测量控制系统在煤矿测量工作中的应用.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 面对矿井大规模开采所引发的各种问题，要想精 采细采，必须借助安全、可靠的测量控制系统才能够 进行采掘作业。“孤岛”“边角煤柱”也要进行回采， 这样才能实现资源利用最大化。本文通过对 11层 408 盘区与 307 盘区中部煤柱 8823 工作面的施测，解决了 控制系统的建立及实际测量过程中测量精度控制的问 题，为以后类似情况提供了精准的施测方案。 111层 8823 工作面四邻情况及原控制点情况 由于采掘衔接紧张，可采煤炭资源已近枯竭，经 多方讨论，决定开采不具备开采条件的 11层 8823“孤 岛”工作面，其可采储量为 2.76伊105t。11层 8823 工 作面北邻 410 盘区，西部与 11层 307 盘区 8713 工作 面相邻，最短相邻煤柱 10.4 m，5823 巷到位后与 11层 2713 下 巷 最 短 距 离 24.2 m， 南 部 与 11层 408 盘 区相邻。2823 巷掘进过程中，穿 11层 408 盘区 5825 巷，工作面中部有一处断层沿巷道中部而过，断层落 差 1.101.95 m。8823 工作面形成孤岛之势，如何虎口 拔牙，测量必须先行，圈出优质的工作面，才能实现 矿井的精采细采。11层 8823 工作面四邻情况如图 1 所示。 2起始测点精度的控制 在实际工作中，需要核算原有设计关键数据，保证 数据的准确性，但是，8823 工作面的位置具有特殊性， 而且原有测量控制系统已经被破坏。因此，经过研究， 需要采用相对独立的坐标系统，以提高导线精度，保证 在既定的空间内掘进巷道。而唯一可行的办法，就是从 开始布设高等级的导线与原有孤立测点联系测量，建立 一个既独立又联系的测量控制系统。 410 皮带巷巷道断面宽 5.25 m，高 4.0 m，风速 6.0 m/s。现阶段，最重要的是起始点仪器对中的精度 问题，而且巷道顶板到仪器的高度达到 2 m 左右。为 此特意在井下做了实验，利用挡风布来阻挡风流对下 对点的影响，实测出对中误差达到 0.21 m，而且挡风 布阻挡下的垂球依然不稳定，左右摇摆 （ 幅度依3 cm ） ， 无法对中。 鉴于此，利用前方交会原理[1]将顶板导线点投影到 巷道底板，再利用仪器的光学或者激光下对中，就可以 解决这个问题。具体操作如图 2 所示。 由图 2 可知，在 a，b 两点架设仪器，整平后瞄准 P 点根部，利用望远镜十字丝竖丝在地面坚固的纸板表 面投影 c，d，e，f 四个点，四点连线的交点即为 P 点 的投影 P鸳 点，然后在 P鸳 点架设仪器下对点对中整平， 实测导线。 将图 2 投影到平面即为图 3。根据前方交会原理进 行相关计算 收稿日期2020-03-16 作者简介史建国，1985年生，男，山西汾阳人，2009年毕业于太 原理工大学阳泉学院测绘工程专业，工程师。 测量控制系统在煤矿测量工作中的应用 史建国 （ 同煤集团煤峪口矿，山西 大同 037041 ） 摘要 随着矿井大规模开采，现有资源逐渐枯竭，要想释放更多产能，必须深挖细采现有资源。面对错综复杂的巷 道系统及原有测量控制系统被破坏和采掘过程中各层采空区积水等问题，要想精采细采，必须有安全、可靠的测量控制 系统。测量控制系统的建立在实际工作中是非常重要的，通过全程控制、细部提级、测点联系，实现了对测量控制系统 精度的把控，解放了“孤岛”工作面，延长了矿井的服务年限。 关键词 测量控制系统；全程控制；联系测量；细部提级 中图分类号 TD175文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0179-03 Application of Measurement Control System in Coal Mine Measurement SHI Jianguo Meiyukou Coal Mine, Datong Coal Mine Group, Datong 037041, Shanxi, China Abstract With the large-scale mining of the mine, the existing resources are gradually exhausted. In order to release more production capacity, it is necessary to excavate the existing resources carefully. In the face of the complicated roadway system and the original measurement control system being destroyed and the gob water accumulation in the process of mining, it is necessary to have a safe and reliable measurement and control system in order to achieve fine mining. The establishment of measurement control system is very important in the actual work. Through the whole process control, detail upgrade and measurement point connection, the accuracy of the measurement control system is controlled, the “island“ working face is liberated, and the service life of the mine is extended. Key words measurement control system; whole-process control; connection measurement; detail upgrade （总第 179 期） 实践运用 179 2020 年第 8 期2020 年 8 月 H.断层落差。 图 111层 8823 工作面四邻情况 a 坐标反算 tan琢ab Yb-Ya Xb-Xa 驻Yab 驻Xab ，1 琢abtan-1 驻Yab 驻Xab 蓸蔀，2 Lab Yb-Ya sin琢ab Xb-Xa cos琢ab ，3 式1～3中，琢ab为 ab 的方位角；Yb为 b 点的纵向坐 标；Ya为 a 点的纵向坐标；Xb为 b 点的横向坐标；Xa 为 a 点的横向坐标；驻Yab为纵向增量；驻Xab为横向增 量；Lab为 a 点到 b 点的水平距离。 b 角度计算 酌180毅-琢茁，4 琢ap琢ab-琢，5 琢bp琢ba茁。6 经检核，得 琢ap-琢bp酌。7 式4～7中，酌 为方位 琢pa与 琢pb的夹角；琢 为方位 琢ap 与 琢ab的夹角；茁 为方位 琢ba与 琢bp的夹角；琢ap为 ap 的 方位角；琢bp为 bp 的方位角；琢ba为 ba 的方位角。 c 边长计算 Lap Lab-sin茁 sin酌 ，8 Lbp Lab伊sin琢 sin酌 ，9 式8～9中，Lap为 a 点到 p 点的水平距离；Lbp为 b 点 到 p 点的水平距离。 d 求 P 点坐标 XpXa驻XapXaLap伊cos琢ap，10 YpYa驻YapYaLap伊sin琢ap，11 或者 XpXb驻XbpXbLbp伊cos琢bp，12 YpYb驻YbpYbLbp伊sin琢bp，13 式10～13中，Xp为 p 点的横坐标；驻Xap为 a 点到 p 点横向的坐标增量；琢ap为 ap 的方位角；驻Xbp为 b 点到 p 点横向的坐标增量；Yp为 p 点的纵坐标；驻Yap为 a 点 到 p 点纵向的坐标增量；驻Ybp为 b 点到 p 点纵向的坐 标增量。 通过在其他巷道的实测计算验证，前方交会得出 的 P鸳 点坐标与 P 点坐标基本一致，误差在 0.001 5耀 0.003 3 m，满足工作要求。 3与原有测点的联系及独立控制系统的建立 11层 8823 工作面的回风顺槽 5823 巷由工一掘进， 进风顺槽 2823 巷由工二掘进。5823 巷需要过 410 盘区 回风系统与 14层 410东回风系统贯通，虽然图上距离 11层8823工作面 5823巷 24.2 H0.5蚁80毅 -10.4 2823巷 通9层 H1.41.7 蚁70毅 H1.5蚁73毅 图 2P 点的下投 P鸳 点示意图 P b a P c e d f 图 3前方交会计算示意图 P ab 酌 单位m 180 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （下转 187 页） 不是很远，但它们不是同一系统，必须保证成功贯通。 通过测量过程中与原有控制点的高程附和测量，保证 了巷道的精准贯通。 为了保证巷道平行，必须采用同等精度的起始来 做控制系统[2]。一般情况下，工作时都是以皮带巷为起 始，这种情况适用于同向贯通，即 2 条巷道掘到位后 由一条巷道向另一条巷道贯通。但这一次是相向贯通， 就不能这样做。因此，对测量工作提出了更高的要求。 与传统给线相比，根据实际情况，选择实测路径， 在 5823 巷布设导线点，以达到更高的精度。将 5823 巷 的固定点作为进风顺槽 2823 巷的起始控制点，这样就 保证了巷道开口的起始控制精度。在传递控制点的过 程中使用三架法 （ 全站仪 ） ，以减少测量过程中照中目 标所带来的误差以及人为因素造成的误差，运用全站 仪三角高程测量的方法来计算下一测站点的高程，同 时与原有的控制点进行相应的附和计算，以提高给线 的精度。具体操作如下a 对于局部短边，甩短边变 长边，并且采取加一测回的方法，以提高精度；b 对 2C 误差、垂直角指标差都做了要求，运用高等级的仪 器测量，确保整个测量控制系统精度。 施测过程中，对外业实测技术指标的要求如表 1 所示。 表 1外业实测技术指标 注 a 如果不采用表1所列的仪器， 可以根据仪器级别和测角精度 要求适当增减测回数； b 多次对中时， 每次对中测一测回， 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180毅/n （n 为测回数） 。 8823工作面由工一和工二同时掘进，当掘进剩余 40 m 时，一方停止掘进，由另一方完成剩余巷道的贯 通。这就必须保证巷道中线的一致性。 与同向贯通相比，相向贯通则必须以已掘巷道的 方位为设计方位，才能保证贯通后在限差之内，通过 计算得到 A 点到已知中线的距离 c1和已掘巷道的帮距 a1、b1，这样就可以计算出所给巷道中线的帮距，左手 a1c1，右手 b1-c1，如图 4 所示。 图 4相向贯通巷道给线计算示意图 8823 工作面切巷贯通处有一大断层，为了保证切 眼巷的水平，施工一导向孔，通过施工导向孔减少中 线及腰线的标定次数，大大提高了贯通精度，加快了 掘进速度，为回采工作的准备赢得了宝贵的时间。 利用全站仪提供精确的 2 条导向线，将顶板点位交 会到地面点，有效解决了风流对下对点的影响，提高了 起始点的精度。利用全站仪下投点法，在 412 煤柱系统 巷掘进中保证了 11 个过巷的精准度。此处为煤峪口矿 又一个煤柱面，应用该法的效果较好，导线相对闭合 差 1/3 125，保证了该工作面的顺利投产，解放了 412 盘 区煤柱煤炭资源 3.2伊105t，创造价值保守估计 2.0伊105元。 在施工前优化测量路径，能够减少人员以及工时的 投入，并且能够提高给线的精度，为以后的贯通提供了 高精度基准。相向贯通时，通过施工导线孔，提高了掘 进的效率，节省工时，为精采细采打下坚实的基础。独 立基准的施测都可以采用这种方法，不仅能提高给线 精度，还能为以后的回采打下坚实的基础。 4总体性能指标与其他单位技术指标的比较 此前普遍使用风障强制封堵，但是效果不佳，比如 主要大巷风速 6 m/s，风障横截面面积 2 m2。根据伯努 利公式 Wa 1 2 籽淄2，14 推导出公式 Wa淄21 600，15 式14～15中，Wa为动压，kN/m2；籽 为空气密度， kg/m3；淄 为风速，m/s。 通过计算得出该风障承受约 0.045 kN 的力，如果 不够直观，可以理解成 100 kg 的物体在地球上受到的 重力是 1 kN，所以，该风障承受 4.5 kg 的力。在该力 的作用下，风障难以维持一个稳定的状态，且在风障的 干扰下，容易出现风流紊流的情况，对仪器对中影响巨 大，所以，本方案各项指标均高于传统风障对中法，属 于先进水平。 采用相对独立的坐标系统，在实测中至少附和 3 个 以上已有的控制点，通过与原有控制点的比较平差，提 高点位精度。通过实测前的路径选择，整体提高了控制 精度。从开口到工作面的成功圈定，采用本文所述的测 量方案取得了很好的经济效益。 5存在的问题及应用前景 全站仪下投点法应用范围广，不受地形限制，只需 要 3 点通视即可。但是根据前方交会原理，建议已知导 线与下投点所组成的三角形夹角尽量接近 60毅，取值范 围应在 45毅～75毅，在观测时应尽量瞄准上对点的根部， 因为根部受风流影响最小。 目前这种测量方法已被广泛应用于煤峪口矿各类 相对独立的高精度巷道实测中，效果非常明显。对于 “孤岛” 、原有测量控制系统被破坏的工作面，需要重新 设立测量控制系统，运用该方法可以为采掘工作的顺 利进行提供一个高精度的测量控制系统。 导线 类型 使用 仪器 观测方法 按导线边长分 （水平边长） 15 m以上15耀30 m30 m以上 对中数 量/次 测回 数/次 对中数 量/次 测回 数/次 对中数 量/次 测回 数/次 15义导线 DJ2 测回法 （复测法） 221212 30义导线 DJ2 测回法 （复测法） 111111 A B 所给中线已知中线 史建国 测量控制系统在煤矿测量工作中的应用 181 2020 年第 8 期2020 年 8 月 （上接 181 页） 6结语 全站仪下投点解决了开拓巷道断面大、巷道高度 高、风速大等情况下起始控制点的对准问题，保证了 起始精度。面对“孤岛”工作面，原有测量控制系统被 破坏，不能有效地进行测量作业，这时使用相对独立 的坐标系统，不仅解决了控制点使用不一致使控制精 度低的问题，而且降低了实测难度，提高了控制精度。 通过测量过程中与原有孤立控制点进行高程附和计算， 使相对独立坐标系统与原有的控制系统又有了联系， 保证了巷道过巷、贯通的准确性，避免了巷道掘进的 盲目性。运用该法，矿井的边角煤得以解放，实现了国 家资源的精细化利用，延长了矿井的服务期限。 参考文献 ［1］ 高井祥， 肖本林， 付培义， 等.数字测图原理与方法 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2005 179-181. ［2］ 张凤举， 张华海， 赵长胜， 等.控制测量学 ［M］ .北京 煤炭工业 出版社， 1999 125-132. （ 责任编辑白洁 ） 2布置方式的优化 为了提升工作面回采效率，降低矿井掘进率等， 可以采用顺拉和对拉的布置方式。鉴于该工作面煤层 倾斜角度较小，且煤层地质、水文条件相对稳定，决 定采用顺拉的布置方式，并采用沿煤层顶板掘进倾斜 式切眼的优化方案。 2.1顺拉布置方式的实施 工作面采用倾斜式切眼沿煤层顶板掘进的方式， 煤层底板以 -8毅的倾角掘进。工作面切眼上端头和下端 头的落差为 4.3 m。针对工作面顶底板的实际情况，拟 采用单体液压支柱联合铰接顶梁的支护形式对底板进 行支护[3]。 此外，为了方便后期大型机电设备进出工作面切 眼，在工作面切眼底板铺设一定数量的轨道，并在工 作面端头增设一处平巷。 2.2工作面主要配套环节的优化 鉴于工作面采用顺拉布置方式，对其俯采工艺进 行优化，为保证俯采工艺的优化效果，需对其关键配 套环节进行优化。 a 优化后俯采工艺采用“两进一回”的通风方式。 其中，工作面进风巷为带式输送机的顺槽巷及其中间 巷，回风巷为轨道顺槽。根据进风巷不同的任务量， 为带式输送机的顺槽巷提供 1 420 m3/min 的风量，为 中间巷提供 218 m3/min 的风量。b 工作面煤流采用带 式输送机运输，并且煤流的运输流程为工作面煤流通 过刮板输送机进入中间巷的带式输送机，而后经辅助 轨道巷的带式输送机送至地面[4]。c 工作面巷道顶底板 均采用超前支护的形式，支护设备为单体液压支柱联 合铰接顶梁。工作面超前支护的距离为 120 m，其中， 前 60 m 的超前支护范围采用 3 排单体液压支柱进行支 护，支柱距离巷帮 1 m，每排单体液压支柱的距离为 1.2 m，每个单体液压支柱的距离为 1.2 m；后 60 m 的 超前支护范围采用 2 排单体液压支柱进行支护，支柱距 离巷帮 0.5 m，每排单体液压支护的距离为 3.4 m，每个 单体液压支柱的距离为 1.2 m。 3俯采工艺的优化 第 2 节对工作面俯采工艺具体优化方案进行了设 计，本节将对俯采工艺的其他辅助措施予以说明，具 体如下。 a 在采煤过程中应控制好卧底量，并对俯采角度 进行调整。同时，在采煤机运转时应控制好端面距离， 以防采煤机在割煤过程中触碰到液压支架。b 工作面 俯采角过大，刮板输送机在推溜操作时存在推不动的 问题，因此，可采用单体液压支柱进行辅助推溜，以提 升液压支架的移架效率。c 单体液压支柱在移架操作 时应适当增加相邻两个支柱的工作阻力，以降低该液 压支柱的移架阻力。如果在实际移架过程中遇到需降 架的操作，应确保支柱降架的高度不低于相邻液压支 柱侧护板的高度[5]。 此外，在支设液压支柱的过程中应特别注意防止 设备出现滑移、倾倒、压死等问题。因此，需根据现场 支护情况及时对不符合要求的液压支架进行调整，及 时处理煤壁片帮和局部冒顶情况。当顶板压力过大时， 及时采用单体液压支柱对支架前梁进行辅助支撑。 4结语 工作面设备的生产能力及所采用采煤技术及工艺 的适用性直接决定了工作面的采煤效率和煤炭采出率。 对于中厚缓斜煤层而言，采用俯采工艺并以顺拉方式 布置工作面进行开采可减少工作面的掘进量，节省巷 道的维护费用；可提升工作面的运输效率；可对采煤 工作面的俯采角进行有效控制，对工作面顶底板进行 有效支护。 参考文献 ［1］ 张龙， 袁树杰， 朱成涛， 等.俯采工作面采空区 “三带” 分布研 究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2013， 95 67-71. ［2］ 吴志坚， 叶海松.大倾角俯采工作面关键开采技术 ［J］ .煤矿开 采， 20083 37-39. ［3］ 黄继辉， 王连国， 周冬磊， 等.俯采采场顶板破断运动特征和矿 压显现规律研究 ［J］ .矿业研究与开发， 20122 29-32. ［4］ 周玉华.综采工作面大倾角俯采的生产实践 ［J］ .煤矿开采， 2005， 101 31. ［5］ 田取珍， 刘吉昌.仰采、 俯采老顶岩层断裂特征及对直接顶稳 定性的影响 ［J］ .煤炭学报， 19942 140-150. （ 责任编辑刘晓芳 ） 李世慧， 等 俯采工艺在缓斜煤层中的应用 187