井下同步尾砂膏体充填系统工程施工测量技术

井下同步尾砂膏体充填系统工程施工测量技术

桂,杰

云南锡业股份有限公司大屯锡矿  云南个旧  661000

摘要：本文主要介绍了矿山井下同步尾砂膏体充填系统工程整体施工测量技术。从工程的控制测量、施工放样和移动式三维激光扫描仪在该工程中对巷道模型的建立以及混泥土充填浇筑量的计算等测量工作出发，详细阐述了施工测量中的重点难点和遇到的问题以及解决的方案，整套施工测量方案的经验对以后类似工程建设施工有一定的借鉴作用。

关键词：控制测量；施工放样；三维激光扫描仪应用

引言：同步尾砂膏体充填工程是一项系统性工程，该工程包含了大断面斜坡道开拓工程，通风斜井开拓工程，超大断面硐室，大直径井筒以及检查井系统等等。

各分项工程间联系紧密，工程结构复杂，对施工测量精度要求高；施工过程中涉及了大量的施工放样，施工位置没有满足施工放样的控制点，需从远处引点；施工过程中还涉及如何精确建立巷道模型、精确计算混泥土充填浇筑量等问题；施工测量和工程验收难度大。为了工程的顺利施工和满足工程验收的要求，在该工程施工过程中布设了5″级高精度控制导线跟进工作面，及时标定中腰线指导施工，在长距离直线掘进的巷道中运用了激光指向仪，并利用移动式三维激光扫描仪收集巷道的点云数据，及时建立巷道模型反映巷道间的空间位置关系以及精确计算混泥土充填浇筑量。

1工程概况

同步尾砂膏体充填系统工程建设于地下，由立式砂仓、水泥仓、搅拌硐室、充填硐室、砂仓联道、辅助斜坡道、安全人行通风斜井、硐室联道、辅助硐室及相关措施工程组成。主体工程垂直高差45米，由砂仓顶层、砂仓底层（搅拌层）充填泵层组成。辅助斜坡道和硐室联道总长1740米；各类硐室150米；立式砂仓和水泥仓120米。安全人行通风斜井460米，垂直高差190米。该工程是一项系统性工程，各分项工程间联系紧密，贯通处多，工程结构复杂。

2施工测量

施工测量是指为施工所进行的控制、放样和工程验收等的测量工作，施工测量贯穿施工全过程。

2.1控制测量

由于井下特殊的施工环境限制，平面控制以支导线形式进行布设，高程控制采用三角高程测量。导线的起点位于1360中段有轨运输平巷内，为总工办提供的5″级控制点B1080、B1080-1，距离同步尾砂膏体充填系统充填泵层开口处420米，砂仓底层（搅拌层）630米，砂仓顶层990米，导线穿过1360中段有轨和无轨主运输平巷，该工程的平面控制与高程控制采用同一导线同时进行测量。检查起始点无误后将导线以5″级精度延伸至同步尾砂膏体充填系统砂仓顶层、砂仓底层（搅拌层）充填泵层的开口处，作为施工放样的直接控制点。施工过程中控制导线点沿巷道掘进的方向不断延伸布设，控制工程的施工[1]。控制导线点在施工过程中需要多次复测，保证控制点的正确。

（1）导线布测中的问题

控制导线作为工程施工的基准，其精度决定了后期施工放样的精度，决定了工程的施工目是否能够达到。所以控制导线的测量精度是施工测量的重点之一。但在布设和施测的过程中由于导线穿过1360中段无轨主运输平巷，控制点的布设和施测都有不小的困难。1）巷道断面大，难以在巷道顶点埋设控制点。2）巷道内风力大，仪器的对中难，前后视摆动大，影响测量的精度。3）巷道内过往车辆和人员多，影响测量作业。

（2）解决办法

1）针对巷道断面大难以在巷道顶板布设控制点的问题，利用高空作业车到运输巷道内进行布点，在工作面配备人字梯，供测量人员埋点使用。2）针对运输巷道过往车辆和人员多的问题，通过与各部门的协调，施测过程中对施测段进行交通管制，禁止车辆通行，测完一测站后再统一放行，减少对测量影响的同时避免长时间的影响车辆通行。3）针对运输巷道内风力大的问题，主要采取增加前后视垂球的重量，减少摆动，观测时尽量瞄准靠近顶板处；对中时加派人手使用挡风板，减少风力对对中的影响；同时增加了测回次数，取其平均，提高测量精度。

2.2施工放样

施工放样就是把设计图纸上工程建筑物的平面位置和高程，用一定的测量仪器和方法测设到实地上去的测量工作[2]。对于同步尾砂膏体充填系统工程而言，施工放样主要有中腰线放样、井筒中心放样、激光指向仪的安装等等，施工放样的正确性和精度直接关系着工程是否能够达到施工目的，重要性不言而喻。在施工放样前需要先审核设计图纸的相关参数是否正确，并检查施工放样所需控制点的数据，到现场后还要检查控制点是否有沉降、位移等现象，并用全站仪检查控制点的参数与自己所掌握的数据是否一致，在所有参数都正确的情况下，才进行施工放样。如果临近施工放样处的控制点有位移的话，则需要往后退到上一个控制点进行检查，并对有位移的控制点从新测量后才可使用。

2.2.1中腰线放样

同步尾砂膏体充填系统工程量大，坡度变化多，涉及最多的工作量便是中腰线放样。中腰线放样是指导巷道掘进的依据，其正确性和精度是施工测量的重点之一。

同步尾砂膏体充填系统工程涵盖了众多的分项工程，各分项工程间联系紧密，施工放样时需要整体考虑。否则各分项工程间无法配套使用，导致后期的设备无法配套安装连接。中腰线放样是该工程中的重中之重，贯穿于整个工程掘进施工的全过程。

（1）操作步骤

在控制点下架设仪器，采用极坐标与方位结合的方法进行中腰线放样，即以临近控制点（仪器）为坐标原点，巷道的设计方向为正北方向，建立一个假定坐标系[3]。

在假定坐标系下放样中线，只需要控制点到设计中线Y值增量这一个参数便可放样。在工作面附近有已知控制点的情况下，借助CAD绘图软件就可得到控制点到巷道设计中线的Y值增量；在工作面附近无已知控制点的情况下，我们需要先进行导线测量，把控制点推进到工作面附近，再利用坐标反算公式找到设计中线上的一点，以此点Y值增量为准，即可标定其他中线点。保证每个中线点Y值增量相同。

腰线则在中线下架设仪器，同样以仪器为原点，中线方向为正北方向建立假定坐标系，在假定坐标系下，利用X坐标增量、坡度值、控制点、设计点来计算腰线点的位置和不同腰线点间的高差关系，从而正确放样出指导施工的腰线。

2.2.2井筒中心放样

井筒中心是井筒施工和检查施工质量的重要依据。也是后期设备安装的重要参照，同步尾砂膏体充填系统工程中涉及两个直径为10米，一个直径为7米的井筒施工，井口位于砂仓顶层的大断面硐室中，硐室规格为13x13x8（长x宽x高）

（1）井中放样的问题

由于井口硐室断面大，难以在硐室顶板放样井筒中心，即使放样好井中，放炮后也容易被损坏，现场难以再次使用。以何种方式来表达井中位置，是一大难题。

（2）解决办法

在扩井初期，采用两条过井筒中心点并且相互垂直的线来表达井中，标定在井口的硐室帮上，井筒扩刷至3米以下，采用极坐标法在硐室顶板放样出井筒中心点，并使用了一个定滑轮，将定滑轮焊接在井筒中心点上，细钢丝穿过定滑轮下至井筒中来指导井筒扩刷。钢丝使用时放下，不用时收至硐室顶板。此方法解决了井中使用不便的问题。

2.2.3激光指向仪安装

激光指向仪具有方向性强、稳定、可靠、直观、便于使用等许多优良性能[4]。在长距离直线巷道中，为了减少中腰线放样的频率、减少占用现场施工队组的时间、为巷道快速掘进创造有利条件、保证巷道施工质量，一般在有条件的巷道中便会安装激光指向仪来代替中腰线指导现场施工。激光指向仪和中腰线作用相同，所以激光指向仪的正确安装也是重点。

图1 激光安装效果图

（1）操作步骤

1）在有条件安装激光指向仪的巷道边邦上，岩石稳固的地方固定激光指向仪，激光指向仪距离工作面不低于50米，接通电源，先让激光的方向与坡度大致和巷道施工的方向与坡度相同。

2）将控制点布测到需要安装激光指向仪的巷道中，检查控制点数据无误后，在控制点下架设全站仪。

3）仪器架设完成后瞄准后视控制点，根据导线方位置盘，转动仪器照准部至巷道的设计方位，在此方位上把仪器水平角置为零度，此时便以仪器为坐标原点，巷道的设计方向为正北方向，建立起假定坐标系。

4）在假定坐标系下来安装激光指向仪。

a、用全站仪瞄准激光指向仪的镜头中心，测量出全站仪到激光指向仪的X、Y、Z坐标增量后在记录本上记下。

b、以激光指向仪Y值为基准，标定其余两颗方位标记点（保证方位标记点的Y值与激光指向仪的Y值相同即可）。最远处标记点距离激光指向仪不小于30米，标记点埋设好后，调节激光，使激光同时穿过两颗方位标记点的垂线（以远处标记点为准，近处标记点作为检查）如果激光未能同时穿过两颗方位标记点的垂线，则说明激光指向仪的Y值与两颗方位标记点的Y值不一致，或者全站仪有移动，那就需要检查全站仪后从新检查Y值，然后进行调整，直到激光同时穿过两颗方向标记点的垂线为止。此时激光指向仪的方向已经标定完成。

c、以激光指向仪到方位标记点的X坐标增量和设计坡度计算出激光指向仪到方位标记点之间的高差，再加上全站仪到激光指向仪的高差，结果便是全站仪到方位标记点的高差。用全站仪在方位标记点的垂线上找到此高差后做上标记（此标记为坡度标记）并用钢尺量好方位标记点顶板处钉子头到坡度标记位置的高差（作为以后调节激光坡度的依据），两颗坡度标记位置均找到后便调节激光，使激光同时穿过两颗坡度标记位置（以远处标记点为准，近处标记点作为检查）如果未能使激光同时穿过两颗坡度标记点，则说明仪器、激光指向仪、标记点之间的高差关系不正确，那就需要检查各个点之间的高差关系，再进行调整，直到激光同时穿过两颗坡度标记点为止。在调节激光坡度时，激光的方位会发生偏移，最终需使方位和坡度均正确才能固定激光的螺旋。此时便安装完成激光指向仪。

d、计算出控制点到设计方向线的Y值偏移量，结合控制点到激光指向仪的Y值偏移量，两个偏移量之差，便是设计中线到激光线的偏移量，再结合巷道设计规格就能得到巷道以激光线为基准的左右开挖参数；利用控制点高程计算出全站仪视线高程，再计算出激光指向仪的实际高程，最后再计算出激光指向仪处的设计底板高程，激光指向仪的高程减去激光指向仪处的设计底板高程就可以得到激光线到底板的开挖参数。结合巷道设计规格就可得到以激光线高度为基准的巷道上下开挖参数。

3扫描仪的应用

三维激光扫描仪是一种能够快速测量空间形状的测量仪器，其突破了传统单点测量方式，具有高效率、高精度、非接触三维测量等优势[5-6]。能够快速建立巷道模型，计算出准确的巷道体积。

3.1巷道模型建立

通过三维激光扫描仪对巷道进行点云数据采集，利用解压软件对采集到的点云数据进行解压，将解压后的点云数据导入Reconstructor数据处理软件中进行坐标转换，再将坐标转换后的点云数据导入至3DReshaper软件中进行巷道三维模型创建，完成后输出DXF格式文件。最后将该文件导入dimine软件中便可完成dimine三维模型的建立。如图2所示

图2 dimine巷道模型效果图

3.2充填浇筑量计算

在同步尾砂膏体充填系统工程中涉及到很多混泥土充填、浇筑量的验收，对于不规则的巷道，要准确计算出混泥土的充填、浇筑量，采用传统全站仪碎步测量法及支距法测绘并不能实现，三维激光扫描仪的应用便很好的解决了这一难题。

（1）操作过程

1）首先在巷道浇筑前，利用三维激光扫描仪对巷道进行扫描测量，并在巷道点云数据未抽希的状态下建立起巷道模型，其次在巷道浇筑的起点与末点处裁剪后封闭模型。得到浇筑前的体积。

2）巷道浇筑后再对巷道进行扫描，用同样的方法建立起模型，得到浇筑后的体积。两个体积差便是混泥土浇筑量。如图3所示红色体为浇筑前的巷道，白色体为浇筑后的巷道。

图3 混泥土浇筑前后巷道对照图

3）对于充填量则只需进行1）中的操作，便可得到混泥土的充填量。

4总结

同步尾砂膏体充填系统工程结构复杂、分项工程多样，各分项工程间联系紧密，系统系强。施工测量过程中以控制测量、施工放样和工程量验收等工作为重点，通过对其仔细分析后提出相应的施工测量方案，使工程施工顺利进行，并形成了一套针对此类工程的施工测量方案。

参考文献

[1]张高兴,陈敦云,杨增金.矿山井下全站仪导线测量方法的种类及其应用[J].矿业工程,2012,(03):45-47.

[2]吴贵才.全站仪在建筑工程放样中的应用[J].山西建筑，2007,(15):360-261.

[3]魏国武.假定坐标系统在工程测量中的应用[J]，硅谷，2009(07):87-90.

[4]刘传莽.谈谈激光指向仪的安装，矿山测量，2007(03):65-66.

[5]李鹏宇.姜岳,宗琪,牟占武,袁鑫,姜岩.基于三维激光扫描技术的某金矿采场体积测量与计算[J].金属矿山，2018(4):145-149.

[6]刘志强.基于SLAM技术手持三维激光扫描仪在铜矿山井下的应用[J].中国矿山工程,2021(2):13-16.