大型矿山高精度贯通测量的质量控制与精度评定

汤立坤TANG Li-kun

（内蒙古蒙东能源有限公司，呼伦贝尔 021100）

0 引言

贯通测量对煤矿开采前的基础建设起着至关重要的作用，直接贯穿于煤矿建设与生产的整个过程。若贯通测量过程中出现差错导致不能贯通或贯通结合处偏差值超限，则会发生较为严重的工程事故。轻则重整矿山巷道，改变原有的设计方案；重则废弃巷道，使矿山企业承担较大的经济损失，影响企业发展。可见，为保证安全的贯通测量，则必须进行质量控制与精度评定，使施工人员做到对贯通偏差心中有数，进而保证工程质量符合预期要求。我国学者针对煤矿巷道内贯通测量技术的应用也提出了对应见解。许永杰[1]在文章中表示，由于煤矿作业中井下巷道施工具有一定的危险性与不确定性，所以通过采用三维激光扫描、贯通精度控制以及建立专用的地面控制网可有效把控施工精度。王宗伟、史志强[2]等人也通过结合贯通相遇K 在水平和高程上的误差值，优化设计了贯通测量方案。但在实际使用中，现有的质量控制措施却出现了实施难度高、应用成本大等弊端问题。因此，本文通过结合敏东一矿16-3 煤层回采面工作实际情况，针对性提出高精度贯通测量的质量控制措施与精度评定方法，以降低贯通测量误差发生概率，助力大型矿山的高效施工。

1 工程概况

敏东一矿16-3 煤层Ⅰ0216302 回采工作面掘进区域设计东西走向长3436.4m、工作面掘进区域南北设计倾向宽220m。该工作面贯通采用相向对头贯通，贯通相遇点K点在开切眼中部，此贯通类型属沿煤层贯通，只考虑中线不考虑腰线，所以此贯通在高程方向不在误差预计。

此次贯通工作面门点拉门点在北一盘区轨道上山内，在BK 基控±15″级导线基础上引测采区控制±30″级支导线至切眼相遇点K，其导线全长8024.4m，测站数约88 站。导线路线：北一盘区轨道大巷→16-3 煤层Ⅰ0216302 工作面运输顺槽车场→Ⅰ0216302 工作面运输顺槽→切眼→16-3煤层Ⅰ0216302 工作面回风顺槽→Ⅰ0116300 工作面回风顺槽联络巷→北一盘区轨道大巷。由于此贯通属于采区内单一工作面贯通，虽然贯通距离超过1.5-2.0km，但考虑是采区控制±30″导线，故不加设陀螺定向边。

2 贯通测量作业方式

2.1 井下导线测量

为满足16-3 煤层I0216302 掘进工作面顺利贯通并满足《煤矿测量规程》规定的限差要求，采取井下导线贯通测量作业方式。

本次井下导线布设按照测角精度分为±15″与±30″两级，主要技术指标见表1。

表1 基本控制导线的主要技术指标

布设从井底车场的起始边开始，沿矿井主要巷道布设，并以支导线形式向前延伸。导线点应选在顶板完好，无淋水，通视良好便于观测的地点，边长在允许范围内应尽量加长。在延长导线时，检查角按±15″级导线不符值不超过±40″的要求进行检测，边长也应相应检查[3]。

2.2 水平角测量误差分析

本次井下水平角测量误差来源主要为仪器误差、测角方法误差与对中误差。

2.2.1 仪器误差

针对敏东一矿16-3 煤层Ⅰ0216302 回采工作面的情况，井下水平角测量仪器误差的来源主要包括以下三个方面：①水平轴不垂直的误差：是由于多次设置全站仪的过程中存在的水平轴偏差。可通过每次在北一盘区轨道大巷、工作面运输顺槽车场、切眼和其他关键位置设置仪器时，使用水准泡确保设备完全水平，解决该仪器误差。②仪器中心线与站线不垂直的误差：是由于导线全长和多个测站导致的误差累积。解决方案为：在关键位置如切眼相遇点K 进行测量时，特别要确保全站仪的中心线与站线垂直，并定期进行校验。③望远镜受到地磁或温度影响的误差：是由于导线路径中的多种工作环境所导致望远镜受到温度和地磁的变化影响，进而出现数值误差。可通过选择在温度相对稳定的时段进行测量，并使用抗磁的专业测量设备解决该误差问题。

2.2.2 测角方法误差

测回法测角时，其测角方法误差是由照准误差和读数误差引起的，计算公式如式（1）所示：

该式中，mv为照准误差，m0为读数误差，n 为测绘数。假设mv=3mm，m0=1mm 时，一个测绘时mi=3.2mm；两个测绘时mi=2.2mm[4]。由此可知，在井下导线布设中，增加测绘数可有效减小测量角方法误差。

2.2.3 对中误差

对中误差是由全站仪和前后视棱镜对钟先亮误差引起的水平角测量误差，对贯通测量精度有着直接影响。当前后视棱镜的对中线量误差相同（pA=pB），全站仪对中线量误差为pk时：

结合井下实际情况，一般边长近似相等，而水平角近于180°。由此可将上式简化为：

令a=150m，p=2mm，则有mp=4.7″；若令a=50m，p=2mm，则有mp=14.3″。由此可知，在井下贯通实际测量中，短边对水平角测量的影响较大，容易造成较大的数据误差，所以在短边观测中技术人员应重点关注短边或减少短边。

3 高精度贯通测量质量控制措施

3.1 专用控制网

受敏东一矿持续开采影响，开采区与三角点位置会出现较大变化，原有得出地表布置网位置测量值极易出现较大误差。因此，在进行“敏东一矿16-3 煤层Ⅰ0216302 回采工作面”的高精度贯通测量时，建立专用控制网至关重要。专用控制网提供了高精度的参考基准，确保测量过程的精确性和一致性。特别是考虑到工作面的贯通特点和长距离，控制网能为定位提供准确坐标基准，减少地形变化带来的误差，同时方便后续测量和管理，提高整个贯通过程的安全性与工作效率。设计方案如下：

3.1.1 建立轴线控制网

①目标设定：根据贯通的具体情况，工作目标为确保Ⅰ0216302 工作面贯通的高精度，在北一盘区轨道上山内的BK 基控±15″级导线基础上，引测至贯通相遇点K 的采区控制±30″级支导线[5]。

②网形选择：由于是采区内单一工作面的贯通，采用闭合式的线型控制网。确保从北一盘区轨道大巷开始，经过各个重要工作区域，最终回到北一盘区轨道大巷的相对位置精度。

③控制点设置：1）在导线路线上设置控制点，特别是在贯通关键区域如16-3 煤层Ⅰ0216302 工作面运输顺槽车场、切眼和回风顺槽。2）利用BK 基控±15″级导线，结合采区控制±30″级支导线确保控制点精度。

④观测方法：1）采用高精度全站仪进行观测，确保控制点的相对位置精度。2）根据贯通的特点，至少对每个控制点进行两次独立观测，确保测量的一致性和可靠性[6]。

⑤数据处理：1）使用最小二乘法对观测数据进行平差。2）由于贯通只考虑中线不考虑腰线，并且在高程方向不预计误差，所以数据处理时主要考虑横向的相对位置精度。3）对观测数据进行误差分析，确保其满足±30″的精度要求。

⑥质量控制：1）定期检查控制点的稳定性，特别是在工作面动态变化的区域。2）虽然此次贯通的导线全长8024.4m，测站数约为88 站，但需要确保每个测站的测量数据都满足精度要求。3）虽然贯通距离超过1.5-2.0km，但由于是采区控制，所以不加设陀螺定向边。但仍需确保每个测量段的精度。

⑦总结：针对敏东一矿16-3 煤层Ⅰ0216302 回采工作面的贯通情况，专用地表控制网的设计需确保从北一盘区轨道大巷开始，经过各个关键工作区域，至贯通相遇点K的所有测量数据都满足±30″的精度要求，保证本次贯通工作的高质量进行。

3.1.2 建立厂区高程控制网

为保证贯通测量可得到可靠的起算依据，同时可随时检查水准点的稳定性，可通过在现场建立水准基点组，点数不少于5 个，用Ⅱ等水准测定，每隔2～3h，检查水准点是否变动，完成水准点联测[7]。且在水准点实测观测时，水准视线长度不得大于40m，测站前后视距离之差不得大于1.5m，两水准点间前后视累计差不大于3m，视线距地面高度不小于0.5m，水准基点的深度不得小于1.5m，高程的测量差不大于±0.6mm。

3.2 巷道导线精度测量要点

在本次项目横向大巷道贯通工程中，存在涉及较多步骤的测量导线，涉及站点106 个，具体测量需充分结合巷道测量方案标准及相关规程，保证布置和测量的合理性与真实性。因此，为降低对准、对中误差所带来的干扰，除以上提出的利用公式降低误差外，在测量环节在中：第一，确保数据准确性：基于BK 基控±15″级导线，采用采区控制±30″级支导线进行测量，进而确保数据准确性。第二，确保对齐精度：考虑到贯通类型为相向对头贯通，并且贯通相遇点K 点位于开切眼中部，需要对K 点进行高精度测量和校准以确保起点与终点精确对齐。第三，确保设备校准：所有测量设备必须经过严格校准，以最大限度减少仪器误差对测量精度的影响。第四，建立测量日志：建立详细的测量日志，记录所有测量条件和参数，用于后期数据分析和校正。第五，完成数据验证：在测量完成后，进行数据复核与二次测量，确保测量结果的准确性和可靠性。通过以上措施，旨在确保整个贯通工程的导线布设和测量达到预定的高精度标准，以满足工程贯通的精度和安全要求。

3.3 校正要点

本次巷道贯通项目需重点关注井下巷道布置网及矿区映射带位置，同时需要单独校正巷道内导线距离，进而控制内外距离差别[8]。根据相等的地表高程和煤矿井内高度，距离对应至映射横截面校正数为：

该式中，l 为测量导线距离、R 为地球半径、Hm为起点与终点的测量导线高程平均值。

边长映射通过高斯映射面校正可得到：

该式中，ym为导线距离两端点的平均y 值。由此得出公式（5）（6）的综合影响为：

该式中，ΔLGM为映射横向面与高斯-克吕格映射面的校正值之和；Y1、Y2分别为高斯映射面对边长映射、距离对应至映射横向面的校正值。

由此可以看出，煤矿巷道贯通测量精度会受到以上校正系数的影响，所以在实际施工中，施工人员需根据以上公式得出校正值之和，以保证煤矿高精度贯通测量质量。

4 贯通测量精度评定

在测量过程中，对于一个被观测量进行两次观测称为“双观测”。由于“双观测值法”可增加检核条件，保证数据的可靠性，所以本项目在采取质量控制后，利用“双观测值法”评定误差，即贯通测量精度，验证以上所提质量控制措施的应用效果。

4.1 双管测值之差评定误差

在本次数值测量中，对于同一个量观测两次结果的差值是已知的（通过计算求得），所以利用双观测值之差评定误差，即为评定贯通测量精度。以下对双观测列公式进行逐步推导：

假设对量X1，X2，X3，…，Xn分别观测两次，得出独立观测值和权分别为：

由于观测值带有误差，对同一个量的两个观测值相减一般是不等于0 的。假设第i 个观测量的两次观测值的差数为qi：

该式中qi则为真误差。

再设Xi的真值为，由此得出：

即

由此得出n 个差数的真误差Δbi和对应权Wbi，完成对误差的精准评定。

4.2 评定结果

本次误差来源分为测角误差和测边误差两部分，由这两项误差平方的和再开方得到中误差，取二倍中误差作为最终的预计偏差，并将测试结果与未采取质量控制措施前的误差结果相比较，以验证本次提出质量控制措施的可行性。实施前后的各项误差详细情况见表2。

表2 各项误差来源及最终结果对比

从表2 中可以看出，质量控制措施实施后，高精度贯通测量中的实际偏差与预计偏差的差值明显缩小，说明本文所提出的质量控制措施具有较高的实践效果，可满足后期大型矿山高精度贯通测量的精度要求。

5 结语

综上所述，本文以敏东一矿16-3 煤层Ⅰ0216302 回采工作面掘进区域为实际案例，通过结合该项目高精度贯通测量的实际情况，提出建立专用控制网、保证巷道导线精度测量与校正要点的质量控制措施，以为大型矿山高精度贯通测量提供一条可行的测量精度控制路径，助力同类矿山高精度贯通测量工作有质开展。