兩井間貫通誤差預(yù)計(jì)及軟件開發(fā)★

李付崗，胡永峰

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)梧桐莊礦，河北 邯鄲 056200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

目前在綠色礦山與城市地下軌道建設(shè)過(guò)程中高效精確完成巷道貫通工作具有重要意義。兩井間貫通誤差預(yù)計(jì)需考慮地面導(dǎo)線測(cè)量、聯(lián)系測(cè)量、井下導(dǎo)線測(cè)量和高程測(cè)量等誤差預(yù)計(jì)，人工進(jìn)行該工作煩瑣復(fù)雜且容易出錯(cuò)，因此利用編程語(yǔ)言快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)貫通誤差預(yù)計(jì)是非常必要的。本文基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)了一款兩井間巷道貫通誤差預(yù)計(jì)軟件[1]，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可快速準(zhǔn)確得到貫通誤差預(yù)計(jì)結(jié)果[2]。

1 貫通誤差預(yù)計(jì)原理

1.1 水平方向上的誤差預(yù)計(jì)原理

1)地面測(cè)量誤差對(duì)貫通點(diǎn)K的影響。

a.采用導(dǎo)線測(cè)量的誤差估算公式：

(1)

b.采用GPS測(cè)量時(shí)的誤差預(yù)計(jì)公式：

(2)

2)定向測(cè)量對(duì)貫通點(diǎn)K的影響：

(3)

(4)

其中，mα0為一井定向誤差；Ry′0風(fēng)，Ry′0主分別為主井與風(fēng)井定向時(shí)井下導(dǎo)線投影長(zhǎng)。

3)井下測(cè)角對(duì)點(diǎn)K的影響：

(5)

4)井下量邊對(duì)點(diǎn)K的影響：

a.采用鋼尺量邊的誤差估算公式：

(6)

b.采用光電測(cè)距的誤差估算公式：

(7)

其中，l為井下布設(shè)導(dǎo)線邊長(zhǎng)；α′為各導(dǎo)線與x′方向之間的夾角；ml為光電測(cè)距的量邊誤差,ml=±(A+Bl)。

5)貫通在K點(diǎn)的預(yù)計(jì)誤差：

(8)

(9)

1.2 豎直方向上的誤差預(yù)計(jì)原理

1)地面水準(zhǔn)測(cè)量誤差對(duì)貫通點(diǎn)K的影響：

a.誤差估算公式一：

(10)

其中，m0為地面水準(zhǔn)測(cè)量水準(zhǔn)尺讀數(shù)中誤差；n為地面水準(zhǔn)測(cè)量設(shè)站數(shù)。

b.誤差估算公式二：

(11)

其中，mhL為每千米水準(zhǔn)測(cè)量高差中誤差；L為地面水準(zhǔn)控制測(cè)量路線全長(zhǎng)。

2)導(dǎo)入高程誤差對(duì)貫通點(diǎn)K的影響：

(12)

其中，h為導(dǎo)入高程的井深。

3)井下水準(zhǔn)測(cè)量誤差對(duì)貫通點(diǎn)K的影響：

a.水平巷道水準(zhǔn)測(cè)量誤差估算公式：

(13)

其中，R為井下水平巷道水準(zhǔn)測(cè)量線路總長(zhǎng)；mhL1為井下每千米水準(zhǔn)測(cè)量的高差中誤差，依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》為±17.7 mm/km。

b.傾斜巷道三角高程測(cè)量誤差估算公式：

(14)

其中，L為井下傾斜巷道三角高程測(cè)量線路全長(zhǎng)；mhL2為井下每千米三角高程測(cè)量高差中誤差，依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》為±50 mm/km。

4)貫通點(diǎn)K高程預(yù)計(jì)誤差:

貫通高程總誤差為：

(15)

貫通點(diǎn)K的高程預(yù)計(jì)誤差為：

(16)

2 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 水平方向誤差程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1.1 導(dǎo)線點(diǎn)點(diǎn)號(hào)的編碼規(guī)則

兩井貫通測(cè)量誤差預(yù)計(jì)中地面導(dǎo)線測(cè)量與地下導(dǎo)線測(cè)量使用儀器不同[3-4]，需要進(jìn)行區(qū)分；在平巷與斜巷中高程測(cè)量使用的儀器可能不同，需要進(jìn)行區(qū)分；在重要巷道要加測(cè)陀螺邊提高貫通測(cè)量精度，因此也需要區(qū)分定向點(diǎn)與非定向點(diǎn)。

導(dǎo)線點(diǎn)點(diǎn)號(hào)的編碼規(guī)則：

1)地面導(dǎo)線點(diǎn)直接采用正整數(shù)1,2,3,4…依次進(jìn)行編碼。

2)井口近井點(diǎn)采用負(fù)整數(shù)編號(hào)。誤差預(yù)計(jì)時(shí)只需要對(duì)聯(lián)系測(cè)量的兩個(gè)近井點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，即-1，-2。

3)井下導(dǎo)線點(diǎn)編號(hào)采用四位正整數(shù)，用符號(hào)“fhdd”表示。

a.符號(hào)f用于區(qū)分定向點(diǎn)與非定向點(diǎn)，取值為1或2。1為定向點(diǎn)；2為非定向點(diǎn)。

b.符號(hào)h為平巷與斜巷的區(qū)分標(biāo)志，取值為0和1。1為斜巷中的點(diǎn)；0為平巷中的點(diǎn)。

c.符號(hào)dd為每個(gè)井下導(dǎo)線點(diǎn)的區(qū)分標(biāo)志。

d.貫通點(diǎn)K直接由程序給定出。

2.1.2 兩井貫通誤差預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)獲取

1)在AutoCAD軟件中根據(jù)兩井貫通測(cè)量任務(wù)書以及《礦山測(cè)量規(guī)范》設(shè)計(jì)導(dǎo)線網(wǎng)。

2)將設(shè)計(jì)的導(dǎo)線網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為(*.xls)數(shù)據(jù)格式文件。

3)在MATLAB軟件中編程直接提取數(shù)據(jù)。

2.1.3 兩井道貫通算法設(shè)計(jì)

1)井下測(cè)角誤差引起待貫通點(diǎn)誤差預(yù)計(jì)的方法[5]：

a.井下導(dǎo)線起始點(diǎn)至貫通相遇點(diǎn)K未加入陀螺定向時(shí)未加測(cè)陀螺定向，按支導(dǎo)線誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序編寫。

b.井下導(dǎo)線兩端均為陀螺定向邊，該段導(dǎo)線為方向附和導(dǎo)線，記錄該段導(dǎo)線重心的y坐標(biāo)，并按附和導(dǎo)線誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序編寫。

c.導(dǎo)線一端為陀螺定向邊，記錄該段導(dǎo)線終端點(diǎn)與該段導(dǎo)線各點(diǎn)的y坐標(biāo)，并按附和導(dǎo)線誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序編寫。

2)地面誤差引起待貫通點(diǎn)誤差預(yù)計(jì)的方法：

a.目前地面聯(lián)系測(cè)量?jī)山c(diǎn)之間通視時(shí)，布設(shè)D級(jí)或E級(jí)GPS靜態(tài)網(wǎng)足以滿足兩井貫通測(cè)量精度需求，選用GPS測(cè)量時(shí)的誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序編寫。

b.兩近井點(diǎn)不通視線時(shí)，選用導(dǎo)線測(cè)量的誤差估算公式進(jìn)行程序編寫。

3)量邊誤差引起待貫通點(diǎn)誤差預(yù)計(jì)的方法：

井下導(dǎo)線測(cè)量對(duì)貫通點(diǎn)K引起誤差與導(dǎo)線類型無(wú)關(guān)，根據(jù)測(cè)量所選的儀器與方法選用相應(yīng)貫通誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序編寫。

2.2 豎直方向誤差程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1)水準(zhǔn)點(diǎn)號(hào)編號(hào)規(guī)則。

平巷與傾斜巷道對(duì)兩井貫通測(cè)量誤差預(yù)計(jì)影響程度不同需加以區(qū)分，分別設(shè)計(jì)程序編程，具體編碼規(guī)則為：水準(zhǔn)點(diǎn)編號(hào)采用四位正整數(shù)，用符號(hào)“shjj”表示。

a.符號(hào)“s”用來(lái)區(qū)分地面與井下水準(zhǔn)點(diǎn);0為地面水準(zhǔn)點(diǎn)，1為井下水準(zhǔn)點(diǎn)。

b.符號(hào)“h”為平巷與傾斜巷道水準(zhǔn)點(diǎn);0為斜巷水準(zhǔn)點(diǎn)，1為平巷水準(zhǔn)點(diǎn)。

c.符號(hào)“jj”取值1～99，用于區(qū)分同一類型水準(zhǔn)點(diǎn)。

2)遍歷布設(shè)的所有水準(zhǔn)點(diǎn)。

a.地面水準(zhǔn)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際任意選擇一種誤差估計(jì)公式進(jìn)行編程。

b.平巷中的水準(zhǔn)點(diǎn)，采用水平巷道誤差估計(jì)公式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

c.斜巷中的水準(zhǔn)點(diǎn)，采用相應(yīng)誤差預(yù)計(jì)公式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

3 算例與軟件效益分析

圖1為某礦兩井間巷道貫通局部示意圖[6]，點(diǎn)2109為預(yù)計(jì)貫通點(diǎn)，x′為巷道預(yù)計(jì)貫通重要方向，其坐標(biāo)方位角為114°48′47″；共有4個(gè)地面導(dǎo)線點(diǎn)、21個(gè)井下導(dǎo)線點(diǎn)，近井點(diǎn)1與近井點(diǎn)4之間布設(shè)導(dǎo)線全長(zhǎng)488 m，導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)為162.6 m；井下導(dǎo)線全長(zhǎng)1 122.4 m，平均邊長(zhǎng)為56.1 m。主、副井深度為292.34 m，風(fēng)井深度為80.86 m。該兩井間巷道的貫通設(shè)計(jì)了兩套可選方案：

方案一：采用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行定向，量邊使用光電測(cè)距。

選取1001-1002,1012-1013,1020-1021三條邊進(jìn)行陀螺定向，陀螺定向中誤差均為15″。

地面導(dǎo)線測(cè)量使用NTS-202全站儀，其測(cè)距精度為mD=0.005+5×10-6D，代入地面導(dǎo)線平均邊長(zhǎng)D=162.6 m，求得地面量邊中誤差為0.005 8 m。

將井下平均邊長(zhǎng)56.1 m，求得井下量邊中誤差為0.005 3 m。

方案二：定向采用一、兩井定向方案，量邊鋼尺量邊。主要參數(shù)為：

1)根據(jù)礦區(qū)以往實(shí)測(cè)資料，兩井定向誤差為16″，定向2次。

2)一井定向誤差為32″，定向3次。

3)鋼尺量邊偶然誤差系數(shù)依據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》，平巷：0.000 8，斜巷中：0.001 6。

利用軟件進(jìn)行貫通誤差預(yù)計(jì)時(shí)，需要設(shè)置貫通參數(shù)。方案一貫通參數(shù)如圖2所示，方案二貫通參數(shù)如圖3所示。

導(dǎo)入布設(shè)的導(dǎo)線網(wǎng)數(shù)據(jù)文件，并在軟件中設(shè)置好相應(yīng)貫通參數(shù)，雙擊軟件開始界面中的誤差預(yù)計(jì)，可快速計(jì)算出貫通預(yù)計(jì)點(diǎn)K的預(yù)計(jì)誤差。貫通預(yù)計(jì)誤差結(jié)果如表1和表2所示。

由表1可以看出，鋼尺量邊與光電測(cè)距量邊誤差對(duì)貫通相遇重要方向x′方向影響較小，且兩者相差不大。定向誤差對(duì)貫通點(diǎn)K預(yù)計(jì)誤差有較大影響，而采用陀螺經(jīng)緯儀定向后的誤差比采用一井、兩井定向的預(yù)計(jì)誤差顯著降低，定向結(jié)果更可靠。表2結(jié)果表明導(dǎo)入高程與三角高程測(cè)量對(duì)貫通點(diǎn)高程影響較大，其次方案二在方案一的基礎(chǔ)上增加了一次高程測(cè)量的次數(shù)，但貫通精度依然滿足工程施工的要求，說(shuō)明在此條件下，只需進(jìn)行一次高程測(cè)量即可[7-8]。

表1 貫通重要方向的預(yù)計(jì)成果

表2 貫通點(diǎn)高程方向的預(yù)計(jì)成果

由以上理論分析和實(shí)例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)的兩井貫通誤差預(yù)計(jì)軟件[9-11]，利用了MATLAB強(qiáng)大和穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型兩井貫通測(cè)量重要方向及高程方向誤差預(yù)計(jì)，具備導(dǎo)線網(wǎng)平差的功能，極大改善今后兩井貫通測(cè)量誤差預(yù)計(jì)的效率與可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了兩井間貫通誤差預(yù)計(jì)的基本原理，詳細(xì)闡述了巷道貫通時(shí)主要測(cè)量誤差對(duì)貫通相遇點(diǎn)K的影響與軟件設(shè)計(jì)的思路及實(shí)現(xiàn)其功能的具體過(guò)程。并通過(guò)具體礦山實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)軟件可靠性與準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件可有效提高兩井貫通誤差預(yù)計(jì)工作效率，確保工程建設(shè)的高效性。