中国矿业大学矿山测量学课程设计.docx
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中国矿业大学矿山测量学课程设计
中国矿业大学本科09级课程设计
矿山测量
课程设计报告
姓名班级：
学号：
指导老师：
中国矿业大学本科09级课程设计
2012年6月20日
一、课程设计概述1
1.1设计目的1
1.2设计内容1
1.3编制依据1
1.4坐标系统1
二、矿井平面联系测量2
2.1两井定向方案2
2.1.1技术规范及限差要求2
2.1.2测量方案3
2.1.3投点、连接4
2.1.4工作组织与安全措施5
2.2.2陀螺经纬仪定向步骤7
2.2.3组织工作与注意事项8
2.2.3陀螺经纬仪定向误差分析8
2.3两种方案的比较8
2.3.1两井定向精度估计8
2.3.2陀螺定向精度估计9
三、井下平面控制测量11
3.1井下导线的等级与布设11
3.2导线布设系统12
3.3精度估算13
3.3.1基本控制精度估算13
3.3.2采区控制精度估算14
四、高程联系测量15
4.1高程导入方法15
4.1.1钢尺导入高程15
4.1.2钢丝导入高程16
4.1.3光电测距仪导入高程17
4.2精度估算17
五、井下高程控制测量18
5.1地面水准测量18
5.1.1地面水准布设方案18
5.1.2地面水准精度估算19
5.2井下水准控制网设计21
5.2.1井下水准布设方案21
5.3井下三角高程设计23
5.3.1布设方案23
5.3.2精度估算23
六、经验与收获24
中国矿业大学本科09级课程设计
、课程设计概述
1.1设计目的
矿山测量课程设计是在学完矿山测量学课程和完成矿山测量教学实验之后进行的，是对学生进行测绘高级工程人才基本训练的一个重要环节。
其目的在于通过对某矿井的主要矿山测量工作的设计，培养学生独立分析问题和解决问题的能力及其创新能力。
为了通过模拟实践更好的理解课本知识，更真实的了解矿山测量工作，环境与测绘学院在2012年5月组织09届学生进行为期一周的矿山测量课程设计，让学生将学过的知识有效的复习并形成体系。
1.2设计内容
（1）矿井平面联系测量
（2）井下平面控制测量
（3）高程联系测量
（4）井下高程控制测量
1.3编制依据
（1）《煤矿安全规程》
（2）《煤矿测量规程》
⑶《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/18314-2009）
⑷《DZS3水准仪使用说明书》（北京博飞）;
（5）《LeicaTC1500用户手册》（瑞士徕卡）；
（6）《测绘产品检查验收规定》，CH1002－95。
（7）《测绘产品质量评定标准》，CH1003－95。
1.4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，应尽可能采用
国家3o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
2
区坐标系统。
矿区面积小于50km且无发展可能时，可采用独立坐标系统。
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。
、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。
⑵需要确定相邻矿井的各巷道间及巷道与老塘（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。
⑶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，以及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。
本设计采用两井定向方案与陀螺经纬仪定向两种方案，并对其进行了精度评定和比较。
2.1两井定向方案
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。
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。
x
1……2
两井定向示意图
图两井定向示意图
2.1.1技术规范及限差要求
表近井光电测距导线的布设与精度要求
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
15
2~5
1/100000
±1.8
1/00000
四等导线
10
1~2
1/100000
±2.5
1/40000
一级导线
5
0.5
1/30000
±5
1/20000
二级导线
3
0.25
1/20000
±10
1/10000
《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
Mo602'221.2
若忽略投向误差9,认为井上、下连接误差大致相同，则
m±m下=21.2,2=15
2.1.2测量方案
本设计中，井上测设采用二级导线，从两个给定已知点M、N敷设导线，求得近井点的
坐标及方位角，设计图见图1-1（绿色部分为井上导线）。
图1-1近井点测量设计图
本设计中，在井下定向水平，测设经纬仪导线A-1-2-3-4-5-6-7-B，导线采用15"基本控制
导线。
导线布设图见图1-2（蓝色部分为井下导线）。
图1-2井下导线布设图
2.1.3投点、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。
本矿井筒400左右，不算太深，滴水不大，井筒气流比较缓和，因此决定采用单重稳定投点万式。
所需设备及要求：
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。
如图1所示。
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土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M。
不超过20〃方案才能被采用。
2.1.4工作组织与安全措施
工作组织的主要流程有：
（1）准备工作
选择连接方案，做出技术设计；定向设备及用具准备；检查定向设备及检验仪器；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；确定井上下负责人，同一负责指挥
和联络工作。
（2）制定地面的工作内容及顺序
（3）制定定向水平上的工作内容和顺序
（4）定向时的安全措施：
定向过程中应劝阻一切非定向工作人员在井筒附近停留；提升容器应牢固停妥；井盖必须结实可靠地改好；对定向钢丝必须事先仔细检查，放提钢丝时应事先通知井下，只有当井下人员撤离时才能开始；垂球未到井底，人员不得进入井筒；钢丝要均匀慢放。
（5）定向后的技术总结：
包括定向测量的实际时间安排，实际参与定向的人员和分工；地面连测导线的计算成果及精度；定向的内业计算和精度评定；定向测量的综合评述和总结。
2.1.4内业数据处理
由于每个井筒内只投一个点，不能直接推算井下导线边的方位角。
因此，首先采用假定坐标系统，然后经过换算求得与地面坐标系统一致的方位角。
（1）根据地面导线计算A、B点坐标，通过坐标反算原理求出两锤球线连线在地面坐标系统中的方位角、边长；
（2）建立井下假定坐标系统，计算在定向水平上两锤球线连线的假定方位角、边长。
通常为了计算方便，假定A-1边为X'轴方向，与A-1垂直方向为y'轴，A点为坐标原点，即
IIHI'
A1o0000xaoya0
计算井下连接导线各点假定坐标，直至锤线B的假定坐标Xb和yB。
再通过反算公
式计算AB的假定方位角及其边长：
tanab江公加
SAB
sinab
■_（xAB）2（yab）2
COSAB
理论上讲,
xBxAxA
Sab和SAB应相等。
（3）按地面坐标系统计算井下连接导线各边的方位角及各个点的坐标。
I
式中若ABA1AB360AB
A1ABAB
然后根据ai之值，以锤线a的地面坐标重新计算井下连接导线各边的方位角及各点的坐标，最终求得锤线B的坐标。
井下连接导线按地面坐标系统算出B点坐标值应和地面连接导线所算得的B点坐标值相等。
为了检核，两井定向也应独立进行两次，两次算得的井下起始边的方位角互差不得超过1'。
2.2陀螺定向方案设计应包括选用仪器、选定地面和井下测定边、观测方法和限差、精度估计、坐标传递、工作组织等
陀螺定向是运用陀螺经纬仪直接测定井下未知边的方位角。
它克服了运用几何定向方法进
行联系测量时占用井筒时间长、工作组织复杂等缺点，目前，已广泛应用于矿井联系测量和控制井下导线方向误差的积累。
本次陀螺定向所用陀螺经纬仪为JT15NO79563陀螺经纬仪。
上图中为仪器常数，r为子午线收敛角,
T为陀螺方位角，0为坐标方位角，Ao为地理方位角。
2.2.1陀螺经纬仪定向基本原理
各个参数的关系如下：
、
=A
A
1在地面已知边上测定仪器常数
求得仪器常数：
=A0-T
2在井下定向边上测定陀螺方位角
I
在井下进行陀螺定向，则定向边的地理方位角A为：
A=T+
测量要求：
测定定向边陀螺方位角应独立进行两次，其互差应小于40〃
3仪器上井后重新测定仪器常数
仪器上井后，应在已知边上重新测定仪器常数2—3次。
前后两次测定的仪器常数，其中任意两个仪器常数的互差应小于40〃，然后求出仪器常数的最或是值。
用白塞尔公式m【vv】/（厂D评定一次测定中误差。
4求算子午线收敛角
地理方位角和坐标方位角的关系为：
A0=0+0
子午线Y0勺符号由安置经纬仪的位置确定，在中央子午线以东为正，以西为负。
5求算井下定向边的坐标方位角
由上述公式可得出：
△=A0-T=0+0-T
I
因此井下定向边的坐标方位角为：
=A-=T+平-
2.2.2陀螺经纬仪定向步骤
本次测量运用逆转点法
第一步：
在A点安置陀螺经纬仪，严格整平对中，并以两个镜位观测测线方向AB的方向值
――测前方向值M10
第二步：
将经纬仪的视准轴大致对准北方向（对于逆转点法要求偏离陀螺子午线方向不大于60'。
第三步：
测量悬挂带零位值一一测前零位，同时用秒表测定陀螺摆动周期。
第四步：
用逆转点法精确测定陀螺北方向值Nt。
启动陀螺马达，缓慢下放灵敏部，使摆幅在1°~3°范围内。
调节水平微动螺旋使光标像与分划板零刻度线随时保持重合，到达逆转点后，记下经纬仪水平度盘读数。
连续记录5个逆转点的读数Ul、U2、U3、U4、U5,并按下式计算NT：
第五步：
进行测后零位观测，方法同测前零位观测。
第六步：
再以两个镜位测定AB边的方向值一一测后方向值M2。
I
第七步：
计算Tab陀螺方位角：
（丁）
Tab陀=%J^Nt
于是可得井下定向边坐标方位角。
2.2.3组织工作与注意事项
1必须在熟悉陀螺仪性能的基础上，由具有一定操作经验的人员来使用仪器。
2在启动陀螺马达达到额定之前和制动陀螺马达的过程中，陀螺灵敏部必须处于紧锁状态，防
止悬挂带和导流丝受损伤。
3在陀螺灵敏部处于紧锁状态、马达又在处于高速旋转时，严禁搬动和水平旋转仪器。
4在使用陀螺电源逆变器时，要注意接线的正确；使用外接电源时应注意电压、极性是否正确。
在没有负载时，不得使用逆变器。
5陀螺仪存放时，要装入仪器箱内，放入干燥剂，仪器要正确存放，不要倒置或躺卧。
6仪器应放在干燥，清洁，通风良好处，切忌放到热源附近。
7仪器用车辆运载时，要使用专用防震包装箱。
8在野外观测时，仪器要避免太阳光直接照射。
9目镜或其他光学零件受污时，先用软毛刷轻轻拭去灰尘，然后用镜头纸或软绒布揩拭，一面伤光洁度和表面涂层。
2.2.3陀螺经纬仪定向误差分析
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、气温及震动等因素的影响。
2.3两种方案的比较
2.3.1两井定向精度估计
1、地面连接误差
m上=m
AB
222：
22
mxAmxB-cnm
地面连接误差包括由近井点T到结点U和由结点U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
c――两垂球线间的距离；
mxA――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;mxB――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；
2
mxA
2・2
misin
2
mxB
RyB、^Bl
2.2
msin
2
、mxAi
m――由近井点到结点间导线的测角误差。
经计算，得m±=12.78<21.2,符合精度要求
2、井下连接误差
井下导线测角误差所引起的不同边的连接误差计算公式：
M22m2:
c2R：
Rb2
M；m2..c2RA2Rb2
M2,m2：
c2Ra2Rb2
由井下导线量边误差所引起的连接误差计算公式：
222•'22
macI,sin,
上式中R'A（见图9-11）为由导线点1、2、3、…、（i-1）到垂球线A的距离在AB连线上的投影;
而R'B则为由导线点i、i+1、…、（n-1）到垂球线B的距离在AB连接上的投影。
经计算，最大方位角误差为14〃，小于限差15〃，符合精度要求。
则M0、m上m下=<13+1才=19.1〃
2.3.2陀螺定向精度估计
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GYROMAT20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、气温及震动等因素的影响。
（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
般陀螺定向边都较长，当测线边长d=60m时，取&=ec=0.8mm则觇标对中误差和仪器
2厂旷kr?
=错误味找到引用源。
他二朋=
对中误差为:
②测线一测回的测量方法中误差
mi6"
测前测后两测回的平均值中误差
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m和读数误差m
uo
30"
7.5
mo0.05t0.05t603'
故逆转点观测误差为：
mcm2mO42325"
由5个逆转点读数计算平均值的公式为：
N°‘J3u24u33u4U5）
H91691
mN0一，mc
\144
故经纬仪测定方向的误差为：
:
2222~
mHmecmeTm,平
mc
2".5
1.8921.8924.2422.52
5".6
则相应的误差为：
（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mE2"，取mE2"。
（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、外界气候的变化以及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m4"。
a
（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，灵敏部内部温度的变化引起重心位移以及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12"〜16"，中误差mb6"。
（5）外界条件，如风流、气温及震动等影响
这些条件的影响程度较为复杂，无法精确地一一测试，可取m外5"。
所以，测线陀螺方位角一次测定中误差为：
-2222T］厂小2T2?
2Z2彳ec
mTmHmEmambm外5.6246510'.6
误差分析的结果说明德国威斯特发伦采矿联合公司的GYROMAT20型陀螺经纬仪的设计精度是合理可行的。
三、井下平面控制测量
在井下施工过程中，平面控制测量按照与地面控制测量统一的坐标系统，建立地下的控制系统。
根据地下导线的坐标，就可以放样出巷道中线及其腰线的位置，指出巷道开挖的方向，保重贯通施工时时的精度要求。
矿区控制一般布设成三角网，边角网或导线网。
在布设控制网时，每个井口附近至少有一个控制点。
而在井下巷道中测量时，只能敷设成支导线或者导线网的形式，随着巷道的开挖向前延伸。
1989年能源部颁发《煤
这两类又都应该敷设成
3.1井下导线的等级与布设
井下导线的布置，按照“高级控制低级”的原则进行。
根据我国矿测量规范》规定，井下平面控制测量分为基本控制和采区控制两类闭（附）合导线或者复测支导线。
技术指标见表1-1、表1-2。
表1-1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
导线全长相闭（附）合导
线
【对闭合差
复测支导线
>5
±7
60〜200
1/8000
1/6000
V5
±15
40〜140
1/6000
1/4000
表1-2采区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
>1
±15
30〜90
1/4000
1/3000
V1
±30
——
1/3000
1/2000
基本控制导线按照测角精度分为土7〃和土15〃两级，一般从井底车场起始边开始，沿主
要巷道（井底车场，水平大巷，集中上、下山等）敷设，通常每隔1.5~2.0km应加测陀螺定向
边，以提供检核和方位平差条件。
采区控制导线按测角精度分为土15〃和土30〃两级，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。
3.2导线布设系统
3.2.1基本控制设计
由于本矿井两翼长度在4km和3km左右，因此基本导线测角中误差要求15〃，附和导线
导线全长相对闭合差要求1/6000。
根据技术规范，基本控制布置为四等导线就可满足要求，采用J6经纬仪进行。
基本控制网设计见图3-1。
图3-1基本导线布设
3.2.2采区控制设计
由于本设计小于1km因此测角中误差小于土30〃即可，采用J6经纬仪进行。
采区控制设计见图3-2。
图3-2采区导线布设
3.3精度估算
3.3.1基本控制精度估算
精度评定
点名
方应毎中
误差㈡
建（mn）
边栓相对中濮差
相铝点■&
坐厭谓筆
Xy1on）
M（wu）
A（nun）
乃iirn）
F（度）
B
0.65
0.43
1/10S7
645
12
0.26
（k37
0.45
0.43
0+14
122.23
0.86
0.46
1'睥万
670
11
0,64
0.56
0,85
0.铤
th56
167.19
1-01
0.42
184031
0.46
10
0.76
0.66
1.OO
0.76
0.66
178.52
1.09
X47
1/32万
D.93
9
L40
679
L61
L42
0+74
12.52
L10
0.43
1&5913
645
3
1.38
0.75
L57
1.39
0.74
5.61
1.05:
0.43
1/□万
0.49
了
1.23
0.78
L46
1,23
0.79
5.38
0.94
0.42
L&8773
644
6
L19
0,77
1F41
1.19
山77
0,34
0.76
0-47
1/33万
0.73
6?
0.93
0.77
1.20
0.93
0.76
170.19
0.64
0_48
1/37万
0.73
5
0.79
0.73
1.OS
&.80
0”70
150,09
0.671
0.43
1&1974
643
4
0,72
0,71
LOL
0.76
0.67
138+52
0.67
0_46
1/曲万
0.63
3
0.47
B.62
0.78
山制
0.41
117.33
0.73
D.44
1/口万
0,51
2
0.31
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