矿井高精度贯通测量技术的应用研究

邱博

霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司 山西 霍州 031400

1 前言

在矿井开采过程中，地质测量是必不可少的环节。根据设计两条巷道掘进到指定地点接通，我们称之为巷道贯通。在巷道贯通时，大型巷道具有一定的难度，巷道的贯通可靠性及精度与矿山生产建设、经济效益有着密不可分的关系。在较长距离巷道贯通时，多采用多井口掘进从而出现的井间或井田内的长距离贯通测量，这种测量主要是为了提高矿山的贯通速度，缩短贯通周期，矿山掘进时，需要测量人员拥有一定的技术支撑，从而确保掘进工作面按设计掘进，偏差不超过规范要求，避免后续对开采带来影响[1]。在巷道贯通过程中，由于矿山内部地形、煤层地质结构等因素的影响，贯通工作存在一定的难度，同时由于我国很多巷道设计成倾斜巷道，其贯通难度不言而喻[2]，本文针对倾斜巷道贯通难度大的问题，利用陀螺定向、三角高程测量手段，较好的实现倾斜巷道联系测量，解决了倾斜巷道贯通精度不高的问题。

2 巷道贯通测量方法

高精度巷道贯通在矿山安全、加快生产进等方面至关重要，但由于矿山内部地形条件复杂，通视条件差等对巷道工作较为不利。一般来说巷道的贯通测量主要包括两个部分的工作：高程测量、平面导线测量。其中平面导线测量大多采用全站仪，在平缓地段采用四等水准测量，而在倾斜地段则采用三角高程测量。在三角高程测量过程中发现由于全站仪的垂直角测量误差、仪器高量取误差、测距误差等会对高差测量产生较大的影响，所以提出前后视三角高程测量法，从而解决或者消除全站仪三角高程测量的误差，大幅度提高巷道贯通精度[6]。

陀螺定向技术原理是利用陀螺仪角运动特质形成的一种技术，具有测量精度高，环境适应能力强的特点，其我国井下测量改善精度的有效方法，其主要受到成本及操作人员专业水平的限制，目前应用不太广泛。陀螺经纬仪是主要的陀螺定向仪器设备，其内部主要由陀螺仪、经纬仪两个部分组成，陀螺经纬仪测量精度高、操作简单，在巷道贯通测量中十分重要的作用。在井下长距离巷道测量中，增加一条陀螺定向边可以大幅度提高井下导线测量稳定性。本文选用 HGK15全自动陀螺经纬仪，如图1所示，陀螺经纬仪结构为下挂式，寻北工作方式采用积分法测量，其初始架设角度范围为±30°，定向精度优于 15″（1σ），观测时间一次不小于 10 分钟。内部采用液体阻尼法，能够较大幅度的消除陀螺章动效应，降低风振、振动等不利因素，提高巷道导线定向测量结果的可靠性。

图1 HGK15 全自动陀螺经纬仪示意图

井下三角高程测量与井上不同，所以无法适用。为了降低高量取误差，解决巷道顶部控制点到全站仪距离测量精度的误差，提出前后视三角高程的测量方法，前后视三角高程测量原理如图2所示，在图2中A 点为全站仪安置点，B 点待测点，C 点为已知后视点。

图2 前后视三角高程测量原理图

前后视三角高程测量工作原理主要：在已知点 A 下方布设全站仪，从而得出测量仪器高程 i，然后通过在后视点 C 下方架设觇标，从而得到觇标高 v0，然后再在前视点 B 下方架设觇标，得出觇标高 v1，此时通过全站仪可以测得垂直角 α和倾斜距离 d，所以此时通过数学推算可得出 AC 和AB 两点间的高差为：

结合以上分析，以某矿二号井运输巷道为研究背景，利用陀螺定向仪为工具，研究巷道贯通技术，从而确定前后视三角高程测量方法的可行性。煤矿地理坐标是东经 112°19′01″-112°25′14″，北纬 39°28′07″-39°28′07″。测区属于温带寒冷半干旱气候区，年平均气温一般为 3.6℃～7.3℃ 左右。矿区地质构造较为复杂，对倾斜巷道贯通测量需要的精度较高，目前高程基准控制成果很大程度衰减，安全生产隐患较大，需要改善井下的控制测量成果的精度。

根据需要解决的问题，开展了基于陀螺定向提高井下导线控制精度研究。除了使用陀螺定向技术外，同时采用前后视三角高程测量方法、地面控制点粗差探测方法进一步提升巷道贯通测量的精度。

3 验证研究

在进行实际作业时，对地面控制网进行仪器常数标定。采用加测 6 条陀螺定向边来有效提升陀螺定向边施测的可靠性及有效性。同时值得注意的为在加测陀螺定向边前，需要确定控制网最弱边的位置。采用相关软件对仪器测得的导线网数据进行处理，最终计算出控制网方位角的误差，得出最弱边的位置。结合项目实际地质情况，同时结合相关理论分析，本次量测将加测陀螺边的数目同比增加至 8 条。通过采用上述导线增强法，在没有降低导线测角的精度及不调整控制网导线布设形式的基础上，较好的削弱测角误差对导线点位测量精度的影响，解决 了方向误差的积累，确保了矿井井下控制网测量的精度。在完成陀螺定向后，对陀螺导线网进行平差。处理导线网数据前要确定合适的定权方法，结合井下测量受到风流、水汽、震动、光线等因素的影响误差、照准误差、测距误差及视线偏差对照陀螺经纬仪进行定向边精度，在进行平差计算时，将陀螺边误差设定为 2.72″；全站仪测边误差设定2+2ppm。

在采用前后视三角高程测量、陀螺定向后，对井下导线平差结果进行分析，主要采用三种方法进行验证：1.全站仪+水准仪；2 全站仪+水准仪+前后视三角高程测量；3、全站仪+水准仪+前后视三角高程测量+陀螺仪定向。采用全站仪+水准仪的贯通方案，贯通点超出限差；当增加前后视三角高程测量法后，高程的贯通精度从方案1的0.323 m 提高到 0.150 m，精度显著提升，此时平面贯通精度变化不明显；在方案3下平面贯通精度从 0.4 m 提高到 0.3 m，此时精度能够满足规范要求，所以方案可行。

4 结束语

本文提出基于陀螺定向、三角高程测量技术的一种巷道贯通方法，通过采用前后视三角高程测量方法，有效消除全站仪测距的固定误差，将高程的贯通精度从 0.323 m 提高到 0.150 m，平面贯通精度从 0.4 m 提高到 0.3 m，有效提升了高程、平面位置的精度，较好的实现倾斜巷道联系测量，解决了倾斜巷道贯通精度不高的问题，为矿井高效开采提供一定的参考。