］.煤炭技术，2008，27(7):140－141.