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[摘 要]随着近几年矿井生产逐渐向深层地质复杂的区域推进，主副井筒负担的设备及压力随着增大，随之而来的井筒支护和维护问题逐渐凸显出来。为了给井筒支护设计提供可靠的数据，有必要进行相关的变形测量，本文针对北阳庄矿井副井井筒在生产运输过程中出现的变形，利用拓普康GPT-3102N全站仪对井筒变形进行观测。探讨合理的观测方法。
[关键词]井筒变形 全站仪 顶板离层仪
中图分类号：TD175 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0396-01
随着矿井开采深度逐步加深，地质水文条件愈见复杂 ，矿山压力随着增大 ，井筒维护成本也相应增加 ，井筒里布置的装备也增加 ，导致井筒壁承受的压力也相应增加。尤其是主副井筒担负着矿井的通风、提升任务 ，是矿井的“咽喉”井筒的稳定程度和安全关系着矿山的投资成败 ，因此有必要对立井井筒进行变形监测 ，获得监测数据 ，为进行合理的支护设计提供可靠的数据 ，判断支护初始设计的合理性和可靠性 ，井筒围岩的稳定程度和安全性。进而根据监测信息 ，修改初始设计 ，使其逐步趋于合理。
1、观测方法的分析
根据网上查阅资料，以往井筒变形观测比较常用的观测方法为以顶板离层仪作为主要观测工具来观测水平方向位移。这种观测方法的优点是结构简单，测读方便，显示直观，精度较高。缺点是测点安置比较麻烦。在矿井形成生产能力后，由于副井提升任务较重的情况下，安装顶板离层仪需要的时间较长，且测点的布置位置会受到井筒客观因素限制。这种观测方法的垂直观测多采用钢丝与钢尺的组合来观测竖直位移，这种方法需要在井口附近及变形观测范围附近井壁各打入一个固定的金属桩用来固定钢丝。钢丝下端固定一个钢尺和垂球。观测点金属桩受井筒下沉影响，会有一个向下的位移，这样便和井口基准点垂下的钢丝有一个位移差，该位移差便是垂直方向的变形量。观测简单，但是观测数据反映的信息量较少。
根据生产矿井通风和提升的需求。我们对这种方法进行了改进，在使用顶板离层仪的同时，利用目前较先进的拓普康GPT-3102N型全站仪作为主要测量工具。实现无棱镜测距为主，顶板离层仪观测数据为辅的观测方法。该测量方法的优点是变形观测点可以有较准确的三维坐标，可以获取较大量的变形数据，通过后期数据处理和图形的生成，可以获得任意方向的剖面图。
2、副井变形测量观测
2.1 测点的布置
井筒下部马头门20m以下10m范围内是井筒变形较为严重的区域，在此区域每隔10m布置一圈观测点，每圈布置4个顶板离层仪，并用射钉枪根据需要布置任意数量的全站仪观测点。可在井口石门、梯子间、逃生通路三个地点分别设立两个导线点。以便用后方交会的方法确定仪器站的位置。
全站仪观测点的布置：全站仪观测点可以选择用射钉枪将水泥钢钉射入井壁。并以红色自喷漆进行标记，以方便日后的观测和参照，井筒涌水量较大处的井壁，可选择用工程线绳拴在钢钉上作为标志，以方便观测时寻找目标。
2.2 观测方法
在布置完观测点后，首先进行第一次观测。在罐笼顶部视线较好的位置架设好仪器。后视任意一导线点。先后对四个顶板离层仪的读数进行观测记录，并用全站仪测得该四个离层仪的转角及无棱镜模式进行测距。以此来获取该四个离层仪的具体位置及初次读数。然后对事先布置好的全站仪观测点进行角度测量和无棱镜测量。在观测过水平位移后，同时观测基准点及变形观测点的钢板尺的读数。将二者之差与上次观测二者之差进行比较，即可求得竖直变形量。
在井筒变形观测过程中，应根据变形量的变化情况适当调整，观测频度一般为每月1次，待围岩变形稳定后，每季度观测一次即可。当三个观测周期的变形量小于观测精度时，可作为无变形的稳定限值。
3、内业计算
在观测顶板离层仪及全站仪观测点的三维坐标时，仪器站的位置通过交会定点来计算确定，已知点的选择可以事先通过井筒附近的永久导线点，将方位和坐标传导到副井梯子间、中央泵房逃生通路等与副井底变形较严重的位置可以通视的地方。通过交会定点的方法确定仪器站的坐标，并可计算出仪器站与任意已知点的坐标方位角。计算方法如下：
设仪器站为点C，两已知点参数：A点（Xa，Ya）、B点（Xb，Yb），AC平距：La、BC平距：Lb。求解方位角：Aab=tan-1（（Yb-Ya）/（Xb-Xa））Lab=（（Xa-Xb）2+（Ya-Yb）2）1/2
求解夹角：
C点处夹角c、A点处夹角a、B点处夹角b
C=cos-1（（C2-a2-b2）/2ab）1/2：由余弦定理公式得
A=sin-1（La×sinC）/Lab）：由正弦定理公式得
B=sin-1（Lb×sinC）/Lab）：由正弦定理公式得
求解方位角：
La边方位角a、Lb边方位角ba=Aab+A b=Aab-B
求解坐标：C点处坐标：（由点A处推算）：
Cx=Xa+La×cosa、Cy=Ya+La×sina
C点处坐标：（由点B处推算）：
Cx=Xb+Lb×cosb、Cy=Yb+Lb×sinb
計算简图如图1。
通过计算可得仪器站坐标及与任意后视点的方位。通过计算可得顶板离层仪观测点的具体三维坐标及全站仪观测点的坐标。若想观测距离二层平台较远的位置的变形。可在井筒壁上布设两个点，架设仪器后以仪器站及任意方向为0方向，计算这两个点的坐标。进而作为以后确定观测站的及测点位置的已知参数。
结论
经过改进，该种井筒变形测量办法，并未增加太多的工作量，但是可以获取更多的数据量，为进行合理的支护设计提供可靠的数据依据。缺点是无棱镜测距存在一定的误差。拓普康GPT-3102N型全站仪的无棱镜测距误差在3mm以内，测量数据具有一定的参考性。通过长期观测，配合顶板离层仪观测方法，可以提供具有一定参考价值的数据。以改进支护设计的合理性和可靠性。
参考文献
[1] 高井祥、付培义 《数字测图原理与方法》 中国矿业大学出版社.
[2] 张旭清、刘小龙 《立井井筒变形监测探讨》实用技术总第91期.
作者简介
张永辉（1985-），男，满族，辽宁鞍山人，毕业于太原理工大学，学士学位，开滦（集团）蔚州矿业公司北阳庄矿井地质测量科副科长。通讯地址：河北省蔚县开滦（集团）蔚州矿业公司北阳庄矿井（邮编075700）。
[关键词]井筒变形 全站仪 顶板离层仪
中图分类号：TD175 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0396-01
随着矿井开采深度逐步加深，地质水文条件愈见复杂 ，矿山压力随着增大 ，井筒维护成本也相应增加 ，井筒里布置的装备也增加 ，导致井筒壁承受的压力也相应增加。尤其是主副井筒担负着矿井的通风、提升任务 ，是矿井的“咽喉”井筒的稳定程度和安全关系着矿山的投资成败 ，因此有必要对立井井筒进行变形监测 ，获得监测数据 ，为进行合理的支护设计提供可靠的数据 ，判断支护初始设计的合理性和可靠性 ，井筒围岩的稳定程度和安全性。进而根据监测信息 ，修改初始设计 ，使其逐步趋于合理。
1、观测方法的分析
根据网上查阅资料，以往井筒变形观测比较常用的观测方法为以顶板离层仪作为主要观测工具来观测水平方向位移。这种观测方法的优点是结构简单，测读方便，显示直观，精度较高。缺点是测点安置比较麻烦。在矿井形成生产能力后，由于副井提升任务较重的情况下，安装顶板离层仪需要的时间较长，且测点的布置位置会受到井筒客观因素限制。这种观测方法的垂直观测多采用钢丝与钢尺的组合来观测竖直位移，这种方法需要在井口附近及变形观测范围附近井壁各打入一个固定的金属桩用来固定钢丝。钢丝下端固定一个钢尺和垂球。观测点金属桩受井筒下沉影响，会有一个向下的位移，这样便和井口基准点垂下的钢丝有一个位移差，该位移差便是垂直方向的变形量。观测简单，但是观测数据反映的信息量较少。
根据生产矿井通风和提升的需求。我们对这种方法进行了改进，在使用顶板离层仪的同时，利用目前较先进的拓普康GPT-3102N型全站仪作为主要测量工具。实现无棱镜测距为主，顶板离层仪观测数据为辅的观测方法。该测量方法的优点是变形观测点可以有较准确的三维坐标，可以获取较大量的变形数据，通过后期数据处理和图形的生成，可以获得任意方向的剖面图。
2、副井变形测量观测
2.1 测点的布置
井筒下部马头门20m以下10m范围内是井筒变形较为严重的区域，在此区域每隔10m布置一圈观测点，每圈布置4个顶板离层仪，并用射钉枪根据需要布置任意数量的全站仪观测点。可在井口石门、梯子间、逃生通路三个地点分别设立两个导线点。以便用后方交会的方法确定仪器站的位置。
全站仪观测点的布置：全站仪观测点可以选择用射钉枪将水泥钢钉射入井壁。并以红色自喷漆进行标记，以方便日后的观测和参照，井筒涌水量较大处的井壁，可选择用工程线绳拴在钢钉上作为标志，以方便观测时寻找目标。
2.2 观测方法
在布置完观测点后，首先进行第一次观测。在罐笼顶部视线较好的位置架设好仪器。后视任意一导线点。先后对四个顶板离层仪的读数进行观测记录，并用全站仪测得该四个离层仪的转角及无棱镜模式进行测距。以此来获取该四个离层仪的具体位置及初次读数。然后对事先布置好的全站仪观测点进行角度测量和无棱镜测量。在观测过水平位移后，同时观测基准点及变形观测点的钢板尺的读数。将二者之差与上次观测二者之差进行比较，即可求得竖直变形量。
在井筒变形观测过程中，应根据变形量的变化情况适当调整，观测频度一般为每月1次，待围岩变形稳定后，每季度观测一次即可。当三个观测周期的变形量小于观测精度时，可作为无变形的稳定限值。
3、内业计算
在观测顶板离层仪及全站仪观测点的三维坐标时，仪器站的位置通过交会定点来计算确定，已知点的选择可以事先通过井筒附近的永久导线点，将方位和坐标传导到副井梯子间、中央泵房逃生通路等与副井底变形较严重的位置可以通视的地方。通过交会定点的方法确定仪器站的坐标，并可计算出仪器站与任意已知点的坐标方位角。计算方法如下：
设仪器站为点C，两已知点参数：A点（Xa，Ya）、B点（Xb，Yb），AC平距：La、BC平距：Lb。求解方位角：Aab=tan-1（（Yb-Ya）/（Xb-Xa））Lab=（（Xa-Xb）2+（Ya-Yb）2）1/2
求解夹角：
C点处夹角c、A点处夹角a、B点处夹角b
C=cos-1（（C2-a2-b2）/2ab）1/2：由余弦定理公式得
A=sin-1（La×sinC）/Lab）：由正弦定理公式得
B=sin-1（Lb×sinC）/Lab）：由正弦定理公式得
求解方位角：
La边方位角a、Lb边方位角ba=Aab+A b=Aab-B
求解坐标：C点处坐标：（由点A处推算）：
Cx=Xa+La×cosa、Cy=Ya+La×sina
C点处坐标：（由点B处推算）：
Cx=Xb+Lb×cosb、Cy=Yb+Lb×sinb
計算简图如图1。
通过计算可得仪器站坐标及与任意后视点的方位。通过计算可得顶板离层仪观测点的具体三维坐标及全站仪观测点的坐标。若想观测距离二层平台较远的位置的变形。可在井筒壁上布设两个点，架设仪器后以仪器站及任意方向为0方向，计算这两个点的坐标。进而作为以后确定观测站的及测点位置的已知参数。
结论
经过改进，该种井筒变形测量办法，并未增加太多的工作量，但是可以获取更多的数据量，为进行合理的支护设计提供可靠的数据依据。缺点是无棱镜测距存在一定的误差。拓普康GPT-3102N型全站仪的无棱镜测距误差在3mm以内，测量数据具有一定的参考性。通过长期观测，配合顶板离层仪观测方法，可以提供具有一定参考价值的数据。以改进支护设计的合理性和可靠性。
参考文献
[1] 高井祥、付培义 《数字测图原理与方法》 中国矿业大学出版社.
[2] 张旭清、刘小龙 《立井井筒变形监测探讨》实用技术总第91期.
作者简介
张永辉（1985-），男，满族，辽宁鞍山人，毕业于太原理工大学，学士学位，开滦（集团）蔚州矿业公司北阳庄矿井地质测量科副科长。通讯地址：河北省蔚县开滦（集团）蔚州矿业公司北阳庄矿井（邮编075700）。