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(jì)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(xiàng)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(biāo)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(shí)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(diǎn)闡述了一井幾何定向外業(yè)施測、定向投點(diǎn)、連接測量及連接三角形的計(jì)算方法，最后并根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一些提高一井幾何定向精度應(yīng)注意的事項(xiàng)，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(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)傳遞到井下的測量。將地面平面坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)?？梢?，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(jìn)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(biāo)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(biāo)方位角和井下導(dǎo)線起算點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y。

本文以陜西某煤礦為了實(shí)現(xiàn)主、副、風(fēng)井間巷道的貫通而進(jìn)行的一井幾何定向工作為例，通過實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)與連接三角形的計(jì)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(jìn)行聯(lián)系測量，將地面方位角和坐標(biāo)傳遞至井下，從而求得井下導(dǎo)線的起算邊方位和起算點(diǎn)平面坐標(biāo)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(zhǔn)備工作、定向投點(diǎn)和觀測。

2.1 外業(yè)施測準(zhǔn)備工作

外業(yè)施測準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)（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(diǎn)D為井上近井控制點(diǎn)，為起算點(diǎn)；點(diǎn)D′為井下導(dǎo)線點(diǎn)，為待定點(diǎn)。

在選擇井上、下連接點(diǎn)C和C′時應(yīng)滿足下列條件：

①井上連接點(diǎn)C與D及井下連接點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)

定向投點(diǎn)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(diǎn)時，一般采用垂球線單重投點(diǎn)法，即在投點(diǎn)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?fàn)顟B(tài)。投點(diǎn)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(dāng)鋼絲下掛垂球（砂袋）到達(dá)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)行。在連接點(diǎn)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(diǎn)丈量6次，計(jì)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(jì)算

連接三角形法的計(jì)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(jìn)行檢核；按一般導(dǎo)線計(jì)算的方法計(jì)算各邊的坐標(biāo)方位角及各點(diǎn)的坐標(biāo)。

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(jì)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(jì)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(jì)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(biāo)的計(jì)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(jì)算的方法計(jì)算各邊的坐標(biāo)方位角及各點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y。常用計(jì)算公式如下：

(6)

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

4 提高一井幾何定向精度應(yīng)注意事項(xiàng)

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(xiàng)準(zhǔn)備工作。

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

⑶投點(diǎn)使用的鋼絲盡可能采用細(xì)直徑、抗拉強(qiáng)度高的碳素彈簧鋼絲。在抗拉強(qiáng)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(xiàng)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(jìn)行連接測量時，必須按照《規(guī)程》要求進(jìn)行觀測和丈量，各項(xiàng)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(xiàng)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(biāo)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(yàn)總結(jié)，重點(diǎn)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(jì)算，并總結(jié)出提高精度的注意事項(xiàng)，確保測量工作順利實(shí)施。

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