煤矿竖井联系测量一井几何定向的施测与计算方法研究

温向卫 寇中平



煤矿竖井联系测量一井几何定向的施测与计算方法研究

温向卫 寇中平

（陕西省煤田物探测绘有限公司 陕西西安 710005）

矿井联系测量是矿山测量中的一项重要工作，一井几何定向是矿井平面联系测量最常采用的方法，主要目的是为矿井上、下建立统一的测量平面坐标系统，为相邻矿井间各种巷道的贯通提供重要依据，为矿建工作提供基础保障。现以实例就矿井联系测量一井几何定向最常用的连接三角形法作以介绍，重点阐述了一井几何定向外业施测、定向投点、连接测量及连接三角形的计算方法，最后并根据工作经验总结出一些提高一井几何定向精度应注意的事项，供大家参考。

煤矿竖井 联系测量 一井 几何定向 连接三角形

1 引言

煤矿矿井联系测量是指将矿区平面坐标系统和高程系统传递到井下的测量。将地面平面坐标系统传递到井下的测量称为平面联系测量，简称定向。其必要性在于：⑴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采空区间的相互关系；⑶为解决矿建上相邻矿井间各种巷道的贯通提供井上、下统一的平面坐标系统。可见，矿井定向工作在煤矿建设和开采阶段的工作中具有极其重要的作用，为煤矿安全高效生产提供基础保障。

通过一个立井按照几何原理进行的定向工作叫做一井几何定向，也就是在一个立井中悬挂钢丝垂线由地面向井下传递平面坐标和方位的测量工作。一井几何定向是煤矿竖井平面联系测量中最常采用的方法，其任务在于：确定井下导线起算边的坐标方位角和井下导线起算点的平面坐标X、Y。

本文以陕西某煤矿为了实现主、副、风井间巷道的贯通而进行的一井几何定向工作为例，通过实际工作经验总结，对一井几何定向的外业施测方法、技术要求及注意事项与连接三角形的计算作以简单介绍和探讨。

2 一井几何定向的施测

一井几何定向最常采用的方法是连接三角形法，即利用三角形的几何原理分别在井上、井下建立三角形进行联系测量，将地面方位角和坐标传递至井下，从而求得井下导线的起算边方位和起算点平面坐标X，Y。

一井几何定向的连接三角形法的外业施测主要包括：准备工作、定向投点和观测。

2.1 外业施测准备工作

外业施测准备工作主要有：定向使用设备、测量仪器和连接三角形布设。

2.1.1 定向投点所使用的主要设备有：

①绞车：采用钳工班焊制做手摇绞车，各部件能承受投点3倍重砣的重量，卷筒直径250㎝双闸手摇绞车，如图1所示；

图1 ：手摇绞车

②钢丝：采用直径2㎜抗拉强度高的炭素弹簧钢丝；

③导向滑轮及固定支架2个；

④定点板：安置在井内平台上，以固定钢丝的位置；

⑤稳定液桶：稳定重砣用，一般以200L汽油桶代替，用水代替稳定液；

⑥重砣：以10㎏杠铃片代替，共备用20个；

⑦挡水盖。

2.1.2 定向观测所使用的主要仪器有：

①全站仪及配套设备（三脚架、棱镜、反射片）：2台，其中一台煤安防爆型用于井下测量，普通型用于井上测量；

②钢尺：2把，井上、下丈量投点边长用；

2.1.3 连接三角形布设

连接三角形法的示意图如下图2所示。由于垂球线A、B钢丝不能安设仪器，故在井上、下分别选做C、C′为连接点（可临时选定亦可事先设好），因此在井上、下构成以AB为公用边的△ABC和△ABC′，把这样的三角形称为连接三角形。其中点D为井上近井控制点，为起算点；点D′为井下导线点，为待定点。

在选择井上、下连接点C和C′时应满足下列条件：

①井上连接点C与D及井下连接点C′与D′应彼此通视，且CD和C′D′长度应尽量大于20m，便于较长距离定向提高测角精度；

②连接点C和C′尽量设在AB延长线上，使三角形锐角γ和γ′应小于2°，构成最有利的延伸三角形；

图2（a）

图2（b）

2.2 定向投点

定向投点就是在井筒中挂2根钢丝垂线。所需设备及安装方法如下图3所示。

图3   

1 --绞车；2 --导向滑轮装置；3 --重铊；4 --稳定液桶。

定向投点时，一般采用垂球线单重投点法，即在投点过程中，垂球的重量保持不变。将垂球放在水桶内，使其处于静止状态。投点主要工序如下：

⑴安置并固定绞车；在井口选择合适位置安置绞车，并将其牢固固定，以防加重后移动。

⑵在井口盖板开孔处上方安置导向滑轮及支架，调整至合适位置，使钢丝绳能够从孔中穿下，且不能与盖板相接，并予以固定。

⑶钢丝下放；钢丝通过导向滑轮并挂上5kg垂球（砂袋）后，从盖板开孔缓慢下放。每放50m左右稍停一会，待垂球（砂袋）摆动稍微稳定后再继续下放。为了检查钢丝是否有弯曲和减少钢丝的摆动，可用手轻扶钢丝。

当钢丝下挂垂球（砂袋）到达定向水平位置时，应停止下放并闸住绞车。

⑷悬挂重铊及稳定钢丝；待钢丝到井底定向水平位置后，调整钢丝到合适高度，应考虑挂上重铊后钢丝被拉伸的长度。

取下垂球（砂袋），在钢丝上挂上重铊盘后逐个加上重铊片，一般井深＜100m时，加重30～50㎏的重铊，当井深＞100m时，则应加重50～100㎏重铊，本文施工案例中，由于井深在600m左右，故加重100㎏重铊（用10㎏杠铃片10个代替）。重铊应完全浸入稳定液中，检查是否与桶壁、桶底接触。

⑸自由悬挂的检查；检查钢丝在井筒中是否与井壁或者其它东西接触，一般采用信号圈法进行检查。

信号圈法即在钢丝摆动稳定后，在地面上用铁丝做成直径为2㎝左右的信号圈，套在钢丝上，然后下放，每间隔一定时间下放一个，共放3～5个，看是否先后到达定向水平位置。

2.3 连接测量

待钢丝绳稳定，检查自由悬挂之后，方可进行井上、下的连接测量工作。

如图1-2（b）所示，井上、下连接测量观测主要是观测三角形的各要素，包括角度测量和边长丈量。

⑴水平角观测

水平角观测可分别在井上、下同时进行。在连接点C（C′）架设仪器，用全圆方向观测法分别测量γ、φ、Ψ（γ′、φ′、Ψ′）三个角度，其要求如表1。

表1：测角精度要求

⑵边长丈量

丈量井上、下连接三角形的各边长ɑ、b、c和ɑ′、b′、c′。

采用经检定合格的钢尺水平丈量，并施加比长时的拉力，记录丈量时的温度。在垂线稳定的情况下，应用钢尺的不同起点丈量6次，计数估读到0.5㎜，同一边长各次丈量值的互差不得大于2㎜，取其平均值作为丈量结果。

井上、下两垂球线间的距离即c和c′，其丈量值互差一般不应超过2㎜。

其中井上、下三角形边长ɑ、b和ɑ′、b′现在可利用全站仪（光电测距）测得。

3 连接三角形法的计算

连接三角形法的计算分为两部分：解算连接三角形，以以求出井上、下连接三角形的求知要素α、β和α′、β′并进行检核；按一般导线计算的方法计算各边的坐标方位角及各点的坐标。

3.1 解算连接三角形

三角形的解算是根据已观测三角形的已知要素，按照几何关系求得其它未知要素。

⑴两垂球线间距离的检查

两垂球线间距离的检查是为了检查量边的正确性。其计算如下：

（2）

根据《煤矿测量规程》规定，井上连接三角形d不得大于2㎜，井下连接三角形d不得大于4㎜。符合要求时，可在丈量边ɑ、b、c中分别加入下列改正数，以消除其差值。

⑵连接三角形内角计算与检查

对于延伸三角形，垂线处的角度α、β（α′、β′）按正弦公式计算，如下（2-4）：

求得α、β后，连接三角形内角和α+β+γ应等于180°。一般均能闭合，若尚有微小残差时，则将其按反号平均分配到α、β中。

3.2 方位角及坐标的计算

在解算连接三角形，求得井上、下三角形的各要素之后，按一般导线计算的方法计算各边的坐标方位角及各点的平面坐标X、Y。常用计算公式如下：

(6)

利用公式计算求得井上、下共用边c的坐标方位角和A、B钢丝的平面坐标，传递至井下继而求得井下各边的坐标方位角和各点坐标，从而使井上、下建立统一的平面坐标系统。

4 提高一井几何定向精度应注意事项

一井几何定向工作环节较多，外界影响因素较大，测量精度要求高，通过对多次一井几何定向工作的分析总结，为提高一井几何定向的精度，着重要从以下几方面加以重视。

⑴事先做好施工组织方案，合理安排井上、下作业人员，充分做好各项准备工作。

⑵测量工作所需计量仪器均应经检定合格后方可投入使用。

⑶投点使用的钢丝尽可能采用细直径、抗拉强度高的碳素弹簧钢丝。在抗拉强度60%～70%范围内尽量增大重铊重量使钢丝稳定。

⑷对于井上、下连接三角形应尽可能按最有利图形形状布设，满足1.1.3中各项规定要求，且使A、B钢丝尽可能靠近井筒壁，使共用边c尽可能长。

⑸在进行连接测量时，必须按照《规程》要求进行观测和丈量，各项限差要满足要求。

⑹减小风流、滴水对垂球线的偏斜影响，必要时在测量过程应关停通风设备，或者采用防风套筒、挡水盖等措施。

5 结束语

矿井联系测量是矿山测量中的一项重要工作，一井几何定向是煤矿竖井平面联系测量中最常采用的方法，其目的在于：在矿井上、下建立统一的平面坐标系统，为矿建工作提供基础保障。本文以长期工作经验总结，重点介绍了一井几何定向最常用的连接三角形法的施测过程与计算，并总结出提高精度的注意事项，确保测量工作顺利实施。

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