《矿井联系测量》PPT课件.ppt

第3章 矿井联系测量,3-1联系测量的作用和任务,3-2 矿井定向的种类与要求,3-3地面近井点、井口水准基点及井下定向基点的测设,3-4立井几何定向,3-5 陀螺经纬仪定向,3-7用垂球投点和投向的误差,3-6 导入高程,第一节 联系测量的作用和任务,一、概念,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，使井上下能采用同一坐标系统所进行的测量工作。,联系测量包括平面联系测量和高程联系测量，即定向和导入高程,二、联系测量的目的和任务,1、联系测量的目的：使地面和井下测量控制网采用同一坐标系统。,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。,第二节 矿井定向的种类与要求,矿井定向概括来说分为两类：,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,磁性定向,投向仪定向,陀螺定向,3-3 地面近井点、井口水准基点 及井下定向基点的测设,一、近井点和井口水准基点的设置要求,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；,二、近井点和井口水准基点的精度要求,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。,三、利用全球定位系统（GPS）测设近井点,利用全球定位系统进行定位测量的技术和方法称全球定位系统测量，即导航卫星测时和测距的简称，通常简写为GPS。在大地测量、工程测量、地籍测量、航空摄影测量等领域显示出良好的应用潜力和效益。,利用GPS卫星定位测量测设近井点时，近井点应埋设在视野开阔处，点周围视场内不应有地面倾角大于10的成片障碍物。同时应避开高压输电线、变电站等设施，其最近不得小于200m。,测量可采用静态定位法。静态定位能够通过大量的重复观测来提高定位精度。GPS测量必须按1992年我国测绘局发布的全球定位系统（GPS）测量规范进行。在规范将GPS网点划分为A、B、C、D、E五个等级。其中D级和E级分别相当于常规测量的国家三等点和四等点，近井点测设可采用上述等级。有关技术标准见下表,GPS测量数据处理的基本内容为：观测值的粗加工；预处理；基线向量解算以及GPS基线向量网与地面网数据的综合处理等。,图3-1GPS测量数据处理的基本流程,四、地面连测导线的测量,地面有近井点至井口（定向连接点）的连测导线，边数应不超过3个。,地面连测时，应敷设测角中误差不超过5或10的闭合导线或复测支导线，10（二级）小三角网作为首级控制的小矿区。,地面连测导线应尽量采用光电测距导线。,图3-2地面连测,一、概述,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 。,3-4 立井几何定向,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 。,一井定向方法有连接三角形法、四边形法和适用于小型矿井的瞄直法等。本节只介绍常用的连接三角形法。,二、一井定向方法,（一）投点,1、投点的方法,由地面向定向水平投点，简称投点,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3-3 投点误差与投向误差,(a),(b),(c),A,B,A,B,A,B,图(b) 中,图(c)中,设AA=BB=e，AB=c，且由于很小，则(c)图中的可简化为：,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。,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;,总投向误差为：,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、单重稳定投点,单重稳定投点是假定垂球线在井筒内处于铅垂位置而静止不动，所进行的投点。,单重稳定投点设备和安装系统如下图所示：,图3-4稳定投点的设备和安装,4 、钢丝的下放和自由悬挂的检查,通常采用以下方法 :,(1) 信号圈法,(2) 比距法,比距法是采用比较井上、井下两钢丝间的距离的方法进行检查。,若量得的井上、井下两钢丝间的距离互差不大于2mm，便认为钢丝是自由悬挂的。,(3) 振幅法,振幅法是测定钢丝摆动的半周期，看它是否与计算值相等 。,理论值按下式计算：,由于稳定液的阻尼作用，实测的半周期应大于计算值。若小于计算值，可将实测的半周期代入上式，计算出钢丝自由悬挂的长度，以便估计接触点的位置；,(4)井筒条件允许时，可以乘罐笼或吊桶直接检查钢丝的悬挂。,5 、单重摆动投点,单重摆动投点是通过观测垂球线的摆动,找出其静止 位置并固定起来,然后进行连接测量。,常采用标尺法和定中盘法,（二）连接,1、概念,把地面上的已知点和定向水平上的永久点与垂球线连接，简称为连接。,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。,图3-4连接三角形示意图,图中三角形ABC和ABC称为连接三角形。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ABC和ABC满足以下三个条件：,（1）点C与D及点C与D要彼此通视，且CD与CD 的边长要大于20m；,(2) 三角形的锐角和要小于2；构成最有利的延伸三角形,(3) a/c与b/c的值要尽量小一些，一般应小于1.5 。,1）.连接三角形应满足的条件,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4 mm。,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，bc, 将井上、井下连接图形视为一条导线，如DCA BCD，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CD的方位角,（三）一井定向的工作组织,组织要求：精度高、尽量的缩短占用井筒的时间 。,一井定向的工作组织包括：准备工作，地面和定向水平上的工作以及安全措施等。,三、 两井定向,1.概述,当矿井有两个竖井，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，,图3-5两井定向的示意图,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。,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，这是两井定向的优点。,（一）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线A和B，投点设备和方法同一井定向。,采用单重稳定投点法,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。,导线可采用一级或二级导线,2)井下连接测量,在定向水平上，连接两垂球线，测设经纬仪导线A1 234B,导线可以采用7或15基本控制导线。,(二、)两井定向的内业计算,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,图3-6 两井定向的井上下连接,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）；,c2=（xBxA）2+(y By A)2,2 根据假定坐标系统计算井下连接导线,以井下导线起始边A1为x轴，A 点为坐标原点建立假定坐标系，设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。,c 2= xB 2+ y B 2,3、测量的计算和检验,用比较井上与井下算得的两垂球线间距离c和c进行检查，由于两垂球的向地心性，差值,c=c-( c+H *c/R),4 、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,A1ABAB= ,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。,5、测量和计算的第二个正确性的检验,将井下连接导线按地面坐标系统，由A算出B点的坐标与按地面连接算得的B点坐标的相对的闭合差符合井下所采用的连接导线的精度时，则井下连接导线的测量和计算正确，闭合差按与边长成比例分配（只对井下导线的坐标加以改正） 。,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）两井定向实例,3-5陀螺经纬仪定向,一、概述,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。,二、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”。,自由陀螺仪的上述两个特性，可通过以下实验予以证明。,图3-7 陀螺仪,左端为一可转动的陀螺，右端为一可移动的悬重，当调节悬重的位置使杠杆水平时，可以看到陀螺转动后，其轴线的方向始终保持不变，即可验证定轴性。当将悬重向左移动一小段距离，即相当于陀螺轴受到一个向下的作用力时，陀螺转动后，杠杆将保持水平，但将在水平面上作逆时针方向的转动；同理，将悬重右移一小段距离，即陀螺轴受到一个向上的作用力时，陀螺转动后，杠杆仍保持水平，但将在水平面上作顺时针方向的转动，这样即可验证自由陀螺仪的进动性。,目前，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。,三、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。,这里以徐州光学仪器厂生产的JT15型陀螺经纬仪为例来说明陀螺经纬仪的基本结构。,1、陀螺仪,JT15型陀螺经纬仪是将陀螺仪安放在6级经纬仪之上而构成的，其中陀螺仪部分的基本结构如右图,图3-8JT15型陀螺经纬仪,2、经纬仪及三脚架,采用J6-2型经纬仪及通用的三脚架,3、陀螺电源箱,图3-9 陀螺仪电源面板箱,四、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地理子午线重合，二者之间的夹角称为仪器常数，一般用表示 。陀螺仪子午线位于地理子午线的东边为正；反之为负。,图3-10陀螺仪定向示意图,=A0-T,可以按下式求出仪器常数：,在下井定向之前，在已知边上测定仪器常数应进行23次，各次之间的互差对于GAK-1、JT15 等型号的仪器应小于40。,2、在井下定向边上测定陀螺方位角,仪器安置在C点上，可以测出CD边的陀螺方位角 T 。则定向边的地理方位角A为:,A=T +,测定定向边陀螺方位角应独立进行两次，其互差应小于40,3、仪器上井后重新测定仪器常数,仪器上井后，应在已知边上重新测定仪器常数23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，然后求出仪器常数的最或是值。,白塞尔公式m=vv/（n-1）评定一次测定中误差。,4、求算子午线收敛角,地理方位角和坐标方位角的关系为：,A0=0+0,子午线0的符号由安置经纬仪的位置确定，在中央子午线 以东为正，以西为负 。,5、求算井下定向边的坐标方位角,由上述公式可得出 = A0-T=0+0-T,= A-=T +平-,因此井下定向边的坐标方位角为,五、陀螺仪悬带零位观测,悬带零位是指陀螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬带和导 流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，即扭力矩为零的位置。,在陀螺观测开始之前和结束之后，要作悬带零位观测，相应简称为测前零位观测和测后零位观测。,测定悬挂零位时，先将经纬仪整平 并固定照准部，下放陀螺灵敏部从读数 目镜中观测灵敏部的摆动，(即陀螺轴围 绕子午线摆动时偏离子午线的两侧最远位 置)在分划板上连续读三个逆转点的读数， 估读到0.1格。,计算零位：,L=1/2（a1+a3）/2+a2,图3-11零位观测,六、粗略定向,在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，首先进行粗略定向，即把经纬仪望远镜视准轴置于近似北。,寻找近似北的方法：,（1）配有粗定向盘的陀螺仪，可用罗盘达到粗定向的目的。,（2）在已知边上测定仪器常数时，可利用已知边的坐标方位角及仪器站的子午线收敛角来直接寻找近似北方。,（3）当在未知边上定向，且仪器本身又无粗定向罗盘附件时，可用仪器本身来寻找北方，常用的方法为两个逆转点法。具体操作如下：,仪器在测站安置好后，将经纬仪视准轴大致摆在北方向后，起动陀螺马达，达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪水平制动螺旋，用手转动照准部跟踪灵敏部的摆动，使陀螺仪目镜视场移动的光标像与分划板零刻划线 随时重合。当达到摆动逆转点时，读取水平度盘1；用同样的方法向反方向跟踪，到达另一点逆转点时，再读取水平读数2。锁紧灵敏部，制动陀螺马达。按下式计算近似北在水平度盘上的读数：,N=1/2（1+2 ）,七、精密定向,精密定向就是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角 。,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。,1、逆转点法,第一步，在A点安置陀螺经纬仪，严格整平对中，并以两个镜位观测测线方向AB的方向值测前方向值M。,第二步，将经纬仪的视准轴大致对准北方向(对于逆转点法要求偏离陀螺子午线方向不大于60)。,第三步，测量悬挂带零位值测前零位，同时用秒表测定陀螺摆动周期。,第四步,用逆转点法精确测定陀螺北方向值NT。,启动陀螺马达，缓慢下放灵敏部，使摆幅在13范围内。调节水平微动螺旋使光标像与分划板零刻度线随时保持重合，到达逆转点后，记下经纬仪水平度盘读数。连续记录5个逆转点的读数u、u、u、u、u，并按下式计算N：,第五步,进行测后零位观测，方法同测前零位观测。,第六步,再以两个镜位测定AB边的方向值测后方向值M。,图3-12用逆转点法观测,第七步,计算T陀螺方位角： (T ),于是可得井下定向边坐标方位角。,3-6 导入高程,一、导入高程的实质,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。,导入高程的方法随开拓方法的不同而分为：,（1）通过平硐导入高程,（2）通过斜井导入高程,（3）通过立井导入高程,h=l-a+b=l+(b-a),B点在统一坐标系中的高程,HB=HA-h,图3-13通过立井导入高程,二、长钢尺导入高程,图3-14用长钢尺导入高程,下放钢尺在地面及井下安平水，分别在A、B两点所立水准尺上读取读数a、b，然后将水准仪照准钢尺，在井上下同时读取读数准仪m、n,同时测定井上下温度t1、t2,根据上述测量数据，求得A、B两点的高差为：,h=（m-n）+（b-a）+L,目前国内外使用的长钢尺有500m、800m、1000m等几种,施测方法：,其中L 为钢尺的总改正数。它包括尺长、温度、拉力和钢尺自重等改正数。,即L=Lk+Lt+Lp+Lc,温度取井上下的温度平均值 即t=（t1+t2）/2,导入高程需独立进行两次 前后两次之差不得超过l/8000,三、钢丝法导入标高,采用钢丝法导入标高时，首先应在井筒中部悬挂一钢丝，在井下端悬一重锤，使其处于自由悬挂状态,图3-15钢丝导入高程,在井上、井下同时用水准仪测得A、B处水准尺上的读数a和b，并用水准仪瞄准钢丝，在钢丝上作上标记；变换仪器高再测一次，若两次测得的井上、井下高程基点与钢丝上相应标志间的高差互差不超过4mm，则可取其平均值作为最终结果。,最后，可通过在地面建立的比长台用钢尺往返分段测量出钢丝上两标记间的长度，且往返测量的长度互差不得超过L/8000(L为钢丝上两标志间的长度)。,这样，井下水准基点B的高程HB即可通过下式求得： HL（a-b),四、光电测距仪导入标高,运用光电测距仪导入标高，不仅精度高，而且缩短了井筒占用时间，因此是一种值得推广的导入标高方法。,图3-16 光电测距仪导入高程,光电测距仪导入标高的基本方法是：在井口附近的地面上安置光电测距仪，在井口和井底的中部，分别安置反射镜；井上的反射镜与水平面成45夹角，井下的反射镜处于水平状态；通过光电测距仪分别测量出仪器中心至井上和井下反射镜的距离L、S。,从而计算出井上与井下反射镜中心间的铅垂距离H：,H=S-L+L,式中，L为光电测距仪的总改正数。,然后，分别在井上、井下安置水准仪。读取立于E、A及F、B处水准尺的读数e、a和f、b,A、B之间的高差为：,h=H-（a-e）+b-f,B的高程H： HBHA-h,运用光电测距仪导入标高也要测量两次，其互差也不应超过H/8000。,3-7 用垂球投点和投向的误差,根据规程要求，一井两次独立定向所的井下定向边的方位角,定向误差由三部分组成,（1）井上的连接误差m上（2）投向误差 （3）井下的连接误差m下,一井定向的投向误差和连接误差大致相等，,在井筒中用垂球线投点的误差的主要来源：,（1）气流对垂球线投点的误差的主要来源；,垂球线因受气流的影响所产生的偏斜值与垂球的重量成反比，与井深成正比。,（2）滴水对垂球线的影响；,将垂球放入大水桶中。,（3）钢丝的弹性作用,采用直径大于250mm的绞车、细的钢丝和适当的垂重。,（4）垂球线的摆动面和标尺面的不平行,一、用垂球线投点的误差来源及估计方法,（5）垂球线的附生摆动,二、减少投点误差的措施,（1）尽量减少两垂球线间的距离，并选择合适的垂球线位置；,（2）采用小直径、高强度的钢丝，适当的加大垂球重量，并将垂球浸入稳定液中；,（3）摆动观测时，垂球线摆动的方向应尽量与标尺平行，并适当加大摆幅；,（4）减少滴水对垂球线及垂球的影响，在大水桶上挡水盖。,