第五章煤矿测量基础知识与专业技术.docx

1、第五章煤矿测量基础知识与专业技术第五章煤矿测量基础知识与专业技术第一节煤矿测量基础知识 一、内容和任务 煤矿测量指煤矿建设时期和生产时期的测量工作。其包括矿区地面控制测量；矿区地形图测绘；近井点、十字基桩的建立及井口标定；矿井联系测量；井下控制测量；设备安装测量；井上、下施工测量；地表及岩层移动的观测研究等内容。 其主要任务是： 建立矿区地面和井下测量控制系统，为煤矿各项测量工作提供起算数据；依据设计文件，进行采掘、土建、管线和机电安装等工程测量工作，并在煤矿基本建设和生产各个阶段，对采掘工程是否按设计施工进行检查和监督；利用测绘资料，解决煤矿生产、建设和改造中提出的各种测绘问题，并为煤矿灾害

2、的预防、救护提供有关的测绘资料；测绘各种煤矿测量图，满足煤矿生产、建设和规划各阶段的需要；定期进行矿井“三量”的统计分析；正确反映煤矿采掘关系现状。按生产矿井储量管理规程的要求，对煤矿各级储量动态及损失量进行统计和管理工作，对煤炭资源的合理开采进行业务监督；建立地表、岩层和建（构）筑物变形观测站，开展矿区地表与岩层移动规律、采矿或非采矿沉陷综合治理以及环境保护工作的研究；根据矿区地表与移动变形参数，设计和修改各类保护煤柱。参与“三下”采煤和塌陷区综合治理以及土地征用和村庄搬迁的方案设计和实施；进行矿区范围的地籍测量；参与本矿区（矿）月度、季度、年度生产长远计划和长远发展规划的编制工作。 因此煤

3、矿测量工人的基本任务为： (1)参与建立矿区地面和井下各种控制网；测绘矿区各种地形图及工业广场平面图等工作。(2)参与井下各种设计工程的标定工作，并测量绘制各种测量图纸；在矿山各种工程施工中及工程竣工后，按设计规定进行检查、验收测量等工作。(3)对采煤引起的地表及岩层移动建立观测站，并进行观测。(4)及时掌握测绘新技术、新设备（如GPS、全站仪等），并能熟练运用到工作中去。思考题：煤矿测量的内容有那些？ 二、坐标系统和高程系统测量工作中常用的球面坐标系是大地坐标系，平面坐标系是高斯-克吕格平面直角坐标系，常用的高程系是正高系。大地坐标系统是用来表述地面地球点的位置的一种坐标系统，它采用一个接近

4、地球整体形状的椭球作为表示点的位置及其相互关系的数学基础，大地坐标系统的三个坐标是大地经度L，大地纬度B和大地高程H。在大地坐标系统中的一点P的大地经度是P点所在的椭球子午面（NKS）与起始子午面之间的二面角L，由起始子午面起算，向东（E）为正，向西（W）为负；P点的大地纬度是P点的椭球法线（PP）与椭球赤道面的夹角B，由赤道面起算，由北（N）为正，向南（S）为负；P点的大地高是P点沿椭球法线 图5-1 大地坐标系与空间大地直角坐标系至椭球面的距离PP=H。大地方位角的定义是过P点和另一地面点Q点的大地方位角A就是P点的子午面与过P点的法线及Q点的平面所成的角度，由子午面顺时针方向量起。 大地

5、坐标系统由一系列高精度大地控制点的大地坐标来体现，它是以大地原点为起点，覆盖全国的大地网构成国家大地坐标系统框架。目前我国的大地坐标系统有2个： （1）1954年北京坐标系。实际上是前苏联1942年坐标系的延伸，其原点在前苏联的普尔科沃。大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，高程异常则是以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为依据传算过来的。参考椭球采用克拉索夫斯基椭球元素：长半径a=6378245，扁率=1/298.3。 （2）1980年国家大地坐标系。椭球短轴平行于地球质心指向JYD1968.0地极原点的方向。起始大地子午面平行于通过JYD1968.0平极和国际时

6、间局（BIH）1968系统平均天文台赤道零点的子午面。国家大地坐标系统的原点建立在陕西泾阳县永乐镇。参考椭球采用第16界国际大地测量协会推荐的椭球元素：长半径a=6378140，=1/298.257。 平面坐标系统是指确定地面点的平面位置所采用的一种坐标系统。大地坐标系统是建立在椭球面上的，而绘制地图则是在平面上的，因此必须通过地图投影把椭球面上点的大地坐标科学地转换成展绘在平面上的平面坐标。平面坐标用两轴相交成直角的纵、横坐标表示。 中国的国家统一平面坐标系统是采用“高斯克吕格平面直角坐标系”。它是利用高斯克吕格投影将不可平展的地球椭球面转换成平面而建立的一种平面直角坐标系。由于椭球面上某一

7、条中央子午线投影在平面上为直线，就将它作为此坐标系的纵轴（X），由赤道向北为正，椭球的赤道投影在平面上也为直线，它与中央子午线正交，就将它作为横轴（Y），由中央子午线向东为正。两坐标轴的交点为坐标原点（O）。 为了限制远距离中央子午线的地区投影变形过大，采用了按子午线分带方法各自进行投影，即由两条边子午线所围成的范围为一带。各带坐标成独立系统，带宽一般分为60、30、1.50三种。为解决横坐标不出现负值，将纵轴西移500千米作为起始轴，该带内的横坐标值均增加500千米。在地形图上为了区别坐标所属哪一带，在靠近图廊东西两边的第一条坐标网纵线的坐标值之前加注图幅所在的带号。而且所有大地点的平面坐标

8、也加注带号以示区别。因而高斯投影的特征可归纳为： 椭球面上的角度，投影后保持不变；中央投影线投影后为一直线，且其长度保持不变；赤道投影后是一条与中央子午线正交的直线；椭球面上除中央子午线外，其余子午线投影后均向中央子午线弯曲，并向两极收敛；椭球面上对称于赤道的平行圈，投影后成为对称的曲线，它与子午线的投影垂直，并凹向两极；距中央子午线越远，长度变形越大。 如果知道了某地的3带、6带的带号，那我们就可以计算该地中央子午线的经度： 设6带的带号为N，3带的带号为n，中央子午线的经度L0，则6带的中央子午线经度L0=6N-3，3带的中央子午线经度L0=3n。 相反，如果已知某点的Y坐标为264283

9、68，其相对于中央子午线的横坐标值、所在地中央子午线经度也可以推算：该点位于我国最东部6带的23带，3带的26带。其相对于中央子午线的横坐标值为428368-500000=-71632，所在地中央子午线经度为326=78。用以传算全国高程控制网中各点高程所采用的统一系统称为高程系统。高程系统按照不同的定义有正高、力高和大地高程等系统。我国大地测量法式规定采用正常高程系统，起算依据是国家高程基准，传算途径是全国四等以上各级高程控制网。高程基准是推算全国统一的高程控制网中所有水准点高程的起算数据，它包括一个水准基面和一个永久性水准点。水准基面在理论上通常采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水

10、面，也是一个地球重力等位面；在实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测计算出来的平均海平面。中国以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海平面作为中国的水准基面，即零高程面。中国水准原点建立在青岛验潮站附近，并构成原点网。用精密水准测量测定该水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，定位全国高程控制网的起算高程。通过国家等级水准测量构成的全国基本高程控制网称为国家水准网，是各项测量活动的高程基础。思考题:我国的平面坐标系是什么投影系统？其特征是什么？三、矿区控制测量和误差基础知识 矿区控制测量就是在矿区范围内的地面上，通过建立平面控制网和高程控制网，精确地测定地面控制点的空间位置（

11、平面坐标和高程）。矿区控制网在矿区测量中发挥着控制全局，限制测量误差的传递和积累，供作各项测量工作的基础等作用。平面控制网是各种测量工作的平面控制基础，用以确定控制点的平面位置；高程控制网是各种测量工作的高程控制基础，用以确定控制点的高程。（一）矿区平面控制网按布设方式（1）测角网。（2）测边网。（3）边角同测网。（4）导线网。（5）GPS网。目前随着技术发展，普遍采用GPS网。矿区高程控制网按建立方法分为：（1）几何水准测量法。（2）三角高程测量法。（3）GPS高程拟合法。 （二）测定控制点水平位置的方法 （1）天文测量方法：利用宇宙间天体的相关位置和运行的规律，在选定的地面点上，观测某天体

12、（主要是恒星）的高度和方向，并记录观测瞬间的时刻，从而确定该地面点的地理位置-天文经、纬度及由该点至另一地面点的天文方位角。 （2）大地测量方法：根据大地基准点的起始数据（坐标方位角），借助于地面测得的水平距离和水平角，来推算控制点坐标的一种方法。（3）GPS卫星定位：全球卫星定位系统（GPS）是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。由三个部分组成，即：空间的卫星、地面控制系统、用户的接收处理装置。在地面通过GPS接收机，接收从卫星上发来的无线电信号，在地球的表面进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维WGS-84地心坐标。目前测定控制点普遍应用后两种方法。 （三）误差理论知识 1.误差基

13、础知识 任何测量成果都存在测量误差。测量误差按性质可分为系统误差和偶然误差： （1）系统误差：在相同的条件下作一系列观测，如果观测误差在符号、大小上表现出一致的倾向（系统性），如按一定的规律变化，或者保持为常数，这种误差称为系统误差。 （2）偶然误差：在相同观测条件下作一系列观测，如果误差在大小和符号上都表现出偶然性，既从表面现象看，该列误差的符号和大小没有规律性，那么，这种误差就称为偶然误差。偶然误差有以下特性：（1）在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值，不会超过一定的限值；（2）绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；（3）绝对值相等的正负误差出现的机会相等；（4）当观测次数无限增多时

14、，偶然误差的算术平均值趋近于零。在测量上，以误差分布的密集或离散程度来表明测量成果的准确性，称其为精度。在相同的观测条件下所进行的一组观测，由于它是对应着同一种误差分布，因此，对于这一组中的每一个观测值，都称为是同精度观测值。 衡量精度的标准有： （1）中误差：取一组误差平方和的平均数的平方根来评定这一组误差观测值的精度，称为中误差。（2）相对中误差：中误差与观测值的比值 称为相对中误差。（3）允许误差：在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限值，测量上通常取两倍中误差为误差的限值，即允许误差。2.测量平差为了较精确地确定某一个未知量的大小,往往对未知量进行多余观测.有了多余观测，

15、观测值之间就存在差值，需要按最小二乘原理进行平差计算。井下导线测量分为支导线、附合导线和闭合导线，单一附合导线与闭合导线的近似平差方法如下：（1）角度平差角度平差的目的是消除转角观测误差引起的方位角闭合差，求得各转角的平差值。方法是先计算方位角闭合差，当时，将反号平均分配给各转角，即： 式中：n为转角个数；为转角改正数；为转角平差值。（2）坐标平差坐标平差的目的是消除因转角和边长观测误差引起的坐标闭合差和，求得各点的坐标平差值。方法是用平差值和观测边长D先推算各点间坐标增量近似值，进而求得坐标闭合差、和导线全长闭合差及导线全长相对闭合差K。当KK限时，将坐标闭合差按边长成比例反号分配给各坐标增

16、量，求得坐标增量的平差值和各点坐标平差值，即：各边方位角： 各点间坐标增量： 坐标闭合差： 导线全长闭合差和导线全长相对闭合差为： 坐标增量改正数为： 坐标增量平差值： 各点坐标平差值： 思考题：如何进行导线测量角度与坐标的近似平差？四、矿井联系测量矿井联系测量包括平面联系测量和高程联系测量。（一）平面联系测量平面联系测量的任务，是根据地面已知点的坐标和已知边的坐标方位角，求出井下起始点的坐标和起始边的坐标方位角，使井上下采用统一的平面坐标系统。 平面联系测量可以采用几何的方法：即通过一个立井或两个立井用测角和量边的方法进行，还可以采用物理的方法：即采用陀螺经纬仪进行。由近井点向井口定向连接点

17、连测时，应敷设测角中误差不超过5或10（用于二级小三角网作为首级控制的小矿区）的闭合导线或复测支导线。连测导线点应埋设标石，并尽可能与矿区控制网连测方向。应用陀螺经纬仪进行平面联系测量的步骤为：地面测定仪器常数-井口下放钢丝-地面连接导线测量-井下连接导线测量-井下陀螺方位角测定。1.陀螺经纬仪定向测量 陀螺经纬仪定向测量有两种方法：中天法和逆转点法。以逆转点法为例介绍：定向前，应在地面选好测定仪器常数的已知边，在井下选好测定方位角的定向边。定向边的边长应大于30m，端点的埋设要牢固。通常用近井点的后视边作为已知边。定向测量的步骤如下： （1）在地面已知边上测定仪器常数 陀螺轴摆动的平衡位置（

18、即陀螺子午线的位置）和测站的真子午线的位置理论上是一致的。但由于仪器结构本身的误差，致使陀螺经纬仪测定的陀螺子午线和真子午线之间存在着一个差值，此差值称为仪器常数。在井下定向测量前和测量后，应在地面已知边上测量三次仪器常数。 在A点上安置陀螺经纬仪，整平、对中后，以经纬仪的两个镜位观测B点，得方向值为M1（即瞄准B点时在水平度盘上的读数），用逆转点法测定陀螺子午线的方向值NT，再以经纬仪两镜位观测B点，得方向值为M2，取M1 和M2的平均值M为AB线的最终方向值。于是： 式中TAB陀AB边一次测定的陀螺方位角； TABAB边的大地方位角； 图5-2 各方位角和仪器常数关系图 aABAB边的坐标

19、方位角； AA点的子午线收敛角。 由上可见，测定仪器常数，实质上就是测定已知边的陀螺方位角，根据测出的已知边陀螺方位角，便可求出仪器常数。 （2）井下定向边陀螺方位角的测定及坐标方位角的计算 在井下测定定向边陀螺方位角的方法，和在地面上测定仪器常数的方法完全相同。当测得了ab边的陀螺方位角Tab陀后，便可用下式求出边的坐标方位角： 式中Tbab边的陀螺方位角，； aa点的子午线收敛角； 平六次所测得的仪器常数的平均值。 利用陀螺经纬仪进行定向，不仅可以克服几何定向法的缺点，而且在井田走向较长的矿井中，井下导线中间加测陀螺边，可以提高导线精度。对于大型贯通，也可以用陀螺经纬仪检查贯通的方向，以保

20、证精确贯通。 陀螺经纬仪一次定向应按下列程序进行： （1）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； （2）在井下定向边上用两测回测量陀螺方位角； （3）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。 2.陀螺经纬仪定向的限差要求： (1)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70；(2)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级和25级仪器分别为10和15，其互差分别不超过40和60。（二）高程联系测量高程联系测量又称导入标高，是解决井上、下高程统

21、一的问题。其具体任务是：根据地面上已知水准点A 的高程，求井下水准点B的高程,如图(5-3)。导入标高可用钢尺法或钢丝法进行。如用钢尺法时，在井筒中，由地面悬挂一根钢尺到井底车场，并在钢尺下端悬一重锤。井上、下各安置一架水准仪，分别在立于A、B水准点的水准尺上读取读数a和b，设井上、下同时在钢尺上读取的读数为m和n。井下水准点B的高程HB为： HB=HAh=HA（mn）（ba） 为了校核，导入标高应进行两次，两次之差不得超过筒中深度的1/8000。用钢尺法导入高程测量的内业计算，应加温度、钢尺比长和钢尺（钢丝）自重伸长改正。 图5-3 高程联系测量图示思考题：1地面连接导线的精度有什么要求?导

22、入高程的精度要求如何？2简述长钢尺导入高程的具体过程。3陀螺经纬仪一次定向的过程。五、井下控制导线、贯通测量、工程放样（一）井下控制测量 井下平面控制分为基本控制和采区控制两类。两类控制导线都应敷设成闭(附)合导线或复测支导线。根据煤矿测量规程的规定，基本控制导线按测角精度分为7、15两级，采区控制导线按测角精度分为15、30两级。各矿井可根据采掘工程的实际需要，依矿井和采区开采范围的大小选定。基本控制导线应沿矿井主要巷道（包括：斜井，暗斜井、平硐、井底车场、水平（阶段）运输巷道，总回风道，集中上、下山，集中运输石门等）敷设。基本控制导线技术指标如下：表5.1 基本控制导线的主要技术指标参照表

23、井田一翼长度 （km）测角中误差 （）一般边长（m）闭（附）合导线相对闭合差复测支导线相对闭合差5571560 20040 1401/8000 1/60001/6000 1/4000采区控制导线应沿采区上、下山，中间巷道或片盘运输巷道以及其他次要巷道敷设。采区控制导线的主要技术指标参照如下：表5.2 采区控制导线的主要技术指标参照井田一翼长度（km）测角中误差（）一般边长（m）闭（附）合导线相对闭合差复测支导线相对闭合差11153030 90-1/4000 1/30001/3000 1/2000注：30导线可作为小矿井的基本控制导线，表中复测支导线相对闭合差计算中的导线长度采用两次施测导线之和

24、。井下经纬仪导线水平角观测，所采用的仪器、观测方法、导线级别和作业要求应符合表5.3规定 表5.3 经纬仪导线水平角观测限差要求导线类别使用仪器观测方法边长15m对中次数、测回数边长1530m对中次数、测回数边长30m对中次数、测回数7DJ2测回法33221215DJ6测回法或复测法22121230DJ6测回法或复测法111111注：1.如不用表三所列的仪器,可根据仪器级别和测角精度要求适当增减测回数；2.由一个测回转到下一个测回观测前,应将度盘位置变换180/n(n为测回数)；3.多次对中时,每次对中测一个测回,若用固定在基座上的光学对中器进行点上对中,每次对中应将其基座旋转360/n。在倾

25、角小于30的井巷中，经纬仪导线水平角的观测限差应符合表5.4规定。表5.4 倾角小于30的井巷中，经纬仪导线水平角的观测限差仪器级别同一测回中半测回互差检验角与最终角之差两测回间互差两次对中测回（复测）间互差DJ2 DJ620 40- 4012 3030 60 在倾角大于30的井巷中，各项限差可为表5.4中规定的1.5倍。 基本控制导线一般应每隔300500m延长一次。采区控制导线应随巷道掘进每30100m延长一次。在延长经纬仪导线之前，必须对上次所测量的最后一个水平角按相应的测角精度进行检查，两次观测水平角的不符值不得超过下列规定：7 导线 2015导线 4030导线 80基本控制导线的边长

26、小于15m时，两次观测水平角的不符值可适当放宽，但不得超过上列限差的1.5倍。如不符合上述要求，应继续向后检查，直至符合后，方可由此向前延长导线。为避免用错测点，边长也应检查。 井下高程控制测量，有两种形式。在倾角小于8的巷道中用水准测量，在巷道大于8的巷道中用三角高程测量。三角高程测量，通常是和经纬仪导线测量同时进行。井下水准测量分为两级。级水准路线由井底车场的已知水准点开始，沿着水平运输大巷向井田边界敷设。级水准测量精度较低，在级水准导线基础上敷设，主要是为了满足矿井的日常生产需要。如：检查巷道掘进和运输线路的坡度，测绘巷道底板和运输线路的纵断面图，以及测定临时水准点的高程。级水准点敷设在

27、采区次要巷道内，一般均在两个级水准点成附合导线形式。此外，级水准点也可以作为小型矿井的首级控制。（二）贯通测量由一个巷道按设计要求掘进到一定地点与另一巷道相通叫做巷道的贯通。按巷道性质与特点分，有平巷贯通、斜巷贯通和竖直贯通三种；按掘进方向又分为相向贯通和同向贯通二种。贯通测量工作步骤，大致可分为：（1）根据贯通测量的允许偏差，选择合理的测量方案。对重要贯通需编制贯通测量设计书，进行误差预计，说明采用的测量仪器和方法。（2）依所选定的测量方案进行实测和计算。每一环节均须有可靠的检核。在实测过程中应评定实测精度，若发现低于设计时的要求，应根据具体情况采取相应措施；（3）贯通前巷道几何要素的计算和

28、标定；（4）进行经常性的巷道掘进检查。在重要贯通工程施工过程中，应有不小于1：2000比例尺的贯通工程进度图，及时填绘工程进度。当两工作面在岩巷中相距2030米，煤巷中剩3040米（快速掘进应于贯通前2天）时，测量人员应以书面通知矿井技术负责人、安监和施工等有关部门。贯通后应立即实测贯通偏差值，并连测两端导线，计算各项闭合差，进行总结分析。贯通测量工作中还应当遵循下列原则：（1）要在确定测量方案和测量方法时，保证贯通所必需的精度，既不能因精度过低而使巷道不能正确贯通，也不能因盲目追求过高精度而增加测量工作的工作量和成本。（2）对所完成的每一步测量工作都应当有客观独立的检查校核，尤其是要杜绝粗差

29、。贯通测量中不同类型巷道贯通的允许偏差值如下：表5.5 不同类型巷道贯通的允许偏差值贯通种类贯通巷道名称在贯通面上的允许偏差（m）两中线之间两腰线之间第一种第二种第三种第四种第五种沿导向层开凿的水平巷道沿导向层开凿的倾斜巷道同一矿井中开凿的倾斜巷道或水平巷道在两矿井中开凿的倾斜巷道或水平巷道用小断面开凿的立井井筒-0.30.30.50.50.2-0.20.2-在贯通测量工作中，还应注意以下问题:（1）导线通过倾斜巷道时，经纬仪竖轴的倾斜改正问题；（2）导线边长归化到投影水准面的改正和投影到高斯克吕格平面的改正问题。（三）工程放样工程施工放样测量是将设计图纸上的各种设计建筑物，根据测量控制点，标

30、设于实地，供作业人员按设计意图施工。井下施工测量的任务就是根据设计图纸的要求，正确地标设和测绘巷道间的相互位置关系，随时进行检查和纠正：（1）标设巷道开切地点、平面方向和坡度，俗称中腰线；（2）在掘进过程中随时进行测量检查，发现错误和不符合设计要求应及时纠正，并定期填绘于图上；（3）定期检查巷道掘进质量和验收进度及回采工作面的位置，以便计算产量和掌握储量变动情况。工程放样步骤如下：（1）在施工前，应对设计图纸进行全面了解和核对建筑的几何关系，验算各种尺寸和数据，了解设计建筑物位置与现场情况是否符号，若有疑问应及时向有关部门联系解决；（2）对设计建筑物的现场范围内，了解原有测量控制点和成果的检查，对所有仪器工具，进行检查和校正；（3）根据实地情况，选用适宜的仪器和工具，按照设计要求，将建筑物标设下来。对井巷工程就是将巷道的开切位置、方向和坡度标设出来；（4）在井下施工中，随时延设中腰线，并负责检查巷道施工质量和进度；（5）施工完毕后，进行竣工验收测量。1.标定巷道中线：为了指示巷道在水平面内的方向，在一般巷道中给巷道中线，在主要运输巷