1、总第157期 doi：103969jissn10052798201209032 矿井几何定向方法的研究与探讨 杨敏 (山西省煤炭地质114勘查院，山西长治046000) 摘要：矿井定向对于生产矿井来说，是一项非常重要的工作，其方法概括来说，可分为几何定向和物理定 向两大类。几何定向是从几何原理出发，将地面的平面坐标系统传递到地下，使地面与地下建立统一的坐 标系统，以适应井下生产建设的需要。 关键词：联系测量；一井定向；两井定向 中图分类号：TD175 3 文献标识码：B 文章编号：10052798(2012)09007503 在地下采矿工程中，应通过平峒、斜井及竖井， 将地面的平面坐标系统及高
2、程系统传递到地下，使 地面与地下建立统一的坐标系统。这项工作称为联 系测量。将地面平面坐标系统传递到地下的测量称 平面联系测量，简称定向。将地面高程系统传递到 地下的测量称高程联系测量，简称导人高程。矿井 定向的任务是确定井下导线起算边的坐标方位角和 导线起算点的平面坐标X和】，L 。 矿井定向概括来说，可以分为两大类：一类是从 几何原理出发的几何定向；另一类是以物理特性为 基础的物理定向。本篇论文仅对几何定向的方法， 进行研究和探讨。 几何定向分为：通过平峒或斜井的几何定向； 通过一个立井的几何定向(一井定向)；通过两 个立井的几何定向(两井定向)。 通过平峒或斜井的几何定向，只需通过平峒或
3、 斜井敷设导线，对地面和井下进行连测即可。所以 下面主要介绍一井定向和两井定向的方法。 l 一井定向 进行一井定向时，在竖井井筒中悬挂2根钢丝 垂球线，在地面上，利用地面控制点测定两垂球线的 平面坐标及其连线方位角，在井下通过测量角边，把 垂球线与井下起始控制点连接起来，通过计算确定， 井下起始控制点的平面坐标和起算边的方位角。一 井定向测量可分为投点和连接测量两项工作。连接 测量有连接三角形法、四边形法和瞄直法等，其中最 常用的为连接三角形法，下面主要介绍连接三角形 法。 11 投点 采用连接三角形进行一井定向时，要在井筒内 挂2根垂球线。投点时，一般都采用单重投点法。 单重投点可分为两类：
4、单重稳定投点和单重摆动投 点。前一种方法是将垂球放在水桶内，使其基本上 处于静止状态；在定向水平上测角量边时，均与静止 的垂球线进行连接。后一种方法则恰恰想反，而是 让垂球自由摆动，用专门的设备观测垂球线的摆动， 而求出它的静止位置并加以固定；在定向水平上连 接时，则按固定的垂球线位置进行。当垂球线摆幅 很小时，采用单重稳定投点，否则，必须采用单重摆 动投 。 由地面向定向水平上投点时，由于井筒内气流 和滴水等影响，致使垂球线在地面上的位置投到定 向水平后会发生偏离，一般称这种线量偏差为投点 误差。因此，在投点过程中，应尽量减少这种误差。 减少投点误差的主要措施为：尽量增加两垂球线 问的距离，
5、并选择合理的垂球线位置。尽量减少 马头门处，气流对垂球线的影响。定向时最好停止 风机转动或增设风门，以减少风速。采用小直径 和高强度的钢丝，适当加大垂球重量，并将垂球浸入 稳定液中。减少滴水对垂球线及垂球的影响，在 淋水大的井筒，必须采取挡水措施，并在大水桶上加 挡水盖 。 12连接 连接三角形法的示意如图1所示。由于不能在 垂球线 、B点安设仪器，因此选定井上下的连接点 C与C ，从而在井上下形成了以AB为公用边的三 角形ABC和ABC ，一般把这样的三角形称为连接 三角形。从井上下连接三角形的平面投影(图2)可 以看出，当已知D点的坐标及DE边的方位角和地 面三角形各内角及边长时，便可按导
6、线测量计算法， 算出A、 在地面坐标系统中的坐标及其连线的方 收稿日期：2012-0514 作者简介：杨敏(1982一)，女，山西襄垣人，助理工程师，从事测绘技术工作。 75 杨敏：矿井几何定向方法的研究与探讨 第21卷第9期 位角。同样，已知A、B的坐标及其连线的方位角和 井下三角形各要素时，再测定连接角 ，就能计算出 井下导线起始边D E 的方位角及D 点的坐标。 在选择井上下连接点c和C 时，应满足下列要 求：点c与D及点C 与 应彼此通视，且CD和 C D 的长度应尽量大于20 m。当CD边小于20 m 时，在C点进行水平角观测，其仪器必须对中3次， 每次对中应将照准部(或基座)位置变
7、换120。；点 C和C 应尽可能设在AB延长线上，使三角形的锐 角Y应小于2。，这样便构成最有利的延伸三角形； 点C和c 应适当地靠近最近的垂球线，使ac及 b e之值应尽量小一些。 图1一井定向不意 13外业 首先在连接点C上，用测回法测量角度7和 。 当CD边小于20 m时，在C点的水平角观测，仪器 应对中3次，每次对中应将照准部(或基座)位置变 换120。然后丈量连接三角形的三个边长a(a )、b (b )、c(c )。量边应用检验过的钢尺，并施加比长 时的拉力，记录测量时的温度。在垂线稳定的情况 下，应用钢尺的不同起点丈量6次。读数估读到 05 mm。同一边各次观测值的互差不得大于2
8、mm， 取平均值作为丈量的结果。在垂球摆动的情况下， 应将钢尺沿所量三角形的各边方向固定，然后用摆 动观测的方法(至少连续读取6个读数)，确定钢丝 在钢尺上的稳定位置，以求得边长。每次须用上述 方法丈量2次，互差不得大于3 mm，取其平均值作 为丈量结果。井上下量得两垂球线间距离的互差， 一般不应超过2 mm。 E 图2井上下连接导线示意 14 内 业 内业计算分为两部分：解算连接三角形各未知 76 要素及其检核；按一般导线方法，计算各边的方位角 与各点坐标。 141三角形的解算 对于延伸三角形，垂球处的角度 、 按正弦公 式计算： a s1“ c “Y si = O sin 当Ot178。时
9、，可用下列简化公式计 算： ”=a y”( ： ” ：180。一( ) 在计算井下连接三角形时，应用井下定向水平 丈量的和计算的两垂球线间距离平差值进行计算。 142测量和计算正确性的检核 1) 连接三角形三内角和 + +Y应等于 180。一般均能闭合，若有微小的残差时，则可将其 平均分配于 及 中。 2) 两垂球线间距离的检查。设C丈为两垂线 间距离的实际丈量值，c计为其计算值，则： d=C丈一C计 式中：c计可按余弦公式计算： c =a2+b 一2abc0s 当井上连接三角形中d2 mm，井下连接三角 形中d4 IIIlTI且符合煤矿测量规范要求时，可在 丈量的边长a、b、c中分别加入下列
10、改正数： d d d Pa 一了 6 +了 一 以消除其差值。 3) 计算各点的坐标。按一般导线方法计算 出井下起算边D E 的方位角及坐标。 2两井定向 当矿区有2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。 如图3所示，两井定向的步骤如下： 21两井定向的外业 211投点 在两个立井中各悬挂1根垂球线A和B，投点 设备和方法与一井定向时相同，一般采用单重稳定 投点。 212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K一一IA及 一一 ，以确定A、B的坐标 和AB的坐标方位角。连接导线敷设时，应使其具 杨敏：矿井几何定向方法的研究与探讨 第2
11、1卷第9期 有最短的长度并尽可能沿两垂球线连线的方向延 伸，因为此时量边误差对连线的方向不产生影响。 导线可采用一级或二级导线。 图3两井定向不恿 213井下连接测量 在井下定向水平，测设导线A一1234一 日，导线可采用7”或15”基本控制导线。 22两井定向的内业计算 221 根据地面连接测量的结果，计算两垂球连线 的方位角及长度 按一般计算方法，算出两垂球线的坐标，根据算 出的坐标，计算AB的方位角及长度： R一 A (3gAB 。： ： ： SlnOAB COSOLAB 222根据假定坐标系统计算井下连接导线 假设 为坐标原点，如图3所示，A1边为 轴 方向，即 j， ：0， =OOO
12、0”。 cta喏 c ： ：X_B：、 B 一 ， 一 ， 一B， ， ， slnotAB COSOAB 223测量和计算的检验 用比较井上与井下算得的两垂线问距离C与C 进行检查。由于两垂球的向地心性，差值Ac为： At=c-(c +等c) 式中： 为井筒深度，R为地球的曲率半径。 Ac应不超过井上、下连接测量中误差的两倍。 Ac2毒m +m COS2 式中：m 为井上、下连接导线的测角中误差；R j 为井上、下连接导线各点(不包括近井点到结点)到 AB连线的垂直距离；m 为井上、下连接导线各边 (不包括近井点到结点)的量边误差； 为井上、下 各导线边与AB连线的夹角。 224按地面坐标系统
13、计算井下导线各边的方位 角及各点的坐标 OtA1：OtAB B= 其他边的坐标方位角为： Ot。= +OL： 式中：Ol：为该边在假定坐标系统中的假定方位 角。 根据计算出的起算数据与井下导线的测量数 据，重新计算井下连接导线点的坐标。将地面与井 下求得的B点坐标相比较，如果其相对闭合差，符 合井下所采用连接导线的精度时，可将坐标增量闭 合差，按井下连接导线边长成比例反号加以分配，因 地面连接导线精度较高，可不加改正。 225 两井定向应独立进行两次，其互差不得超过 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。 3结语 矿井定向对于生产矿井来说，是一项非常重要 的工作。其必要性在于：保证地下采矿工程按照 设计图纸正确施工，确保巷道的贯通。确保地下 采矿工程与地面建筑物、铁路和河湖等之问的相对 位置关系。保证采矿工程安全生产，同时及早采取 预防措施，使地面建筑物和铁路等免遭重大破坏。 因此各生产矿井应根据自身的实际情况，选择合适 的定向方法进行测量，并及时更新测量成果，以适应 矿井生产和地面生产生活的需要。 参考文献： 1张国良，朱家钰矿山测量学M徐州：中国矿业大 学出版社，2001 2 高井祥，肖本林，付培义，等数字测图原理与方法 M徐州：中国矿业大学出版社，2001 责任编辑：路方 77
