《礦山測量》 課件 單元八 礦井聯(lián)系測量

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知識目標(biāo)：1、了解礦井聯(lián)系測量的目的、意義、內(nèi)容及任務(wù)；2、正確理解近井點、井口水準(zhǔn)基點應(yīng)滿足的具體要求；3、掌握幾何定向的原理及方法；4、掌握豎井導(dǎo)入標(biāo)高的原理及方法。

技能目標(biāo)：

1、具有正確進(jìn)行鋼絲投點的能力；2、具有正確應(yīng)用鋼尺導(dǎo)入標(biāo)高的能力；3、具有正確進(jìn)行一井定向的能力；

2一、概念

聯(lián)系測量：將礦區(qū)地面平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)傳遞到井下，井上、下能采用同一坐標(biāo)系統(tǒng)所進(jìn)行的測量工作。聯(lián)系測量包括平面聯(lián)系測量和高程聯(lián)系測量，即定向和導(dǎo)入高程二、聯(lián)系測量的目的和任務(wù)

1、聯(lián)系測量的目的：使地面和井下測量控制網(wǎng)采用同一坐標(biāo)系統(tǒng)。

2、

聯(lián)系測量的任務(wù)：（1）井下經(jīng)緯儀導(dǎo)線起算邊的坐標(biāo)方位角；

（2）確定井下經(jīng)緯儀導(dǎo)線起算點的平面坐標(biāo)x和y；（3）確定井下水準(zhǔn)基點的高程H。3三、礦井定向的種類與要求礦井定向概括來說分為兩類：定向幾何定向通過斜井或平峒一井定向兩井定向物理定向磁性定向投向儀定向陀螺定向4一、近井點和井口水準(zhǔn)基點的設(shè)置要求1）盡可能埋設(shè)在便于觀測、保存和不受開采影響的地點;2）每個井口附近應(yīng)設(shè)置一個近井點和兩個水準(zhǔn)基點；3）近井點至井口的連測導(dǎo)線邊數(shù)應(yīng)不超過三個；二、近井點和井口水準(zhǔn)基點的精度要求1、近井網(wǎng)的布設(shè)方案和要求《煤礦測量規(guī)程》

2、近井點的點位精度要求5

近井點可在礦區(qū)三、四等三角網(wǎng)、測邊網(wǎng)的基礎(chǔ)上，用插網(wǎng)、插點和敷設(shè)經(jīng)緯儀導(dǎo)線（鋼尺量距或光電量距）等方法測設(shè)。

近井點的精度，對于測設(shè)它的起算點來說，其點位中誤差不得超過±7cm，后視邊方位角中誤差不得超過±10″。3、井口高程基點的精度要求

井口水準(zhǔn)基點的高程精度應(yīng)滿足兩相鄰井口間進(jìn)行主要巷道貫通的要求井口水準(zhǔn)基點的高程測量，應(yīng)按四等水準(zhǔn)測量的精度要求測設(shè)。

對于不涉及兩井間貫通問題的高程基點的高程精度不受此限制。

測量高程基點的水準(zhǔn)路線，可布設(shè)成附（閉）合路線、高程網(wǎng)或水準(zhǔn)支線。除水準(zhǔn)支線必須往返觀測外，其余均可只進(jìn)行單程測量。6

用三角高程測量時應(yīng)采用精度不低于J2級的經(jīng)緯儀測量垂直角，用測距精度為Ⅱ級的光電測距儀測量邊長。三、利用全球定位系統(tǒng)（GPS）測設(shè)近井點

利用全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位測量的技術(shù)和方法稱全球定位系統(tǒng)測量，即導(dǎo)航衛(wèi)星測時和測距的簡稱，通常簡寫為GPS。在大地測量、工程測量、地籍測量、航空攝影測量等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用潛力和效益。

利用GPS衛(wèi)星定位測量測設(shè)近井點時，近井點應(yīng)埋設(shè)在視野開闊處，點周圍視場內(nèi)不應(yīng)有地面傾角大于10o的成片障礙物。同時應(yīng)避開高壓輸電線、變電站等設(shè)施，其最近不得小于200m。7

測量可采用靜態(tài)定位法。靜態(tài)定位能夠通過大量的重復(fù)觀測來提高定位精度。GPS測量必須按1992年我國測繪局發(fā)布的《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》進(jìn)行。在《規(guī)范》將GPS網(wǎng)點劃分為A、B、C、D、E五個等級。其中D級和E級分別相當(dāng)于常規(guī)測量的國家三等點和四等點，近井點測設(shè)可采用上述等級。有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見下表等級平均邊長/km儀器要求精度指標(biāo)/mm圖形強(qiáng)度觀測時段個數(shù)時段長/min衛(wèi)星高度角限值/oabD10~5單頻或雙頻1010≤10≥2≥60≥15E5~2單頻或雙頻1020≤10≥2≥6≥158GPS測量數(shù)據(jù)處理的基本內(nèi)容為：觀測值的粗加工；預(yù)處理；基線向量解算以及GPS基線向量網(wǎng)與地面網(wǎng)數(shù)據(jù)的綜合處理等。圖8-1GPS測量數(shù)據(jù)處理的基本流程9四、地面連測導(dǎo)線的測量

地面有近井點至井口（定向連接點）的連測導(dǎo)線，邊數(shù)應(yīng)不超過3個。

地面連測時，應(yīng)敷設(shè)測角中誤差不超過5″或10″的閉合導(dǎo)線或復(fù)測支導(dǎo)線，10″（二級）小三角網(wǎng)作為首級控制的小礦區(qū)。地面連測導(dǎo)線應(yīng)盡量采用光電測距導(dǎo)線。圖8-2地面連測10

在一個井筒內(nèi)懸掛兩根垂球線由地面向井下傳遞平面坐標(biāo)和方向的測量工作稱為一井定向。一井定向工作投點連接

一井定向方法有連接三角形法、四邊形法和適用于小型礦井的瞄直法等。本節(jié)只介紹常用的連接三角形法。一、一井定向11（一）投點1、投點的方法由地面向定向水平投點，簡稱投點。采用垂球線單重投點法單重穩(wěn)定投點〈0.4mm單重擺動投點122、投點誤差與投向誤差由地面向定向水平投點時，由于井筒內(nèi)氣流、滴水等影響，使得垂球線在地面上的位置投到定向水平后會發(fā)生偏離，這種偏離稱為投點誤差。由投點誤差引起的垂球線連線的方向誤差，稱為投向誤差。圖8-3投點誤差與投向誤差(a)(b)(c)A′B′A′B′A′B′θθ13

設(shè)AA′=BB′=e，AB=c，且由于θ很小，則(c)圖中的θ可簡化為：總投向誤差為：圖(b)中圖(c)中142)定向時最好減少風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)或增設(shè)風(fēng)門，以減少風(fēng)速3)采用高強(qiáng)度、小直徑的鋼絲，適當(dāng)加大垂球重量，并將垂球浸入到穩(wěn)定液中;4)減少滴水對垂球線及垂球的影響。1)盡量 增大兩垂球線間的距離，并選擇合理的垂球線位置;減少投點誤差的主要措施：

因此要減少投向誤差，必須加大兩垂球線間的距離c和減少投點誤差e之值。153、單重穩(wěn)定投點

單重穩(wěn)定投點是假定垂球線在井筒內(nèi)處于鉛垂位置而靜止不動，所進(jìn)行的投點。單重穩(wěn)定投點設(shè)備和安裝系統(tǒng)如右圖所示：圖8-4穩(wěn)定投點的設(shè)備和安裝164、鋼絲的下放和自由懸掛的檢查通常采用以下方法:

(1)信號圈法

(2)比距法

比距法是采用比較井上、井下兩鋼絲間的距離的方法進(jìn)行檢查。

若量得的井上、井下兩鋼絲間的距離互差不大于2mm，便認(rèn)為鋼絲是自由懸掛的。

(3)振幅法

振幅法是測定鋼絲擺動的半周期，看它是否與計算值相等。理論值按下式計算：17

由于穩(wěn)定液的阻尼作用，實測的半周期應(yīng)大于計算值。若小于計算值，可將實測的半周期代入上式，計算出鋼絲自由懸掛的長度，以便估計接觸點的位置；(4)井筒條件允許時，可以乘罐籠或吊桶直接檢查鋼絲的懸掛。5、單重擺動投點

單重擺動投點是通過觀測垂球線的擺動,找出其靜止位置并固定起來,然后進(jìn)行連接測量。常采用標(biāo)尺法和定中盤法18（二）連接

把地面上的已知點和定向水平上的永久點與垂球線連接，簡稱為連接。

連接測量分為地面連接測量和井下連接測量兩部分。

地面連接測量是在地面測定兩鋼絲的坐標(biāo)及其連線的方位角；

井下連接測量是在定向水平根據(jù)兩鋼絲的坐標(biāo)及其連線的方位角確定井下導(dǎo)線起始點的坐標(biāo)與起始邊的方位角。

連接測量的方法很多，這里僅以連接三角形法為例予以介紹。19圖8-4連接三角形示意圖20

圖中三角形ABC和ABC′稱為連接三角形。為了提高定向的精度，在選擇井上、井下連接點C、C′時，應(yīng)使連接三角形△ABC和△ABC′滿足以下三個條件：（1）點C與D及點C′與D′要彼此通視，且CD與C′D′的邊長要大于20m；

(2)三角形的銳角γ和γ′要小于2°；構(gòu)成最有利的延伸三角形

(3)a/c與b′/c′的值要盡量小一些，一般應(yīng)小于1.5m。1.連接三角形應(yīng)滿足的條件21δδγαβγ′′′′′2.連接三角形法的外業(yè)

地面連接測量是在C點安置經(jīng)緯儀測量出φ和γ兩個角度，并丈量a、b、c三條邊的邊長。同樣，井下連接測量是在C′點安置儀器測量出φ′和γ′三個角度，并丈量c，b′和a′三條邊的邊長。

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3.連接三角形的解算①運用正弦定理，解算出α，β，α′，β′②檢查測量和計算成果

首先，連接三角形的三個內(nèi)角α、β、γ以及α′、β′、γ′的和均應(yīng)為180°。若有少量殘差可平均分配到α、β或α′β′上。(角的檢驗）

其次，井上丈量所得的兩鋼絲間的距離c丈與按余弦定理計算出的距離c計相差應(yīng)不大于2mm；23

井下丈量所得的兩鋼絲間的距離c丈與計算出的距離c計相差應(yīng)不大于4mm。

若符合上述要求可在丈量的a、b、c以及a′、b′、c′中加入改正數(shù)Va，Vb，Vc及Va′，Ｖb′Ｖc′③將井上、井下連接圖形視為一條導(dǎo)線，如D—C—A—B—C′—D′，按照導(dǎo)線的計算方法求出井下起始點C′的坐標(biāo)及井下起始邊C′D′的方位角δδγαβγ′′′′′24（三）一井定向的工作組織

組織要求：精度高、盡量的縮短占用井筒的時間。

一井定向的工作組織包括：準(zhǔn)備工作，地面和定向水平上的工作以及安全措施等。二、兩井定向

當(dāng)?shù)V井有兩個豎井，且在定向水平有巷道相通、并能進(jìn)行測量時，就可采用兩井定向。

兩井定向是在兩個井筒內(nèi)各用重球懸掛一根鋼絲，通過地面和井下導(dǎo)線將它們連接起來，從而把地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的平面坐標(biāo)和方向傳遞到井下。兩井定向的外業(yè)測量與一井定向類似，也包括投點、地面和井下連接測量，25圖8-5兩井定向的示意圖

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由于兩井定向時，兩根鋼絲間不能直接通視，而是通過導(dǎo)線連接起來的，因此，在連接測量時必須測出井上、井下導(dǎo)線各邊的邊長及其連接水平角；同時在內(nèi)業(yè)計算時必須采用假定坐標(biāo)系。

由于兩井定向時，兩垂球線之間距離增加，因而減少了投向誤差，這是兩井定向的優(yōu)點。（一）兩井定向的外業(yè)測量工作1、投點

兩個井筒中各懸掛一根垂球線A和B，投點設(shè)備和方法同一井定向。

采用單重穩(wěn)定投點法2、連接1）地面連接測量地面連接測量的目的是測定兩個垂球線A、B的平面坐標(biāo)，由坐標(biāo)算出兩垂球線的方位角。27導(dǎo)線可采用一級或二級導(dǎo)線2)井下連接測量在定向水平上，連接兩垂球線，測設(shè)經(jīng)緯儀導(dǎo)線

從近井點分別向兩垂球線A、B測設(shè)導(dǎo)線。連接導(dǎo)線敷設(shè)時，應(yīng)使其具有最短的長度并盡可能沿兩垂球線連線的方向延伸，這樣可以減少量邊誤差對連線方向產(chǎn)生的影響。導(dǎo)線可以采用7″或15″基本控制導(dǎo)線。

(二)兩井定向的內(nèi)業(yè)計算

1、根據(jù)地面連接測量的成果，計算出地面兩鋼絲點A、B的坐標(biāo)(xＡ，yＡ)、（xＢ，yＢ）；計算兩垂球連線的方位角及邊長

28圖8-6兩井定向的井上下連接29

2.根據(jù)假定坐標(biāo)系統(tǒng)計算井下連接導(dǎo)線

以井下導(dǎo)線起始邊A′1為x′軸，A′點為坐標(biāo)原點建立假定坐標(biāo)系，設(shè)B點的假定坐標(biāo)為(xＢ′，yＢ′)；計算井下導(dǎo)線各連接點在此假定坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)及A′B′之間的距離。3、按地面坐標(biāo)系統(tǒng)計算井下連接導(dǎo)線各邊的方位角及各個點的坐標(biāo)若時，

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按《規(guī)程》規(guī)定，兩井定向必須獨立進(jìn)行兩次，兩次求得的起始邊方位角互差不得超過1′取兩次獨立定向計算結(jié)果的平均值作為兩井定向井下連接導(dǎo)線的最終值。

然后根據(jù)之值，以垂線A的地面坐標(biāo)重新計算井下連接導(dǎo)線各邊的方位角及各點的坐標(biāo)，最終求得垂線B的坐標(biāo)。井下連接導(dǎo)線按地面坐標(biāo)系統(tǒng)算出B點坐標(biāo)值應(yīng)和地面連接導(dǎo)線所算得的B點坐標(biāo)值相等。31三、陀螺經(jīng)緯儀定向

陀螺定向是運用陀螺經(jīng)緯儀直接測定井下未知邊的方位角。它克服了運用幾何定向方法進(jìn)行聯(lián)系測量時占用井筒時間長、工作組織復(fù)雜等缺點，目前，已廣泛應(yīng)用于礦井聯(lián)系測量和控制井下導(dǎo)線方向誤差的積累。1.陀螺經(jīng)緯儀的基本原理

陀螺經(jīng)緯儀是根據(jù)自由陀螺儀(在不受外力作用時，具有三個自由度的陀螺儀)的原理而制成的。自由陀螺儀具有以下兩個基本特性：圖8-7陀螺儀

1）定軸性

陀螺軸在不受外力作用時，它的方向始終指向初始恒定方向；2）進(jìn)動性陀螺軸在受到外力作用時，將產(chǎn)生非常重要的效應(yīng)——“進(jìn)動”。

自由陀螺儀的上述兩個特性，可通過以下實驗予以證明。32

左端為一可轉(zhuǎn)動的陀螺，右端為一可移動的懸重，當(dāng)調(diào)節(jié)懸重的位置使杠桿水平時，可以看到陀螺轉(zhuǎn)動后，其軸線的方向始終保持不變，即可驗證定軸性。當(dāng)將懸重向左移動一小段距離，即相當(dāng)于陀螺軸受到一個向下的作用力時，陀螺轉(zhuǎn)動后，杠桿將保持水平，但將在水平面上作逆時針方向的轉(zhuǎn)動；同理，將懸重右移一小段距離，即陀螺軸受到一個向上的作用力時，陀螺轉(zhuǎn)動后，杠桿仍保持水平，但將在水平面上作順時針方向的轉(zhuǎn)動，這樣即可驗證自由陀螺儀的進(jìn)動性。

目前，常用的陀螺儀是采用兩個完全自由度和一個不完全自由度的鐘擺式陀螺儀。它是根據(jù)上述的陀螺儀的定軸性和進(jìn)動性兩個基本特性，并考慮到陀螺儀對地球自轉(zhuǎn)的相對運動，使陀螺軸在測站子午線附近作簡諧擺動的原理而制成的。

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2.陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)

陀螺經(jīng)緯儀是陀螺儀和經(jīng)緯儀組合而成的定向儀器。根據(jù)其連接形式不同主要可分為上架式陀螺經(jīng)緯儀和下架式陀螺經(jīng)緯儀兩大類。上架式陀螺經(jīng)緯儀即陀螺儀安放在經(jīng)緯儀之上，下架式陀螺經(jīng)緯儀即陀螺儀安放在經(jīng)緯儀之下。

現(xiàn)在常用的礦用陀螺經(jīng)緯儀大都是上架式陀螺經(jīng)緯儀。

JT—15型陀螺經(jīng)緯儀是將陀螺儀安放在6″級經(jīng)緯儀之上而構(gòu)成的，其中陀螺儀部分的基本結(jié)構(gòu)如右圖圖8-8JT—15型陀螺經(jīng)緯儀

這里以徐州光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的JT—15型陀螺經(jīng)緯儀為例來說明陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)。

342、經(jīng)緯儀及三腳架

采用J6-2型經(jīng)緯儀及通用的三腳架3、陀螺電源箱圖8-9陀螺儀電源面板箱1、陀螺儀353.陀螺經(jīng)緯儀定向的作業(yè)過程1）地面已知邊上測定儀器常數(shù)

假想的陀螺儀軸的穩(wěn)定位置通常不與地理子午線重合，二者之間的夾角稱為儀器常數(shù)，一般用△表示。陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊△為正；反之為負(fù)。圖8-10陀螺儀定向示意圖36△=A0-αT

可以按下式求出儀器常數(shù)：

在下井定向之前，在已知邊上測定儀器常數(shù)應(yīng)進(jìn)行2—3次，各次之間的互差對于GAK-1、JT15等型號的儀器應(yīng)小于40″。2）在井下定向邊上測定陀螺方位角

儀器安置在C′點上，可以測出C′D′邊的陀螺方位角αT′。則定向邊的地理方位角A為:A=αT′+△測定定向邊陀螺方位角應(yīng)獨立進(jìn)行兩次，其互差應(yīng)小于40″373）儀器上井后重新測定儀器常數(shù)

儀器上井后，應(yīng)在已知邊上重新測定儀器常數(shù)2—3次。前后兩次測定的儀器常數(shù)，其中任意兩個儀器常數(shù)的互差應(yīng)小于40″，然后求出儀器常數(shù)的最或是值。

4）求算子午線收斂角地理方位角和坐標(biāo)方位角的關(guān)系為：

A0=α0+γ0

子午線γ0的符號由安置經(jīng)緯儀的位置確定，在中央子午線以東為正，以西為負(fù)。5）求算井下定向邊的坐標(biāo)方位角由上述公式可得出△=A0-αT=α0+γ0-αT

38α=A-γ=αT′

+△平-γ

因此井下定向邊的坐標(biāo)方位角為4.逆轉(zhuǎn)點法精密定向精密定向就是精確測定已知邊和定向邊的陀螺方位角。

運用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行礦井定向的常用方法主要有逆轉(zhuǎn)點法和中天法。它們間的主要差別是在測定陀螺北方向時，逆轉(zhuǎn)點法的儀器照準(zhǔn)部處于跟蹤狀態(tài)，而中天法的儀器照準(zhǔn)部是固定不動的。這里以逆轉(zhuǎn)點法為例來說明測定井下未知邊方位角的全過程。第一步，在A點安置陀螺經(jīng)緯儀，嚴(yán)格整平對中，并以兩個鏡位觀測測線方向AB的方向值——測前方向值M１。第二步，將經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸大致對準(zhǔn)北方向(對于逆轉(zhuǎn)點法要求偏離陀螺子午線方向不大于60′)。第三步，測量懸掛帶零位值——測前零位，同時用秒表測定陀螺擺動周期。第四步,用逆轉(zhuǎn)點法精確測定陀螺北方向值NT。39

啟動陀螺馬達(dá)，緩慢下放靈敏部，使擺幅在1°~3°范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)水平微動螺旋使光標(biāo)像與分劃板零刻度線隨時保持重合，到達(dá)逆轉(zhuǎn)點后，記下經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)。連續(xù)記錄5個逆轉(zhuǎn)點的讀數(shù)u１、u２、u３、u４、u５，并按下式計算NＴ：圖8-12用逆轉(zhuǎn)點法觀測40

第五步,進(jìn)行測后零位觀測，方法同測前零位觀測。第六步,再以兩個鏡位測定AB邊的方向值——測后方向值M２。41

第七步,計算TＡＢ陀螺方位角：

(αT′)

于是可得井下定向邊坐標(biāo)方位角。42

一、導(dǎo)入高程的實質(zhì)

礦井高程聯(lián)系測量又稱導(dǎo)入標(biāo)高，其目的是建立井上、井下統(tǒng)一的高程系統(tǒng)。采用平硐或斜井開拓的礦井，高程聯(lián)系測量可采用水準(zhǔn)測量或三角高程測量，將地面水準(zhǔn)點的高程傳遞到井下。導(dǎo)入高程的方法隨開拓方法的不同而分為：（1）通過平硐導(dǎo)入高程（2）通過斜井導(dǎo)入高程（3）通過立井導(dǎo)入高程43h=l-a+b=l+(b-a)

B點在統(tǒng)一坐標(biāo)系中的高程HB=HA-h圖8-13通過立井導(dǎo)入高程44二、長鋼尺導(dǎo)入高程圖3-14用長鋼尺導(dǎo)入高程45

下放鋼尺在地面及井下安平水，分別在A、B兩點所立水準(zhǔn)尺上讀取讀數(shù)a、b，然后將水準(zhǔn)儀照準(zhǔn)鋼尺，在井上下同時讀取讀數(shù)準(zhǔn)儀m、n同時測定井上下溫度t1、t2根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)，求得A、B兩點的高差為：h=（m-n）+（b-a）+ΣΔL

目前國內(nèi)外使用的長鋼尺有500m、800m、1000m等幾種施測方法：

其中ΣΔL為鋼尺的總改正數(shù)。它包括尺