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概述矿山贯通测量的应用与精度分析

张鹏 呼卡飞
摘要：矿山测量中大量日常性的工作是为井巷掘进实现贯通。能否实现井巷贯通是衡量测绘工作质量的一个重要标志。通过总结该次测量工作中的实践工作经验，介绍一些保障井巷贯通精度的一些措施，为以后的高精度贯通测量提供了非常有益的借鉴。
关键词：矿山;贯通测量;测量误差;精度分析
：E992： A
引言
为了加快巷道掘进的速度，缩短巷道内通风的距离，改善工人的劳动条件，常在同一巷道的不同地点增加工作面分段掘进，最后使各分段巷道按计划要求贯通。在整个巷道贯通过程中，为了按计划要求掘进，保证满足贯通的精度，为此而进行的所有测量工作，统称贯通测量。由于在贯通测量中不可避免的存在贯通误差，这里所指的误差包括地面与地下的控制测量误差以及联系测量的误差等，最终使各掘进的工作面不能准确无误的实现贯通，而不可避免的出现贯通误差。贯通误差发生在空间的三个方向，沿巷道中心线方向的误差，称为纵向贯通误差；在水平面内垂直于巷道中心线方向的误差称为横向误差；高程方向的贯通误差称为竖向误差。其中横向误差和竖向误差直接影响巷道的质量，又称为重要贯通方向的误差。
一、矿山贯通测量技术
矿山平面控制测量分为地面平面控制测量和井下巷道基础控制测量，地面控制测量一般采用GPS测量，井下巷道基础控制测量采用导线测量以及三角网测量等测量方法。矿山控制网一般应釆用独立施工坐标系，以其平均高程面为基准面，坐标投影的中央子午线取其中心经线，坐标轴取矿山直线或曲线矿山切线。
地面平面控制测量常釆用的方法有:中线法、精密导线法、三角测量、三边测量、边角测量或综合使用，目前主要采用GPS测量方法布网测量。
（一）精密导线法
导线法布设灵活、适用性大，是矿山地面控制网布设采用的传统方案之一。一般精密导线需要布设成导线环或者是闭合导线。为了增加检核条件，导线环的个数要多于4个，每个环的边数不宜太多，以4-6条为佳。导线边长不要太短，尽量布设成等边直伸导线，同时适当提高测角测回数，有利于减小测边测角误差对于横向贯通误差影响。
（二）三角锁和导线联合控制
这种方法适用于特殊地形。比如矿山在市区，可以通过在三角锁中间布设导线环穿过市区。三角锁控制网布设时应注意:三角锁或导线环尽量选择长边以减小测边测角误差对横向贯通误差影响。井口附近布设至少三个平面控制点，以检验点位稳定性和检查核对入井方位。三角锁若有一条起始边，则应布于其中间，两条的话布设于三角锁两边。
（三）GPS测量
目前，GPS测量成为长大矿山布设控制网主要采用的方法，它是传统测量方式的补充，具有速度快、全天候、劳动强度低、数据解算精度高、受外界环境影响较小、布网范围大等优点。随道GPS控制网的布网设计，应满足以下条件:定位网由矿山各开挖口的控制点群组成，井口应设置至少3个控制点。矿山控制网由一些独立观测环组成，其边数要少于12个。网的边长介于300m与30km之间。每个控制点应连接至少三条边。GPS定位点之间一般不要求通视，但考虑到施工过程加密需要，应当通视。点位空中开阔，确保能够接收到足够多的同步卫里。测站附近不应有对电磁波强烈吸收和反射的金属或其他物体。为了减弱垂线偏差，每一井口处的三个GPS控制点最好位于同一高程上，在可能的情况下，各洞口控制点之间的高差尽量小一些。布设的GPS控制点应满足良好的接收卫星信号的要求。GPS网必须由异步环构成检核条件，以提高网的可靠性。GPS观测前应编制出GPS卫星可见性预报表，方便布网开展以及基线解算。
GPS数据处理与分析理论已经取得了突飞猛进的进展，周跳探测与模糊度分解等GPS基线解算中的关键问题算法比较成熟，因此它是长大矿山控制测量中首选方案。
二、矿山巷道平面控制测量
巷道控制测量主要目的是为了确保矿山正确掘进并且高精度贯通。由于矿山工作面较为狭窄，故导线测量成为巷道控制的主要方式。巷道导线布设一般采用下列几种形式:
（一）单导线
单导线测量比较简单，易于施测。其测点误差椭圆随着掘进长度的变化如下图所示。单导线适用于比较短(矿山长度<1KM)、贯通要求比较低的矿山，因为单导线对方向控制很弱，并且图形强度很弱，容易造成横向摆动。
图1单导线
（二）导线环
如图2所示，通过施测可以求出5和5'坐标以及两点间距离，与实测的5-5'距离较差作检核，可以做到步步有检核。导线环布网方式适用于较短矿山，但其图形强度、检核条件较单导线多;因此，对于长度小于1km的矿山而言，是比较合适的布网方式。
图2导线环
（三）全导线网
如图3所示，并行导线在两点之间交叉，每一个新点通过两条路线测量得出坐标(如3点坐标由2和2'两点得出)，与实测2-2'的距离作较差进行检核。布设全导线网主要目的是让控制网变成。肥网。，网型强度很高，对提高横向贯通误差精度增益很大。全导线网基本适用于所有的矿山巷道布网。但对于较短矿山，其测量工作强度较大，造成工作量、费用等的不必要浪费，所以要综合考虑取舍。
图3全导线网
三、矿山贯通误差预计以及提高方法
（一）地面边角网测量误差引起矿山横向贯通误差的估算方法
在矿山洞外控制网方向间接平差中，可按求坐标未知数权函数方法估算横向贯通误差，利用定向边的估算方法，以及零点误差椭圆方法，它们都是估算横向贯通误差的严密算法。
如图4所示，J、C为进出口点(不一定在中线上)，A、B为定向点，Ej、Ec分别表示由两洞口通过联系角α、β和边长SJE、SCE计算的贯通面上的点。在求取横向贯通误差时，将α、β、SJE、SCE默认为不含误差的值。由图4可知贯通面上点EJ、EC的横坐标差ΔYE的中误差即为横向贯通误差。故应首先计算ΔYE，然后对ΔYE全微分。
图4
求微分得:
将求得微分带入得:
横向贯通误差的微分式为:
由误差传播定律，得横向贯通中误差为:
因此计算出QXX，控制网的验后单位权方差，即可得出贯通点坐标差的方差和协方差，贯通点的零点相对误差椭圆进而可以求取。误差椭圆在贯通面上的纵向和横向投影大小即为洞外控制网的纵向贯通误差和横向贯通误差影响值。
矿山GPS控制网的独立坐标系，需要经过GPS网平差，大地坐标与空间直角坐标变换，大地坐标系与Gauss坐标系变换，Gauss坐标系与工程独立坐标系变换得出。因此，严密平差中坐标协因数阵QXX需经过一系列变换才能准确得出。
（二）提高精度方法分析
矿山贯通工程规定要求贯通误差小于0.3m，通过误差分析可见该贯通方案是可行的。同时，通过误差分析对提高该工程贯通方案的精度也有很好的指导价值。本人结合实践对提高贯通测量精度的建议有以下几点:(1)导线是影响测量精度的因素之一，闭合、附和、等边直伸型的导线在对K点，X轴的误差值较小。(2)重视陀螺定向对测量值的影响，实践中可以增加测量次数来降低误差值。(3)慎重选择贯通的相遇点，实践证明贯通的相遇点最好在平直巷道中。（4）与传统的定向方式相比，随着科学技术的发展。GPS定位及测量技术方面的应用将大大降低测量误差，是未来研究的新方向。
结束语
显然，贯通测量工作责任大，必须精心组织、尽力实施。如果在贯通测量中发生差错，使巷道不能按计划要求贯通，或者虽然贯通但误差太大，严重影响巷道成型质量，这将会造成人力、物力和时间上的严重损失。
参考文献
[1]董秀桃,郭玉社.提高大型贯通工程测量精度得方法[J].矿业快报,2003,(3):5-7.
[2]中国统配煤矿总公司生产局.煤矿测量手册[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

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