第十章矿井联系测量...ppt

第十章联系测量 第一节概论把井上 井下坐标系统统一起来所进行的测量工作就称为 联系测量 矿井联系测量又分为 矿井平面联系测量矿井高程联系测量矿井平面联系测量是解决井上 井下平面坐标系统的统一问题 矿井高程联系测量是解决井上 井下高程系统的统一问题 一 矿井联系测量的目的与任务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 将地面平面坐标系统传递到井下的测量称平面联系测量 简称定向 将地面高程系统传递到井下的测量称高程联系测量 简称导高 矿井联系测量的目的 就是使地面和井下测量控制网采用同一坐标系统 其必要性在于 1 需要确定地面建筑物 铁路和以及水体与井下巷道 回采工作面之间的相对位置关系 这种关系需要绘制井上下对照图来反映 2 我们必须时刻掌握采矿工作的动态 并及时反映在井上下对照图上 以便采取预防措施 3 需要确定相邻矿井的各巷道间及巷道采空区间的相互位置关系 正确地划定两相邻矿井间的隔离矿柱 不然 就有可能误入采空区 发生大量涌水及瓦斯涌出 造成重大安全事故 4 为解决很多重大工程问题 如井筒或相邻矿井间各种巷道的贯通 以及由地面向井下指定的地点开凿小井或打钻孔等都需要有一个统一的井上下平面坐标系统和高程系统 联系测量的任务在于 1 确定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 y 3 确定井下水准基点的高程 H 前面两项任务是通过矿井定向 又称矿井平面联系测量 来完成的 第二个任务是通过导入高程 又称矿井高程联系测量 来完成的 这样就获得了井下平面与高程测量的起算数据 二 一井定向 二 矿井定向的种类矿井定向的方法因开拓方式不同而异 概括说来可分为两大类 一类是从几何原理出发的几何定向 一类是以物理特性为基础的物理定向 几何定向可分为 1 通过平硐或斜井的几何定向 2 通过一个立井的几何定向 一井定向 3 通过两个立井的几何定向 两井定向 物理定向可分为 1 用精密磁性仪器定向 2 用陀螺经纬仪定向 沿平硐或斜井的几何定向 只需通过斜井或平硐进行经纬仪导线测量和高程测量 可直接将地面系统的坐标和高程传递到井下 用精密磁性仪器和投向仪定向 因其定向精度远远不如陀螺经纬仪定向 只适于小型矿井 第二节地面近井点与井口水准基点 在全国范围内都布设了国家一 二等三角网和水准网 在矿区范围内也有国家一 二等三角点网和水准点 但是 这些点的密度很小 远远不能满足矿区测量的需要 通常进行的矿区控制测量就是在国家一 二等三角网和水准网的基础上布设矿区三 四等三角角网或高精度的光电测距导线作为矿区的平面控制 布设矿区三 四等水准网作为矿区的高程控制 为了满足矿井建设和生产的需要 建立矿井上 下统一坐标系统 需要把地面坐标系统中的平面坐标及方向传递到井下 在定向之前 必须在地面井口附近设立作为定向时与垂球线连接的点 叫做 连接点 由于井口建筑物很多 因此连接点通常不能直接与矿区地面控制点通视 为此 还必须在定向井筒附近设立近井点 为传递高程 还应设置井口水准基点 一般近井点也可作为水准基点 近井点可在矿区三 四等三角网 测边网或边角网的基础上 用插网 插点和敷设经纬仪导线等方法测设 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 井口水准基点应按四等水准测量的精度要求测设 此外近井点和高程水准基点的布设还要满足以下要求 1 尽可能埋设在便于观测 保存和不受开采影响的地点 2 近井点至井口的连测导线边数应不超过3条 3 高程水准基点应不少于两个 近井点可作为高程水准基点 4 尽可能埋设在便于观测 保存和不受开采影响的地点 5 近井点至井口的连测导线边数应不超过3条 6 高程水准基点应不少于两个 近井点可作为高程水准基点 第三节平面联系测量 平面联系测量的任务是将地面的平面坐标和方位角传递到井下 从而使井上 下的坐标为统一的坐标系统 在进行矿井平面联系测量中 传递坐标和方位角的误差对井下工程质量有着重大的影响 由于联系测量误差影响使点1偏离距为e 其他各点偏离同一距离e 坐标传递误差e对于井下起始点和井下最远点的影响程度相同 即相当于整个导线整体平移了一段距离e 方位角的当井下起始边传递方位角的误差为 时 相当于整个导线以井下起始点1为圆心转动一个角度 而成为2 3 4 5 的位置 这样导线延伸越长 影响越大 假定 2 S5 4000m 则 联系测量对井下导线的影响 由此可见 离起点越远 由方位角引起的导线点点位误差就越大 故方位角的传递误差对井下测量的影响是相当大的 正因为如此 我们在进行平面联系测量时要尽可能减小方位角的传递误差 以方位角的传递为主 这也是矿井平面联系测量又简称为 定向 的原因 一 一井定向通过一个立井的几何定向 叫一井定向 一井定向是在一个井筒内悬挂两根钢丝 将地面点的坐标和边的方位角传递到井下的测量工作 钢丝的一端固定在井口上方 另一端系上重锤自由悬挂至定向水平 再按地面坐标系统求出两根钢丝的平面坐标及其连线的方位角 在定向水平通过测量把在地面已求得的两根自由悬挂钢丝的平面坐标及其连线的方位角与井下永久导线点联系起来 这项工作称为 连接 在由地面向井下定向水平投点时 由于井筒内风流 滴水等因素的影响 使钢丝的井上 井下位置不在同一铅垂线上而产生的误差称为投点误差 一 投点投点是在井筒中悬挂重垂线至定向水平 然后利用悬挂的两根钢丝将地面的点位坐标和方位角传递到井下 投点设备 1 小绞车 2 钢丝 3 定线板 4 支架 5 垂球 6 大水桶 方位角传递误差 二 一井定向 由于投点时A B产生线量偏差eA eB的投点误差 由投点误差引起的两垂球连线方向的误差 称为投向误差 在最不利的情况下 即两根钢丝分别向AB连线两侧偏斜时 两根钢丝的偏斜方向相反 的投向误差为 因eA eB很小 角也很小 上式可简化为 式中 206265 一弧度所对的秒值 例如 设eA eB 1mm DAB 4m 则投向误差为上例说明 投点误差 却能引起方位角误差达之多 要减少投向误差 必须加大两垂线间的距离和减少投点误差 但由于井筒直径有限 两垂线间的距离不能无限增大 一般不超过3m 5m 因此 在投点时必须采取措施减少投点误差 通常采用下述方法 1 采用抗拉高的小直径钢丝 以便加大垂球重量 一般30kg 50kg 并减少对风流的阻力 2 将重锤置于稳定液中 如机油或米汤等 以减少钢丝绳摆动 3 测量时 应关闭风门或暂停通风机 并给钢丝安上挡风套筒 以减少风流的影响等 4 尽量增大两钢丝绳间的间距 5 采取防水措施减少滴水的影响 此外 挂上重锤线后 还应检查钢丝是否自由悬挂 常见的检查方法有比距法 比较井上 下两钢丝间距 信号圈法 自地面沿钢丝下放小铁丝圈 看是否受阻 钟摆法又称振幅法 使钢丝摆动 观察摆动周期是否正常 等 确认钢丝自由悬挂后 即可开始连接工作 二 连接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 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 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 连接三角形法是在井上下井筒附近选定连接点C和C 在井上下形成以两垂线AB为公共边的两个三角形ABC和ABC 称这两个三角行为连接三角形 连接三角形是在井上 井下附近连接点C C 在井上 井下形成以量垂线AB为公共边的三角形ABC ABC 利用观测角计算两三角形的各边长 和方位角 连接三角形应满足的条件 1 点C与D及点C 与D 彼此通视 且CD与C D 的边长要大于20m 2 连接三角形应布设成延伸三角形 即尽可能将连接点c和c 设在AB延长线上 而使锐角 和 要小于2 3 点c和c 还应尽量靠近最近的一根垂球线 1 连接三角形法的外业工作 1 地面连接测量时 分别在D C点安置经纬仪测量出 和 三个角度 并丈量a b c三条边的边长 2 井下连接测量时 分别在C D 点安置仪器测量出 和 三个角度 并丈量a b 和c 边和C D 边的边长 2 连接三角形的解算 包括解三角形和导线计算两部分 1 解算三角形 运用正弦定理 解算出 角 即 2 检查测量和计算成果 连接三角形三个内角 以及 的和均应为180 若有少量残差可平均分配到 或 上 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计差值d 当井上相差应不大于2mm 井下丈量所得两钢丝间的距离c丈 与c计 相差应不大于4mm 可在丈量的边上加入改正数 Va d 3 Vb d 3 Vc d 3 根据上述方法求得的水平角和边长 将井上 井下视为一条导线 如 E D C A B C D E 按照导线的计算方法求出井下起始点C 的坐标及井下起始边C D 的方位角 一井定向应独立进行两次 两次求得的井下起始边方位角之差不得超过1 然后取两次定向的平均值作为最终定向成果 二 两井定向1 概述当一个矿有两个立井 且在定向水平有巷道相通 并能进行测量时 定向工作就可以进行两井定向 两井定向是在两个井筒内各挂一根垂线 然后在地面和井下定向水平用导线测量的方法把两根垂线连接起来 从而把地面坐标系统中的平面坐标和方向传递到井下 图10 5两井定向示意图 两井定向时 两垂线之间的距离比一井定向大得多 当两垂线间距离DAB 30m 一般两井筒间的最短距离大于30m 设投点误差eA eB 1mm 根据式 10 1 其投向误差为 由此可见 两井定向时 由于两垂球线间的距离大大增加 故由投点误差引起的投向误差大大减少 井下起始方位角的精度也随之提高 这就是两井定向的最大优点 所以 凡有条件的矿井 在选择定向测量方案时 应首先考虑用两井定向 同一井定向一样 两井定向的全部工作包括投点 连接和内业计算 一 投点 在两立井内各悬挂一根垂球线 投点的方法与一井定向相同 但因两井定向投点误差对方位角的影响小 投点精度要求较低 而且每个井筒上悬挂钢丝 所以投点工作比一井定向简单用井时间短 二 连接1 地面连接从近井点K分别向两垂球线A B测设连接导线K A及K B 以确定A B两点的坐标和AB边的坐标方位角 连接导线敷设时 应使其具有最短的长度 尽可能沿两垂球线连线的方向延伸 因为此时量边误差对连线的方向不产生影响 导线可采用一级或二级导线测量方法测量 2 井下连接测量在井下定向水平 测设经纬仪导线A 1 2 3 4 B 导线可采用7 或15 基本控制导线测量的方法测量 三 两井定向的内业计算两井定向是在两个井筒内各投下一个点 它们的坐标是通过地面连接导线测设后计算出来的 而到了井下 它们之间是不能视的 这样井下连接导线A 1 2 3 4 B 就形成一条定向附合导线 具体解算步骤如下 1 计算地面钢丝点A B坐标 按导线计算方法 计算出地面两钢丝点A B的坐标 x y x y 2 计算两钢丝点A B的连线在地面坐标系统中的方位角 和边长 3 以井下导线起始边A 为x 轴 A点为坐标原点建立假定坐标系 计算井下导线各连接点在此假定坐标系中的平面坐标 设B 点的假定坐标为 x y 4 计算AB连线在假定坐标系中的方位角 5 计算井下起始边在地面坐标系统中的方位角 10 7 6 根据A点的坐标 x y 和方位角 计算出井下导线各点在地面坐标系统中的坐标和方位角 最后算得悬线垂线B的坐标 井下连接导线按地面坐标系统算出B点的坐标值应和地面连接导线所算得的B点的坐标值相等 如其相对闭合差不超过井下连接导线的精度时则认为井下连接导线的测量和计算是正确的 可作为测量和计算的第二检核 为了检核 两井定向也应独立进行两次 两次求得的井下起始边方位角之差不得超过1 然后取两次定向的平均值作为最终定向成果 三 陀螺经纬仪定向所谓陀螺 是指高速旋转的钢体 以陀螺制成的仪器称为陀螺仪 陀螺经纬仪是将陀螺仪与经纬仪组合而成的一种定向仪器 陀螺经纬仪定向精度高 一次测定方向之中误差为15 操作简单 目前已广泛应用于矿井联系测量和井下大型贯通测量的定向 一 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 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 2 进动性 陀螺轴在受到外力作用时 将产生规律偏转的效应 称为进动 常用的陀螺仪是采用两个完全自由度和一个不完全自由度的钟摆式陀螺仪 它是根据上述的陀螺仪的定轴性和进动性两个基本特性 并考虑到陀螺仪对地球自转的相对运动 使陀螺轴在测站子午线附近作简谐摆动的原理而制成的 二 矿用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 JT 15型陀螺经纬仪是将陀螺仪安放在2 级经纬仪之上而构成的 陀螺仪由于具有定轴性和进动性两个特征 它在地球自转作用的影响下 其轴绕测站的子午线作简谐振动 摆的平衡位置就是子午线方向 将陀螺仪和经纬仪结合起来 利用陀螺仪定出子午线方向 经纬仪测出定向边与子午线的夹角 这样就可以测出地面或井下任意边的大地方位角 三 陀螺经纬仪定向的方法运用陀螺经纬仪进行矿井定向的常用方法主要有逆转点法和中天法 它们间的主要差别是在测定陀螺北方向时 逆转点法的仪器照准部处于跟踪状态 而中天法的仪器照准部是固定不动的 这里以逆转点法为例来说明测定井下未知边方位角的全过程 所谓逆转点 是指陀螺绕子午线摆动时偏离子午线最远处的东西两个位置 分别称为东西逆转点 1 在地面已知边上用陀螺经纬仪测2 3个测回测定仪器常数 前 由于仪器加工等多方面的原因 实际中的陀螺轴的平衡位置往往与测站真子午线的方向不重合 它们之间的夹角称为陀螺经纬仪的仪器常数 并用 前表示 要在地面已知边上测定 关键是要测定已知边的陀螺方位角TAB陀 如166页图10 8 a 所示 测定TAB陀的方法如下 在A点安置陀螺经纬仪 严格对中整平 并以两个镜位观测测线方向AB的方向值M1 测前方向值 前 将经纬仪的视准轴大致对准北方向 启动陀螺仪 按逆转点法测定陀螺北方向值NT 按逆转点法观测陀螺北方向值的方法如下 在测站上安置仪器 观测前将水平微动螺旋置于行程中间位置 并于正镜位置将经纬仪照准部对准近似北方 然后启动陀螺 此时在陀螺仪目镜视场中可以看到光标线在摆动 用水平微动螺旋使经纬仪照准部转动 平稳匀速地跟踪光标线的摆动 使目镜视场中分化板上的零刻度线与光标线重合 当光标达到东西逆转点时 读取经纬仪水平度盘上有读数 连续读取5个逆转点时的读数ui 便可按以下公式求得陀螺北方向值NT 再以两个镜位观测测线方向AB的方向值M2 测后方向值 计算TAB陀 2 在井下定向边上测量陀螺方位角TAB陀 测两测回 如图10 8 b 所示 3 返回地面后再在AB边上测一次仪器常数 后 得仪器常数的平均值 平 4 计算井下未知边的坐标方位角 如图10 8 b 所示 ab Tab陀 平 ra 10 13 式中Tab陀 ab的陀螺方位角 ra a点的子午线收敛角 第四节 高程联系测量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 采用平硐或斜井开拓的矿井 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 采用竖井开拓的矿井则需采用专门的方法来传递高程 一 长钢尺导入高程目前在国内外使用的长钢尺有100m 200m 500m 800m和1000m等几种 钢尺由地面放入井下 到达井底后 挂上一个垂球 垂球的重量等于钢尺鉴定的拉力 以拉直钢尺 并使之处于自由悬挂位置 然后再在井上 井下各安置一台水准仪 在A B水准尺上读数a与b 再照准钢尺 井上 下同时取读数m和n 同时读数可避免钢尺移动所产生的误差 井下水准基点B的高程为 HB HA hAB高差hABhAB m n a b为了校核和提高精度 导入标高应进行两次 两次之差不得大于L 8000 L为m与n之间的钢尺长度 如 井筒深600m容许误差fh 600 8000 0 075m 二 钢丝法导入标高采用钢丝法导入标高时