中国矿业大学矿山测量学课程设计

1、.矿山测量课程设计报告姓名班级：学号：指导老师：;.2012年 6月 20日目录一、课程设计概述 .11.1设计目的 .11.2设计内容 .11.3编制依据 .11.4坐标系统 .1二、矿井平面联系测量 .22.1两井定向方案 .22.1.1技术规范及限差要求 .22.1.2测量方案 .32.1.3投点、连接 .42.1.4工作组织与安全措施 .52.2.2陀螺经纬仪定向步骤 .72.2.3组织工作与注意事项 .82.2.3陀螺经纬仪定向误差分析 .82.3两种方案的比较 .82.3.1两井定向精度估计 .82.3.2陀螺定向精度估计 .9三、井下平面控制测量 .113.1井下导线的等级与布设

2、 .113.2导线布设系统 .123.3精度估算 .133.3.1基本控制精度估算 .133.3.2采区控制精度估算 .14四、高程联系测量 .154.1高程导入方法 .154.1.1钢尺导入高程 .154.1.2钢丝导入高程 .164.1.3光电测距仪导入高程 .174.2精度估算 .17五、井下高程控制测量 .185.1 地面水准测量 .185.1.1地面水准布设方案 .185.1.2地面水准精度估算 .195.2井下水准控制网设计 .215.2.1井下水准布设方案 .215.3井下三角高程设计 .235.3.1布设方案 .235.3.2精度估算 .23六、经验与收获.24;.一、课程设计

3、概述1.1 设计目的矿山测量课程设计是在学完矿山测量学课程和完成矿山测量教学实验之后进行的， 是对学生进行测绘高级工程人才基本训练的一个重要环节。 其目的在于通过对某矿井的主要矿山测量工作的设计，培养学生独立分析问题和解决问题的能力及其创新能力。 为了通过模拟实践更好的理解课本知识， 更真实的了解矿山测量工作， 环境与测绘学院在 2012 年 5 月组织 09 届学生进行为期一周的矿山测量课程设计，让学生将学过的知识有效的复习并形成体系。1.2 设计内容(1) 矿井平面联系测量(2) 井下平面控制测量(3) 高程联系测量(4) 井下高程控制测量1.3 编制依据(1) 煤矿安全规程(2) 煤矿测

4、量规程(3) 全球定位系统 (GPS)测量规范 (GB/18314-2009)(4) DZS3水准仪使用说明书（北京博飞）；(5) Leica TC1500 用户手册 ( 瑞士徕卡 ) ；(6) 测绘产品检查验收规定 ， CH 1002 95。(7) 测绘产品质量评定标准 ， CH 1003 95。1.4 坐标系统一个矿区应采用统一的坐标和高程系统。 为了便于成果、 成图的相互利用， 应尽可能采用国家 3o带高斯平面坐标系统。在特殊情况下，可采用任意中央子午线或矿区平均高程面的矿2区坐标系统。矿区面积小于50 km 且无发展可能时，可采用独立坐标系统。矿区高程尽可能采用1985 国家高程基准，

5、当无此条件时，方可采用假定高程系统。;.二、矿井平面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。矿井联系测量的目的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老塘 ( 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。联系测量的任务在于确定：(1) 井下经纬仪导线起算边的坐标方位角；(2) 井下经纬仪导线起算点的平面

6、坐标 x 和 y；(3) 井下水准基点的高程 H。本设计采用两井定向方案与陀螺经纬仪定向两种方案，并对其进行了精度评定和比较。2.1 两井定向方案当矿区有两个立井， 且两井之间在定向水平上有巷道相通并能进行测量时， 就要采用两井定向。两井定向时， 由于两垂球线间距离大大增加， 因而由投点误差引起的投向误差也大大减小，这是两井定向的最大优点。xxABx21BA34两井定向示意图图 两井定向示意图技术规范及限差要求表 近井光电测距导线的布设与精度要求;.附（闭）合一般边长测距相对导线全长等级导线长度测角中误差相对闭合（ km）中误差（ km ）差三等导线15251/100000± 1.8

7、1/00000四等导线10121/100000± 2.51/40000一级导线50.51/30000± 51/20000二级导线30.251/20000± 101/10000煤矿测量规程 规定，两井两次独立定向所算得的井下定向边的方位角之差， 不应超过 ± 1。则一次定向的中误差为M0602221.2若忽略投向误差，认为井上、下连接误差大致相同，则m上m下 =21.22 =15测量方案本设计中，井上测设采用二级导线，从两个给定已知点 M 、 N 敷设导线，求得近井点的坐标及方位角，设计图见图 1-1（绿色部分为井上导线） 。图 1-1 近井点测量设计图本

8、设计中，在井下定向水平，测设经纬仪导线 A-1-2-3-4-5-6-7-B ，导线采用 15"基本控制导线。导线布设图见图 1-2（蓝色部分为井下导线） 。;.图 1-2 井下导线布设图投点、连接投点： 在两个立井中各悬挂一根垂球线 A 和 B。投点的方法与一井定向相同，只是每个井筒悬挂一根钢丝， 投点工作比一井定向简单， 而且占用井筒时间短。 指用锤线或激光束将地面点的位置通过立井传递至定向水平的测量工序。 包括单重稳定投点、 单重摆动投点和激光投点。本矿井筒 400 左右，不算太深，滴水不大，井筒气流比较缓和，因此决定采用单重稳定投点方式。所需设备及要求：垂球：50-100kg；

9、钢丝：0.5-2mm 的高强度优质碳素弹簧钢丝；单闸手摇绞车；导向滑轮：直径不小于 150mm；定点板；加盖大水桶；小锤球。地面连接 : 地面连接的任务在于测定两垂球的坐标 , 再由坐标算出两垂球的方位角来。 关于地面连接的方式 , 根据两井筒相距的远近而有所不同。 当两井相距较近时 , 则可插入一个近井点 , 然后用导线连接， 当两井相距较远时 , 则可在两井筒附近各插入一个近井点来连接。 如图1 所示。当敷设导线时 , 应该使导线具有最短的长度并尽可能沿两垂球连线的方向延伸 , 因为此时量边误差对联线的方向不产生影响。 一般可按照设立近井点的要求进行测量 , 但在定向之前 , 应根据一次定

10、向测量中误差不超过± 20的要求。井下连接 : 在定向水平上 , 一般可用井下 7 经纬仪导线将两垂球线连接起来 , 在巷道形状可能的情况下 , 和地面连接导线一样尽可能沿两垂球方向敷设 , 并使其长度最短。在选定了井上下连接方案后 , 应进行精度预计。如果井下经纬仪导线起始边的方位角中误差 Ma0 不超过 20 , 方案才能被采用。;.工作组织与安全措施工作组织的主要流程有：（ 1）准备工作选择连接方案，做出技术设计；定向设备及用具准备；检查定向设备及检验仪器；预先安装某些投点设备和将所需用具设备等送至定向井口和井下； 确定井上下负责人， 同一负责指挥和联络工作。（ 2）制定地面的

11、工作内容及顺序（ 3）制定定向水平上的工作内容和顺序（ 4）定向时的安全措施：定向过程中应劝阻一切非定向工作人员在井筒附近停留；提升容器应牢固停妥； 井盖必须结实可靠地改好； 对定向钢丝必须事先仔细检查， 放提钢丝时应事先通知井下，只有当井下人员撤离时才能开始；垂球未到井底，人员不得进入井筒；钢丝要均匀慢放。（ 5）定向后的技术总结：包括定向测量的实际时间安排，实际参与定向的人员和分工；地面连测导线的计算成果及精度；定向的内业计算和精度评定；定向测量的综合评述和总结。内业数据处理由于每个井筒内只投一个点， 不能直接推算井下导线边的方位角。 因此，首先采用假定坐标系统，然后经过换算求得与地面坐标

12、系统一致的方位角。（ 1）根据地面导线计算 A 、 B 点坐标，通过坐标反算原理求出两锤球线连线在地面坐标系统中的方位角、边长；SABy ByAxBxA（22tanyByAy ABsincosxAB） （y AB）ABABABxAx ABxB（ 2）建立井下假定坐标系统，计算在定向水平上两锤球线连线的假定方位角、边长。通常为了计算方便，假定 A -1 边为 x 轴方向，与 A -1 垂直方向为 y 轴， A 点为坐标原点，即' A 10 00'00"， x' A0，y' A0计算井下连接导线各点假定坐标， 直至锤线 B 的假定坐标x' B和y&

13、#39; B。再通过反算公式计算 AB 的假定方位角及其边长：tan'y ' By' Ay ' BABx' Ax' Ax' B'y' By' Ax' Bx'A（'2'2S AB'cos'xAB） （y AB）sinABAB理论上讲，SAB 和 S' AB应相等。;.（ 3）按地面坐标系统计算井下连接导线各边的方位角及各个点的坐标。'A1ABAB若AB<'360AB式中AB 时，A1AB然后根据A1 之值，以锤线 A 的地面坐标重新计算井下

14、连接导线各边的方位角及各点的坐标，最终求得锤线 B 的坐标。井下连接导线按地面坐标系统算出 B 点坐标值应和地面连接导线所算得的 B 点坐标值相等。 为了检核， 两井定向也应独立进行两次， 两次算得的井下起始边的方位角互差不得超过 1。2.2 陀螺定向方案设计应包括选用仪器、选定地面和井下测定边、观测方法和限差、精度估计、坐标传递、工作组织 等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。本次陀螺定向所用陀螺经纬仪为JT15No79563 陀螺经纬仪

15、。陀螺经纬仪定向基本原理上图中为仪器常数，r 为子午线收敛角，T 为陀螺方位角，0 为坐标方位角，A0 为地理方位角。各个参数的关系如下： 、=A0TATA00AT平在地面已知边上测定仪器常数A在井下定向边上测定陀螺方位角在井下进行陀螺定向，则定向边的地理方位角A为：A=T+。测量要求：测定定向边陀螺方位角应独立进行两次，其互差应小于40。;.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，然后求出仪器常数的最或是值。用白塞尔公式 m vv/( n1) 评定一次测定中误差。求算子午线收敛角地理方位角和

16、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。求算井下定向边的坐标方位角由上述公式可得出： = A 0 -T= 0+0 -T= A-=+ 平 -因此井下定向边的坐标方位角为：T陀螺经纬仪定向步骤本次测量运用逆转点法第一步：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

17、，使摆幅在 1°3°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 。第七步：计算 T 陀螺方位角： ( T )TAB陀= M 1M 2NT2于是可得井下定向边坐标方位角。组织工作与注意事项必须在熟悉陀螺仪性能的基础上，由具有一定操作经验的人员来使用仪器。在启动陀螺马达达到额定之前和制动陀螺马达的过程中，陀螺灵敏部必须处于紧锁状态，防止

18、悬挂带和导流丝受损伤。在陀螺灵敏部处于紧锁状态、马达又在处于高速旋转时，严禁搬动和水平旋转仪器。在使用陀螺电源逆变器时， 要注意接线的正确； 使用外接电源时应注意电压、 极性是否正确。在没有负载时，不得使用逆变器。陀螺仪存放时，要装入仪器箱内，放入干燥剂，仪器要正确存放，不要倒置或躺卧。仪器应放在干燥，清洁，通风良好处，切忌放到热源附近。仪器用车辆运载时，要使用专用防震包装箱。在野外观测时，仪器要避免太阳光直接照射。目镜或其他光学零件受污时， 先用软毛刷轻轻拭去灰尘， 然后用镜头纸或软绒布揩拭， 一面伤光洁度和表面涂层。陀螺经纬仪定向误差分析按跟踪逆转点法进行陀螺定向时，主要误差来源有： 经纬

19、仪测定方向的误差； 上架式陀螺仪与经纬仪的连接误差； 悬挂带零位变动误差； 灵敏部摆动平衡位置的变动误差； 外界条件，如风流、气温及震动等因素的影响。2.3 两种方案的比较两井定向精度估计1、地面连接误差;.地面连接误差包括由近井点 T 到结点和由结点到两垂球线 A、B 所设两部分导线的误差。为了研究方便起见，假定一坐标系统： AB为 y 轴，垂直于 AB的方向线为 x 轴。则m上2 =m2AB2m2XAmXB2c2nm2c两垂球线间的距离 ；mXA 由结点到垂球线 A 间所测设的支导线误差所引起的 A 点在 x 轴方向上的位置误差； mXB 由结点到垂球线 B 间所测设的支导线误差所引起的

20、B 点在 x 轴方向上的位置误差；n 由近井点到结点间的导线测角数；m 由近井点到结点间导线的测角误差。222、 222、222、222msinmsinmxARyAmxAlmlmxBRyBmxBlml经计算，得 m上 =12.78<21.2，符合精度要求2、井下连接误差井下导线测角误差所引起的不同边的连接误差计算公式：M 22m2c2 RA2RB2M 2m2c2RA2RB23M 2m2c2R2R 2iAB由井下导线量边误差所引起的连接误差计算公式：22a2c22m 1li sini上式中 R'A(见图 9-11)为由导线点 1、2、 3、 (i-1) 到垂球线 A 的距离在 AB

21、 连线上的投影；而 R'B 则为由导线点 i 、i+1、 (n-1)到垂球线 B 的距离在 AB 连接上的投影。经计算，最大方位角误差为14，小于限差 15，符合精度要求。则 M 02222m上 m下= 13 +14 =19.1陀螺定向精度估计陀螺经纬仪的测量精度， 以陀螺方位角一次测定中误差表示， 跟踪逆转点法定向时的误差分析。以德国威斯特发伦采矿联合公司的 GYROMAT2000型陀螺经纬仪为例来进行探讨。 按跟踪逆转点法进行陀螺定向时， 主要误差来源有： 经纬仪测定方向的误差； 上架式陀螺仪与经纬仪的连接误差； 悬挂带零位变动误差； 灵敏部摆动平衡位置的变动误差； 外界条件，如风

22、流、气温及震动等因素的影响。（ 1）经纬仪测定方向的误差一条测线一次观测的程序为：仪器在测站对中整平；测前以一测回测定测线方向值；以5个连续跟踪逆转点在度盘上的读数确定陀螺北方向值；测后以一测回测定测线方向值。这样，;.此项误差包括 :对中误差一般陀螺定向边都较长，当测线边长d=60m时，取 eT=ec=0.8mm，则觇标对中误差和仪器对中误差为：2=错误 !未找到引用源。测线一测回的测量方法中误差mi6"测前测后两测回的平均值中误差6"mi 平4".22由 5 个逆转点观测确定陀螺北方向的误差逆转点观测误差包括跟踪瞄准误差m和读数误差 mo 。m30"

23、30"V4"7.5mo0.05t0.05t 60 3"故逆转点观测误差为：mcm2mo242325"由 5 个逆转点读数计算平均值的公式为：N 01 (u13u24u33u4u5 )12则相应的误差为：mN01 9169 1mcmc2".51442故经纬仪测定方向的误差为：mHmec2meT2mi2平mN201.892 1.8924.2422.525".6（ 2）上架式陀螺仪与经纬仪的连接误差陀螺仪与经纬仪靠固定在照准部上的过渡支架来连接。 每次定向都要把陀螺仪安置在经纬仪支架上，这样由于每次拆装连接而造成的方向误差，根据用WILDT

24、3 经纬仪对三台仪器多次的实际测试，求得其连接中误差mE2"，取 mE2" 。;.（ 3）悬挂带零位变动误差悬挂带对陀螺摆动系统的指向起阻碍作用，在实际观测时采用跟踪的方法可以消除悬挂带扭力的大部分影响。 悬挂带材料的力学性质的优劣、陀螺运转造成的温升、 外界气候的变化以及摆动系统的机械锁紧和释放等因素的影响，均会引起零位变位。根据对三台陀螺经纬仪的167 次测试结果，求得悬挂带零位变动中误差ma4" 。（ 4）灵敏部摆动平衡位置的变动误差影响摆动平衡位置变动的主要因素是：电源电压频率的变化引起角动量的变化，灵敏部内部温度的变化引起重心位移以及由于温升造成悬挂带和

25、导流丝的形变等因素，都会造成平衡位置的变动。由此而造成的误差多呈系统性，按 JT15 陀螺经纬仪灵敏部结构形式进行的98 次试验，摆动平衡位置的最大离散度为12" 16"，中误差 mb6"。（ 5）外界条件，如风流、气温及震动等影响这些条件的影响程度较为复杂，无法精确地一一测试，可取m外5"。所以，测线陀螺方位角一次测定中误差为：mTmH2mE2ma2mb2m外25.622242625210".6误差分析的结果说明 德国威斯特发伦采矿联合公司的GYROMAT2000型陀螺经纬仪 的设计精度是合理可行的。三、井下平面控制测量在井下施工过程中， 平

26、面控制测量按照与地面控制测量统一的坐标系统， 建立地下的控制系统。根据地下导线的坐标，就可以放样出巷道中线及其腰线的位置，指出巷道开挖的方向，保重贯通施工时时的精度要求。 矿区控制一般布设成三角网， 边角网或导线网。 在布设控制网时，每个井口附近至少有一个控制点。 而在井下巷道中测量时， 只能敷设成支导线或者导线网的形式，随着巷道的开挖向前延伸。3.1 井下导线的等级与布设井下导线的布置，按照“高级控制低级”的原则进行。根据我国1989 年能源部颁发煤矿测量规范 规定，井下平面控制测量分为基本控制和采区控制两类。 这两类又都应该敷设成闭（附）合导线或者复测支导线。技术指标见表 1-1、表 1-

27、2。;.表 1-1 基本控制导线的主要技术指标井田一翼长度导线全长相对闭合差测角中误差 / 一般边长 /m闭( 附) 合导/km复测支导线线5±760 2001/80001/6000 5±1540 1401/60001/4000表 1-2 采区控制导线的主要技术指标井田一翼长度 /km测角中误差 / 一般边长 /m导线全长相对闭合差闭( 附) 合导线复测支导线1±1530 901/40001/30001±301/30001/2000基本控制导线按照测角精度分为±7和± 15两级，一般从井底车场起始边开始，沿主要巷道 ( 井底车场，水平

28、大巷，集中上、下山等)敷设，通常每隔1.52.0km 应加测陀螺定向边，以提供检核和方位平差条件。采区控制导线按测角精度分为±15和± 30两级， 沿采区上、下山、中间巷道或片盘运输巷道以及其他次要巷道敷设。3.2 导线布设系统基本控制设计由于本矿井两翼长度在4km 和 3km左右，因此基本导线测角中误差要求15，附和导线导线全长相对闭合差要求1/6000 。根据技术规范，基本控制布置为四等导线就可满足要求，采用 J6 经纬仪进行。基本控制网设计见图3-1 。图 3-1 基本导线布设采区控制设计;.由于本设计小于 1km，因此测角中误差小于± 30即可，采用 J6

29、 经纬仪进行。采区控制设计见图 3-2。图 3-2 采区导线布设3.3 精度估算基本控制精度估算精度评定;.（ 1）点位总误差 M K2=M OK2+ M DK 2+ M S2由定向引起的点位误差M OKM 0k1= R1 * m0 / =0.04376m 错误 !未找到引用源。 =43.76mm 由井下导线测角两边引起的点位误差M DKM DK =M C=40.35mm 由起始点坐标误差引起的点位误差M SM S=9.87mm由于两井定向独立进行两次M 0k=错误 !未找到引用源。点位总误差 错误 !未找到引用源。 = 错误 ! 未找到引用源。 =57.64mm （ 2）点位总预计误差 M

30、K 预 =2MKM K 预 =2M K=115.28mm<生产限差 (200mm)采区控制精度估算如图 1 所示 , 设导线起点为第1 点 ,终点为第 ( n+ 1) 点,共需推算 n 个点的坐标 ,在推算中 , 设各点角度观测值为i,各边观测值为 si, 各边方位角为i , 各点坐标为 xi 、 yi,则导线末端点坐标为 :（ 1）如不考虑起始点坐标xi 、 yi的误差影响 , 微分上式可得 :;.（ 2）式中 , ( y n+ 1+ y i)、 ( x n + 1 + x i )分别为第 i点至末端点在 y 和 x 方向的坐标增量。经计算， D5点的点位误差为（ 3.08mm， 4m

31、m）符合精度要求。四、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。4.1 高程导入方法钢尺导入高程高程导入是立井高程导入并用长钢尺导入，目前国内外使用的长钢尺有500m、800m、1000m 等几种。施测方法：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 ， 温度取井上下的温度平均值，即t=（t1+t2）/2 。根据上述测量数据，求得A 、 B 两点的高差为：h=（m-n） +（ b-a） + L其中 L为钢尺的总改正