溫向衛(wèi) 寇中平

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煤礦豎井聯(lián)系測量一井幾何定向的施測與計算方法研究

溫向衛(wèi) 寇中平

（陜西省煤田物探測繪有限公司 陜西西安 710005）

礦井聯(lián)系測量是礦山測量中的一項重要工作，一井幾何定向是礦井平面聯(lián)系測量最常采用的方法，主要目的是為礦井上、下建立統(tǒng)一的測量平面坐標系統(tǒng)，為相鄰礦井間各種巷道的貫通提供重要依據(jù)，為礦建工作提供基礎(chǔ)保障?，F(xiàn)以實例就礦井聯(lián)系測量一井幾何定向最常用的連接三角形法作以介紹，重點闡述了一井幾何定向外業(yè)施測、定向投點、連接測量及連接三角形的計算方法，最后并根據(jù)工作經(jīng)驗總結(jié)出一些提高一井幾何定向精度應(yīng)注意的事項，供大家參考。

煤礦豎井 聯(lián)系測量 一井 幾何定向 連接三角形

1 引言

煤礦礦井聯(lián)系測量是指將礦區(qū)平面坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)傳遞到井下的測量。將地面平面坐標系統(tǒng)傳遞到井下的測量稱為平面聯(lián)系測量，簡稱定向。其必要性在于：⑴需要確定地面建筑物、鐵路和河湖等與井下采礦巷道之間的相對位置關(guān)系；⑵需要確定相鄰礦井的各巷道間及巷道與老采空區(qū)間的相互關(guān)系；⑶為解決礦建上相鄰礦井間各種巷道的貫通提供井上、下統(tǒng)一的平面坐標系統(tǒng)。可見，礦井定向工作在煤礦建設(shè)和開采階段的工作中具有極其重要的作用，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供基礎(chǔ)保障。

通過一個立井按照幾何原理進行的定向工作叫做一井幾何定向，也就是在一個立井中懸掛鋼絲垂線由地面向井下傳遞平面坐標和方位的測量工作。一井幾何定向是煤礦豎井平面聯(lián)系測量中最常采用的方法，其任務(wù)在于：確定井下導(dǎo)線起算邊的坐標方位角和井下導(dǎo)線起算點的平面坐標X、Y。

本文以陜西某煤礦為了實現(xiàn)主、副、風(fēng)井間巷道的貫通而進行的一井幾何定向工作為例，通過實際工作經(jīng)驗總結(jié)，對一井幾何定向的外業(yè)施測方法、技術(shù)要求及注意事項與連接三角形的計算作以簡單介紹和探討。

2 一井幾何定向的施測

一井幾何定向最常采用的方法是連接三角形法，即利用三角形的幾何原理分別在井上、井下建立三角形進行聯(lián)系測量，將地面方位角和坐標傳遞至井下，從而求得井下導(dǎo)線的起算邊方位和起算點平面坐標X，Y。

一井幾何定向的連接三角形法的外業(yè)施測主要包括：準備工作、定向投點和觀測。

2.1 外業(yè)施測準備工作

外業(yè)施測準備工作主要有：定向使用設(shè)備、測量儀器和連接三角形布設(shè)。

2.1.1 定向投點所使用的主要設(shè)備有：

①絞車：采用鉗工班焊制做手搖絞車，各部件能承受投點3倍重砣的重量，卷筒直徑250㎝雙閘手搖絞車，如圖1所示；

圖1 ：手搖絞車

②鋼絲：采用直徑2㎜抗拉強度高的炭素彈簧鋼絲；

③導(dǎo)向滑輪及固定支架2個；

④定點板：安置在井內(nèi)平臺上，以固定鋼絲的位置；

⑤穩(wěn)定液桶：穩(wěn)定重砣用，一般以200L汽油桶代替，用水代替穩(wěn)定液；

⑥重砣：以10㎏杠鈴片代替，共備用20個；

⑦擋水蓋。

2.1.2 定向觀測所使用的主要儀器有：

①全站儀及配套設(shè)備（三腳架、棱鏡、反射片）：2臺，其中一臺煤安防爆型用于井下測量，普通型用于井上測量；

②鋼尺：2把，井上、下丈量投點邊長用；

2.1.3 連接三角形布設(shè)

連接三角形法的示意圖如下圖2所示。由于垂球線A、B鋼絲不能安設(shè)儀器，故在井上、下分別選做C、C′為連接點（可臨時選定亦可事先設(shè)好），因此在井上、下構(gòu)成以AB為公用邊的△ABC和△ABC′，把這樣的三角形稱為連接三角形。其中點D為井上近井控制點，為起算點；點D′為井下導(dǎo)線點，為待定點。

在選擇井上、下連接點C和C′時應(yīng)滿足下列條件：

①井上連接點C與D及井下連接點C′與D′應(yīng)彼此通視，且CD和C′D′長度應(yīng)盡量大于20m，便于較長距離定向提高測角精度；

②連接點C和C′盡量設(shè)在AB延長線上，使三角形銳角γ和γ′應(yīng)小于2°，構(gòu)成最有利的延伸三角形；

圖2（a）

圖2（b）

2.2 定向投點

定向投點就是在井筒中掛2根鋼絲垂線。所需設(shè)備及安裝方法如下圖3所示。

圖3 ??

1 --絞車；2 --導(dǎo)向滑輪裝置；3 --重鉈；4 --穩(wěn)定液桶。

定向投點時，一般采用垂球線單重投點法，即在投點過程中，垂球的重量保持不變。將垂球放在水桶內(nèi)，使其處于靜止狀態(tài)。投點主要工序如下：

⑴安置并固定絞車；在井口選擇合適位置安置絞車，并將其牢固固定，以防加重后移動。

⑵在井口蓋板開孔處上方安置導(dǎo)向滑輪及支架，調(diào)整至合適位置，使鋼絲繩能夠從孔中穿下，且不能與蓋板相接，并予以固定。

⑶鋼絲下放；鋼絲通過導(dǎo)向滑輪并掛上5kg垂球（砂袋）后，從蓋板開孔緩慢下放。每放50m左右稍停一會，待垂球（砂袋）擺動稍微穩(wěn)定后再繼續(xù)下放。為了檢查鋼絲是否有彎曲和減少鋼絲的擺動，可用手輕扶鋼絲。

當鋼絲下掛垂球（砂袋）到達定向水平位置時，應(yīng)停止下放并閘住絞車。

⑷懸掛重鉈及穩(wěn)定鋼絲；待鋼絲到井底定向水平位置后，調(diào)整鋼絲到合適高度，應(yīng)考慮掛上重鉈后鋼絲被拉伸的長度。

取下垂球（砂袋），在鋼絲上掛上重鉈盤后逐個加上重鉈片，一般井深＜100m時，加重30～50㎏的重鉈，當井深＞100m時，則應(yīng)加重50～100㎏重鉈，本文施工案例中，由于井深在600m左右，故加重100㎏重鉈（用10㎏杠鈴片10個代替）。重鉈應(yīng)完全浸入穩(wěn)定液中，檢查是否與桶壁、桶底接觸。

⑸自由懸掛的檢查；檢查鋼絲在井筒中是否與井壁或者其它東西接觸，一般采用信號圈法進行檢查。

信號圈法即在鋼絲擺動穩(wěn)定后，在地面上用鐵絲做成直徑為2㎝左右的信號圈，套在鋼絲上，然后下放，每間隔一定時間下放一個，共放3～5個，看是否先后到達定向水平位置。

2.3 連接測量

待鋼絲繩穩(wěn)定，檢查自由懸掛之后，方可進行井上、下的連接測量工作。

如圖1-2（b）所示，井上、下連接測量觀測主要是觀測三角形的各要素，包括角度測量和邊長丈量。

⑴水平角觀測

水平角觀測可分別在井上、下同時進行。在連接點C（C′）架設(shè)儀器，用全圓方向觀測法分別測量γ、φ、Ψ（γ′、φ′、Ψ′）三個角度，其要求如表1。

表1：測角精度要求

⑵邊長丈量

丈量井上、下連接三角形的各邊長ɑ、b、c和ɑ′、b′、c′。

采用經(jīng)檢定合格的鋼尺水平丈量，并施加比長時的拉力，記錄丈量時的溫度。在垂線穩(wěn)定的情況下，應(yīng)用鋼尺的不同起點丈量6次，計數(shù)估讀到0.5㎜，同一邊長各次丈量值的互差不得大于2㎜，取其平均值作為丈量結(jié)果。

井上、下兩垂球線間的距離即c和c′，其丈量值互差一般不應(yīng)超過2㎜。

其中井上、下三角形邊長ɑ、b和ɑ′、b′現(xiàn)在可利用全站儀（光電測距）測得。

3 連接三角形法的計算

連接三角形法的計算分為兩部分：解算連接三角形，以以求出井上、下連接三角形的求知要素α、β和α′、β′并進行檢核；按一般導(dǎo)線計算的方法計算各邊的坐標方位角及各點的坐標。

3.1 解算連接三角形

三角形的解算是根據(jù)已觀測三角形的已知要素，按照幾何關(guān)系求得其它未知要素。

⑴兩垂球線間距離的檢查

兩垂球線間距離的檢查是為了檢查量邊的正確性。其計算如下：

（2）

根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定，井上連接三角形d不得大于2㎜，井下連接三角形d不得大于4㎜。符合要求時，可在丈量邊ɑ、b、c中分別加入下列改正數(shù)，以消除其差值。

⑵連接三角形內(nèi)角計算與檢查

對于延伸三角形，垂線處的角度α、β（α′、β′）按正弦公式計算，如下（2-4）：

求得α、β后，連接三角形內(nèi)角和α+β+γ應(yīng)等于180°。一般均能閉合，若尚有微小殘差時，則將其按反號平均分配到α、β中。

3.2 方位角及坐標的計算

在解算連接三角形，求得井上、下三角形的各要素之后，按一般導(dǎo)線計算的方法計算各邊的坐標方位角及各點的平面坐標X、Y。常用計算公式如下：

(6)

利用公式計算求得井上、下共用邊c的坐標方位角和A、B鋼絲的平面坐標，傳遞至井下繼而求得井下各邊的坐標方位角和各點坐標，從而使井上、下建立統(tǒng)一的平面坐標系統(tǒng)。

4 提高一井幾何定向精度應(yīng)注意事項

一井幾何定向工作環(huán)節(jié)較多，外界影響因素較大，測量精度要求高，通過對多次一井幾何定向工作的分析總結(jié)，為提高一井幾何定向的精度，著重要從以下幾方面加以重視。

⑴事先做好施工組織方案，合理安排井上、下作業(yè)人員，充分做好各項準備工作。

⑵測量工作所需計量儀器均應(yīng)經(jīng)檢定合格后方可投入使用。

⑶投點使用的鋼絲盡可能采用細直徑、抗拉強度高的碳素彈簧鋼絲。在抗拉強度60%～70%范圍內(nèi)盡量增大重鉈重量使鋼絲穩(wěn)定。

⑷對于井上、下連接三角形應(yīng)盡可能按最有利圖形形狀布設(shè)，滿足1.1.3中各項規(guī)定要求，且使A、B鋼絲盡可能靠近井筒壁，使共用邊c盡可能長。

⑸在進行連接測量時，必須按照《規(guī)程》要求進行觀測和丈量，各項限差要滿足要求。

⑹減小風(fēng)流、滴水對垂球線的偏斜影響，必要時在測量過程應(yīng)關(guān)停通風(fēng)設(shè)備，或者采用防風(fēng)套筒、擋水蓋等措施。

5 結(jié)束語

礦井聯(lián)系測量是礦山測量中的一項重要工作，一井幾何定向是煤礦豎井平面聯(lián)系測量中最常采用的方法，其目的在于：在礦井上、下建立統(tǒng)一的平面坐標系統(tǒng)，為礦建工作提供基礎(chǔ)保障。本文以長期工作經(jīng)驗總結(jié)，重點介紹了一井幾何定向最常用的連接三角形法的施測過程與計算，并總結(jié)出提高精度的注意事項，確保測量工作順利實施。

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