矿山测量课程设计.docx
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矿山测量课程设计
1、设计背景
矿山测量学课程设计的主要目的在于通过对某矿井的主要矿山测量工作的设计：
1.加深对课堂所学基本理论知识、基本概念和基本方法的理解；
2.培养学生独立分析问题和解决问题的能力与其创新能力；
3.为后续专业课的学习打下良好的基础。
2矿山基本情况
2、设计要求
1.在进行设计时，必须遵守国家现行的测量规、规程与图式。
2.对各种测量方案与测绘方法的选择，既要大胆采用新技术与新设备提倡创新，又要密切结合我国的实际情况，全面考虑其合理性、可能性与必要性，务必使自己的设计在理论上是正确的，在施工时是可行的。
3.设计中应发挥学生的主动性与创造性，同学间可以讨论交流；若遇疑难问题，经过充分的独立思考后，可向指导教师提出，但技术决定必须由学生独立做出。
4.设计说明书的任务是对全部测量方案、测量方法与精度分析作一简要而系统的说明，并附有必要的图表。
说明书中应尽量避免冗长的文字上的讨论与解释。
一般以直接叙述为主。
若在理论上与实践上有创见，可作必要的讨论与解释。
5.说明书的编写与图表的绘制，均由学生本人独立地完成。
说明书与设计图要求容正确、文理通顺、精简明了，图纸整洁。
3、测区已有测绘资料与成果利用
3.1收集资料
收集矿区各种已有的测绘资料，包括地形图、交通图、基本矿图、专门矿图、日常生产用图和生产交换图以与基础控制成果（成果表、点之记、网图、技术总结）与鉴定结论等。
3.2平面控制资料
为了使矿区坐标系统的一致性。
选用二个矿区一级三角点，这二个控制点X1，X2，都是矿区首级平面控制测量的起算点。
3.3高程控制资料
为使矿区高程系统相一致，故矿区首级水准控制网的高程系统选择1985黄海高程系，并且二个水准点为Y1，Y2。
表3.3.1已知控制点数据
点名
X（m）
Y（m）
高程
X1
X=3797876.7193
Y=20547808.2664
X2
X=3797896.4472
Y=20548003.1204
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，采用国家3°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区坐标系统。
平面坐标系采用1954坐标系。
按3°分带。
矿区高程尽可能采用1985国家高程基准，当无此条件时，方可采用假定高程系统。
5、相关作业依据与要求
5.1相关测量规
1.《煤矿安全规程》
2．《煤矿测量规程》
3.《DZS3水准仪使用说明书》（博飞）；
4.《LeicaTC1500用户手册》（瑞士徕卡）；
5.《测绘产品检查验收规定》，CH1002－95。
6.《测绘产品质量评定标准》，CH1003－95。
5.2等级、精度要求
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，参照下表选定。
控制等级表
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）
光电测距导线的布设标准
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
矿区地面高程首级控制网，一般应采用水准测量方法建立，其布设围和等级选择，应符合下表的规定。
表5.2.3高程控制等级
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
井下平面控制分为基本控制和采区控制两种类醒。
两类控制导线都应敷设成闭（附）合导线或复测支导线。
基本控制导线按测角精度分为±7″、±15″两级，采区控制导线亦按测角精度分为±15″、±30″两级。
各矿井可根据采掘工程的实际需要，依矿井和采区开采围的大小选定。
表5.2.4基本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
≥5
＜5
±7
±15
60~200
40~140
1/8000
1/6000
1/6000
1/4000
表5.2.5采区控制导线的主要技术指标
采区一翼长度（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
＜1
±15
±30
30~90
1/4000
1/3000
1/3000
1/2000
注：
30″导线可作为小矿井的基本控制导线。
6、生产限差的确定
1、按一般采矿工程对测量工作的要求来确定。
一般采矿工程对测量工作的要求主要表现在利用矿图来解决采矿技术问题。
为满足基本矿图的精度要求，一般采用3.0m作为生产限差，即基本矿图上最弱点相对于矿井近井点或井下导线起始点而言的点位极限误差值为3.0m。
2、按测图与绘、用图精度相匹配的原则确定。
绘、用图的极限误差一般取0.8mm（图上），若矿图的比例尺为1：
2000时，即为1.6m，此误差值仅指测量误差，不含绘、用图误差。
3、按井巷光通的限差确定。
平面上中线的允许偏差取0.3~0.5m，高程的允许偏差为0.2m，此误差仅指测量误差。
4、本次设计规定，以一般贯通允许偏差确定生产限差即平面允许偏差小于等于0.2m，高程允许偏差小于等于0.2m。
7、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与巷道与老塘（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，以与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坐标x和y；（3）井下水准基点的高程H。
7.1地面控制测量
矿区地面控制点采用二级导线，从两个给定已知点Y1，Y2敷设成闭合导线，求得近井点的坐标与方位角，设计图见图（红色部分为井上导线）。
图7.1.1地面控制图
地面控制图由上图所示，布设成Y2-A1>A2->K（近井点）->A3->A4->Y1的闭合导线。
再由近井点K引导线到C，再分别与主副井垂球线A、B相连。
使用南方全站仪NTS-352全站仪对该导线进行测角量边，标称精度：
测角±5.0″、测距（2mm+2ppm×D）。
两测回进行施测，故测角中误差为±5.0″/
=3.5″。
使用“南方平差易”软件
表7.1.3控制点成果表
7.2两井定向
由于井筒直径的限制，一井定向误差相对较大。
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。
在主副井两井筒各挂一根垂球线，此两垂球线在井上、井下的坐标方位角保持不变，通过从近井点01至主副井的地面测量确定此两垂球线的坐标，并计算其连线的坐标方位角后，再在井下巷道中，用经纬仪导线对两垂球线进行联测，取一假定坐标系来确定井下两垂球线的假定方位角，然后将其与地面上确定的坐标方位角相比较，其差值便是井下假定坐标系统和地面坐标系统的方位差，这样便可确定井下导线在地面坐标系统的坐标方位角。
图7.2.1两井定向示意图
7.2.1两井定向的投点与连接
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。
本设计中井筒400深，且滴水不大，井筒气流比较缓和，因此采用单重稳定投点的投点方式。
所需设备与要求：
垂球：
50-100kg；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。
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。
7.2.2两井定向的工作组织
1、准备工作：
①选择连接方案，作出技术设计；②定向设备与用具的准备；③检查定向设备与检验仪器；④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；⑤确定井上下的负责人，统一负责指挥和联络工作。
2、制定地面的工作容与顺序。
3、制定定向水平上的工作容与顺序。
4、定向时的安全措施：
①在定向过程中，应劝阻一切非定向工作人员在井筒附近停留；②提升容器应牢固停妥；③井盖必须结实可靠地盖好；④对定向钢丝必须事先仔细检查，放提纲丝时，应事先通知井下，只有当井下人员撤出井筒后才能开始；⑤垂球未到井底或地面时，井下人员均不得进入井筒；⑥下放钢丝时应严格遵守均匀慢放等规定，切忌时快时慢和猛停，因为这样最易使钢丝折断；⑦应向参加定向工作的全体人员反复进行安全教育，以提高警惕。
在地面工作的人员不得将任何东西掉入井，在井盖工作的人员均应配带安全带；⑧定向时，地面井口自始至终不能离人，应有专人负责井上下联系。
5、定向后的技术总结
定向工作完成后，应认真总结经验，并写出技术总，同技术设计书一起长期保存。
定向后的技术总结，首先应对技术设计书的执行情况作简要说明，指出在执行中遇到的问题、更改的部分与原因。
其次编入下列容：
①定向测量的实际时间安排，实际参加定向的人员与分工；②地面连测导线的计算成果与精度；③定向的业计算与精度评定；④定向测量的综合评述和结论。
7.2.3两井定向的误差
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。
两井定向也和一井定向一样，是由投点、井上连接和井下连接三个部分组成的。
因此，井下连接导线某一边方位角的总误差为：
式中θ为投向误差。
但此时因两垂球线间的距离c加大，投向误差对定向精度的影响就不像一井定向那样起主要作用了。
《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
若忽略投向误差θ，认为井上、下连接误差大致相同，则
下面分别计算井上、下连接误差m上和m下的值。
7地面连接测量
从近井点K分别向两垂球线A、B测设连接导线近井点K->C->A与近井点K->C->B，以确定A.B的坐标和AB的坐标方位角。
导线采用Ⅰ级导线,观测两测回。
图7.2.2地面连接测量示意图
地面连接误差包括由近井点A2到结点B1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
式中：
c——两垂球线间的距离；《煤矿安全规程》规定主副井间距不得小于30m。
太近不符合规定，太远井底贯通较难。
立井一般在50--100。
主要为了井上、下生活流程能合理衔接以与井塔、井架施工安装和设备布置需要，也要根据井下运输大巷或石门与地面铁路专用线路的方向和位置、井底车场形式综合选择。
现在多数矿井为60--80m，少数已达到100m。
本次定向的C=21.693m。
——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；——由结点到垂球线B间所测设的支导线误差所引起的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；n=1;mβ——由近井点到结点间导线的测角误差。
其中
由于两井定向独立进行两次，所以井上导线测角量边误差所引起的连接总误差为
7.2.3.2井下连接测量
在定向水平测设经纬仪线A->S1->B，导线可采用7″基本控制导线。
图7.2.4井下连接示意图
井下连接误差是由井下导线的测角误差和量边误差所引起的，即
式中，——测角和量边误差所引起的井下导线某边的方位角误差
1）由井下导线测角误差所引起的连接误差
（2）由井下导线量边误差所引起的连接误差
考虑到量边中包括系统误差和偶然误差的影响，而量边的系统误差对方位角没有影响，用钢尺量边时：
（3）由井下导线测角量边误差所引起的连接总误差
Q1—Q2边的井下连接误差为：
（4）由于两井定向独立进行两次，所以井下导线测角量边误差所引起的连接总误差为
7.3陀螺经纬仪定向
风井采用采用陀螺边定向,采用德国威斯特发伦采矿联合公司的GYROMAT2000型陀螺经纬仪，多次定向的资料分析表明该仪器的一次定向中误差不超过±15″,其精度符合Ⅱ级陀螺仪的要求。
经过一个立井利用陀螺经纬仪定向时的联系测量由三部分组成：
（1）经立井由地面向定向水平投点；
（2）井上、下与垂球线连接测量；
（3）井下基本控制导线起始边的陀螺经纬仪定向。
7.3.1投点
由于立井较深、井筒中淋水、尘雾较大，为了保证精度要求，所以采用钢丝投点法。
为尽量减少或不占用井筒的提升时间，垂球线布设在管子间。
投点采用单重稳定投点。
7.3.2.1地面连接
在近井点K架设全站仪后视A2前视C（连接点）：
在C点安置仪器与垂球线E连接，测角、量边的精度按《煤矿测量规程》中执行。
导线采用Ⅰ级导线,观测两测回。
7.3.2.2井下连接
由陀螺定向边E2—E3起布设基本控制导线E1->E2->E3->E4。
点E1，E2，E3，E4组成一组井下永久导线点。
在E1点架仪器与垂球线E的稳定位置连测，连接精度要求同导线。
井上、下连接导线与垂球线E的连接都应独立进行两次，其最大相对闭合差对地面二级导线不大于1/10000（光电测距导线）。
″地面连接导线近井点A6->A7和井下连接导线E1->E2->E3->E4可在与垂球线连接前或连接后进行观测。
井上下连接导线与垂球线的连接都应独立进行两次。
7.3.3定向
在选定的起始边E2—E3上进行陀螺经纬仪定向，求出该边的坐标方位角.陀螺定向采用逆转点法。
定向可在投点连接前先行完成，也可在连接后再进行。
7.3.4.业计算
（1）根据地面连接测量的成果，按复测支导线计算垂球线A的坐标（xA、yA）。
（2）计算井下连接导线各边的坐标方位角。
（3）计算井下导线起始点的坐标
7.3.5陀螺经纬仪一次测定方位角的中误差分析
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：
①经纬仪测定方向的误差；②上架式陀螺仪与经纬仪的连接误差；③悬挂带零位变动误差；④灵敏部摆动平衡位置的变动误差；⑤外界条件，如风流、气温与震动等因素的影响。
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:
（1）对中误差
一般陀螺定向边都较长，当测线边长d=45m时，取eT=ec=0.8mm，则觇标对中误差和仪器对中误差为：
（2）测线一测回的测量方法中误差为：
测前测后两测回的平均值中误差为：
（3）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
和读数误差
。
故逆转点观测误差为：
由5个逆转点读数计算平均值的公式为：
则相应的误差为：
故经纬仪测定方向的误差为：
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WILDT3经纬仪对三台仪器多次的实际测试，求得其连接中误差
，取
。
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、外界气候的变化以与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
。
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，灵敏部部温度的变化引起重心位移以与由于温升造成悬挂带和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
，中误差
。
5.外界条件，如风流、气温与震动等影响
这些条件的影响程度较为复杂，无法精确地一一测试，可取
。
所以，测线陀螺方位角一次测定中误差为：
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。
7.3.6工作组织
井下陀螺边定向时需四人，其中一人观测，一人记录，一人照明，一人辅助，在投点时需要的人数最多，需特别注意安全。
投点工作结束后，便开始井上、下导线联测，此时地面约需6-8人，其中一人观测，一人记录，一人辅助，一人负责同井上下联系，井上下导线联测约需8人，分工情况与地面大体相同，此外，应由测量工程师一人负责全面指挥工作，地面和井下的测量工作由测量技术员担任。
定向所用的主要仪器设备见下表:
表7.3.1
名称
件数
备注
名称
件数
备注
钢尺
2
小绞车
2
下钢线、钢尺各一台
拉力计
2
滑轮
2
经纬仪
2
大水桶
1
大垂球
1
130kg
定点板
2
小垂球
4
挡风布
2
矿灯
可视人数而定
陀螺仪
1台
定中盘
1
温度计
2个
1、投点
投点时只下1根钢线,用直径1mm的钢丝,挂lOOkg的垂坨作摆动观测,并用信号圈法和钟摆法检查钢丝是否自由悬挂,为了减少滴水影响可在水桶上盖以木板,并安装好定中盘。
投点前可先将定向设备事先运到井口和井下525水平马头门,总之,在定向之前能做的工作都应事先做好以减少占用井筒的时间。
摆动观测的具体方法见图示,是用目测法从两个方向观测其最大摆动位置,从而标出其平衡位置,用定中盘和以固定。
两个方向均观测13个数值（左7个,右6个）其平均值即为平衡位置。
2、地面连接导线测量
采用5"级导线连接，测角量边同地面5"导线要求。
3、井下连接导线测量
井下连接导线按7"导线精度要求进行施测，作业要求与井下导线的要求相同。
4、陀螺定向的作业程度与要求
陀螺定向时采用“3-2-3”的作业程序“中天法”观测,即使用陀螺仪先在地面已知边上3测回测定仪器常数,仪器下井后,在井下定向边上进行对向观测陀螺方位角各一次,待仪器上井后再在地面已知边上3测回测定仪器常数。
测量陀螺方位角时的技术要求应严格遵守《规程》中关于±15"级陀螺仪的施测要求。
7.4井下平面控制测量
7.4.1导线点的布置
按预计图所示布设成方向附和导线，为。
在布设导线点时原则上是使边长尽量长，以米为宜。
导线点的编号:
为了制图方便,应尽量避免汉字,而采用英语字母和数字符号,以避免混乱。
7.4.2井下经纬仪导线的水平角观测要求
（一）限差和作业要求
1、采用仪器和作业要求应符合下表的规定：
表7.4.1
导线
使用
观测
按导线水平边长分
类别
仪器
方法
小于15m
15m-30m
30m以上
对中次数
测回教
对中次数
测回数
对中次数
测回数
7"
J2
测回法
3
3
2
2
1
2
注:
（1）由于本贯通导线中不存在15m以下的短边,故所有点的角度测量都是两个测回,两测回的度盘位置分别为0°00′和90°10′.
（2）多次对中时，每次对中测一个测回。
（3）有条件时可采用三架法施测，此时不存在多次对中问题，即无论边长长短都是一次对中（或任意设站）两个测回。
2、在倾角小于30°的井巷中观测水平角时，其限差应符合下表规定：
表7.4.2
仪器级别
同一测回中半测回互差
两测回间互差
两次对中测回间互差
DJ2
20"
12"
30〃
注:
在倾角大于30°的井巷中测角时,各项限差为上表中规定的1.5倍。
（二）水平角观测时的注意事项
1、整直仪器确保脚架稳固,认真调焦消除视差后方可进行观测。
2、在观测过程中气泡偏离不得超过1格,否则应在一测回结束后重新整置仪器。
3、采用三架法测角时应特别注意不要碰动仪器,以免大返工。
4、不采用三架法测角时,前后视宜悬挂重心较好的垂锤,减弱风流的影响。
5、若风流较大,对中时应采取挡风措施。
6、平斜巷交接处测水平角时应注意严格整平仪器,以免超限垂测。
7、在长短边交接的测站上测角时,宜采用“后-后-前-前”的观,测顺序。
（三）超限重测
1、凡超出以上规定限差的结果,均应进行重测,因对错度盘、测错方向、读记错误、碰动仪器、气泡偏离过大或中途文现外界影响不能进行继续观,测而未测完的,测回都应进行重测。
2、所观测的两个测回中,若观测成果（两测回互差）超限应重测两测回。
7.4.3边长测量
1、测距仪井下测边的各项限差要求见下表:
表7.4.3
测距方法
往测或返测单
测回之间较差
一测回读数
同一测回各
往返测回之间
程测回数
的允许值
次数
次读数较差
较差的允许值
每边往、返测
-2
15mm
4
10mm
1/6000
注:
a.往返较差必须将斜距化算成同一水平面上的平距方可进行比较。
b.若所测导线段带有三角高程,垂直角应施测两测回,否则一测回即可。
2、气象数据的测定要求
根据《规程》要求温度应读至1°
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