盾构机导向系统煤矿应用及导线点检核测量的质量提高

 盾构机导向系统煤矿应用及导线点检核测量的质量提高

周亚东

河南平宝煤业有限公司单位省市：河南省许昌市单位邮编：461000

摘要：随着煤矿行业的快速发展和对安全生产的不断要求，煤矿工作面掘进技术也在不断创新和提升。盾构机导向系统作为一种重要的掘进设备，对于煤矿工作面的掘进效率和安全性具有重要意义。然而，在煤矿工作面掘进过程中，存在着一些问题需要解决，如巷道形变导致导线点位移，自动导向系统的测量范围受限等。本论文旨在探讨盾构机导向系统在煤矿应用中的关键问题，并提出导线点检核测量的方法，以提高工作面掘进的质量。通过研究导线点检核测量方法，可以更准确地检测导线的状态和位置，及时发现潜在问题并采取相应措施，提高掘进过程的安全性和效率。

关键词：盾构机导向系统;导线点的检核测量;十字投点法;

引言

随着我国城镇化进程的高速发展，地铁隧道和煤炭行业的快速发展，盾构法施工已经成为常见的施工方法。为了避免盾构机（TBM）在掘进过程中因导向错误而偏离设计线路，建立一套准确、可靠且高度自动化的测量方法变得越来越迫切。

在这种情况下，盾构自动导向系统应运而生。该系统利用计算机技术和光电测量实现对TBM掘进过程的自动化测量，为TBM快速掘进提供准确的导向信息，满足地铁建设、隧道施工和煤矿巷道快速掘进的要求。

煤矿井下环境变化多端，例如突然停电、高湿度等因素对仪器的影响。特别是在煤矿底板下存在煤层的情况下，巷道周围应力变化会导致顶、底板发生形变，而形变的规律和程度很难预测。自动导向系统只能检测最前面两个导线点的位移情况。如果连续几个点都发生位移，再利用自动导向系统重新测量的工作量将非常大，还需要建立控制点系统。此时，传统的导线测量方法非常简便，因此在日常工作中将自动导向系统与传统测量方法结合应用是最经济、科学的方法。

1 自动导向系统应用

TBM的位置由两个已知坐标（X,Y,Z）的点来确定的，全站仪放置于能通视前视激光靶和后视棱镜的位置，通过照准后视点设站定向确定正北方位。全站仪发射光束指向激光靶，可以测量出光束相对于激光靶平面的方位角以及激光靶的坐标值。通过换算激光靶与TBM初始的相对位置关系，计算TBM的坐标位置，再与当前设计线路对比得出实时姿态及与设计路线的偏差。滚动角和仰俯角则由安装在激光靶里的双轴数字倾斜仪直接测量得出。这些数据传输到计算机，综合以上这些测量数据，就可以确定出TBM掘进路线及修正参数。

(1）在巷道测量工作中，所有测量都必须有一个基准——坐标系，在盾构自动导向系统中用到了三种不同的坐标系统。

一是大地坐标系。大地坐标系作为巷道施工测量的基础，地面、地下导线测量、吊篮坐标测量、现场放样、计算隧道中线主桩坐标及测定盾构机相对位置等都使用大地坐标系。盾构机的位置通过自动导向系统软件最终转换为位置偏差、方位偏差、坡度偏差和侧转等位置姿态信息[4]。大地坐标系以东方向为Y轴，北方向为X轴，其XOY面平行于水平面的平面坐标系，如图1所示。

图1 大地坐标系示意图

图2 刚体坐标系示意图

二是刚体坐标系。该坐标系与TBM的轴线相关，用于确定初始激光靶和特征点与盾构机的相对位置关系。这些数据由工程师在工厂或者井下进行测定，如图2所示。

三是DTA坐标系统：该坐标系用于确定TBM的位置，也就是TBM的前后参考点与DTA的位置关系。姿态以水平、垂直偏差和TBM的里程来体现。

(2）偏差定义。盾首、盾尾的平面偏差及高程偏差通过比较得出，滚动角为TBM与零位测量时比较发生的滚动，俯仰角表示盾构机前后相对于大地水准面的俯仰角度。平面偏差如图3所示。图中，+：正号表示右偏设计线；-：负号表示左偏设计线。

图3 平面偏差

图4 高程偏差

高程偏差图4所示。图中+：正号表示高于设计线；-：负号表示低于设计线。

滚动角如图5所示：TBM滚动角正表示右滚动，负号表示左滚动。

图5 滚动角

俯仰角图6所示：TBM俯仰角为正表示相对大地水准面向上；为负表示相对大地水准面向下。

图6 俯仰角

(3)TBM的位置必须要有一种或两种区别于导向系统的方法定期进行检核，其间隔的时间长短视隧道掘进的实际情况而定。TBM出厂时技术工程师负责在盾体焊接数个特征点，这些特征点与TBM的位置关系在初始时会被确定下来，在TBM掘进过程中可以通过测量这些特征点的大地坐标来反算TBM的位置。也可以通过测量盾尾钢环圆心或者管片中心的位置来检核TBM的姿态，再通过与软件界面显示数据对比，确认二者是否一致。

2 传统测量方法

井下导线测量是在地下建立必要精度的控制系统，然后根据该控制系统进行巷道中线的放样，标定掘进方向。传统的导线测量方法存在一些限制和挑战。首先，井下巷道的形状通常是延伸状，导致导线的布置无法一次完成，需要随着巷道的开挖而向前延伸。其次，导线点通常敷设在巷道顶板上，需要进行点下对中操作。第三，随着巷道的延伸，导线的敷设方式是先敷设精度较低、边长较短的导线，作为巷道掘进的指向线，然后再敷设高等级的导线用于检验和校正低等级导线的准确性。第四，井下的工作环境较差，导线测量容易受到干扰。地下导线的等级由地下工程范围、类型和精度要求决定，各个部门都有不同的规定。例如，《煤矿测量规程》规定井下平面控制测量中基本控制导线的测角精度为±7"、±15"。

由于盾构机所掘巷道的断面较大，巷道高度较高，在进行点下对中测量时，垂球会受到井下风流的影响而产生较大的摆动幅度，导致测量对准误差增大，影响测量精度。为了减小摆动幅度，可以适当增加垂球的重量，但过重的垂球可能会损坏顶板导线点。另外，可以使用光学对点器来代替垂球进行对中测量。光学对点器利用光学折射原理，通过目镜直接观测巷道顶板的测点。由于这种方法能够避免巷道内风流的影响，因此对中效果更加精确。然而，这种方法对仪器的要求较高，既要考虑精度，又要减少仪器投入。因此，在传统测量方法的基础上，我们采用全站仪的十字投点法进行测量。

十字投点法的测量步骤如下：在A点作为导线点附近，调整全站仪水平，瞄准A点根部后，调整目镜到底板，然后在底板上准备的木片上画出线段A'A"。然后将全站仪移动到与A'A"夹角约为90°的位置，再次调整仪器水平，重复上一步骤，在木片上划线段B'B"，A'A"和B'B"的交点C即为顶板点在底板上的投点位置。然后通过点下对中的方法，在C点进行对点测量（如图7所示）。

最后，将自动导向系统测得的数据与传统测量方法得到的数据进行对比和检核，确保数据的准确性，从而确定巷道掘进的准确性。

图7十字投点

3 结语

综上所述，通过结合自动导向系统和传统测量方法，我们可以充分发挥两者的优势，提高工作面掘进的质量和效率。自动导向系统在稳定和规律变化的环境下发挥作用，而传统测量方法则在不确定和突发情况下提供准确性。十字投点法作为传统测量方法的一种应用，进一步简化了测量过程，提升了测量的准确性和效率。未来的研究可以进一步探索如何优化自动导向系统，使其更好地适应井下环境的变化和不确定性。同时，还可以进一步改进传统测量方法，以提高其精度和实用性。通过不断地改进和创新，我们可以实现更安全、高效的煤矿工作面掘进，推动煤矿行业的可持续发展。

参考文献：

[1] 矿井深部开采过程中利用锚杆作测量导线点的方法研究[J]. 安士春;张法才.山东煤炭科技,2009(06)

[2] 井下导线点缺失的边角检验法[J]. 张成友.山东煤炭科技,2010(01)

[3] 加密导线点稳定性确定方法探讨[J]. 吕海彦,杨维祥,孙秀芹.矿山测量,2001(03)

[4] 井下导线点缺失的边角检验法[J]. 张成友.东北测绘,1999(03)

[5] 自动导向系统在井巷掘进中的应用研究[J]. 郝利波;蒲晓波;张国良;翟国强.建筑机械化,2013(07)

[6] 全站仪测量井下三点不通视导线点的方法及平差计算[J]. 苏红军.南方金属,2018(03)