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第六章近井控制测量与联系测量 第一节概述 联系测量 将矿区地面平面坐标系统和高程系统传递到井下的测量 称为联系测量 平面联系测量 定向测量 高程联系测量 导入高程 联系测量包括以下两部分 一 联系测量的概念 1 需要确定地面建筑物 铁路和河湖等与井下采矿巷道之间的相对位置关系 2 需要确定相邻矿井的各巷道间及巷道与采空区间的相互关系 正确地划定两相邻矿井间的隔离矿柱 3 为解决很多重大工程问题 如井筒的贯通或相邻矿井间各种巷道的贯通 以及由地面向井下指定地点开凿小井或打钻孔等等 二 联系测量的目的和任务 1 联系测量的目的 统一井上下的坐标系统和高程系统 2 联系测量的任务 1 井下经纬仪导线起算边的坐标方位角 2 确定井下经纬仪导线起算点的平面坐标x和y 3 确定井下水准基点的高程H 井上下的联系测量是通过埋设于井口附近的近井点和高程基点 统称为定向基点 为基础进行的 第二节近井控制测量 近井控制测量的概念 将在井口附近埋设的定向基点与矿区或国家平面坐标系和高程系统联测 以便达到井上下采用统一坐标系统和高程系统的目的 近井控制测量 近井平面控制测量 测定定向基点的平面位置 近井高程控制测量 测定定向基点的高程 一 定向基点布设 1 布设要求 1 尽可能埋设在便于观测 保存和不受开采影响的地点 2 每个井口附近应设置一个近井点和两个水准基点 3 近井点至井口的连测导线边数应不超过三个 2 布设精度 1 近井网的布设方案和要求 煤矿测量规程 2 近井点的点位精度要求 近井点可在矿区三 四等三角网 测边网的基础上 用插网 插点和敷设经纬仪导线 钢尺量距或光电量距 等方法测设 近井点的精度 对于测设它的起算点来说 其点位中误差不得超过 7cm 后视边方位角中误差不得超过 10 3 井口高程基点的精度要求 井口水准基点的高程精度应满足两相邻井口间进行主要巷道贯通的要求 井口水准基点的高程测量 应按四等水准测量的精度要求测设 对于不涉及两井间贯通问题的高程基点的高程精度不受此限制 测量高程基点的水准路线 可布设成附 闭 合路线 高程网或水准支线 除水准支线必须往返观测外 其余均可只进行单程测量 用三角高程测量时应采用精度不低于J2级的经纬仪测量垂直角 用测距精度为 级的光电测距仪测量边长 二 测定方法 1 全球定位系统 GPS 的基本概念 1973年起步建设 1994年完成 24颗卫星组网 包括三颗备用卫星 分布在6个轨道面内 具有全天候 连续定时的三维定位 测速 导航 授时 抗干扰 保密功能 地球上任何地方至少可见4颗GPS卫星 广泛应用于大地测量 工程测量 控制测量 矿山测量 精密工程测量 导弹制导 速度测量等多领域 监控站 接受卫星下行数据并传至主控站 主控站 卫星轨道估计 卫星控制 定位系统管理 注入站 卫星轨道纠正信息 钟差纠正信息 控制命令的上行注入卫星 GPS 空间星座部分 地面监控部分 用户部分 GPS接收机 数据处理软件 微处理机其终端设备 载波信号 测距码 数据码 发射信号 GPS定位的原理 测定GPS卫星和用户接收机之间的距离 根据已知的卫星瞬时坐标 确定用户接受机所对应的点位 三维坐标X Y H GPS定位 绝对定位 相对定位 实质是空间距离后方交会测量一个测站上求解4个未知量 即3个坐标分量和1个钟差参数 所以至少必须同时观测4颗卫星 分为动态和静态的绝对定位 用2台 或者多台 GPS接收机同步观测相同的至少3颗卫星 以确定基线的基本情况 利用观测量的不同组合 进行相对定位 2 采用全球定位系统 GPS 进行近井基点定位测量 GPS定位测量规范 将GPS的定位精度依次划分为 AA A B C D E六个级别 AA 全球性地球动力学研究 地壳变形测量和精密定轨 A 区域性地球动力学研究 地壳变形测量 B 局部变形监测测量和精密工程测量 C 大中城市及工程测量的基本控制网 D E 中小城市 城镇和测图 地籍 土地信息 房产 物探 建筑工程等控制测量 表6 1各等级GPS测量的基本技术规定 表6 2各等级接收机选用 根据相邻井口的位置和井下贯通巷道的距离及贯通工程的精度要求 一般选择C或D级 GPS的定位测量工作分为 外业和内业 GPS的定位测量主要工作包括 GPS测量的技术设计 选点 测站标志的埋设 野外数据采集以及成果质量的检核 测后数据处理及技术总结 按照GPS的定位测量的工作程序 分为 GPS网的设计 选点与埋点 外业观测 成果检核与数据处理 第三节平面联系测量 定点 定向对井下导线的影响 a b 定向误差对井下导线的影响 由图 a 可以看出 定点的误差对其他各点的影响不随导线的延长而增大 由图 b 可以看出 定向的误差 起始边方位角误差 对其他各点的影响随导线的延长而变化 如果不考虑井下导线测量的误差 即井下导线的几何形状不变 若导线有更多点 所以 离起始点越远 由方位角误差所引起的导线各点点位误差就越大 在平面联系测量中 方位角传递的误差是主要的 因此把平面联系测量简称为矿井定向 井下导线起始方位角的误差作为衡量矿井定向的标准 定向 几何定向 通过斜井或平峒 一井定向 两井定向 物理定向 投向仪定向 陀螺经纬仪定向 磁性定向 矿井定向概括来说分为两类 表3 1联系测量的主要限差 煤矿测量规程 规定的联系测量的主要精度要求见下表 一 一井定向 在立井中悬挂钢丝垂线由地面向井下传递平面坐标和方向的测量工作称为立井几何定向 几何定向 一井定向 两井定向 在一个井筒内悬挂两根垂球线由地面向井下传递平面坐标和方向的测量工作称为一井定向 1 概述 一井定向工作 投点 在井筒中悬挂铅垂线至定向水平 连接 在定向水平通过测量把垂线与井下永久导线点联系起来 2 投点 1 投点的方法 采用垂球线单重投点法 单重稳定投点 0 4mm 单重摆动投点 2 投点误差与投向误差 由地面向定向水平投点时 由于井筒内气流 滴水等影响 使得垂球线在地面上的位置投到定向水平后会发生偏离 这种偏离称为投点误差 由投点误差引起的垂球线连线的方向误差 称为投向误差 图6 7投点误差与投向误差 图 b 中 图 c 中 设AA eA BB eB且由于 很小 则 c 图中的 可简化为 如果设则投向误差为 说明 仅1mm的投点误差 引起方位角误差达2 多 因此要减少投向误差 必须加大两垂球线间的距离c和减少投点误差e之值 3 减少投点误差的主要措施 1 尽量增大两垂球线间的距离 并选择合理的垂球线位置 2 定向时最好减少风机运转或增设风门 以减少风速 3 采用高强度 小直径的钢丝 适当加大垂球重量 并将垂球浸入到稳定液中 4 减少滴水对垂球线及垂球的影响 3 连接 1 概念 在定向水平通过测量把垂线与井下永久导线点联系起来 这项工作称为连接 2 连接测量 连接测量分为地面连接测量和井下连接测量两部分 地面连接测量是在地面测定两钢丝的坐标及其连线的方位角 连接测量的方法很多 这里仅以连接三角形法为例予以介绍 井下连接测量是在定向水平根据两钢丝的坐标及其连线的方位角确定井下导线起始点的坐标与起始边的方位角 为了提高定向的精度 在选择井上 井下连接点C C 时 应使连接三角形布设成延伸三角形 即尽可能将C C 设置在AB的延长线上 且靠近一根垂球线 使 和 小于2 1 连接三角形应满足的条件 图6 8连接三角形示意图 2 连接三角形法的外业 地面连接测量是在C点安置经纬仪测量出 和 两个角度 并丈量a b c三条边的边长 同样 井下连接测量是在C 点安置仪器测量出 和 三个角度 并丈量c b 和a 三条边的边长 3 连接三角形的解算 运用正弦定理 解算出 检查测量和计算成果 首先 连接三角形的三个内角 以及 的和均应为180 若有少量残差可平均分配到 或 上 角的检验 其次 井上丈量所得的两钢丝间的距离c丈与按余弦定理计算出的距离c计相差应不大于2mm 井下丈量所得的两钢丝间的距离c丈与计算出的距离c计相差应不大于4mm 若符合上述要求可在丈量的a b c以及a b c 中加入改正数Va Vb Vc及Va b c 将井上 井下连接图形视为一条导线 E D C A B C D E 按照导线的计算方法求出井下起始点D 的坐标及井下起始边D E 的方位角 二 两井定向 1 概述 当矿井有两个立井 且在定向水平有巷道相通 并能进行测量时 就可采用两井定向 两井定向是在两个井筒内各用重球悬挂一根钢丝 通过地面和井下导线将它们连接起来 从而把地面坐标系统中的平面坐标和方向传递到井下 两井定向的外业测量与一井定向类似 也包括投点 地面和井下连接测量 两井定向的示意图 由于两井定向时 两垂球线之间距离增加 因而减少了投向误差 井下起始边方位角的精度也随之提高 这是两井定向的优点 如果设 当两垂线间的距离 煤矿安全规程 规定两井筒间的最小距离不得小于30m 为则投向误差为 2 两井定向的外业测量工作 1 投点 两个井筒中各悬挂一根垂球A和B 投点设备和方法同一井定向 2 连接 1 地面连接测量 地面连接测量的目的是测定两个垂球线A B的平面坐标 由坐标算出两垂球线的方位角 从近井点分别向两垂球线A B测设导线 连接导线敷设时 应使其具有最短的长度并尽可能沿两垂球线连线的方向延伸 这样可以减少量边误差对连线方向产生的影响 2 井下连接测量 在定向水平上 通过测量导线A 1 2 3 4 B将定向水平的两垂线连接起来 3 两井定向的内业工作 由于两井定向时 两根钢丝间不能直接通视 而是通过导线连接起来的 因此 在连接测量时必须测出井上 井下导线各边的边长及其连接水平角 同时在内业计算时必须采用假定坐标系 1 根据地面连接测量的成果 计算两垂球连线的方位角及长度按照导线的计算方法 计算出地面两钢丝点A B的坐标 x y x y 2 根据假定坐标系统计算井下连接导线 以井下导线起始边A 1为x 轴 A 点为坐标原点建立假定坐标系 可计算出B点的假定坐标为 x y 计算井下导线各连接点在此假定坐标系中的平面坐标及A B 之间的距离 4 测量精度的检验 3 按地面坐标系统计算井下导线各边的方位角及各点的坐标 A1 AB AB 若 为负数则应加360 其他边的方位角为 i i 式中 i 该边在假定坐标系中的假定方位角 根据A点的坐标 xA yA 和计算出的A1边的方位角 A1 计算出井下导线各点在地面坐标系统中的坐标和方位角 最后算得垂球B的坐标 第一次检核 SAB和SAB 第二次检核 井上下B点的坐标值 6 两井定向应独立进行两次 其互差不得超过1 按 规程 规定 两井定向必须独立进行两次 两次求得的起始边方位角互差不得超过1 取两次独立定向计算结果的平均值作为两井定向井下连接导线的最终值 三 陀螺经纬仪定向 陀螺定向是运用陀螺经纬仪直接测定井下未知边的方位角 它克服了运用几何定向方法进行联系测量时占用井筒时间长 工作组织复杂等缺点 目前 已广泛应用于矿井联系测量和控制井下导线方向误差的积累 1 概述 陀螺经纬仪是将陀螺仪和经纬仪结合的仪器 由于它不受时间和环境的限制 同时观测简单方便 效率高 而且能保证较高的定向精度 所以是一种先进的定向仪器 就矿山而言 它完全可以取代国内矿山测量沿用百年之久的几何定向法 克服了几何定向法要占用井筒而造成停产 耗费大量人力 物力和时间等缺点 陀螺经纬仪的精度级别是按实际达到的一测回陀螺方位角的中误差来确定 分为15 和25 2 陀螺经纬仪的基本原理 陀螺经纬仪是根据自由陀螺仪 在不受外力作用时 具有三个自由度的陀螺仪 的原理而制成的 自由陀螺仪具有以下两个基本特性 1 定轴性 2 进动性 陀螺轴在不受外力作用时 它的方向始终指向初始恒定方向 陀螺轴在受到外力作用时 将产生非常重要的效应 进动 3 陀螺经纬仪的基本结构 陀螺经纬仪是陀螺仪和经纬仪组合而成的定向仪器 根据其连接形式不同主要可分为上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪两大类 上架式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之上 下架式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之下 现在常用的矿用陀螺经纬仪大都是上架式陀螺经纬仪 4 陀螺经纬仪定向的作业过程 1 地面已知边上测定仪器常数 假想的陀螺仪轴的稳定位置通常不与真子午线重合 二者之间的夹角称为仪器常数 一般用 表示 陀螺仪子午线位于真子午线的东边 为正 反之为负 陀螺仪定向示意图 可在地面上已知边上采用2测回 或3测回 测定陀螺方位角 求得 式中 AB边一次测定的陀螺方位角 AB边的大地方位角 AB边的坐标方位角 A点的子午线收敛角 测定仪器常数实质上是测定已知边的陀螺方位角 根据陀螺方位角便可以算出仪器常数 2 井下定向边陀螺方位角的测定及坐标方位角的计算 方法同地面测定方法一样 式中 ab边的陀螺方位角 ab边的坐标方位角 仪器常数的平均值 3 求仪器常数 仪器上井后 应在已知边上重新测定仪器常数2 3次 前后两次测定的仪器常数 其中任意两个仪器常数的互差应小于40 然后求出仪器常数 第四节高程联系测量 一 高程联系测量的实质 矿井高程联系测量又称导入标高 其目的是建立井上 井下统一的高程系统 采用平峒或斜井开拓的矿井 高程联系测量可采用水准测量或三角高程测量 将地面水准点的高程传递到井下 导入高程的方法随开拓方式的不同而分为 1 通过平峒导入高程 2 通过斜井导入高程 3 通过立井导入高程 立井导入高程 长钢尺