井下矿山贯通测量误差控制及三维可视化应用研究

引言

矿井下贯通测量技术是矿山工程中重要的测量方法之一，用于确定矿并不同位置之间的相对位置关系，以确保矿井的安全和高效运行。然而，井下巷道贯通工程中，测量误差易导致巷道错位、工期延误甚至安全事故。传统测量受限于井下复杂环境（潮湿、粉尘、电磁干扰）及二维图纸表达不足，难以满足现代矿山建设需求。本研究通过系统控制测量误差核心环节，结合三维可视化技术，构建从数据采集到动态管理的完整解决方案。

一、测量误差来源与控制措施

井下贯通测量误差主要来自四方面：

仪器误差：全站仪、测距仪等设备在长期使用中会产生精度偏移。实际工作中需建立严格的仪器管理制度；每三个月由专业机构进行全项检校；对老旧仪器增加校准频次。校准不合格的设备立即停用返修。

环境干扰：井下环境对测量干扰显著。潮湿空气引起光线折射误差，粉尘附着镜头降低通视性，局部通风气流使仪器轻微晃动。同时，采动造成的围岩变形会导致测点位移。针对这些问题，现场采取分级控制：优先选择围岩稳定的巷道顶板区域设站；避开风机口、运输巷等强气流地段；在粉尘区作业时加装仪器防尘罩；对变形敏感区域每7 天复测基准点。

方法缺陷：测量方案设计不当是误差累积的主因。改进措施包括：采用闭合导线或附合导线布网；每200-300 米加测陀螺定向边控制方位漂移；关键节点采用交会法多重观测。

操作误差：人员操作不规范引发的误差常被忽视。对中杆倾斜1°会导致 10 米距离产生 2 厘米偏差；棱镜瞄准偏差可能带来 3 毫米/百米的误差。管控需从三方面入手：新员工必须通过仪器实操考核；推行“一人观测、一人记录、第三人抽查”的作业流程；同时，建立测量手簿电子归档制度便于追溯。

二、三维可视化技术应用

通过三维建模实现三大功能：

（一）空间关系立体呈现

三维建模技术将地质勘探数据与工程设计方案转化为直观的空间模型。首先导入地层产状、断层位置、岩性分区等地质资料，系统自动生成带有真实岩层界面的三维地质体。同时根据巷道设计参数和现场放样坐标，构建精确的巷道实体模型。在可视化平台上，采用分层着色技术区分不同岩性：砂岩层显示为黄色，泥岩层呈现灰色，煤层用黑色标识。设计巷道以半透明蓝色实体显示，可自由调整视角观察巷道顶底板与岩层的空间关系。工程人员通过剖切工具获取任意位置的剖面图，直接读取巷道顶板距含水层的垂直距离。比如在某金属矿施工中，模型清晰显示一条未探明断层横穿设计巷道方位，施工方及时调整轴线绕避破碎带，避免后期支护成本增加 35% 。

（二）施工过程动态管理

基于浏览器/服务器架构的三维管理平台实现施工进度实时监控。现场全站仪采集的掘进工作面坐标通过防爆移动终端上传至云端，系统自动延伸巷道实体模型并计算当前进尺。平台核心功能为双线对比机制：红色虚线标识设计巷道轴线，绿色实线显示实际掘进轨迹。当水平偏差超过5厘米或高程偏差超过 3 厘米时，系统在对应区段生成黄色警示带并推送预警消息。管理人员登录网页端后，可调取任意里程的断面偏差分析图，图形化显示超限位置与纠偏方向。

（三）安全风险可视化

三维模型集成多元安全监测数据实现风险空间化预警。通过标准数据接口，实时接入顶板离层监测仪、瓦斯传感器、围岩收敛计等设备数据，在模型对应空间位置动态更新监测值。系统设置三级响应机制：黄色预警：

顶板位移速率达 2mm/ 天或瓦斯浓度 0.5%-0.8% 时，模型对应区域显示黄色标识；橙色预警：位移速率超 3mm/天或瓦斯浓度 0.8%-1.0%时，触发闪烁警示并发送短信报警；红色预警：收敛变形超设计值 15% 或瓦斯浓度≥1.0% 时，自动计算危险区三维范围并启动应急广播。在实测应用中，系统成功识别出回风巷顶板位移速率连续超限情况，及时预警后采取支护措施消除了冒顶隐患。历史数据回溯功能为事故分析提供了完整的空间演变证据链。

三、现场实施流程与效果

典型应用流程分三步：

测量阶段：现场测量采用分级控制方法，主控导线边长控制在80-120 米之间，使用 0.5 秒级全站仪进行观测。每次测量前对仪器进行温度和气压参数校准，在 10 米基线上进行测距比对验证。导线测量时采用三架法作业，即后视点、仪器站和前视点同时架设基座，减少对中误差。每完成 300 米导线布设，加测一组陀螺定向边进行方位角校正，陀螺方位角观测需进行 3 测回，互差不超过 20 秒。所有数据由两名测量员分别记录，现场计算导线闭合差，平面闭合差应小于 1/6000 ，高程闭合差小于 30√L 毫米（L 为导线长度公里数）。

建模阶段：采用 Dimine 矿业软件进行三维建模，每日将全站仪采集的 DXF 格式数据导入系统。模型构建分为三个层次：地质模型包含钻孔数据和岩层界面，精度控制在 0.5 米内；巷道设计模型依据施工图纸建立，断面尺寸误差小于 2 厘米；实测模型根据每日掘进数据更新，工作面位置坐标实时显示。系统自动对比设计断面与实测断面，当欠挖超过 5 厘米或超挖超过 10 厘米时生成预警报告。

应用阶段：施工人员通过矿用本安型平板电脑查看模型，设备需通过MA 安全认证。模型数据每日早班前更新，显示内容包含：当日计划掘进范围（红色线框）、已完成巷道（绿色实体）、地质预报异常区（黄色网格）。管理人员可通过 Web 端查看全局视图，重点监控相邻巷道间距小于5 米的交叉区域。系统设置三级预警机制：一级预警（偏差 5-10cm）推送至班组长，二级预警（10-15cm）通知技术主管，三级预警（ ℏ>15cm ）直接发送至项目经理。

实施效果表明，该技术体系在多个矿山取得显著成效。如某黄金矿山应用后，2000 米主运输巷的贯通误差从35cm 控制到 6cm，同时节约测量工时 23% 。所有应用矿井均实现测量零事故，巷道超挖量平均减少 18% ，混凝土支护材料节省 15% 以上。系统运行稳定，在无 4G 网络覆盖的井下，仍能通过工业环网实现数据每小时同步更新。

结语

通过仪器检校、环境适应、方法优化、人员培训四维误差控制，结合三维可视化动态管理，可系统性解决井下贯通测量精度问题。该技术路线在多家矿山实践中显著提升施工质量与安全性，操作简便且无需额外设备投入，具备推广价值。后续将研究 5G 传输技术与模型的深度集成应用。

参考文献

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