山西省地质勘查局二一二地质队 山西长治 046000
摘要：随着矿井现代化建设的发展，超长型巷道的贯通越来越多，为保证贯通工程的横向精度，在贯通测量的地下控制导线部分，广泛使用了陀螺定向技术，陀螺定向可有效减少巷道导线方位误差的累积，与未加测陀螺边的巷道导线相比，可使贯通的横向精度产生增益。由于导线测角误差的累积影响，不可避免地造成远离起算边的控制导线点的精度降低，满足不了大型贯通工程实际要求。鉴于陀螺定向的优点，经过优化设计陀螺全站仪定向在晋煤集团成庄矿3#段河副斜井和3#进风立井进行贯通的应用，以保证井下贯通工程的顺利贯通，提高贯通精度。
关键词：近井点测量；四等水准测量、井上下联系测量；井下陀螺边定向测量；井下控制测量；贯通测量；提高精确度。
一、工程概况及工作内容
随着矿井规模的扩大机械化程度提升，晋煤集团成庄矿通风系统需进行改造，3#段河副斜井和3#进风立井需贯通。贯通工程的横向精度mX’容=±0.2m，高程方向容许误差为：mH容=±0.2m。根据工作需要本次测量内容包括：
⑴ 近井点测量（6个D级GPS近井点）；
⑵ D级GPS近井点进行四等水准测量；
⑶ 井下7″级导线控制测量：
a、井上下联系测量（3#风立井）；
b、井下陀螺边定向测量（2条15″级陀螺边）；
c、井下主要巷道7″级导线控制网测量；
d、7″级导线控制网三角高程控制测量；
e、贯通测量（3#段河副斜井和3#进风立井）
二、近井点测量
测区利用收集到的四个国家C级GPS点：大阳、马交岭、贾泉坪、马头山作为本次控制测量的起算点，其作业依据：
⑴、GB/T18314-2001《全球定位系统（GPS）测量规范》
⑵、能源煤总[1989]25号《煤矿测量规程》
⑶、GB50026—2007《工程测量规范》
⑷、GB/T 16818-1997《中、短程光电测距规范》
⑸、《晋煤集团成庄矿井下控制测量及贯通测量技术设计书》
坐标系：坐标系统为1954北京坐标系，部定3度带高斯投影（中央子午线112°30′）。
高程系统：高程系统采用1956年黄海高程系。
1、平面控制测量
测区以D级GPS网作为首级控制网，共布设6个点，观测仪器为南方公司生产的五台套NGS—9600GPS静态接收机，以边连接方式观测，平差采用随机南方 GPS数据处理软件，控制网中最弱边相对中误差1/47600，小于允许误差1/40000，最大点位中误差为0.006m。
2、高程控制测量
以水准点常店、贾泉坪为基点，进行了四等水准附合导线网测量，使用的WILD NAK-0型水准仪采用“后-后-前-前”测量方法对测区所有D级埋石点进行四等水准测量。四等水准附合导线网测量数据通过清华山维NASEW2003智能图文网平差软件平差计算可得闭合差为0.002m，权倒数为6，限差为0.022m，观测值中误差为±0.001m。精度要求满足规范规程要求，可作为本次井下导线测量的起算数据使用。
三、井上下联系测量
根据工程特点平面坐标测量采用3#风立井一井单丝投点，陀螺全站仪定向的方法进行。高程导入采用长钢尺直接丈量导入。
投点时用的钢丝采用了小直径、抗拉强度高的高强度钢丝。在垂线下放后，严格检查重砣与桶壁、桶底之间及垂线与井壁、井筒设备之间有无接触之处。当确认无接触后，在钢丝完全稳定后井上下同步进行观测。摆动垂线位置采用标尺法确定摆动垂线位置，按垂线的最大摆幅在标尺上的位置，连续读取13次以上（次数为奇数）的读数，并取左、右读数平均值的中数作为垂线在标尺上的稳定位置。按上述方法连续进行两次，两次结果的互差不超过1mm，取其平均值作为最终结果。
高程导入采用600m长钢尺直接在垂线稳定情况下地面和井下采用WILD NAK-0型水准仪三测回三次仪器高同时进行测量，取其平均值作为丈量结果，经投影丈量加钢尺各项改正数（比长改正、拉力改正、温度改正、自重改正）后，3#风立井井深为261.861米。
钢尺的各项改正数如下：
比长改正：ΔLK=265.66m×7.5×10-6=1.9mm
拉力改正：ΔLP=L（P-P0）/E×S=265.66m×（15Kg-15Kg）/2×106Kg/cm2×0.02cm2=0mm
温度改正：ΔLt=aL〔〈t上+t下〉/2-t0〕=0.0000115×265.66m〔〈22+15〉/2-20〕=-4.5mm
自重改正：ΔLc=2×10-7L2=2×10-7×265.662m=14mm
风2测点与B2测点最终高差为：
261.850+0.0019-0.0045+0.014=261.861m
井下B2点高程为：784.360-261.861=522.499m
四、井下陀螺边定向测量
运用日本索佳GP-1型陀螺全站仪及配套附件，采用跟踪逆转点法进行观测，严格按照优化设计要求对井下二条陀螺边（3#风井底B2-B1、四五联络1巷SW015-SW016）进行施测，施测前、后都对陀螺经纬仪的悬挂零位进行了检查，零位中值都小于0.5格，满足仪器测量要求，不需要进行零位改正，入井前施测地面已知边“风2-风1”的陀螺方位角，共测量三个测回求得仪器常数，入井后在设定的导线边上（B2-B1、SW015-SW016）用两测回测量陀螺方位角，返回地面后在原已知边“风2-风1”上用三个测回测量陀螺方位角，再求得仪器常数，满足规程精度要求后取平均值作为仪器的常数。
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仪器常数计算
已知边
风2-风1陀螺方位角vvvΔ平=T
-T陀平
（° ′ ″）
观测值平均值
次序°′ ″° ′ ″
α（°′″）下
井
前134642 33346 42 37-39-0 02 41
346 32 06234642 4711121
γ（°′″）334642 3939
0 07 50上
井
后134642 26-11121
T=α+γ234642 4812144
346 39 56334642 31-525
一次测定中误差：m=±√〔vv〕／（n-1）=±9.3″
井下定向边（SW015-SW016）成果计算表
定向边陀螺方位角Δ平
（°′″）γ
（°′″）α平=T陀平+Δ平-γ
（° ′ ″）
观测值平均值
次序°′ ″° ′ ″
四五联络1巷
SW015-SW016120137 15201 37 23-0 02 410 05 01201 29 43
220137 31
3
精度坪定：mα平=±m／√n=±8″
井下定向边（B2-B1）成果计算表
定向边陀螺方位角Δ平
（° ′″）γ
（° ′″）α平=T陀平+Δ平-γ
（° ′ ″）
观测值平均值
次序°′ ″° ′ ″
3#风井底
B2-B1110836 41108 36 45-0 02 410 05 15108 28 51
210836 49
3
精度坪定：mα平=±m／√n=±1.58″
五、井下控制测量
1、井下平面控制测量
依据成庄煤矿提供的井下导线线路图，以3#风立井投下的平高点B1为起算点，井下控制测量布设成闭合导线，中间加测陀螺定向边（3#风井底B2-B1、四五联络1巷SW015-SW016），以限制测角误差的积累，提高导线精度。7″级基本控制导线的陀螺全站仪定向精度不得低于±10″。
闭合导线路线 由16、15、L1、14#、13#、12#、11#、L2、9#、L3、6#、4#、3#、2#、1-1、1#、L4、k#、B1、SW004、SW005、SW006、SW007、SW008、SW009、14、13、SW010、SW012、SW013、SW014、SW015、SW016、SW161、SW162、17、16构成。
井下控制点闭合导线测量数据通过清华山维NASEW2003智能图文网平差软件平差计算可得该闭合导线的闭合差-0.0027m，权倒数为36，限差为0.0207m，观测值中误差为0.0007m，最弱边为SW016--SW161，最大相对误差1/44526。
1、井下高程控制测量
晋煤集团成庄矿井下导线高程基础控制网应采用四等水准测量方法进行，考虑到矿井下实际情况，经过优化设计改为三角高程控制网代替井下四等水准测量。
仪器仪高和觇标高在观测开始前和结束后用钢尺各量一次。两次丈量的互差不大于2mm，取其平均值作为丈量结果。相邻两点往返测量高差的互差不大于10mm+0.3mm×L（L为导线水平边长，以m为单位）；三角高程导线的高程闭合差不大于±100mmL （为导线长度，以Km为单位）。三角高程闭合差按导线边长成正比例分配。
晋煤集团成庄矿井下高程控制网为一条闭合导线，导线总长4175m，设站37站。
井下高程控制点闭合导线测量数据通过清华山维NASEW2003智能图文网平差软件平差计算该闭合导线的闭合差-0.026m，权倒数为36，限差为0.15m，观测值中误差为0.004m。
六、贯通测量
晋煤集团成庄矿3#段河副斜井和3#进风立井进行贯通，在施测前进行贯通误差预计。拟定的贯通相遇点K在水平重要方向（即3#段河副斜井中线方向的水平投影方向）X/上的误差和在高程方向的误差是贯通巷道重要方向偏差。贯通工程的横向容许误差为：mX/容=±0.3m，高程方向容许误差为：mH容=±0.2m。
3#进风立井测量引起贯通相遇点K水平重要方向X/上的误差估算，包括地面导线终点B（投点钢丝）的误差和井下测量的误差。前者包括近井点起始点位、起始方位误差、地面连接导线测角、测距误差和投点误差。后者包括陀螺定向误差和井下导线测角、测距的误差。
1、贯通相遇点K水平重要方向X/上的误差估算
①地面导线终点B的误差估算
Mx/上=±√（mX/02 + mX/α2+ mX/β2+ mX/l2+ mX/t2）
=±√（0.022 2 +4.234×10-6+1.257×10-6+2.299×10-5+0.02 2）
=±0.03 m
②井下导线测量的误差估算
Mx/下=±√（mX/T2 + mX/β2+ mX/l2）
=±√（2.88×10-3+2.84×10-3+9.792×10-5）=±0.076m
则mX/立=±√（mX/ 上2 + mX/下2）
=±√（0.03 2+0.076 2）=±0.082 m
③3#段河副斜井测量对K点在X/轴方向上的误差影响
Mx/斜=±√（mX/02+ mX/β2+ mX/l2）
=±√（0.02 2 +4.70×10-3+1.121×10-6）
=±0.071 m
④由立井和斜井两井筒测量引起K点在X/轴方向上的总中误差：
Mx/K =±√（mX/立2+ mX/斜2）
=±√（0.0822+0.0712）=±0.108 m
取2倍中误差作为水平重要方向贯通预计误差：
Mx/预 =±2 mX/K =±0.216 m < mX/容
2、贯通相遇点K在竖直高程方向上的误差影响。
井下全部采用三角高程导线测量，对K点在竖直高程方向上的误差影响主要包括以下几方面：
①地面两井口近井点按四等水准联测，起始高差中误差的影响：mh0 = ±0.007×√S = ±0.007×√0.086 = ±0.002 m
②两井地面三角高程测量中误差的影响：
mH上= ±0.05×√L上 = ±0.05×√0.337= ±0.029m
③立井导入高程误差：
mH导= ±h /22600= ±262 /22600= ±0.012 m
④两井井下三角高程测量中误差的影响：
mH下= ±0.05×√L下= ±0.05×√2.451= ±0.078 m
以上各项高程测量均独立观测两次。则两井测量对K点在高程方向上的总中误差：
mHK = ±√（（mh0 2 + mH上2+ mH导2+ mH下2）/2）
= ±√（（0.002 2 +0.0292+0.0122+0.0782）/2）
= ±0.059 m
取2倍中误差作为高程贯通预计误差：
mH预 =±2 mHK = ±0.118 m< mH容
通过误差预算后确定加测2条陀螺边的贯通测量方案可行，经过贯通后导线闭合测量结果为：中线实际偏差0.095m，高程实际偏差0.109m，导线相对误差1/44526。
七、总结
通过本次贯通测量的优化设计和具体实施，确定陀螺全站仪井下定向是提高井下测量精度的技术手段，使我们充分认识到其在巷道贯通中的重要性。首先，陀螺定向结果精度高、可靠性高；其次，通过实测发现，如果近井点存在问题，则容易引入偶然误差，不适合进行陀螺观测，为进一步提高观测精度，削弱人为因素和外界环境产生的偶然误差，应在地面稳固且利于搬运的地方做一条与井上系统一致的陀螺基线，要求距离适中（瞄准目标清晰），俯仰角不宜过大。
论文作者:常剑锋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/20
标签：测量论文; 误差论文; 导线论文; 高程论文; 井下论文; 陀螺论文; 立井论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;