刍议煤矿井下测量的方法和技巧

【摘 要】煤矿测量工作是矿山生产建设的重要环节,也是矿山建设、生产、改造和编制长远发展规划等各项工作的基础.对井下平面控制测量方法进行了研究,主要包括导线点的设置、水平角观测、边长测量、导线延长及内业计算等内容；分析了井下高程控制测量方法,包括水准测量方法及三角高程测量方法；最后介绍了采区测量.并介绍了陀螺全站仪、三维激光扫描技术在井下测量中的应用.综合运用各种测量方法,注意测量技巧,严格执行相关的规范规程,可以保证煤矿井下测量的效率.

【关 键 词】井下控制测量；采区测量；技巧；陀螺全站仪；三维激光扫描

1引言

煤矿井下测量工作主要包括井下平面控制测量、井下高程控制测量、采区测量等,与设计、施工紧密相联,起着承上启下的作用.井下测量的空间是各种巷道与采掘场所,由于巷道狭窄,加之各种管道、车辆乃至行人、风流等都在其中通过或活动,必然对测量工作产生干扰或阻碍.由于井下测量特殊条件的限制,随着采掘工程的进展,受误差传播影响,井下测量工作可能存在误差越来越大的现象,这给井下测量工作带来了一定的难度.探讨井下测量方法,总结应用技巧,对于提升井下测量工作质量,提高工作效率,具有重要意义.

2煤矿井下平面控制测量方法及技巧

2.1煤矿井下平面控制测量方法

2.1.1煤矿井下平面控制测量要求

根据测量内容,井下平面控制测量可以分为基本控制测量和采区控制测量两类,根据《煤矿测量规范》要求,都应敷设成闭（附）合导线或复测支导线,其中基本控制导线分±7″、±15″两级,采区控制导线分为±15″、±30″两级.

煤矿井下基本控制导线的主要技术指标见表1.

2.1.2煤矿井下导线点的设置

煤矿井下导线点可以分永久点和临时点两种.永久点应设在碹顶或巷道顶底板的稳定岩石中.所有测点应统一编号,并将编号明显地标记在点的附近.永久导线点应设在矿井主要巷道中,一般每隔300-500m设置一组,每组至少应有三个相邻点.有条件时,也可在主要巷道中全部埋设永久导线点.

2.1.3煤矿井下导线测量

井下导线水平角观测,7″导线使用DJ2型号仪器,采用测回法观测；15″、30″导线使用DJ6型号仪器,采用测回法或复测法观测,井下导线水平角测量作业要求见表2.

随着全站仪的广泛使用,目前已经实现了测角测距一体化作业,通过棱镜配合,可以方便的实现测距工作,即提高了测量的精度,又降低了劳动强度.

2.1.4井下导线测量的内业计算

观测工作结束后,应及时整理和检查外业观测手簿,检查手簿中所有计算是否正确,观测成果是否满足各项限差要求等.确认观测成果符合本规程规定后,方可进行计算.

加入各项改正数后往返观测（或不同时间的单向观测）的水平边长的互差不超过限差时,取其平均值作为观测结果.

在煤矿井下平面控制测量中,导线的坐标方位角闭合差应满足《煤矿测量规范》的要求.

2.2煤矿井下平面控制测量技巧

2.2.1煤矿井下导线点的设置技巧

煤矿井下环境复杂,受到煤矿施工、开采、运输、通视条件等一系列因素的影响,煤矿井下导线点需要选在在易于保存、方便观测的区域,防治被破坏.

2.2.2煤矿井下导线的观测技巧

全站仪具有测角和测距的功能,同时内置有大量的测量软件,测量人员只需进入坐标测量菜单,按仪器操作提示步骤进行测站设置、后视定向、仪器高觇高等量取并输入后,即可进行坐标测量,依此往前传递,即可测量得到各导线点的平面坐标及高程,这是测量人员常用的方法,该方法可直接测出每个点的三维坐标,不需进行导线的内业计算,但有不足之处.比如该方法测量导线,实际只测了半个测回水平角、垂直角、单次距离测量等,测量结果没有进行平差计算,而且测量过程中后视定向后所谓的坐标测量检核,其实只起到距离检核作用,若测站坐标和后视点坐标对调后是检查不出来的.因此该方法的测量精度较低,容易出错且难检查出来,在井下控制测量、贯通测量时,要求慎用该方法.

煤矿井下导线水平角测量时,由一个测回转到下一个测回观测前,应将度盘位置变换180°/n（n为测回数）；多次对中时,每次对中测一个测回.若用固定在基座上的光学对中器进行点上对中,每次对中应将基座旋转360°/n.在倾角大于15°或视线一边水平而另一边的倾角大于15°的主要井巷中,水平角宜用测回法观测.在观测过程中水准气泡偏离不得超过一格,否则应重新整平后重测.

2.2.3煤矿井下导线延长测量技巧

基本控制导线一般应第隔300-500m延长一次.采区控制导线应随巷道掘进第30-100m延长一次.延长导线前,须对上次测量的最后一个水平角按相应的精度进行检查.

3煤矿井下高程控制测量方法及技巧

3.1煤矿井下高程控制测量方法

3.1.1煤矿井下高程控制测量基本要求

在主要水平巷道中的高程点,应采用水准测量方法确定.在其它巷道中可根据具体情况采用水准测量或三角高程测量方法确定.水准测量应使用精度不低于DS10级的水准仪和普通水准尺进行.井下高程点应设在巷道顶、底板或两帮的稳定岩石中、碹体上或井下永久固定设备的基础上.也可用永久导线作为高程点.所有高程点都应统一编号,并将编号明显地标记在点的附近.高程点一般应每隔300～500m设置一组.每组至少由三个高程点组成,两高程点间距离以30～80m为宜.

3.1.2煤矿井下水准测量的要求

井下每组水准点间高差应采用往返测量的方法确定,往返测量高差的较差不应大于±50mm（R为水准点间的路线长度,单位km）.如条件允许,可布设成水准环线,其闭合差不应大于±50mm（L为水准环总长度,单位km）.相邻两点间的高差,用两次仪器高（或其它方法）观测,其互差不大于5mm时,取平均值作为观测结果.水准测量高差的较差（或高程闭合差）不超过限差时,取往返观测的平均值（或按测站数进行分配）作为测量成果.

3.1.3煤矿井下三角高程测量要求

煤矿井下三角高程测量仪器高和觇标高应在观测开始前和结束后用钢尺各量一次,互差不得大于4mm,取其平均值作为丈量结果.煤矿井下三角高程闭合差可按导线边长成正比例分配.复测支导线最终点的高程应取两次测量结果的平均值.高差及高程计算取位至毫米.

3.2煤矿井下高程控制测量技巧

由于井下高程控制点设置要求与导线点类似,故不再介绍高程控制点的设置技巧.

在煤矿井下测量中,由于控制点的设置问题,会经常出现倒尺测量的情况,记录时应注意,避免在进行数据处理计算时发生错误.与普通水准测量类似,井下水准测量同样需要严格执行《国家三四等水准测量规范》的各项限差及要求,在测量前进行水准仪的i角检查,在环境允许条件下,尽量保证前后视距相同,减小i角的误差影响.

同样,井下三角高程测量同样需要参照《工程测量规范》等相关标准规范的要求.三角高程测量的主要误差来源包括测距误差、竖直角误差、仪器高和觇标高量取误差等,在进行三角高程测量时,需要重点注意以上误差来源.

4煤矿井下采区测量方法及技巧

4.1煤矿井下采区测量方法

煤矿井下采区测量主要包括采区内的联系测量、次要巷道测量、回采工作面和各种碎部测量等内容.

目前采区控制测量主要根据地面已有控制测量成果,通过联系测量从两个斜井进行导入.采区内定向测量的测角、量边按采区控制导线的要求进行,两次定向结果之差不得超过14′.分水平（即分阶段）依次逐级定向时,同一水平两次定向测量结果之差不得超过14′/（n为中间定向个数）.

次要巷道测量工作包括下列内容：

（1）测量巷道轮廓,绘制大比例尺巷道图.

（2）丈量巷道长度,验收巷道的进尺.

（3）丈量巷道断面的各种尺寸,验收巷道的规格质量.

（4）规定断层、煤层厚度变化等地质特征点和瓦斯突出点、涌水点的实际位置,并填绘到有关的图纸上.

在测量采煤工作面位置的同时,还要测出充填区和煤柱位置,煤层厚度和采高,以便计算采区煤量、反映各煤层间的采煤关系,检查资源的损失情况.当采煤工作面发生冒顶、火害或其他事故时,需对冒顶的位置、长度、宽度及火区的位置准确地进行测量并及时填绘到图纸上.对于综合机械化采煤工作面测量,根据矿井地质条件和开采即使程所提出的要求,考虑综合机械化开采的特点来进行.一般作业方法是：（1）监督综采机的位置.（2）检查综采机工作面的直线性.

4.2煤矿井下采区测量技巧

回采工作面每月的测量次数,应能满足生产和回采率计算的要求,至少须测出工作面月末位置.回采工作面测量应以导线点为基础,采用的仪器、工具和施测方法应能保证测量工作面长度和进度的相对误差不超过1/200.测量回采工作面时,还要测出充填区和煤柱的位置、煤层厚度和采高等.

井下碎部测量可采用支距法、极坐标法或交会法等进行.

5测绘新技术在煤矿井下测量中的应用

5.1陀螺全站仪在煤矿井下测量中的应用

5.1.1陀螺全站仪简介

陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起的仪器,采用陀螺寻北本体与全站仪共同配合来测定任意测线的陀螺方位角.陀螺仪相对于惯性空间有定轴性的特性,而地球相对于惯性空间有自转效应,因此在地球表面某一纬度φ处的陀螺仪就可以测量出相对于惯性空间的自转角速度ω,然后将地球的自转角速度分解为水平分量和垂直分量,其中水平分量ωn等于ωcos沿地球经线指向真北；可见,通过惯性技术测量敏感地球自转角速度的水平分量便可以获得地球的北向信息,这就是寻北仪工作的基本原理.

5.1.2陀螺全站仪观测程序

陀螺全站仪定向采用中天法进行观测,定向程序为：（1）先在地面任意点上测定仪器当地的比例常数C值.观测6个测回,计算出3个C值,取平均值作为当地本仪器C值,在一定时期内,50km范围内可以使用同一C值；（2）在地面已知边上观测3个测回,计算仪器常数△；（3）在井下待定边上用2测回测量陀螺方位角；（4）返回地面后,在原已知边上采用3测回测量陀螺方位角,再求得三个仪器常数△.

根据以上测量成果来检验仪器的稳定性和测量的精度,确保陀螺定向成果的可靠性和精度.

5.1.3陀螺全站仪在煤矿井下测量中的应用技巧

为了保证观测精度,测量时需要严格执行以下各项限差：（1）陀螺全站仪的C值测量互差不大于0.06；（2）仪器的悬挂带零位不能超过±0.5格,测量前后零位值的互差不得超过0.2格；井上下零位差超过0.3格时,应加入零位改正；（3）相邻摆动时间的互差不得大于0.4秒,间隔摆动时间的互差不得大于0.6秒；实践总结可以保证相邻摆动时间的互差不大于0.3秒,间隔摆动时间的互差不大于0.4秒；（4）两个镜位观测测线测前方向值、测后方向值.测前测后方向值的互差不得超过10"；（5）测回间方向值互差不大于40".

5.2地面三维激光扫描技术在煤矿井下测量中的应用

5.2.1地面三维激光扫描技术简介

地面三维激光扫描技术的工作原理,即由三维激光扫描仪内部的一个发射体发射激光脉冲,再通过两块反光镜有序快速旋转,把由发射体发射的窄束激光脉冲按一定次序扫过目标区域.通过测量每束激光从发射到物体表面反射回仪器的时间计算相关距离,并且编码器还会测量脉冲的相关角度,最终得到目标的真实三维坐标.软件处理后,便会输出实体建模.运用地面三维激光扫描技术,从事各类复杂、不规则的实景或实体三维数据的采集,快速重构目标的三维模型.

5.2.2地面三维激光扫描的工作流程

（1）实地踏勘实际情况,制定合理的施测方案.合理布设扫描测站,划分地面三维激光扫描作业面,保证整体扫描无缺失,避免数据过度冗余,提高扫描效率.

（2）按照制定的施测方案计划进行数据采集工作.根据精度要求设置扫描分辨率,对于规则区域,采用较低的分辨率,不规则区域采用高分辨率扫描.

（3）对采集好的点云数据进行数据预处理,包括：点云的拼接、去噪以及统一坐标系统等工作；并进行数据处理,得到观测数据及三维模型等成果.

5.2.3地面三维激光扫描应用技巧

根据作业现场周边环境,合理设置扫描站点,保证数据的完整性和准确性,减少工作强度.扫描站点不能离目标物体太远,也不能太近,尽量避免遮挡,选择合适的扫描站点既可以提高工作效率,又能保证精度.

利用地面三维激光扫描测量时,扫描完成后在现场初步分析数据质量是否符合设计要求,保证地面三维激光扫描采集的数据既不缺失,又不过度冗余.地面三维激光扫描的过程中避免人员走动,以减少异常点的出现.

6结论

在煤矿井下测量工作开始前,应根据任务要求,收集和分析有关测量资料,进行必要的现场踏勘,制定经济合理的技术方案,编写技术设计书.在施测过程中,外业观测工作本身须有校核,或者进行两次.对起算数据、外业记录和计算成果均须经过严格的检查或对算.另外,陀螺全站仪、地面三维激光扫描仪等测绘新技术、新仪器的利用有利于提高煤矿井下测量的效率和精度,且能减轻劳动强度,相信随着测绘技术的发展和进步,煤矿井下测量将会更加智能化.