井下陀螺定向、7″級(jí)控制導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)方案研究與應(yīng)用

梁西棟 任鄧君

摘要：本項(xiàng)目主要用于布設(shè)礦井井下控制網(wǎng)，運(yùn)用布設(shè)陀螺加強(qiáng)邊的方式將各采區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連接，以提高各巷道施工精度及貫通精度。針對(duì)礦區(qū)沖擊地壓顯現(xiàn)頻繁、大巷風(fēng)速大等施工難度，自主設(shè)計(jì)制作新型永久點(diǎn)基樁，并采用等高四連腳架法進(jìn)行7″級(jí)導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)測(cè)，極大地提高了井下控制網(wǎng)布設(shè)精度，為井下安全生產(chǎn)提供了保障

關(guān)鍵詞：陀螺加強(qiáng)邊;采區(qū)控制網(wǎng);支導(dǎo)線(xiàn);等高四架法;沖擊地壓;貫通精度

1、項(xiàng)目概況

礦井位于國(guó)家規(guī)劃的十三個(gè)大型煤炭基地之一的彬長(zhǎng)礦區(qū)西北部，占地面積560畝，井田面積219平方公里。礦井由井底車(chē)場(chǎng)巷道向南部延伸經(jīng)過(guò)輔助運(yùn)輸巷和膠帶機(jī)巷和風(fēng)巷分支出各個(gè)順槽進(jìn)入采區(qū)。為了盡早達(dá)到設(shè)計(jì)年產(chǎn)量，保證礦井順利進(jìn)行建設(shè)生產(chǎn)，為日后西部和南部采區(qū)順槽順利貫通打下基礎(chǔ)，需要進(jìn)行南部一盤(pán)區(qū)和西部采區(qū)井下控制測(cè)量，把西部采區(qū)和南部采區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行連接。

2、任務(wù)內(nèi)容及完成情況

2.1工程主要內(nèi)容

1、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷頂板永久銅樁點(diǎn)埋設(shè);

2、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷迎頭測(cè)設(shè)陀螺定向邊;

3、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷-一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷-一盤(pán)區(qū)膠帶大巷施測(cè)7″控制導(dǎo)線(xiàn);

2.2主要完成的工作內(nèi)容和工作量

1、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷共埋設(shè)永久銅樁點(diǎn)22個(gè)。

2、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷各測(cè)設(shè)陀螺定向邊一條，共測(cè)設(shè)三條陀螺定向邊。

3、西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷建立井下7"級(jí)控制導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)，共施測(cè)控制導(dǎo)線(xiàn)4.35公里;

4、成果、成圖資料的編制。

3、技術(shù)依據(jù)

（1）現(xiàn)行《煤礦測(cè)量規(guī)程》;

（2）《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）;

4、主要技術(shù)指標(biāo)

4.1 采用的坐標(biāo)系統(tǒng)

4.1.1 平面坐標(biāo)系統(tǒng)

本工程成果為1980西安坐標(biāo)系，3°帶高斯正形投影，中央子午線(xiàn)108°。

4.1.2 高程系統(tǒng)

高程系統(tǒng)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)成果。

4.2 測(cè)量成果精度要求

a.井下三角高程測(cè)量：

b. 井下導(dǎo)線(xiàn)控制測(cè)量：

5、投入人員及儀器設(shè)備

為保證本工程測(cè)量成果的精度和進(jìn)度，需投入的技術(shù)人員和設(shè)備見(jiàn)下表：

6、井下7″級(jí)控制導(dǎo)線(xiàn)施測(cè)

6.1井下平面觀測(cè)

6.1.1 井下永久銅樁點(diǎn)的埋設(shè)

礦井井下地壓較大，井下導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)經(jīng)常由于沖擊地壓被破壞或擠壓位移。在導(dǎo)線(xiàn)和陀螺施測(cè)前，首先實(shí)地踏勘本工程控制導(dǎo)線(xiàn)途徑巷道，發(fā)現(xiàn)途徑巷道已經(jīng)全部成型及整飾完畢，為了長(zhǎng)久保存測(cè)量控制點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量規(guī)范要求及礦方生產(chǎn)建設(shè)的需要，導(dǎo)線(xiàn)途徑巷道全部埋設(shè)永久性銅樁點(diǎn)，本次埋設(shè)的銅樁點(diǎn)長(zhǎng)約40cm，頂端為6cm銅制穿線(xiàn)點(diǎn)。用充電式電鉆打孔埋入頂板，較為穩(wěn)定穩(wěn)固。每個(gè)點(diǎn)埋設(shè)完成后隨即噴上點(diǎn)名、掛好線(xiàn)繩，為下步測(cè)量工作做好了準(zhǔn)備。

6.1.2 井下導(dǎo)線(xiàn)起算點(diǎn)的確定

本次井下導(dǎo)線(xiàn)起算點(diǎn)為2015年施測(cè)的陀螺邊“T1-T2-T3”，此組控制點(diǎn)位于西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)，皆為保存完好的永久銅樁點(diǎn)。經(jīng)檢核，夾角、距離、高差相對(duì)關(guān)系良好，可以作為本次井下控制的起算點(diǎn)（起算點(diǎn)坐標(biāo)為礦地測(cè)科提供的1980西安坐標(biāo)系成果）。

6.1.3 導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量實(shí)施技術(shù)要求

井下施測(cè)7"級(jí)控制導(dǎo)線(xiàn)，采用徠卡TC1202型全站儀（測(cè)角：2"，測(cè)距：2+2ppm）四架法觀測(cè)，導(dǎo)線(xiàn)邊長(zhǎng)及高差采用正倒鏡、往返觀測(cè)。

井下控制導(dǎo)線(xiàn)最終要求測(cè)角中誤差不大于7″（實(shí)際每測(cè)回測(cè)角中誤差最大為3″），導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)閉合差不超過(guò)，（實(shí)際相對(duì)閉合差遠(yuǎn)小于限差）。具體技術(shù)要求詳見(jiàn)下表：

注：n 為附合導(dǎo)線(xiàn)的總站數(shù);n1、n2分別為控制導(dǎo)線(xiàn)第一次和第二次測(cè)量的總站數(shù);mα1、mα2分別為附合導(dǎo)線(xiàn)起始邊和附合邊的坐標(biāo)方位角中誤差;mβ為導(dǎo)線(xiàn)測(cè)角中誤差。

6.1.4 井下導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量

施測(cè)井下導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量按7"級(jí)導(dǎo)線(xiàn)要求，采用了徠卡TC1202型全站儀測(cè)量，導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)路線(xiàn)見(jiàn)7"導(dǎo)線(xiàn)控制示意圖，導(dǎo)線(xiàn)邊長(zhǎng)及高差采用了正倒鏡、往返觀測(cè)，導(dǎo)線(xiàn)路徑：由西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷向東測(cè)至一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷經(jīng)過(guò)繞道進(jìn)入一盤(pán)區(qū)膠帶大巷，導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

最終導(dǎo)線(xiàn)方位與陀螺定向方位比較：“T6 - T7”～“F9 - F10”，符合差為-11″“F9 - F10”～“F15 - F16”符合差為+5″。

6.2井下高程測(cè)量

井下高程測(cè)量采用在測(cè)井下7"級(jí)控制導(dǎo)線(xiàn)時(shí)一并測(cè)設(shè)的三角高程成果。三角高程測(cè)量中儀器高（本工程所用全站儀儀器高與棱鏡高等高）。在觀測(cè)前和結(jié)束后用5m鋼卷尺各量一次，兩次限差4mm，相鄰兩點(diǎn)往返測(cè)高差不大于10mm+0.3mm*L（L為導(dǎo)線(xiàn)水平邊長(zhǎng)，以m為單位）。

采用我處的三角高程測(cè)量方法可以代替等外水準(zhǔn)測(cè)量。采取的主要措施有：采用等高四架法，高差正倒鏡、往返觀測(cè)，只量取儀器高等等。我處的《大型貫通井下導(dǎo)線(xiàn)施測(cè)方法的研究》已獲得2008年度煤炭部級(jí)工法。

井下采用等高四架法施測(cè)井下導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，作業(yè)人員配備7人（記錄一人，觀測(cè)一人，后視一人，對(duì)點(diǎn)一人，擋風(fēng)二人，送架腿一人）。

7、井下陀螺定向

7.1 陀螺定向邊位置確定

本次控制導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度在4km以上，屬于長(zhǎng)距離控制導(dǎo)線(xiàn)，為減小導(dǎo)線(xiàn)末端橫向誤差，提高導(dǎo)線(xiàn)精度，需加測(cè)陀螺定向邊，在西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷迎頭和一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、膠帶大巷迎頭分別加測(cè)一條陀螺邊，用以控制西部采區(qū)和南部一盤(pán)區(qū)運(yùn)煤順槽的導(dǎo)線(xiàn)精度。三條陀螺邊均為永久基樁點(diǎn)，通過(guò)7秒導(dǎo)線(xiàn)將整個(gè)控制導(dǎo)線(xiàn)連接成為方位附和導(dǎo)線(xiàn)。

7.2 陀螺定向作業(yè)方法

7.2.1陀螺定向測(cè)量實(shí)施

a.陀螺地面常數(shù)觀測(cè)時(shí)，儀器、三腳架和電源部份避免陽(yáng)光直射;井下對(duì)點(diǎn)時(shí)采用大塊擋風(fēng)布對(duì)陀螺儀進(jìn)行遮擋，使巷道風(fēng)力減至最小程度。

b.測(cè)陀螺時(shí)儀器嚴(yán)格整平，觀測(cè)過(guò)程中管水準(zhǔn)氣泡偏離均不超過(guò)0.5格。每次測(cè)量后，由一個(gè)測(cè)回轉(zhuǎn)到下一個(gè)測(cè)回觀測(cè)前，停止陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)10—15min，重新安置陀螺儀、整平和對(duì)中儀器，并使度盤(pán)位置變換180°/n（n為測(cè)回次數(shù)）;

c.相鄰擺動(dòng)中值互差和相隔擺動(dòng)中值互差均小于規(guī)范允許誤差 35″和55″;

d. 一測(cè)回的測(cè)前、測(cè)后方向值互差均小于規(guī)程允許的±10″。

e.采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測(cè)，連續(xù)觀測(cè)五個(gè)以上逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，計(jì)算三個(gè)以上陀螺擺動(dòng)

中值。

f.陀螺全站儀的懸掛帶零位測(cè)前測(cè)后分別測(cè)量一次，最大為±0.35格，較差最大為±0.05格，小于規(guī)程規(guī)定的±0.5格和0.2格。井上下零位變化小于0.1格，計(jì)算時(shí)可不加入零位改正。

g.本次定向采用GAK-1型15秒級(jí)陀螺經(jīng)緯儀，采用“跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法”結(jié)合“中天法”來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，采用2—2—2的作業(yè)程序。已知邊為地面井田控制網(wǎng)控制點(diǎn)“E022—E021”。首先，在地面已知邊上進(jìn)行兩個(gè)測(cè)回的儀器常數(shù)測(cè)定，然后施測(cè)西區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)輔助運(yùn)輸大巷、一盤(pán)區(qū)膠帶大巷迎頭分別測(cè)設(shè)一條陀螺邊，每條邊用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法施測(cè)兩測(cè)回。上井后再在地面已知邊進(jìn)行兩測(cè)回的儀器常數(shù)測(cè)定。陀螺定向工作在永久點(diǎn)埋設(shè)好后隨即進(jìn)行。

7.2.2方位角計(jì)算

根據(jù)井上陀螺定向測(cè)量，計(jì)算出儀器平均常數(shù)△=T-T平，再利用公式α= T平+△-γ計(jì)算井下定向邊的坐標(biāo)方位角，其中γ=△L×sinB（L為陀螺儀所在位置的經(jīng)差，B為緯度）。井下起始定向邊精度滿(mǎn)足規(guī)范要求，成果可靠。

7.3 陀螺定向精度評(píng)定

同一定向邊兩測(cè)回陀螺方位角的最大互差8″（限差40″），測(cè)前測(cè)后儀器常數(shù)最大互差7″（限差40″）。

觀測(cè)限差規(guī)定如下：

（1）測(cè)前與測(cè)后零位值的互差，對(duì)15″級(jí)儀器不得超過(guò)0.2格，對(duì)其它儀器不得超過(guò)0.4格;

（2）采用跟蹤逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法觀測(cè)時(shí)，一般應(yīng)連續(xù)觀測(cè)五個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)，計(jì)算三個(gè)陀螺擺動(dòng)中值。相鄰和間隔擺動(dòng)中值的互差應(yīng)符合下表的限差規(guī)定。

（3）、根據(jù)瑞士GAK-1型15″級(jí)陀螺經(jīng)緯儀在野外多條邊上的雙次觀測(cè)值求算的陀螺方位角一測(cè)回測(cè)定中誤差為：

MT=±=±7."6

井下定向精度為：

Mɑ井下=±

=±=±7."2

8、導(dǎo)線(xiàn)平差后的精度評(píng)定

導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量完成后，我們利用加測(cè)的3條陀螺邊先對(duì)導(dǎo)線(xiàn)方位進(jìn)行平差。然后再將方位平差后的測(cè)量數(shù)據(jù)輸入平差軟件進(jìn)行平差。平差結(jié)果為：附和導(dǎo)線(xiàn)最大點(diǎn)位誤差= 0.011（m），最小點(diǎn)位誤差 = 0.003（m），平均點(diǎn)位誤差 = 0.004（m），最大點(diǎn)間誤差 = 0.009（m），最大邊長(zhǎng)比例誤差 = 1/24490，平面網(wǎng)驗(yàn)后單位權(quán)中誤差 = 1.80（s）。附和差 -0.014m，規(guī)程允許差：±40=±0.114m（符合規(guī)程要求）

[邊長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)]總邊長(zhǎng)：4344.428（m），平均邊長(zhǎng)：149.8（m），最小邊長(zhǎng)：24.495（m），最大邊長(zhǎng)：594.854（m）導(dǎo)線(xiàn)路徑：

T7-T6-T5-T4-T3-T2-T1-Z5-Z6-Z7-F2-F3-F4-L1-L2-F5-L3-F7-F8-F9-F10-F11-F12-F13-L4-L5-F14-F15-F16。

fx=-0.010（m）， fy=-0.018（m），總邊長(zhǎng)[s]=4344.428m），全長(zhǎng)相對(duì)閉合差k=1/94500。

9、工程結(jié)論與總結(jié)

從控制導(dǎo)線(xiàn)平差的結(jié)果可以看出，實(shí)際中誤差均小于規(guī)范允許中誤差，表明制定的巷道控制測(cè)量設(shè)計(jì)方案能夠滿(mǎn)足控制導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量精度的要求。

1、對(duì)于影響測(cè)角精度的主要因素-對(duì)中問(wèn)題，我們采用四架法測(cè)量，不重復(fù)架站，減少對(duì)中對(duì)測(cè)量精度的影響;風(fēng)特別大時(shí)，采取有效的擋風(fēng)措施和大錘球以最大限度地減小對(duì)中誤差對(duì)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)角的影響;盡最大限度的采用長(zhǎng)邊導(dǎo)線(xiàn)，這些措施極大的提高了導(dǎo)線(xiàn)施測(cè)精度。

2、檢核原始資料的可靠性。我們對(duì)該工程的起始資料，包括方位、坐標(biāo)、距離、高程、坡度都進(jìn)行了認(rèn)真的檢核。下井測(cè)量時(shí)對(duì)起算資料反復(fù)查對(duì)，確保準(zhǔn)確無(wú)誤。

3、精密導(dǎo)線(xiàn)的測(cè)量精度主要取決于測(cè)角的精度，本次井下導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)為等邊直伸型，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度均勻，對(duì)貫通誤差的影響極小，經(jīng)成果分析，該精密導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量成果可靠，達(dá)到技術(shù)設(shè)計(jì)的精度。

4、橫向誤差是導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)在長(zhǎng)度的垂直方向產(chǎn)生的位移，是由測(cè)角誤差引起;縱向誤差是導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)在長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的位移，是由邊長(zhǎng)誤差引起。測(cè)角誤差是橫向誤差主要的產(chǎn)生來(lái)源。四架法可以消除儀器對(duì)中產(chǎn)生的誤差，使用瑞士產(chǎn)15秒級(jí)GAK-1陀螺經(jīng)緯儀定向可以作為方位加強(qiáng)邊和定向邊指導(dǎo)巷道的開(kāi)拓以提高施工精度。