測(cè)繪新技術(shù)在煤礦巷道貫通測(cè)量中的應(yīng)用研究

代佳東

(山西三元煤業(yè)股份有限公司， 山西 長(zhǎng)治市 046013)

0 引言

測(cè)繪技術(shù)是測(cè)量與繪圖的結(jié)合，主要運(yùn)用于已有特征點(diǎn)及界線的測(cè)量，將光電技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間科學(xué)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等相融合，將自然地理要素測(cè)量后并繪制成圖，該技術(shù)核心為地理信息系統(tǒng)、遙感與全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)。在測(cè)量前需要建立地面控制網(wǎng)及重力網(wǎng)，為后續(xù)的繪制工作打下基礎(chǔ)。礦山地下開(kāi)采過(guò)程中的測(cè)量工作受到其自身特殊性的限制，在測(cè)量中十分容易受到生產(chǎn)施工的干擾，使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差[1]。但其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性又與煤礦的開(kāi)采安全及經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，若測(cè)量出現(xiàn)嚴(yán)重誤差，可能會(huì)直接導(dǎo)致相關(guān)工作人員的生命安全受到威脅。為此將測(cè)繪新技術(shù)應(yīng)用到煤礦巷道貫通測(cè)量工作中，為巷道的掘進(jìn)指明方向，準(zhǔn)確定位巷道開(kāi)門(mén)位置，提高巷道貫通精度，為巷道之間、采空區(qū)之間、礦井與礦井之間相互貫通提供保障[2]。

1 測(cè)繪新技術(shù)在煤礦巷道貫通測(cè)量中的應(yīng)用

1.1 獨(dú)立坐標(biāo)系建立

測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用需要在獨(dú)立坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上才能夠發(fā)揮作用，坐標(biāo)系統(tǒng)的正確選擇是所有測(cè)量工作的基礎(chǔ)，能夠?qū)y(cè)量成果的可靠性及準(zhǔn)確性產(chǎn)生最直接的影響。礦區(qū)區(qū)域內(nèi)所布設(shè)的測(cè)量地面控制網(wǎng)坐標(biāo)，不僅要滿(mǎn)足大比例尺地形測(cè)圖的需要，也要保證施工放樣的相關(guān)需求。如圖1所示，假設(shè)存在橢圓柱面，橫套在地球橢球體外面，使其與某一條子午線相切，使橢圓柱的中心軸穿過(guò)球體中心，并將橢圓柱面展開(kāi)，得到平面直角坐標(biāo)系。利用上述坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)測(cè)導(dǎo)線的邊長(zhǎng)加以改正，具體見(jiàn)式（1）。

圖 1 高斯-克呂格投影

式中，RS表示長(zhǎng)度所在位置的橢球曲率半徑；Lm表示測(cè)距邊高出大地水準(zhǔn)面的平均高程；ym表示距離兩端點(diǎn)的橫坐標(biāo)平均值；D表示實(shí)際工程測(cè)量所得到的水平距離；D0表示歸算到橢球面上的長(zhǎng)度。

由式（1）可知，將邊長(zhǎng)由較高的高程歸化面化算到較低的歸化面時(shí)，其總體長(zhǎng)度將會(huì)縮短；而將橢球面上距離化算到高斯平面后，其長(zhǎng)度卻有所增長(zhǎng)。若想改變高程歸化投影面，必須計(jì)算出新橢圓球體的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取新橢球面上的坐標(biāo)值。這一過(guò)程十分復(fù)雜，在實(shí)際操作中，可以將其簡(jiǎn)化，不再改變高程歸化投影面的位置，而是將中央子午線位置移動(dòng)，滿(mǎn)足測(cè)量工作的需要[3-5]。

1.2 貫通測(cè)量質(zhì)量控制

貫通測(cè)量的質(zhì)量控制是該工程當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，將其劃分為井下控制、地下部分控制以及地面部分控制3個(gè)部分。受井下實(shí)際環(huán)境的影響，其規(guī)范要求較難達(dá)到，井下巷道環(huán)境與地面上存在一定差異，大氣條件有所不同，井下導(dǎo)線的布設(shè)需要由井底車(chē)場(chǎng)的起始邊開(kāi)始，一直沿著該礦井的主要巷道，以支導(dǎo)線的形式，始終向前延伸，隨著延伸范圍的增加，其測(cè)角誤差也將逐漸增大，為避免其擴(kuò)大到一定程度無(wú)法控制，每隔1000 m～2000 m加測(cè)陀螺定向邊[6-8]。

井下的測(cè)量工作十分容易受到施工的干擾，導(dǎo)致在測(cè)量?jī)x器的運(yùn)用過(guò)程中難以精準(zhǔn)把控，無(wú)法保證測(cè)量精度，為此需要在工程現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)場(chǎng)計(jì)算并準(zhǔn)確記錄，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)與限差不符，則需要重新測(cè)量并進(jìn)一步檢查核實(shí)。測(cè)量時(shí)所持儀器需盡量對(duì)中整平，并采取相關(guān)的擋風(fēng)措施，減少風(fēng)力對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的干擾，且在測(cè)量后，再次進(jìn)行二次測(cè)量，防止由工作人員疏忽所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

1.3 距離測(cè)量與誤差分析

光電測(cè)距的誤差來(lái)源主要有調(diào)制頻率誤差、氣象參數(shù)誤差、周期誤差、測(cè)相誤差、照準(zhǔn)誤差以及儀器加常數(shù)測(cè)定誤差等多種因素。調(diào)制頻率誤差的產(chǎn)生是由于所持儀器中的電子元件老化，使標(biāo)準(zhǔn)頻率受到影響而產(chǎn)生誤差，一旦出現(xiàn)調(diào)制頻率誤差，可以使用相關(guān)儀器加以鑒定，改正距離消除誤差。氣象參數(shù)誤差的產(chǎn)生，則是由于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的氣壓及氣溫與事先所設(shè)置的參數(shù)值存在較大差異，但通常情況下，這種差異所引起的誤差不會(huì)對(duì)測(cè)量造成嚴(yán)重影響，可以在非精密測(cè)量時(shí)，將其忽略不計(jì)[9-10]。周期誤差較為特殊的是，該項(xiàng)誤差無(wú)法消除，只能在測(cè)量?jī)x器的使用過(guò)程中盡量避免外部雜亂信號(hào)的影響。測(cè)相誤差是由測(cè)相設(shè)備本身誤差和幅相誤差組成的，測(cè)相設(shè)備本身誤差能夠通過(guò)多次測(cè)量，取其平均值，即可減小所造成的影響，而幅相誤差則需利用提高測(cè)量?jī)x器性能的方式，減小所造成的影響。照準(zhǔn)誤差的形成很大一部分是由人為因素產(chǎn)生的。儀器加常數(shù)測(cè)定誤差可通過(guò)多次測(cè)定減小。由此能夠得知，測(cè)繪新技術(shù)雖然能夠幫助煤礦巷道貫通測(cè)量工作的完成，但若想提高測(cè)量精度，仍需要在測(cè)量開(kāi)始之前確定氣象參數(shù)，校準(zhǔn)測(cè)距儀器，嚴(yán)格遵守規(guī)范要求。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證上述測(cè)繪新技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，以西部某礦山為例，模擬所提出新技術(shù)在貫通測(cè)量當(dāng)中的應(yīng)用情況，并將其與現(xiàn)有技術(shù)相比較，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由分析能夠得知，貫通測(cè)量需要選擇最佳路線，模擬西部地區(qū)的可選擇路線見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)地區(qū)模擬及路線選擇

如圖2所示，能夠選擇的路線有3條，第1條路線長(zhǎng)度為2700 m，第2條路線長(zhǎng)度為2900 m，第3條路線長(zhǎng)度為3100 m。在實(shí)際施工過(guò)程中，受圖形條件的限制，在3條路線中選擇第1條作為貫通測(cè)量線路，該線路由一礦副井為起始，經(jīng)過(guò)一六三五大巷，到三礦主井結(jié)束。西部地區(qū)采礦工作中，始終采取較為傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足工作的基本需求，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M當(dāng)中，將選擇防爆全站儀代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量鋼尺與光學(xué)經(jīng)緯儀，并借助GPS技術(shù)，完成地面的控制測(cè)量工作。采用靜態(tài)定位法，施測(cè) GPS 控制網(wǎng)，并將衛(wèi)星高度保持在15°以上，且有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)大于5顆，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)必須大于1 h。確保在觀測(cè)過(guò)程中，接收天線機(jī)的定向標(biāo)志所指方向?yàn)檎狈?，定位誤差范圍在5°以?xún)?nèi)。

由于所模擬的西部礦山海拔較高，結(jié)合實(shí)際情況，選擇平均高程為1500 m的投影水準(zhǔn)面，并將平均海水面的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為高斯平面坐標(biāo)值，具體見(jiàn)式（2）。

為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，利用紅外測(cè)距儀輔助完成地面控制工作，并保證兩近井點(diǎn)的互相通視，在井口施測(cè)連接導(dǎo)線時(shí)互為后視點(diǎn)，以此消除起始邊I-II的坐標(biāo)方位角誤差對(duì)貫通的影響。在地面高程的控制中，必須要滿(mǎn)足《國(guó)家水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》當(dāng)中的相關(guān)要求，其具體條件見(jiàn)表1。

表1 四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)定

滿(mǎn)足上述規(guī)定后，開(kāi)始模擬，由于所模擬貫通工程的導(dǎo)線較長(zhǎng)，其斜井井筒長(zhǎng)達(dá) 1050 m，為滿(mǎn)足《煤礦測(cè)量規(guī)程》中的相關(guān)要求，將貫通相遇點(diǎn)水平重要方向上的偏差控制在0.3 m內(nèi)，高程方向上偏差控制在0.2 m內(nèi)，則能夠得到最佳貫通點(diǎn)位置b0`與第i個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)在b`軸上位置間的關(guān)系。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)最佳貫通點(diǎn)在b`方向上的誤差，以及貫通相遇點(diǎn)允許區(qū)間。并將現(xiàn)有技術(shù)方案的貫通相遇點(diǎn)的預(yù)計(jì)誤差與所模擬的結(jié)果相對(duì)比，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，在應(yīng)用測(cè)繪新技術(shù)后，所得到的預(yù)計(jì)誤差與現(xiàn)有技術(shù)相比明顯有所改善，測(cè)繪新技術(shù)能夠在煤礦巷道貫通測(cè)量工作中加以運(yùn)用，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)現(xiàn)有的煤礦巷道貫通測(cè)量技術(shù)加以分析，并結(jié)合工程的實(shí)際需求，提出測(cè)繪新技術(shù)，將其應(yīng)用到貫通測(cè)量工作當(dāng)中，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，測(cè)繪新技術(shù)的應(yīng)用能夠有效減小測(cè)量誤差，相比現(xiàn)有技術(shù)，更加適用于煤礦巷道貫通測(cè)量工作，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究及創(chuàng)新提供參考。