高寒地区沙丘地表、软岩顶板巷道井上下测量基本控制及深井两井贯通技术

白光超,张法才

( 新矿内蒙古能源有限责任公司沙章图矿井筹建处，内蒙古 鄂尔多斯 016215)

新矿内蒙古能源有限责任公司沙章图矿井是基本建设矿井，井田面积49.87 km2，资源量7.23亿t，设计生产能力为500万t/a。

沙章图矿井地理位置位于毛乌苏沙地西南边缘，地表由流动半流动沙丘构成，地面控制点难以稳定埋设，且冬夏及昼夜温差大(夏季最高气温36.6℃，冬季最低气温-27.9℃)、冻土层厚(最大冻土厚度1.71 m)，地面控制点易受温度变化和冻土影响发生位移，影响控制精度。沙章图矿井主井井深755 m、副井深728 m、风井深389.5 m，深度较大，井上下联系测量有一定难度；沙章图矿井可采煤层顶底板多数为泥岩、砂质泥岩等松软地层，井下导线点易变形移动，这些都为测量工作带来了困难。采用地面深埋控制点到冻土以下、陀螺定向、锚杆制作顶板导线点等技术措施，使井上下测量控制网更加稳定、联系测量更加精确，保证测量精度，实现主井、风井高精度两井贯通。

1 测量的主要任务

测量工作的主要任务是建立矿井统一的地面E级GPS平面控制网、进行联系测量、建立井下7”级测量控制系统等[1]。主副井与风井在中央回风上山下段贯通，实现矿井通风，贯通示意图如图1所示。井下测量线路为主副井从主副井定向点经+550井底马头门定向点开始，经过井底车场、+550轨道大巷至一采区回风上山； 风井从风井定向点经风井井底车场至一采区回风上山。在一采区回风上山贯通。贯通距离约2 600 m，导线全长约6 000 m。

图1 贯通示意图

此项贯通工程为两立井之间的巷道贯通,要求贯通误差在允许范围内(水平重要方向小于0.5 m，高程小于0.2 m)[2]，在不增加经济与劳动成本的前提下尽可能的减少贯通偏差从而使巷道准确顺利贯通。

2 采取的主要措施

2.1 建立矿井地面控制网采取的主要措施

(1)采用深埋控制点的方法保证地面控制点的稳定性，实践中采用在需要设点的沙丘高处挖2.3 m深坑，埋2.2 m钢筋用混凝土(上部0.3 m×0.3 m，下部0.5 m×0.5 m柱台)浇注,如图2所示，控制点深入冻土层以下，大幅度降低了温度变化及冻土层对控制点稳定性的影响。(2)埋设后增加测量次数，检查控制点稳定性。控制点稳定后，采用GPS在原有国家二等控制网3个已知点的基础上进行加密测量，平差后作为最终结果[3-5]。

图2 控制点示意图

2.2 联系测量采取的主要措施

联系测量采用陀螺定向，用钢丝传递坐标，用钢尺导入高程。

(1)陀螺定向[1,6]

① 在地面己知边上测定仪器常数

②在井下定向边上测定陀螺方位角

井下设定向边3条，测出陀螺方位角A′。则定向边的地理方位角A为

A=A′+Δ

③求算子午线收敛角

A0=α0+γ0

子午线收敛角γ0的符号由于在中央子午线以东，取为正，其值根据安置仪器点的高斯平面坐标或经纬度运用公式求取。

④求算井下定向边的坐标方位角

井下定向边的坐标方位角则为：

A=A-γ=A′+Δ-γ

详细如图3所示。

图3 陀螺定向计算示意图

(2)坐标传递[1]

①地面井口投点坐标的测定

地面投点的设置：在主副井井口上安置小绞车用于下放一根直径约为1～2 mm的钢丝，钢丝自由、慢速、平稳下放。以井口A1点为起算点，以导线的形式测定主副井中钢丝的坐标位置，如图4所示。

图4 地面坐标投点示意图

②井下坐标的传递

水平角观测：先完成定2-定1-临1导线测量，在临1支设全站仪，对下放钢丝进行摆动观测，待其稳定后以导线的形式测定钢丝1-临1-定1坐标位置。根据定1到定2的陀螺方位角并推算出坐标方位角。测设过程如图5所示。

(3)导入高程[1,7]

在井口和井底各选取一点分别记为A、B，钢尺通过井盖放入井下，到达井底后，挂上一个10 kg垂球，以拉直钢尺，使之居于自由悬挂位置。下放钢尺的同时，在地面及井下安平水准仪，分别在A、B两点所立水准尺上去读数a与b，然后将水准仪照准钢尺。当钢尺挂好后，井上、下同时取读数m和n。同时读数可避免钢尺移动所产生的误差。最后再在A、B水准尺上读数，以检查仪器高度是否发生变动。

图5 井下坐标测定示意图

用点温计测定井上下的温度t1、t2。根据上述测量数据，就能求得A、B两点高差为：

h=(m-n)+(b-a)+∑△L

式中,∑△L为钢尺的总改正数，它包括尺长、温度、拉力和钢尺自重等四项改正数。

计算温度改正数时的温度应取井上下温度的平均值，即t=(t1+t2)/2。对于钢尺的自重改正，可按下式计算：

式中,γ为钢尺的相对密度，即7.8 g/cm3；E为钢尺的弹性系数，等于2×106kg/cm2；(m-n)为井上、下两水准仪视线间的钢尺长度。

钢尺的自重改正数为正号。

导入高程进行3次独立观测，加入各种改正数后，前后两次之差，按《煤矿测量规程》规定不得超过L/8 000(L为井上、下水准仪视线间钢尺长度)。

联系测量中坐标传递和导入高程通过增加测量次数(独立进行3次)，减少了测量误差。提前在井壁加导水装置，减少井壁涌水对测量的影响。

2.3 井下控制测量采取的措施

(1)在井下大巷设导线点，以定向边为起始边，用全站仪按7”级复测支导线对各个导线点进行观测，完成井下测量控制系统。

井下贯通巷道直接顶大部分属于软岩(泥岩)顶板，导线点受软岩影响易移动变形，创新性采用锚杆设立导线点，具体方法是将2.2 m长锚杆一头进行专门加工，易于稳定吊挂线绳，在需要埋设导线点的软岩巷道中用锚索钻机钻至2.2 m，把经过加工的锚杆深入硬度较高的老顶后用锚固剂锚固，稳定后用作导线点,如图6所示。

图6 锚杆作为导线点示意图

(2)井下7”级导线点独立观测2次，在最弱边加测陀螺边，平差后作为井下测量基本控制系统最终结果。

2.4 贯通测量采取的措施

(1)贯通相遇点K在水平重要方向X′方向上的误差预计[1,8-10]：

①主井、风井近井点GPS控制测量引起的K点在X'方向上的误差

式中,a为固定误差，E级GPS网的a≤10 mm;b为比例误差系数，E级GPS网的b≤20 ppm;s为近井点边长;a′为近井点与X′轴之间的夹角。

②主井、风井定向误差引起K′点在X′方向上的误差

=0.030 m

=0.110 m

式中,ρ为比例常数,Mx0为定向误差,mα0为定向中误差,Ry0为与K点的连线在y轴上的投影长。

③由井下导线测角、量边误差引起K点在X′方向上的误差

④K点在X′方向上的预计误差，预计误差为总中误差的两倍。

(2)贯通相遇点K在高程方向上的误差预计

①主井、风井导入高程引起的K点高程误差

式中,MH为导入高程误差;l为井深，m。

②井下三角高程测量引起的K点高程误差

式中,MHl为井下三角高程每千米高程中误差;L为井下导线总长，km。

③井上水准测量引起的K点高程误差

式中,L为井上水准路线总长，km。

④贯通在高程上的总误差

⑤贯通在高程上的预计误差

MH预=2×MH=2×MH=2×0.085=0.170 m

根据《煤矿测量规程》规定，两井间贯通水平方向限差为0.5 m，高程方向限差为0.2 m。本次预计在水平方向上的误差为±0.356 m ，在高程方向误差为±0.170 m，符合要求。

3 实际贯通精度评定

贯通后及时进行了联测，主要技术指标为：导线全长：6 028.9 m，角度闭合差(H15-H13)：0°0′47″,坐标闭合差(H15点)：ΔX=0.022 m，ΔY=0.297 m，ΔZ=0.157 m，导线闭合差：0.298 m，导线相对精度 1/20 240。

4 结 论

本文针对沙章图矿井在地面控制点稳定性差、联系测量难度大、软岩顶板导线点易变形等不利因素，技术上采用深埋测量控制点到冻土层以下、锚杆加工后用作软岩顶板的导线点、深井联系测量增加观测次数等技术方案，有效提高测量精度，减少长距离两井贯通的贯通误差，主要获得研究成果如下：

(1)在高寒地区冻土层厚、易移动沙丘地表，通过增加地面控制点的埋深到冻土层以下，来提高测量控制点的稳定性。

(2)在软岩顶板巷道中，利用专门加工的锚杆深入到稳定岩层作为井下导线点，以提高井下导线点的稳定和精度。

(3)深井联系测量增加观测次数对提高联系测量精度有较明显的效果。

(4)采用误差预计、科学制定贯通方案保证两井间高精度贯通，为矿井生产保驾护航。