复杂地质条件下大型贯通测量的研究

周 琳

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

大型贯通测量是矿山测量工作的一项重要工作[1]。矿井的顺利贯通能够有效加快矿井的建设速度，缩短建井的周期，提高矿井的年产量[2-4]。井下巷道的安全、准确贯通出现失误，将会给矿井的生产、安全带来不可估量的经济损失。羊东矿面临开采深度大、井下压力大、地质情况复杂、开采水平多等问题，因此要保证贯通测量的安全、准确贯通，必须选择合理的贯通方案，并采用现代先进的测量技术。

1 地面控制网的建立

1.1 测区概况

羊东矿位于太行山东麓，西侧为山间盆地，东侧是倾斜平原，最高海拔891 m，地势平坦。新建工业广场内设计开凿羊东副井和风井。羊东副井开凿到-850 m水平后施工水平大巷，在-850 m水平大巷施工52回风巷道时与羊二井在回风巷道中贯通。羊二井与羊东副井直线距离约4.1 km，井下贯通导线水平长度为6500 m，属于大型贯通。羊二井井深约250 m，羊东副井井深约980 m，两井高差730 m，属于深井开采。在-400 m处的大巷岩层松动严重，稳定性差，地质条件复杂。该贯通测量属于地质条件复杂的深井大型贯通测量。

1.2 GPS控制网设计方案

羊东矿贯通测量地面控制网布设等级为E级GPS控制网[5]，共测量7个控制点，即：彭厢北、科技楼、变电所、604A、绞车房、皮带走廊、蒋村东2。其中变电所、绞车房、皮带走廊3个点为新布设点，604A、科技楼为Ⅵ等三角点，彭厢北、蒋村东2为Ⅵ等GPS点。布设的GPS控制网示意图如图1。

图1 羊东矿贯通测量地面控制网示意图

1.3 GPS控制网施测

（1）GPS控制网共测量7个控制点，观测方案为四边形网格法，即任两点间均有两个以上同步观测时段，达到控制网最合理，各控制点等精度观测。GPS控制网外业观测采用四台Trimble GPS接收机进行精密相对定位观测，采用3个时段进行观测，每个时段观测1 h。每个时段观测3个同步环，6条基线边。

（2）GPS控制网内业数据处理。外业观测的GPS卫星数据在中海达HDS软件中进行基线解算和平差处理，对于两台及两台以上GPS接收机同步观测值进行独立基线向量（坐标差）的平差计算。其主要处理流程如图2。

图2 基线解算流程

（3）坐标成果采用四点约束平差。蒋村东2、彭厢北为Ⅵ等GPS点，604A、科技楼为Ⅵ等三角点，其精度均为Ⅵ等。为了保持控制点成果的一致性，四点同时作为该网平面控制的起算点。平面距离平差结果见表1。

表1 平面距离平差值

其中，距离中误差最小的边为“彭厢北-变电所”、“变电所-蒋村东2”和“604A-变电所”，中误差均为±4.7 mm；最大的边为“变电所-绞车房”，中误差为±7.1 mm。平差后平面点位精度最高的点为“变电所”，点位中误差为±4.7 mm；平面点位精度最低的点为“绞车房”，点位中误差为±6.5 mm。4个Ⅵ等点同时作为全控制网的起算点，整个网精度均匀，保证新建GPS控制点的精度。

根据对羊东矿E级GPS控制网的精度分析，选用4个高级点作为起算点的约束平差作为最终成果，达到平差方案优化的目的，为矿井建设和井下大型贯通测量提供可靠的基础数据。最终的平差成果见表2。

表2 控制网平面坐标成果

2 井下陀螺定向和导线测量

2.1 陀螺定向

（1）当加测陀螺定向边时，要考虑加测的陀螺定向边的最佳位置的选定。因为当增加K条陀螺定向边时，便将整个导线分成K+1段[6]。当加测一条陀螺边时，其导线终点位置横向误差的计算式为：

式中：Mq为导线终点的横向中误差；mα为陀螺定向边的定向中误差（设各定向边的定向中误差相同）；mβ为导线的测角中误差；L为等边直伸形导线边长。

根据要加测陀螺边的最佳位置要求，即：横向中误差的平方和最小。同理当加测K条陀螺边时，横向中误差为：

其中最佳位置为：

式中：Ti表示加测的第i条陀螺定向边（i=1、2、……K）。

考虑到井下的环境，并综合考虑各项误差条件，最终将加测陀螺边的最佳位置确定为5条，如图3所示。

图3 陀螺定向边位置示意图

（2）陀螺全站仪定向成果精度分析

羊东矿井下5条边的陀螺全站仪定向测量工作，共进行6次定向测量，副井井下进行4次，羊二井井下进行2次，采用逆转点法[7]。陀螺定向成果见表3。

根据表3计算数据，定向精度均达到了该陀螺全站仪标称精度±20″的要求，达到了7″级基本控制导线的陀螺经纬仪定向精度不得低于±10″的要求。

表3 羊东矿井下陀螺定向成果汇总表

2.2 井下导线布设

井下平面控制网主要布设在井下的巷道中，受矿井客观条件的限制，只能布设成导线的形式，井下导线施测方案为：

（1）以羊二井V14、C30、846、845、A、F1为导线的平面起算数据，C30、F1为高程起算数据进行施测；

（2）导线全长6 450.118 m，沿线布设66个导线点，导线平均边长94.855 m，导线测量严格按照井下7"导线要求测量；

（3）在井下导线上加测5条陀螺定向边以提高井下导线控制精度，满足精度及施工要求。

2.3 井下导线测量成果及精度分析

贯通测量井下导线成果见表4、表5。

由表4、表5可知测角中误差±3.95″、最大点位中误差±2.4 cm，最大点间中误差±0.6 cm，最大角度闭合差Wa=-30.10″，最大导线全长相对闭合差1/66 208等具体精度指标分析，说明羊东矿贯通测量导线精度高，各项精度符合井下7″导线的要求。

表4 网形及精度统计表

表5 导线段闭合差

2.4 贯通精度分析

（1）贯通相遇点处精度分析

羊二井从井底C30，按照复测支导线要求，测至点549，羊东副井从井底F1，测至B4，贯通位于551—B4之间，贯通后测至549，因此方位角推算至549—551，点位推算至549。549点位坐标推算比较见表6。

从表6可以看出，高程差值为-0.127 m＜±0.2 m；从点位误差计算，支导线全长相对闭合差为1/8100＜1/6000，完全符合规程要求。贯通位置如图4。

图4 贯通位置示意图

贯通位置预计位于点551和B4之间。通过对贯通的中线偏差进行实地量测，在贯通相遇点中线实际偏差为0.351 m，小于允许偏差0.400 m；腰线实际偏差为0.127 m，小于允许偏差0.200 m。贯通效果良好，达到了贯通工程精度要求。

3 结论

本文结合羊东矿大型贯通项目，对大型贯通测量方案进行研究，羊东副井地面导线长1 101.608 m，井下贯通导线长6 450.118 m，贯通距离总长为12 872.883 m。取得以下研究成果：采用E级GPS控制测量，建立羊东矿的地面控制网，并对GPS控制网布设方案进行优化，通过约束平差，经过分析得出最优平差结果。井下采用光电测距导线和陀螺定向，将井上坐标投传到井下，显著提高了井下导线边方位角的精度和可靠性。通过对井下最优贯通位置的分析，确定最佳陀螺定向边条数的配置，在井下导线上加测5条陀螺定向边，提高井下导线控制精度，有效地控制贯通相遇点的点位误差，确保了羊东副井至羊二井的顺利贯通。经现场测量和精度评定成果表明，本次贯通测量观测成果全部达到并超过贯通设计及工程需要的精度，测量设计方案科学合理，行之有效，成果可靠。