超大型貫通測(cè)量人為干預(yù)的實(shí)踐

張 燚，劉明軒，徐健凱，李治龍

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在礦井生產(chǎn)工作中，測(cè)量是一項(xiàng)舉足輕重的工作，尤其對(duì)礦井最重要的貫通工程，貫通測(cè)量可能會(huì)關(guān)系到整個(gè)礦井的安全建設(shè)與生產(chǎn)[1-2]。

近些年來(lái)我國(guó)的航空航天發(fā)展迅速，基于衛(wèi)星的測(cè)量新科技也得到大大的加強(qiáng)，地面測(cè)量也擺脫了老式測(cè)量方法，運(yùn)用全新的測(cè)量技術(shù)，不僅使測(cè)量變得輕巧、方便、精準(zhǔn)，而且在布設(shè)地面控制網(wǎng)時(shí)也得到了非常廣泛的應(yīng)用[3-4]。由于礦井的特殊性，給基于衛(wèi)星基礎(chǔ)的測(cè)量技術(shù)形成了屏障，井下不能進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)與定位[5]，這時(shí)傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量就是礦井工程測(cè)量的最后保障[6-7]。

隨著礦山生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，采煤工作面的不斷擴(kuò)大，工作面順槽的長(zhǎng)度已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)前所未有的新高，很多礦井開(kāi)采順槽總長(zhǎng)度都達(dá)到了10 km以上。為了適應(yīng)超大型貫通測(cè)量任務(wù)要求，在井下導(dǎo)線測(cè)量過(guò)程中，引入陀螺定向[8-9]，根據(jù)已有巷道測(cè)量導(dǎo)線進(jìn)行貫通測(cè)量并且加測(cè)陀螺定向邊，對(duì)貫通點(diǎn)位置水平誤差進(jìn)行估算，得到測(cè)量需要精度[10-13]。正文根據(jù)陜西有色杭來(lái)灣煤礦井下二盤(pán)區(qū)首采長(zhǎng)距離工作面生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)以陀螺定向?yàn)楹诵牡某笮拓炌y(cè)量方案。通過(guò)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中首次采用結(jié)合經(jīng)驗(yàn)改正陀螺定向角度，建立“安全區(qū)間”的措施導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)可以接受的實(shí)際誤差，引入對(duì)“人工干預(yù)”的討論與研究。

1 工程概況

陜西有色杭來(lái)灣煤礦30201工作面位于該礦區(qū)南端，是該盤(pán)區(qū)首采工作面，工作面走向?yàn)?28°，走向長(zhǎng)度為6.1 km，工作面長(zhǎng)度為0.3 km，該工作面設(shè)置膠、輔、回3條順槽?；仫L(fēng)順槽采用單巷掘進(jìn)，膠、輔順槽采用雙巷掘進(jìn)。此次貫通導(dǎo)線閉合距離達(dá)到12.5 km，屬于超大型貫通。工作面概況如圖1所示。

圖1 30201工作面示意Fig.1 Layout of 30201 working face

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 選定測(cè)量路線

本次7″級(jí)控制導(dǎo)線網(wǎng)全長(zhǎng)12.49 km，路線為①30201膠運(yùn)順槽—切眼;②30201回風(fēng)順槽—切眼，實(shí)行雙巷同時(shí)掘進(jìn)。

2.2 各方向允許偏差

根據(jù)30201工作面設(shè)計(jì)及總工程師要求，水平重要方向允許偏差不大于±0.6 m；巷道沿煤層底板預(yù)留0.8～1 m掘進(jìn)，豎直方向不考慮偏差。

2.3 選定使用的設(shè)備

根據(jù)工程特點(diǎn)及精度要求選用儀器設(shè)備應(yīng)按國(guó)家《計(jì)量法》第25條的規(guī)定執(zhí)行，定期送儀器鑒定部門(mén)進(jìn)行保養(yǎng)、校核、鑒定，如有不合格的儀器不得在工程中使用。

日常放線及導(dǎo)線測(cè)量使用儀器：采用拓普康GT1001型全站儀，儀器測(cè)角精度為±1″。

測(cè)距標(biāo)稱精度：±(1 mm+1×106×D)，檢定合格無(wú)誤，可滿足測(cè)量要求，故選用其作為本次測(cè)量工程使用儀器。

陀螺定向使用儀器：陀螺定向采用議價(jià)招標(biāo)的方式進(jìn)行，定向中誤差不得大于±5″。

2.4 實(shí)測(cè)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)依據(jù)：《煤礦測(cè)量規(guī)程》和《30201工作面設(shè)計(jì)施工平、斷面圖》。

誤差來(lái)源分析：加測(cè)堅(jiān)強(qiáng)陀螺定向邊的誤差、儀器對(duì)中所產(chǎn)生的測(cè)角誤差、光電測(cè)距誤差、人員操作和環(huán)境影響誤差。其他可忽略不計(jì)。

限差要求：本次貫通測(cè)量采用1″級(jí)全站儀實(shí)施測(cè)量，布設(shè)7″級(jí)閉合導(dǎo)線，其間膠運(yùn)、回風(fēng)順槽加測(cè)3條陀螺堅(jiān)強(qiáng)邊，共計(jì)6條，具體要求見(jiàn)表1和表2。

表1 水平角觀測(cè)采用儀器及作業(yè)要求Table 1 Instruments and operation requirements for horizontal angle observation

表2 傾角小于30°的井巷中水平角觀測(cè)限差要求Table 2 Requirements for horizontal angle observation limit in roadway with inclination less than 30°

陀螺定向觀測(cè)限差要求：同一條邊任意兩測(cè)回陀螺方位角的互差不得超過(guò)10″；測(cè)前方位值與測(cè)后方位值之差不得大于10″。

3 貫通參數(shù)確定及誤差預(yù)計(jì)

3.1 測(cè)量誤差參數(shù)確定

根據(jù)本礦1″級(jí)拓普康GT1001儀器井下106站2次獨(dú)立觀測(cè)求得2個(gè)測(cè)回平均值的測(cè)角中誤差mβ=3.3″；測(cè)距中誤差ml=±(0.9+1.1D)mm；陀螺定向中誤差ma=±5″；井巷掘進(jìn)中，為了保證綜采工作面的寬度產(chǎn)生的偏差在允許范圍內(nèi)，選取切眼方向?yàn)樨炌ㄖ匾较颍閤′軸，垂直于切眼方向即沿順槽掘進(jìn)方向定為y′軸，以貫通點(diǎn)K為原點(diǎn)，建立誤差預(yù)計(jì)假定坐標(biāo)系。

3.2 貫通誤差預(yù)計(jì)

由導(dǎo)線測(cè)角誤差引起K點(diǎn)在x′上的誤差預(yù)計(jì)

式中，ρ為弧度與角度轉(zhuǎn)換常數(shù)，206 265；η為導(dǎo)線邊在x′上的投影長(zhǎng)度；Ry′為導(dǎo)線邊在y′上的投影長(zhǎng)度。

由導(dǎo)線量邊誤差引起K點(diǎn)在x′上的誤差預(yù)計(jì)

式中，α為各陀螺重心過(guò)k點(diǎn)與x′的夾角。

由陀螺定向誤差引起K點(diǎn)在x′上的誤差預(yù)計(jì)

式中，Ry′O為各陀螺重心之間的連線在y′上的投影長(zhǎng)度。

K點(diǎn)在水平重要方向x′上的預(yù)計(jì)誤差

3.3 豎直方向的誤差預(yù)計(jì)

因工作面巷道是順煤層掘進(jìn)(煤層近水平)，故忽略豎直方向上的誤差，不做預(yù)計(jì)。

3.4 綜合誤差預(yù)計(jì)

取2倍的中誤差作為貫通的預(yù)計(jì)誤差

Mx′預(yù)=2Mx′k=±0.258 m<0.6 m

預(yù)計(jì)誤差小于容許偏差值，說(shuō)明理論貫通設(shè)計(jì)合理。

4 實(shí)際貫通測(cè)量成果與精度分析

4.1 實(shí)際貫通測(cè)量成果

在實(shí)際測(cè)量工作中，遇到了很多影響精度的情況，首先是回風(fēng)順槽支導(dǎo)線延伸問(wèn)題，因30201工作面是杭來(lái)灣煤礦二盤(pán)區(qū)首個(gè)工作面，回風(fēng)順槽為單巷掘進(jìn)，且30201工作面不設(shè)置腰巷，回風(fēng)順槽單巷延伸測(cè)量工作的難度加大。在這種情況下，陀螺定向改正很難保證單支導(dǎo)線延伸精度。在具體解決過(guò)程中，結(jié)合陀螺定向采取分段改正，每次根據(jù)不同情況，向陀螺方向適當(dāng)改正。并且在下一段陀螺定向時(shí)，將上段的陀螺定向邊重新復(fù)核，根據(jù)平均結(jié)果來(lái)審核上段改正角度的合理性，再利用本段陀螺定向與上段改正結(jié)合來(lái)適當(dāng)修正本段支導(dǎo)線，使每一段陀螺邊改正都控制在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)，讓巷道的方向在直線偏離最小。

其次，對(duì)于超大型巷道貫通而言，不僅要保證巷道的順利貫通，還要保證2條巷道平行不偏離方位。這樣才能對(duì)后續(xù)工作面不造成影響，形成良性循環(huán)。在對(duì)回風(fēng)順槽方向加以嚴(yán)格改正的同時(shí)，對(duì)與其齊頭并進(jìn)的膠運(yùn)順槽也采取相對(duì)的改正。利用成對(duì)出現(xiàn)的陀螺邊，分析2條巷道相對(duì)于陀螺定向邊的方位平行情況，根據(jù)情況的不同，人為干預(yù)，相應(yīng)改正，并留有一定的緩沖角度，以便應(yīng)對(duì)由于陀螺定向失誤導(dǎo)致的粗差出現(xiàn)，一定情況下減少對(duì)陀螺定向的依賴程度，留足“安全區(qū)間”。

4.2 精度分析

2020年12月底，30201工作面順利貫通。貫通后，第一時(shí)間對(duì)膠運(yùn)順槽與回風(fēng)順槽進(jìn)行導(dǎo)線閉合測(cè)量，實(shí)測(cè)貫通數(shù)據(jù)。

角度閉合差：fβ實(shí)= 30.01″

坐標(biāo)閉合差：fx= 359 mm,fy= 147 mm,

fs= 388 mm

相對(duì)閉合差：1/T=fs/12 473.152=1/32 147

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)角度閉合差小于《煤礦測(cè)量規(guī)程》7″級(jí)導(dǎo)線角度容許差84.26″，且小于方案設(shè)計(jì)5″級(jí)導(dǎo)線角度容許差60.19″，符合要求；相對(duì)閉合差小于規(guī)定1/15 000，符合要求；坐標(biāo)閉合差388 mm小于設(shè)計(jì)要求600 mm大于誤差預(yù)計(jì)值258 mm，符合設(shè)計(jì)要求，不符合預(yù)計(jì)要求。經(jīng)復(fù)盤(pán)測(cè)量整個(gè)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線在重要方向上的誤差預(yù)計(jì)其實(shí)并不高，反而6條堅(jiān)強(qiáng)陀螺定向邊重心點(diǎn)誤差預(yù)計(jì)占其比重較大。所以歸結(jié)原因主要有2個(gè)：①井下實(shí)測(cè)環(huán)境。實(shí)測(cè)時(shí)因井下環(huán)境時(shí)常不理想，例如：空氣濕度大、能見(jiàn)度低、交叉作業(yè)、底煤不穩(wěn)等，往往會(huì)讓測(cè)量在精度上下降，不可避免。②在陀螺定向上，本工作面首次采用的“人工干預(yù)”留足“安全區(qū)間”的方法或多或少會(huì)出現(xiàn)一些誤差。雖然實(shí)測(cè)誤差較預(yù)計(jì)誤差高，但是在權(quán)衡利弊后得出，超出130 mm預(yù)計(jì)對(duì)于超大型巷道貫通來(lái)說(shuō)，在可承受范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

依據(jù)杭來(lái)灣煤礦二盤(pán)區(qū)30201工作面貫通情況，在超大型巷道貫通測(cè)量設(shè)計(jì)中陀螺定向重心權(quán)重占誤差比例的絕大部分，一定程度上說(shuō)明陀螺定向的重要性，反映出該測(cè)量貫通方案的不足之處。該工程雖達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但出現(xiàn)的問(wèn)題也值得深入研究，對(duì)憑借經(jīng)驗(yàn)“人工干預(yù)”的手段，很大程度上取決于決策者的以往經(jīng)驗(yàn)，如何降低經(jīng)驗(yàn)要求并提高陀螺定向可靠性將成為超大型貫通測(cè)量設(shè)計(jì)的研究方向。