煤矿测量控制系统技术设计.docx
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煤矿测量控制系统技术设计
前言
矿区控制测量为矿山工程测量提供起始依据，为矿山地质勘探、设计、建设和生产运营各个阶段，研究测定矿山地面、地下点的几何位置，获得矿体、矿山开采和开采沉陷的各种几何信息进行分析和数据处理，编制各种比例尺的矿山地面、地下开采图件，提供地理参考系统；为研究矿产资源合理开发、开采沉陷及其防护的理论和技术提供数据资料。
技术设计的目的在于制定切实可行的技术方案，保证测绘产品符合技术标准和用户要求，并获得最佳的社会效益和经济效益。
因此，矿区测量控制系统建设项目作业前必须进行技术设计。
传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，费工费时，要求两点间通视，且精度分布不均匀，外业测量时不知精度如何。
而采取GPSRTK进行控制测量，能够实时知道定位精度，当点位精度满足要求了，很快便可以采集所需要点的坐标值。
在测量工程中第一步是确定现有已知点和定出起始点。
GPS测量容易比较3个点之间的坐标差而不是角度和距离，用坐标差值来检核起始点。
以前的测量中选定至少3个控制点作为已知点来确定这些点的可靠性。
当用GPS测量时，确定起始点就能够检验现有已知点间的关系和可靠性；它能在GPS参考框架WGS一84坐标系和当地的国家坐标系之间建立重要的联系（GPS设备具有现场坐标系的转换功能）。
矿山测量在煤矿生产建设中有着非常重要的作用，特别是在人们对于能源的需求量越来越大、在国人日益关切矿山安全生产的现实情况下的的今天，矿山测量在煤矿生产建设中有着非常重要的作用，特别是在人们对于能源的需求量越来越大、在国人日益关切矿山安全生产的现实情况下的的今天，因此建立一套完整的矿区测量控制网系统，可以极大程度的服务于矿区的安全生产和建设。
本次设计是通过原有的测量结果建立一个从地面到井下，平面到高程的控制系统。
通过本次设计，对控制测量的理论、方法、技术、工作流程做一个全面的学习，使在大学四年所学的知识能够融汇贯通。
1测量技术设计的基本原则依据要求和内容
1.1测量技术设计的基本原则
（1）技术设计方案应先考虑整体而后局部，且顾及发展;要满足用户的要求，重视社会效益和经济效益。
（2）要从作业区实际情况出发，考虑作业单位的实力（人员技术素质和装备情况），挖掘潜力，选择最佳作业方案。
（3）广泛收集，认真分析和充分利用已有的测绘产品和资料。
（4）积极采用适用的新技术、新方法和新工艺。
（5）一个设计区的大小，一般以1-2年完成较合适。
工作量大的项目，可将作业区划分为几个小区，分别进行技术设计;工作量小的可将项目设计和专业设计合并进行。
1.2测量技术设计的依据
（1）上级下达任务的文件或合同书。
（2）有关的法规和技术标准。
（3）有关侧绘产品的生产定额、成本定额和装备标准等。
1.3测量技术设计的要求
（1）内容要明确，文字要简练。
标准已有明确规定的，一般不再重复。
对作业中容易混淆和忽视的间题，应重点叙述。
（2）采用新技术、新方法和新工艺时，要说明可行性研究或试生产的结果以及达到的精度，必要时可附鉴定证书或试验报告。
1.4测量技术设计的内容
任务概述：
说明任务的名称、来源、作业区范围、地理位置、行政隶属、项目内容、产品种类及形式、
任务要求达到的主歼精度指标、质量要求、完成期限和产品接收单位等。
作业区自然地理概况：
简要说明地理特征、居民地、交通、气候情况和作业区困难类别等。
已有资料利用情况：
说明资料中测绘工作完成情况.主要质量情况及评价，利用的可能性和利用方案等。
设计方案：
（1）各工种的作业依据，控制测量的布设与加密原则，对航空摄影的技术要求，图集的构成，成图方法，主要作业方法和技术规定。
（2）特殊的技术要求，采用新技术、新方法、新工艺的依据和技术要求，并进行精度估算或说明。
（3）保证质量的主要措施和要求。
作业区困难类别的划分：
（1）工作量统计：
根据设计方案，分别计算各工序的工作量。
（2）进度计划：
根据工作量统计和计划投人生产实力，参照生产定额，分别列出年度进度计划和各工序的衔接计划。
（3）经费预算：
根据设计方案和进度计划，参照有关生产定额和成本定额，编制分年度经费和总经费计划，并作必要的说明。
2控制测量的理论与方法
在一定区域内，为大地测量、摄影测量、地形测量或工程测量建立控制网所进行的测量的工作叫做——控制测量。
控制测量分为以下几种定义：
控制网测量：
对控制网进行布设、观测、记录的测量工作称为控制网测量。
控制网平差：
根据控制网测量成果，进行控制点坐标的计算称为控制网平差。
控制测量：
控制网测量与控制网平差一起称为控制测量。
地面控制网测量与GPS控制网测量：
一般将用常规测角、测距等手段建立的控制网称为地面控制网；将应用GPS定位技术，建立的控制网称为GPS控制网（简称GPS网）。
因此，相应的，控制网测量分为地面控制网测量和GPS控制网测量，控制网平差分为地面控制网平差和GPS控制网平差。
控制测量的精度等级更高，工作更加严密。
测量工作总是按从整体到局部的逐级控制原则进行的。
在广阔的范围内所进行的控制测量工作，必须对局部的具体测量工作负责，能够起到应有的支承和控制作用。
为止，控制测量学就要研究更加精密的测量仪器、测量方法、数据处理方法等。
测量的范围更加广阔，常常是上百平方公里至数千平方公里。
此时就不能再将地球表面是做平面，必须研究地球曲率等多种因素对测量成果的影响。
由于地球形状接近于旋转椭球，其表面是一个不可展平的曲面。
此时既要保证很高的测量精度，又要提供出局部测绘平面图所需要的控制测量成果，所以必须妥善解决地面观测成果到椭球面、再到平面上的转化问题，即投影方法和投影的计算问题。
普通测量学侧重于微观上讲地球表面的形态加以模拟化，并且形象地描绘在平面上。
控制测量学则要求从宏观上更加精密地测定点的位置，将这些点构成整体构架，控制整个区域的地形测图和工程测量工作。
如果说地形图的测绘和应用是测量学的研究对象，建立科学化、规范化的地面控制网的理论和方法就成为控制测量学的研究对象。
控制测量学与经典大地测量学的关系极为密切。
大地测量学比控制测量学的测量范围更加广阔，覆盖全国乃至更大范围，其任务也就更加广泛。
由于二者处理问题的途径和方法基本相同，所以很久以来大地测量学也包括了控制测量学。
铅垂线：
地球上的任一点都受到两个作用力，其一是地球自转产生的离心力；其二是地心引力，这两种力的合力称为重力，重力的作用线（方向线）称之为铅垂线。
大地水准面：
把一个假想的、与静止的海水面（即平均海平面）重合并向陆地延伸包围整个地球的特定重力等位面称之为大地水准面。
它是一个略有起伏的不规则的曲面，无法用数学公式表达。
大地水准面和铅垂线是测量外基准面和基准线。
2.1平面控制测量
（1）三角控制网
三角测量是在地面上选择一系列具有控制作用的控制点，组成互相连接的三角形且扩展成网状，称为三角网。
三角形连接成条状的称为三角锁。
在控制点上，用精密仪器将三角形的三个内角测定出来，并测定其中一条边长，然后根据三角公式解算出各点的坐标。
用三角测量方法确定的平面控制点，称为三角点。
在全国范围内建立的三角网，称为国家平面控制网。
按控制次序和施测精度分为四个等级，即一等、二等、二等、四等。
布设原则是从高级到低级，逐级加密布网。
一等三角网，沿经纬线方向布设，一般称为一等三角锁，是国家平面控制网的骨干；二等三角网，布设在一等三角锁环内，是国家平面控制网的全面基础；三等、四等三角网是二等三角网的进一步加密，以满足测图和施工的需要
（2）导线测量
导线测量是在地面上选扦一系列控制点，将相邻点连成直线而构成折线形，称为导线网。
在控制点上，用精密仪器依次测定所有折线的边长和转折角，根据解析几何的知识解算十各点的坐标。
用导线测量方法确定的平面控制点，称为导线点。
在全国范围内建立三角网时，当某些局部地区采用三角测量有困难的情况下，亦可采用同等级的导线测量宋代替。
导线测量也分为四个等级，即一等、二等、三等、四等。
其中一等、二等导线，又称为精密导线测量。
（3）卫星大地测量
GPS
GLONASS
伽利略（Galileo）全球卫星定位系统GNSS
北斗卫星导航系统
（4）国家平面控制网全国范围内
由一、二、三、四等三角网组成
GPS测量已逐步取代三角测量
布设原则：
从高级到低级逐级加密
（5）城市平面控制网
2.2高程控制测量
主要方法：
水准测量
高程控制测量的任务是按规定的精度施测隧道洞口（包括隧道的进出口、竖井口、斜井口和平响口）附近水准点的高程，作为高程引测进洞的依据。
高程控制通常采用三、四等水准测量的方法施测。
水准测量应选择连接洞口最平坦和最短的线路，以期达到设站少、观测快、精度高的要求。
每一洞口埋设的水准点应不少于两个，且以安置一次水准仪即可联测为宜。
两端洞口之间的距离大于1km时，应在中间增设临时水准点。
一、二、三、四等水准测量；
一个测区内至少要有3个水准点小地区的高程控制网，分级建立，先以国家水准点为基础逐级建立；在山区，可采用三角高程测量的方法来建立高程控制网，此法不受地形起伏的影响，工作速度快，但其精度较水准测量低。
2.3矿区控制网的建立
自70年代以来，许多测绘部门先后在该地区布设不同等级控制网，高程系统及坐标系不在同一起算源与同一期网。
矿山坐标系（3°带北京54坐标系）与当地公路铁路及城市规划局坐标系各自独立，在各种管网给排水管道施工、征地放样工作中因坐标及高程系统不统一，难以满足精度测量施工放样要求。
为此，我们采用在高等级的基础上全面布GPS网，选取原有地面国家控制点4个且在网中分布均匀，确定GPS网与地面网两者转换参数。
通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件提高网的可靠性。
布网方案的选择，应跟据所在单位现有仪器设备状况、测区面积大小、矿区地形、地质图件的最大比例尺以及矿区发展远景等，因地制宜地做到“技术先进、经济合理、精度可靠、长期适用”。
2.3.1矿区控制网建立的基本原则
当一个矿区范围确定之后，建立矿区首级控制网是关键。
建立合理的矿山首级控制网精度，满足三个阶段的要求是必要的。
控制网是全面的附合在国家三角点上，还是应该根据其特点，保持一定的独立性有利。
依照矿区首级控制网建立的基本原则和各项技术精度指标，使之适合山区或高山区的情况，通过反复实践，深入分析对比，得出结论:
（1）矿区首级控制网布网的基本原则，应该遵循“从整体到局部，从高级到低级”分级布设的原则。
控制网等级的划分:
当矿区范围面积在150km2以上，建立三等网作为矿区首级网为宜;当矿区范围面积在150km2以下50km2以上，建立四等网作为矿区首级网为宜;当矿区范围面积在50km2以下，建立一级小三角网或Ⅰ级导线网作为矿区首级网就可以了。
（2）矿区首级控制网要具有足够的精度，要能够满足上述三阶段的要求。
既要全面满足1:
1000比例尺地形测图精度要求，又必须兼顾到局部生产矿山（或厂区）满足1:
500比例尺地形测图精度要求和相应的工程测量精度要求。
（3）矿区首级控制网与国家三角点的联测问题。
国家三角点（包括国家二、三、四等三角点）一般只能满足1:
1000比例尺国家基本图的要求。
矿区首级网可以用国家一个点的坐标和一条已知边的方位角，作为矿区控制网的坐标、方位角起算，使用光电测距仪测定一定数量的边长，作为长度起始元素;或者将矿区首级网完全附合在国家三角点上，此时需将国家点的投影面，重新按矿区的实际地理位置进行边长、坐标改算后，方可再做矿区首级网的起算依据;若矿区控制网未能与国家三角点联结或联测国家点确有困难时，应在矿区中央附近，采用GPS定位技术或测定天文方位角，作为矿区控制网的定向依据。
（4）矿区首级网的高程控制:
矿区高程控制网的起算依据，一律以引测“1985年国家高程基准”或“1956年黄海高程系”为基础。
建立矿区高程控制网的等级，一般与平面网等级相同的水准网，作为矿区首级高程网。
联测矿区首级网三角点直接水准高程点点数，一般应为全部点数的1/8（同时应均匀分布）已足够，其余三角点高程可用测距三角高程代替。
但对于矿山重点施工区内各等级控制点，用水准测量直接引测的高程点点数，应为总点数的1/3至1/5（并要求分布均匀）比较适宜。
2.3.2矿区控制网投影面和投影带的选择
矿区平面控制网坐标系统的选择，应以投影长度变形值△S≤2.5cm/km为原则。
根据矿区所在的地理位置和平均高程来选择高程投影面和投影带，以便解决矿区控制网的长度变形问题。
投影长度变形，是由两个主要因素引起的:
其一，将实地所测水平长度（S′）归算到参考椭球面（或大地水准面）上的长度变形，其变形值（△S1）计算公式为:
△S1=
（1-1）
其二，是将参考椭球面（或大地水准面）上的长度（S0），改化至高斯平面上的长度变形，其变形值（△S2）计算公式为:
△S2=
（1-2）
式中:
RA-表示沿测距边方向椭球面法截线曲率半径;Rm-表示矿区椭球面平均曲率半径;Ym-测距边两端点或矿区中央之平均横坐标（去掉加常数）;Hm-测距边两端点之平均高程值;S′-地面所测边长之水平距离;S0-将地面水平长度投影归算至椭球面（或大地水准面）上之长度。
由公式（1-1）分析可知，高于参考椭球面（或大地水准面）的地面实测水平长度投影到椭球面（或大地水准面）上，总是引起所测距离变短。
长度变形（△S1）的绝对值与Hm成正比，且随Hm的增大而增大，当Hm=159m时，投影长度变形值（△S1）接近2.5cm/km。
同样由公式（1-2）分析可知，投影变形值（△S2）与Ym的平方成正比，离投影带中央子午线越远变形值（△S2）越大，由参考椭球面（或大地水准面）改化至高斯平面上的长度，总是会引起所测距离变长，当在Ym=45km处，每公里改化变形值△S2=2.5cm/km。
其值恒为正。
综合以上两式所计算的最终长度投影变形值△S为:
△S=△S1+△S2=
（1-3）
由（1-3）式可知，投影面和投影带对长度投影变形具有相互抵偿的作用。
矿区首级控制网作为各项矿山生产建设施工测量和大比例尺地形测图的规算依据，为了便于大比例尺地形、地质测图和各项施工设计、施工测量的顺利进行，要求由控制点直接反算的边长与实地测量的边长相一致，也就是说，由上述两项投影改正而带来的长度变形（△S=△S1+△S2）综合影响，限制在△S≤2.5cm/km之内。
正是基于此项考虑，根据矿区所在的地理位置和平均高程的大小，可以选择下述三种平面坐标系统:
（1）当长度变形值△S≤2.5cm/km时，应选择高斯正形投影的国家统一3°带平面直角坐标系统;
（2）当长度变形值△S≤2.5cm/km时，可依次采用:
①投影于参考椭球面（或大地水准面）上的高斯正形投影任意带的平面直角坐标系统;
②投影于抵偿高程面（或矿区平均高程面）上的高斯正形投影3°带的平面直角坐标系统;
③投影于抵偿高程面上高斯正形投影任意带平面直角坐标系统。
（3）当矿区面积小于25km2的小型矿区工程项目，可以不经投影，采用假定平面直角坐标系统，在平面上直接进行计算。
（4）在已有平面控制网的矿区，可沿用原有的平面坐标系统。
2.4矿山地面控制测量方法
2.4.1平面控制网测量方法
（1）矿区地面控制网可采用三角网、边角网、测边网和导线网等布网方法建立。
矿区首级平面控制网必须考虑矿区远景发展的需要。
一般在国家一、二等平面控制网基础上布设，其等级应依矿区走向长度，参照表2-1选定。
表2-1一、二等平面控制网等级长度
矿区走向
（长度）km
首级控制
加密控制
26~100
5~25
＜5
三等
四等
一、二级（小三角、小测边或导线）
四等、一级（小三角、小测边或导线）一级（小三角、小测边或导线）
—
在满足当前生产建设的前提下，加密网可以采用越级加密控制网的方法。
矿区地面各级平面控制网的布设：
（1）三角网的布设应符合表2-2规定。
（2）测边网的布设应符合表2-3规定。
（3）光电测距导线的布设应符合表2-4规定。
（4）钢尺量距导线的布设应符合表2-5规定。
表2-2三角网的布设要求
Tab2-2TriangleNetworkforrequirements
等级
一般边长
（km）
测角中误差
（″）
起算边边长
相对中误差
最弱边边长
相对中误差
三等网
四等网
一级小三角网
二级小三角网
5~9
2~5
1
0.5
±1.8
±2.5
±5.0
±10
1/200000（首级）
1/150000（加密）]
1/150000（首级）
1/80000（加密）
1/40000
1/20000
1/80000
1/40000
1/20000
1/10000
表2-3测边网的布设要求
Tab2-3
等级
一般边长
（km）
测距相对中误差
三等网
四等网
一级小测边网（相当于一
级小三角网）
二级小测边网（相当于二
级小三角网）
5~9
2~5
1
0.5
1/150000
1/100000
1/50000
1/25000
表2-4光电测距导线的布设要求
等级
附（闭）合
导线长度
（km）
一般边长
（km）
测距相对
中误差
测角中误差
导线全长
相对闭合差
三等导线
四等导线
一级导线
二级导线
15
10
5
3
2~5
1~2
0.5
0.25
1/100000
1/100000
1/30000
1/20000
±1.8
±2.5
±5
±10
1/00000
1/40000
1/20000
1/10000
表2-5钢尺量距导线的布设要求
等级
附（闭）合
导线长度
（km）
平均边长
（m）
往返丈量
互差的相
对误差
测角中误差
（″）
导线全长相对闭合差
一级导线
二级导线
2.5
1.8
250
180
1/20000
1/15000
±5
±10
1/10000
1/7000
在矿区布设基线和基线网作为控制网的起算边时，其布设应符合表2-6规定。
表2-6矿区布设基线和基线网
等级
基线一般长度
（km）
基线丈量的
相对中误差
基线网扩大边或起
算边的相对中误差
三等基线
四等基线
一级小三角基线
二级小三角基线
2~3
1~2
0.5~1.0
0.3~0.8
1/350000
1/200000
—
—
1/200000
1/150000
1/40000
1/20000
2.4.2高程控制网测量方法
（1）矿区地面高程控制网可采用水准测量和三角高程测量方法建立。
三角高程测量又分为光电测距三角高程测量和经伟仪三角高程测量两种。
（2）矿区地面高程首级控制网，一般应采用水准测量方法建立，其布设范围和等级选择，应符合表2-7的规定。
表2-7矿区地面高程首级控制网布设范围和等级选择
矿区长度（km）
首级控制
加密控制
>25
5~25
<5
三等水准
四等水准
等外水准
四等水准、等外水准
等外水准
—
（3）三角高程测量主要用于山区和丘陵地带的高程控制和平面控制网点的高程测定。
光电测距三角高程测量，若按测距仪的精度计算能满足矿区地面高程控制的基本精度要求时，可以用来代替相应等级的水准测量。
（4）矿区地面高程首级控制网应布设成环形网，加密时宜布设成附合路线或结点网，只有在山区或丘陵地带，才允许布设水准支线。
各等水准网中最弱点的高程中误差（相对于起算点）不得大于±2cm。
2.5井上下控制测量方法
为了井上、下采用统一的平面坐标系统和高程系统，应进行联系测量。
联系测量应至少独立进行两次，在互差不超过限差时，采用加权平均值或算术平均值作为测量成果。
在进行联系测量工作前，必须在井口附近建立近井点、高程基点和连测导线点，同时在进底车场稳固的岩石中或碹体上埋设不少于四个永导线点和三个高程基点（也可用永久导线点作为高程基点）。
各矿井应该尽量使用陀螺经纬仪定向，只有在确实不具备此条件时，才允许采用几何定向。
采用几何定向测量方法时，从近井点推算的两次独立定向结果的互差，对两井和一井定向测量分别不得超过1′和2′。
当一井定向测量的外界条件较差时，在满足采矿工程要求的前题下，互差可放宽至3′。
井田一翼长度小于300m的小矿井，两次独立定向结果的互差可适当放宽，但不得超过10′。
通过立井井筒导入高程时，井下高程基点两次导入高程的互差，不得超过吉筒深度的1/8000。
在井田范围内，对各种通往地面的井巷，原则上都应进行联系测量，并在井下用导线连接起来进行检验或平差处理。
在进行联系测量工作前，应编制施测方案和技术措施，报矿务局地质测量处（或矿总工程师）批准。
在进行联系测量工作时，应由一名测量负责人全面指挥。
在井口附近建立的近井点和高程基点应满足下列要求：
（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三个；
（3）高程基点不少于两个（近井点都可以作为高程基点）。
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（钢尺量距或光电测距）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″。
2.5.1陀螺经纬仪定向
用陀螺经纬仪定向，可采用跟踪逆转点法、中天法或其它方法进行。
陀螺经纬仪精度级别是按实际达到的一测回测量陀螺方位角的中误差确定的，分为±15″和±25″两级。
并应依此规定陀螺经纬仪定向的各项限差。
用陀螺经纬仪定向，应遵守以下规定：
（1）测定仪器常数的地面已知边坐标方位角的精度应符合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″。
井下定向边的两端点必须是永久导线点，并应尽量满足无淋水、风小和便于观测的条件；否则应采取措施。
定向边的长度应大于50m。
（2）陀螺经纬仪的悬挂带零位不能超过±0.5格，否则应及时进行校正，达到要求时，方可用于定向测量。
（3）陀螺经纬仪一次定向应按下列程序进行：
在地面已知边上采用两测回（或三测回）测量陀螺方位角，求得两个（或三个）仪器常数。
在井下定向边上用两测回测量陀螺方位角。
返回地面后，要尽快在原已知边上再用两测回（或三测回）测量陀螺方位角，再求得两个（或三个）仪器常数。
（4）同一边任意两测回测量陀螺方位角的互差，对15″级和25″级仪器分别不得超过40″和60″。
（5）井下同一定向边两次独立陀螺经纬仪定向平均值的中误差，对15″和25″级仪器分别为±10″和±15″，其互差分别不超过40″和70″。
（6）井上、下观测应由同一观测者进行，仪器在搬运时，要防止颠簸和震动。
2.5.2几何定向
一井定向一般应采用三角形连接法（图2-1）。
如条件受限制，也可采用其它连接方法。
图2-1三角形连接法示意图
A.B——垂线；C——定向连接点
井上、井下连接三角形的图形应满足下列要求：
（1）两垂线间距离应尽可能的大
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