超大型贯通测量人为干预的实践

张 燚，刘明轩，徐健凯，李治龙

(陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

在矿井生产工作中，测量是一项举足轻重的工作，尤其对矿井最重要的贯通工程，贯通测量可能会关系到整个矿井的安全建设与生产[1-2]。

近些年来我国的航空航天发展迅速，基于卫星的测量新科技也得到大大的加强，地面测量也摆脱了老式测量方法，运用全新的测量技术，不仅使测量变得轻巧、方便、精准，而且在布设地面控制网时也得到了非常广泛的应用[3-4]。由于矿井的特殊性，给基于卫星基础的测量技术形成了屏障，井下不能进行卫星信号与定位[5]，这时传统导线测量就是矿井工程测量的最后保障[6-7]。

随着矿山生产工艺的不断发展，采煤工作面的不断扩大，工作面顺槽的长度已经发展到一个前所未有的新高，很多矿井开采顺槽总长度都达到了10 km以上。为了适应超大型贯通测量任务要求，在井下导线测量过程中，引入陀螺定向[8-9]，根据已有巷道测量导线进行贯通测量并且加测陀螺定向边，对贯通点位置水平误差进行估算，得到测量需要精度[10-13]。正文根据陕西有色杭来湾煤矿井下二盘区首采长距离工作面生产设计要求，设计以陀螺定向为核心的超大型贯通测量方案。通过实际测量过程中首次采用结合经验改正陀螺定向角度，建立“安全区间”的措施导致出现一个可以接受的实际误差，引入对“人工干预”的讨论与研究。

1 工程概况

陕西有色杭来湾煤矿30201工作面位于该矿区南端，是该盘区首采工作面，工作面走向为228°，走向长度为6.1 km，工作面长度为0.3 km，该工作面设置胶、辅、回3条顺槽。回风顺槽采用单巷掘进，胶、辅顺槽采用双巷掘进。此次贯通导线闭合距离达到12.5 km，属于超大型贯通。工作面概况如图1所示。

图1 30201工作面示意Fig.1 Layout of 30201 working face

2 方案设计

2.1 选定测量路线

本次7″级控制导线网全长12.49 km，路线为①30201胶运顺槽—切眼;②30201回风顺槽—切眼，实行双巷同时掘进。

2.2 各方向允许偏差

根据30201工作面设计及总工程师要求，水平重要方向允许偏差不大于±0.6 m；巷道沿煤层底板预留0.8～1 m掘进，竖直方向不考虑偏差。

2.3 选定使用的设备

根据工程特点及精度要求选用仪器设备应按国家《计量法》第25条的规定执行，定期送仪器鉴定部门进行保养、校核、鉴定，如有不合格的仪器不得在工程中使用。

日常放线及导线测量使用仪器：采用拓普康GT1001型全站仪，仪器测角精度为±1″。

测距标称精度：±(1 mm+1×106×D)，检定合格无误，可满足测量要求，故选用其作为本次测量工程使用仪器。

陀螺定向使用仪器：陀螺定向采用议价招标的方式进行，定向中误差不得大于±5″。

2.4 实测方案设计

设计依据：《煤矿测量规程》和《30201工作面设计施工平、断面图》。

误差来源分析：加测坚强陀螺定向边的误差、仪器对中所产生的测角误差、光电测距误差、人员操作和环境影响误差。其他可忽略不计。

限差要求：本次贯通测量采用1″级全站仪实施测量，布设7″级闭合导线，其间胶运、回风顺槽加测3条陀螺坚强边，共计6条，具体要求见表1和表2。

表1 水平角观测采用仪器及作业要求Table 1 Instruments and operation requirements for horizontal angle observation

表2 倾角小于30°的井巷中水平角观测限差要求Table 2 Requirements for horizontal angle observation limit in roadway with inclination less than 30°

陀螺定向观测限差要求：同一条边任意两测回陀螺方位角的互差不得超过10″；测前方位值与测后方位值之差不得大于10″。

3 贯通参数确定及误差预计

3.1 测量误差参数确定

根据本矿1″级拓普康GT1001仪器井下106站2次独立观测求得2个测回平均值的测角中误差mβ=3.3″；测距中误差ml=±(0.9+1.1D)mm；陀螺定向中误差ma=±5″；井巷掘进中，为了保证综采工作面的宽度产生的偏差在允许范围内，选取切眼方向为贯通重要方向，定为x′轴，垂直于切眼方向即沿顺槽掘进方向定为y′轴，以贯通点K为原点，建立误差预计假定坐标系。

3.2 贯通误差预计

由导线测角误差引起K点在x′上的误差预计

式中，ρ为弧度与角度转换常数，206 265；η为导线边在x′上的投影长度；Ry′为导线边在y′上的投影长度。

由导线量边误差引起K点在x′上的误差预计

式中，α为各陀螺重心过k点与x′的夹角。

由陀螺定向误差引起K点在x′上的误差预计

式中，Ry′O为各陀螺重心之间的连线在y′上的投影长度。

K点在水平重要方向x′上的预计误差

3.3 竖直方向的误差预计

因工作面巷道是顺煤层掘进(煤层近水平)，故忽略竖直方向上的误差，不做预计。

3.4 综合误差预计

取2倍的中误差作为贯通的预计误差

Mx′预=2Mx′k=±0.258 m<0.6 m

预计误差小于容许偏差值，说明理论贯通设计合理。

4 实际贯通测量成果与精度分析

4.1 实际贯通测量成果

在实际测量工作中，遇到了很多影响精度的情况，首先是回风顺槽支导线延伸问题，因30201工作面是杭来湾煤矿二盘区首个工作面，回风顺槽为单巷掘进，且30201工作面不设置腰巷，回风顺槽单巷延伸测量工作的难度加大。在这种情况下，陀螺定向改正很难保证单支导线延伸精度。在具体解决过程中，结合陀螺定向采取分段改正，每次根据不同情况，向陀螺方向适当改正。并且在下一段陀螺定向时，将上段的陀螺定向边重新复核，根据平均结果来审核上段改正角度的合理性，再利用本段陀螺定向与上段改正结合来适当修正本段支导线，使每一段陀螺边改正都控制在一个合理的区间内，让巷道的方向在直线偏离最小。

其次，对于超大型巷道贯通而言，不仅要保证巷道的顺利贯通，还要保证2条巷道平行不偏离方位。这样才能对后续工作面不造成影响，形成良性循环。在对回风顺槽方向加以严格改正的同时，对与其齐头并进的胶运顺槽也采取相对的改正。利用成对出现的陀螺边，分析2条巷道相对于陀螺定向边的方位平行情况，根据情况的不同，人为干预，相应改正，并留有一定的缓冲角度，以便应对由于陀螺定向失误导致的粗差出现，一定情况下减少对陀螺定向的依赖程度，留足“安全区间”。

4.2 精度分析

2020年12月底，30201工作面顺利贯通。贯通后，第一时间对胶运顺槽与回风顺槽进行导线闭合测量，实测贯通数据。

角度闭合差：fβ实= 30.01″

坐标闭合差：fx= 359 mm,fy= 147 mm,

fs= 388 mm

相对闭合差：1/T=fs/12 473.152=1/32 147

实测数据角度闭合差小于《煤矿测量规程》7″级导线角度容许差84.26″，且小于方案设计5″级导线角度容许差60.19″，符合要求；相对闭合差小于规定1/15 000，符合要求；坐标闭合差388 mm小于设计要求600 mm大于误差预计值258 mm，符合设计要求，不符合预计要求。经复盘测量整个过程，发现导线在重要方向上的误差预计其实并不高，反而6条坚强陀螺定向边重心点误差预计占其比重较大。所以归结原因主要有2个：①井下实测环境。实测时因井下环境时常不理想，例如：空气湿度大、能见度低、交叉作业、底煤不稳等，往往会让测量在精度上下降，不可避免。②在陀螺定向上，本工作面首次采用的“人工干预”留足“安全区间”的方法或多或少会出现一些误差。虽然实测误差较预计误差高，但是在权衡利弊后得出，超出130 mm预计对于超大型巷道贯通来说，在可承受范围之内。

5 结论

依据杭来湾煤矿二盘区30201工作面贯通情况，在超大型巷道贯通测量设计中陀螺定向重心权重占误差比例的绝大部分，一定程度上说明陀螺定向的重要性，反映出该测量贯通方案的不足之处。该工程虽达到了设计要求，但出现的问题也值得深入研究，对凭借经验“人工干预”的手段，很大程度上取决于决策者的以往经验，如何降低经验要求并提高陀螺定向可靠性将成为超大型贯通测量设计的研究方向。