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学习情境矿井联系测量学习情境矿井联系测量 矿山测量 六、陀螺全站仪定向六、陀螺全站仪定向 七、陀螺经纬仪定向实训七、陀螺经纬仪定向实训子情境子情境 5 5 导入高程导入高程 一、导入高程的实质一、导入高程的实质 二、钢尺导入高程二、钢尺导入高程 三、钢丝导入高程三、钢丝导入高程 四、光电测距仪导入高程四、光电测距仪导入高程 五、导入高程项目实例五、导入高程项目实例 技能训练项目技能训练项目 2 22 矿山测量 矿山测量 矿山测量 矿山测量 矿山测量 矿山测量 矿山测量2.2.矿井定向的种类矿井定向的种类 矿井定向因矿井开拓方式的不同，可采用不同的方法。1）通过平硐和斜井的定向 2）通过一个立井的定向（一井定向）3）通过两个立井的定向（两井定向）以上3种定向工作均属于几何定向。4）陀螺经纬仪定向9 矿山测量精度要求如表2-1所示。表2-1 联系测量的主要精度要求10 矿山测量子情境子情境2 2 地面连接导线测量地面连接导线测量 在地面由近井点至井口（定向连接点）的连接导线，边数应不超过3条。导线点（不包括连接点）应埋设标石，并尽可能与等级控制点进行方向连测，以备检查近井点和导线点是否发生移动，或当近井点遭到破坏时可用连测导线点测量定向连接点的坐标。11 矿山测量 在地面连测时，应敷设测角中误差不超过5或10的闭合导线或复测支导线，测角量边的方法及精度要求，见表2-2。计算复测支导线的相对闭合差时，其导线总长为两次测量边长的总和。表2-2 光电测距导线的布设要求12 矿山测量子情境子情境3 3 立井几何定向立井几何定向 矿井平面联系测量的方法主要分为几何定向和物理定向两种，几何定向又分为一井定向和两井定向两种。物理定向即陀螺经纬仪定向。对斜井或平硐可以直接连测导线进行定向，也属于几何定向，由于其方法与普通导线测量方法一样，在此不做介绍。13 矿山测量一、一井定向一、一井定向图2-2 一井定向示意图1缠绕钢丝的手摇车；2导向滑轮；3定点板；4定点板固定架；5垂球；6水桶14 矿山测量 （一）投点（一）投点 所谓投点，就是在井筒中悬挂铅垂线至定向水平。投点的方法，一般都采用垂球线单重投点法。所谓单重投点，就是在投点过程中垂球的重量不变。单重投点又可以分为两类，即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，使其静止；在定向水平上测角量边时均与静止的垂球线进行连接。后一种方法则恰恰相反，是让垂球自由摆动，用专门的设备观测垂球线的摆动，从而求出它的静止位置并加以固定；在定向水平上连接时，应按固定的垂球线位置进行。稳定投点法，只有当垂球摆动振幅不超过0.4mm时才能应用。否则，必须采用摆动投点法。15 矿山测量1 1定向投点定向投点1 1）单重稳定投点）单重稳定投点 重稳定投点是假定垂球线在井筒内处于铅垂位置而静止不动，即它在任何水平面上的投影为一个点。但实际上这是不可能的，因此，当摆幅不超过0.4 mm时，应认为它是不摆动的。这种方法只有在井筒不深、气流运动稳定及滴水不大并采取一定必要的措施等条件下才能采用。投点需要的主要设备如下：16 矿山测量（1）垂球。（2）钢丝。（3）手摇绞车。缠绕钢丝的手摇绞车应满足下列两个条件：绞车的全部零件应当能承受井内工作时荷重的3倍。应具有闸和棘轮爪，以防止其自由转动。同时为了不使钢丝弯曲过甚，其滚筒直径应不小于250mm。（4）导向滑轮。（5）定点板，其用铁皮做成，在地面连接时，应在该定点板下0.5 m左右进行。（6）小垂球。（7）稳定垂球线的设备。17 矿山测量 2 2）单重摆动投点）单重摆动投点 当井深或风大使垂线难以稳定时，必须采用摆动投点，即观测垂线的摆动以确定其稳定位置并固定起来，然后进行连接。摆动投点可采用标尺法和定中盘法。目前，我国广泛采用标尺法来进行单重摆动投点。其所需设备及安装方法基本上和前述稳定投点一样，只不过在定向水平增设一带有标尺的定点盘来观测锤球的摆动。18 矿山测量 3 3）垂球线自由悬挂的检查）垂球线自由悬挂的检查 垂球线在井筒中是否与井壁或其他东西接触，必须进行检查。其检查方法如下：（1）信号圈法。（2）比距法。（3）钟摆法。式中 t一次摆动时间，即半周期，s；L垂球线的自由悬挂长度，m；g重力加速度，一般取9.80 m/s2。(4）乘罐笼或吊桶直接检查钢丝的悬挂。19 矿山测量2.2.投点误差析分投点误差析分 由地面向井下定向水平投点时，由于井筒内风流、滴水等因素的影响，致使钢丝（垂球线）在地面上的位置投到定向水平后会发生偏离，使钢丝偏斜，一般称这种线量偏差为投点误差。由这种误差而引起的垂球线连线的方向误差叫做投向误差。20 矿山测量图2-3 投点（投向）误差21 矿山测量 如图2-3(b)所示为两垂球偏向于连线的同一侧，且在连线的垂直方向上，使AB方向的投射产生了一个误差角，即 如两垂球线向其连线两边偏离，且在垂直于连线方向上，如图2-3(c)所示，则其投向误差可用下式求得：22 矿山测量设AA=BB=e，AB=c，且由于很小，则上式可简化为23 矿山测量3.3.减少投点误差的措施减少投点误差的措施 实践和理论研究证明，引起垂线投点误差的主要来源是马头门处风流对垂线的侧压力，要尽可能采取措施减小投点误差。垂线受风流影响所产生的投点误差e的估算公式为24 矿山测量25 矿山测量（二）连接（二）连接 连接测量的方法很多，如连接三角形法、瞄直法、对称读数连接法及连接四边形法等，本书主要介绍连接三角形法和瞄直法。1.1.连接三角形法连接三角形法 连接三角形是在井上和井下的井筒附近选定连接点C和C（见图2-4（a），形成以两垂球连线A，B为公共边的两个三角形ABC和ABC，称这两个三角形为连接三角形，如图2-4（b）所示。为了提高精度，连接三角形应布设成延伸三角形，即尽可能将连接点C和C设在AB延长线上，使，及，尽量小（不大于2），同时，连接点C和C还应尽量靠近一根垂球线。26 矿山测量图2-4 一井定向井上、下连接图27 矿山测量1）连接三角形法的外业工作 地面连接：测出，和角，丈量DC边和延伸三角形的a，b，c边。井下连接：测出，和角，丈量延伸三角形的a，b边和CD边。2）连接三角形法的内业工作（1）解算三角形，在图2-4(b)中，角度和边a，b，c均为已知，在ABC中，可按正弦定理求出和角，即28 矿山测量当178时，可按下列近似公式计算：29 矿山测量（2）导线计算，根据上述角度和丈量的边长，将井上、下看成一条由E-D-C-A-B-CDE组成的导线，按一般导线的计算方法求出井下起始边的方位角DE和起始点的坐标（XD，YD)。两垂线之间的距离c可按余弦公式计算，即30 矿山测量 当178)42 矿山测量表2-4 连接三角形连接井上下坐标计算43 矿山测量 二、两井定向二、两井定向 当矿井有两个立井，且在定向水平有巷道相通并能进行测量时，就要采用两井定向。所谓两井定向，就是在两个井筒中各挂一个垂球线，然后在地面和井下把两个垂球线连接起来（见图2-6），从而把地面坐标系统中的平面坐标及方向传递到井下。44 矿山测量图2-6 两井定向示意图45 矿山测量1.1.两井定向的外业测量工作两井定向的外业测量工作 1）投点 2）连接（1）地面连接（2）井下连接图2-7 两井定向连接示意图46 矿山测量 2.2.两井定向的内业计算两井定向的内业计算 （1）根据地面连接测量的结果，计算两垂球线的方位角及长度。（2）确定井下假定坐标系统，计算在定向水平上两垂球连线的假定方位角及长度。47 矿山测量 （3）测量和计算正确性的第一个检验。由式（2-14)和式（2-16)算出两垂球线间的长度经改正后理论上应完全相等。但由于测角量边误差的影响，实际上两者并不相等。（4）按地面坐标系统计算井下连接导线各边的方位角及各点的坐标。由图2-7(a)可清楚地看出：48 矿山测量（5）测量和计算正确性的第2个检验。49 矿山测量3 3两井定向项目实例两井定向项目实例图2-8 两井定向算例50 矿山测量表2-5 导线测量数据51 矿山测量表2-6 井下第一次测量值注：按井下7级导线测量的。52 矿山测量表2-7 两井定向地面连接导线坐标计算表53 矿山测量表2-8 按假定坐标系统进行井下连接导线的坐标计算54 矿山测量表2-9 按地面坐标系统进行井下连接导线的坐标计算55 矿山测量该矿两井定向独立进行了两次，第2次井下测量的成果见表2-10。表2-10 井下第二次测量成果表56 矿山测量 取两次计算结果的平均值作为两井定向井下连接导线的最终值，见表2-11。表2-11 两井定向井下连接导线的最终成果57 矿山测量子情境子情境4 4 陀螺仪方向陀螺仪方向一、概述一、概述 几何定向存在着占用井筒影响生产，且设备多、组织工作复杂，需耗费大量人力、物力和时间，并随着井筒深度的增加，定向精度相应降低等缺点，为了尽量避免上述问题，矿山测量者研究采用物理方法进行矿井定向。58 矿山测量二、自由陀螺仪的特性二、自由陀螺仪的特性 没有任何外力作用，并具有3个自由度的陀螺仪称为自由陀螺仪。如图29所示为自由陀螺仪的模型及其原理示意图。59 矿山测量图2-9 自由陀螺仪的模型及其原理示意图 1转子；2内环；3外环；4，5，6轴承60 矿山测量图2-10 方位的变化图2-11 陀螺仪重心下移61 矿山测量三、陀螺经纬仪的工作原理三、陀螺经纬仪的工作原理1.地球自转及其对陀螺仪的作用图2-12 陀螺经纬仪理的工作原理62 矿山测量 分量4表示地平面绕陀螺仪主轴旋转的角速度，其大小为 分量3表示地平面绕y轴旋转的角速度，其大小为63 矿山测量图2-13 陀螺仪的进动性64 矿山测量2.陀螺仪转子轴对地球的相对运动式中 M灵敏部的总重力矩，计算如下：m灵敏部的质量；g地球重力加速度；l灵敏部悬挂点到重心的距离。65 矿山测量图2-14 陀螺仪的简谐摆动66 矿山测量 由于x轴的摆动椭圆很扁，因此，通常把陀螺仪轴的不衰减摆动当作在平面内的摆动，如图215所示。当摩擦力矩的大小和方向都不变时，陀螺仪轴衰减微弱的摆动具有以下规律性：（1）前后两摆动的比值（衰减系数f）保持常数，如图216所示。（2）从上述对陀螺仪轴和地球的相对运动的分析中可知：陀螺仪的主轴是以子午面为零位围绕子午面做简谐运动的，这说明把陀螺仪轴的东西两逆转点位置记录下来，取其平均值即可得出子午面的方向。67 矿山测量图2-15 平面内的摆动图图2-16 陀螺仪摆动的规律性68 矿山测量四、陀螺经纬仪的基本结构四、陀螺经纬仪的基本结构图2-17 螺经纬仪基本构造 陀螺经纬仪是由陀螺仪和经纬仪组合而成的定向仪器，如图2-17所示。69 矿山测量 1陀螺马达；2陀螺房；3陀螺轴；4悬挂柱；5底盘；6底盘顶尖；7悬挂带；8悬挂带上钳形夹头；9悬挂带下钳形夹头；10导流丝；11上导流丝座；12下导流丝座；13光源；14进光棱镜；15光学准直管；16上棱镜；17下棱镜；18分划板；19目镜；20轴套；21导向轴22凸轮；23限幅盘；24限幅泡沫塑料垫；25锁紧圈；26支架；27下套筒；28上套筒；29磁屏蔽；30微调座；31连接托架；32经纬仪横轴70 矿山测量五、陀螺经纬仪的定向方法五、陀螺经纬仪的定向方法1.逆转点法测定井下未知边方位角的全过程1）在地面已知边上测定仪器常数前图2-18 陀螺经纬仪定向示意图71 矿山测量 测定TAB陀的方法如下：在A点安置陀螺经纬仪，严格对中整平，并以两个镜位观测AB的方向值Ml。将经纬仪的视准轴大致对准北方向。启动陀螺仪，按逆转点法测定陀螺北方向值NT。72 矿山测量 再用两个镜位观测AB的方向值M2，取M1和M2的平均值M作为AB方向线的最终方向值。73 矿山测量计算TAB陀：74 矿山测量 2）在井下定向边上测量陀螺方位角Tab陀测两测回，如图2-18(b）所示。3）求仪器常数及平均值平 返回地面后再在AB边上测一次仪器常数后，得仪器常数的平均值平为4）计算井下未知边的坐标方位角如图2-2(b)所示，井下未知边的坐标方位角为75 矿山测量2.中天法（1）严格整置经纬仪，架上陀螺仪，以一个测回测定待定或已知测线的方向值。然后将仪器大致对正北方向。（2）进行粗略定向。（3）测前零位观测。76 矿山测量图2-19 零位观测示意图77 矿山测量图2-20 中天法观测示意图（4）启动陀螺马达，待达到额定转速后下放灵敏部，经限幅，使光标像摆幅不超过目镜视场。然后参照图2-20，按下列顺序进行观测：78 矿山测量灵敏部指标线经过分划板零刻线时启动专用秒表读取中天时间t1。灵敏部指标线到达逆转点时，在分划板上读取摆幅读数aE。灵敏部指标线返回零刻线时读出秒表上的读数t2。灵敏部指标线到达另一逆转点时读摆幅读数aW。灵敏部指标线返回零刻线时再读秒表上中天时间t3。79 矿山测量（5）测后零位观测，方法同前。（6）以一测回测定特定或已知测线方向值。前、后两测回的限差要求同逆转点法定向。取前、后两次的平均值作为测线方向值。基本计算如下：摆动周期：时间差：摆幅值：80 矿山测量近似北方偏离平衡位置的改正数：摆动平衡位置在水平度盘上的读数陀螺北方向值NT为式中，c为比例系数，其测定和计算方法如下：利用实际观测数据求c值81 矿山测量 把经纬仪照准部摆在偏东10和偏西10左右，分别用中天法观测，求出时间差t1和t2，以及摆幅值a1和a2，可用下式求解得到c值，即 c值与地理纬度有关，在同一地区南北不超过500 km范围以内可使用同一c值，超过这个范围须重新测定，隔一定时间后应抽测检查。82 矿山测量利用摆动周期计算比例系数c式中 m分划板分划值；T1跟踪摆动周期；T2不跟踪摆动周期。83 矿山测量六、陀螺全站仪定向六、陀螺全站仪定向1陀螺全站仪简介2陀螺全站仪结构3陀螺全站仪定向原理4陀螺全站仪定向方法图2-21 索佳 GP3130R3 型陀螺全站仪84 矿山测量1）粗定向（1）磁针粗定向（2）陀螺粗定向2）精密定向（1）基准镜测量（2）测前零位（3）启动陀螺（4）积分测量（5）制动陀螺（6）测后零位85 矿山测量七、陀螺经纬仪定向实训七、陀螺经纬仪定向实训1.本次实训技能目标（1）了解自由陀螺仪的特性。（2）熟悉陀螺经纬仪的基本构造。（3）掌握一个测站上陀螺经纬仪定向的工作内容。2.本次实训使用仪器、设备陀螺经纬仪1套、秒表1只、观测记录表格若干。86 矿山测量3.本次实训操作步骤 （1）严格安置经纬仪，架上陀螺仪，以一个测回测定待定或已知测线的方向值，然后将仪器大致对正北方向。（2）锁紧摆动系统，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，进行粗略定向。制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方位置，固定照准部，把水平微动螺旋调整到行程范围的中间位置。87 矿山测量（3）打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部，进行测前悬带零位观测，同时用秒表记录自摆动周期。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。（4）启动陀螺马达，达到额定转速后，缓慢的下放灵敏部到半脱离位置，稍停数秒钟，再全部下放。如果光标像移动过快，再使用半脱离阻尼限幅，使摆幅大约在13范围为宜。88 矿山测量（5）测后零位观测，方法同测前零位观测。（6）以一测回测定待定或已知测线的方向值，前后两次观测结果的互差不得超过相应的限差，取测前测后两测回的平均值作为测线方向值，见表2-12。4.本次实训基本要求（1）在一个测站上采用跟踪逆转点法进行定向工作。（2）至少连续跟踪5个逆转点。89 矿山测量 （3）测前与测后零位值的互差，对15级仪器不得超过0.2格，对其他仪器不得超过0.4格。（4）逆转点法观测的限差见表213。（5）在启动陀螺马达到额定转速之前和制动陀螺马达的过程中，陀螺灵敏部必须处于锁紧状态，防止悬挂带导流丝受损伤。（6）在陀螺灵敏部处于锁紧状态、马达又在高速旋转时，严禁搬动和水平旋转仪器。（7）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。（8）其他。5.本次实训提交资料90 矿山测量表2-12 陀螺经纬仪定向记录（逆转点法）91 矿山测量（1）训练名称、地点、时间、组员、组别。（2）训练目的、要求。（3）训练内容和方法步骤。（4）观测数据处理，包括图、表，并附实验原始记录。（5）对训练结果进行分析、总结，并写出体会（6）训练中如果有的项目超限，分析超限原因，说明处理方法。92 矿山测量子情境子情境5 5 导入高程导入高程 一、导入高程的实质一、导入高程的实质 高程联系测量就是导入高程，其任务就是把地面坐标系统中的高程，经过平铜、斜井或立井传递到井下高程测量的起始点上，使井上、下采用统一高程系统也称导入标高。93 矿山测量 （1）通过平铜导入高程。采用井下几何水准测量或三角高程测量来完成，其测量方法和精度要求与井下水准基本控制测量相同。（2）通过斜井导入高程。用一般三角高程测量来完成其测量方法和精度要求与井下基本控制三角高程测量相同。（3）通过立井导入高程。其工作内容实际上是丈量井筒的深度，为此必须采用专门的方法才能来完成。94 矿山测量二、钢尺导入高程二、钢尺导入高程式中，l为钢尺的总改正数，它包括尺长、温度、拉力和钢尺自重等四项改正数，即95 矿山测量 钢尺工作时的温度应取井上、下温度的平均值。当钢尺下端悬挂的垂球重量为钢尺的标准拉力时,则拉力改正lp为零，否则应根据实际垂球陀重量拉力进行计算。钢尺自重改正可按下列公式计算为式中 钢尺的密度，一般取7.8kg/cm3 E钢尺的弹性系数，一般为2106 kg/cm2；l井上下水准仪视线间钢尺长度。96 矿山测量 为了校核和提高精度，导入标高应进行两次。按规程规定两次之差不得大于l/8 000(l为m与n之间的钢尺长度）。图2-22 钢尺法导入高程图2-23 钢丝导入高程97 矿山测量三、钢丝导入高程三、钢丝导入高程 矿井联系测量用的钢丝直径小、强度高，导入标高时，将钢丝通过小滑轮由地面挂至井底，以代替钢尺，如图2-23所示。其原理及方法与钢尺导入标高相同，只是由于钢丝上没有刻划，故应在钢丝上的水准仪照准处做上标记，然后用小绞车绕起钢丝的同时，在地面丈量出两记号间的长度。98 矿山测量四、光电测距仪导入高程四、光电测距仪导入高程 随着光电测距仪在测量中的应用，用测距仪来测量井深也可达到导入高程的目的。这种方法测量精度高，占用井筒时间短，测量方法简单。式中 H光电测距仪的气象及仪器加乘数等的总改正数。99 矿山测量图2-24 光电测距仪导入高程其中 上述测量也应重复进行两次，按规程规定两次之差不得大于H/8 000。100 矿山测量五、导入高程项目实例五、导入高程项目实例 某矿井采用钢丝导入高程，实际测量方式如图2-23所示，实测数据如表2-14所示。101 矿山测量表2-14 钢丝导入高程测量结果102 矿山测量（1）钢尺的比长改正：（2）总的温度改正：（3）水准点A与B的高差：然后通过公式HB=HAhAB直接就可以求得井下起始水准点B的高程。103 矿山测量 技能训练项目技能训练项目2 2 1.矿井联系测量的目的和任务是什么?为什么要进行联系测量？2.陈述一井定向的主要步骤，对所用设备有何要求？3.何谓投点误差？减小投点误差有哪些措施？4.何谓连接三角形？怎样才能构成最有利的连接三角形？5.简述连接三角形的解算步骤和方法。6.与一井定向相比，两井定向有哪些优越性？104 矿山测量 7.如何进行两井定向的误差预计？8.自由陀螺仪有哪两个特性？陀螺经纬仪的工作原理是什么？9.简述陀螺经纬仪的基本部件构成。10.简述陀螺经纬仪定向的工作内容。11.导入高程随开拓方法不同分为哪几类？12.简述用长钢尺法导入标高的设备、安装施测过程及计算方法。105 矿山测量 13.某矿用连接三角形法进行一井定向，其井上下连接如图2-25所示图2-25 一井定向井上下连接106