金屬礦井定向測量工作總方案的選擇

高永峰

（西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司，西藏 拉薩 850212）

1 定向測量概述

1.1 直線定向測量

在測量工作中，確定兩點之間平面位置的相對關系非常重要。為確定這種關系，首先要測量兩點之間的距離，其次還需要掌握直線方向才能確定最終兩點之間的相對位置。在金屬礦井定向測量中，可根據(jù)某一個標準方向來確定一條直線上的方向，確定一條之間和標準方向之間的水平夾角關系可稱作為直線定向。

1.2 坐標方位角推算

正坐標方位角指的是一條直線的前進方向，即若從a點到b點是前進方向，則直線ab的坐標方位角就是正方位角，和前進方向相比，b點到a點是反方向，則直線ba的坐標方位角就是相對于角ab的反方位角。在定向測量中，坐標方位角的測算也非常重要，在實際測量中，直線方位角可通過已知坐標方位角與觀測的水平夾角進行推算，水平夾角有左右之分，位于推算前進方向左側(cè)的就是左角，而位于反方向的則是右角。

1.3 坐標計算原理

1.3.1 坐標增量計算

坐標增量指的是兩點平面直角坐標值之差，在直角坐標系中，已知ab兩點的坐標，就可以根據(jù)公式得到ab兩點的坐標增量。例如a點的坐標是（Xa，Ya），b點的坐標是（Xb，Yb），則這兩點的坐標增量是ΔXab=Xb-Xa，ΔYab=Yb-Ya。若已知一點的坐標和該點到另一點的坐標增量，則另一點的坐標就是Xb=Xa+ΔXab，Yb=Ya+ΔYab。

1.3.2 坐標正反計算

坐標正算時，已知點a的坐標就可以測量得到ab之間的距離和方位角ab，并能推算得到定點b的坐標值。坐標反算指的是已知ab兩點各自的坐標值，就可以計算兩點之間的距離和方位角ab。

1.4 羅盤儀測定磁方位角

1.4.1 羅盤儀構(gòu)造

羅盤儀又叫做袖珍經(jīng)緯儀，由磁針、刻度盤、測斜儀和水準器一起安裝在銅制或鋁制、木制的圓盒內(nèi)，結(jié)構(gòu)上可以分成底盤、外殼與上蓋，所有的儀器都固定在底盤上并用合頁聯(lián)結(jié)成一體。

1.4.2 羅盤儀原理和使用

羅盤上有一個指針用來知名磁子午線的方向，可粗略確定目標相對于磁子午線的方位角并利用水準器裝置測量俯角或仰角垂直角來確定被測量物體在的位置。使用羅盤儀的主要目的是測定目的物和觀測者之間的相對位置關系，即測定觀測者和所測目的物兩點連線的磁方位角。為避免出現(xiàn)測量混亂的情況，在測量時應以接物板指著所測目的物恒讀指北針，此時所得讀數(shù)便是觀測者和所測目的物直線的磁方位角。

2 金屬礦井定向測量的應用

定向測量指的是在一個井筒內(nèi)懸掛兩根鋼絲實現(xiàn)地面和井下聯(lián)合測量，并將兩條垂線中心的平面坐標和其連線的坐標方位角傳遞給井下控制點與導線邊。一般使用三角形連接法，外業(yè)工作包括定向投點和井上井下連續(xù)測量。其中，定向投點內(nèi)容主要指井筒之中懸掛兩根鋼絲，之后確定豎直面井時能夠點位和方向內(nèi)容。反觀連接測量，主要包括兩方面內(nèi)容，即地面連接測量、井下連接測量，其中，地面臨街測量工作執(zhí)行時，主要是對鋼絲坐標和連線方位角進行測定，將導線起始點坐標和方位角突顯出來。另外，由于主井和服井不能相互通視，所以可結(jié)合現(xiàn)場的實際情況采用連接三角法進行測量。下面以某金屬礦定向測量為例對定向測量進行說明。

某金屬礦井口主井深度為98m，井筒直徑為3m，其中主井和副井都不通視，標高之間相差十幾米，結(jié)合井筒的實際情況采用定向方法進行測量。設置兩條垂涎之間連測的點是C和C1，地面即井上連接測量是在連接點C上設置經(jīng)緯儀，后視D點，和兩條垂線聯(lián)測，并由近井點測設經(jīng)緯儀導線到C點，測量出兩條垂線的坐標和連接線之間的坐標方位角。在井下連接點上設置經(jīng)緯儀，后視D1點，并和兩線連測同時測量得到導線到定向基點D1的坐標與D1、E1邊坐標方位角，最終可完成定向工作。

3 金屬礦定向測量前的準備

在金屬礦定向測量之前，必須查看主井井筒的斷面情況，并通過提高系統(tǒng)對井筒占用情況的研究分析確定兩條垂涎之間的最大距離是1.58m，同時還勘探了井上和井下的測量路線，選擇了較為科學合理的連接圖形與測量路線。第二，埋設和定向測量相關的3個測站點并進行了連測。第三，準備了投點測量需要的鋼絲、投點器、水桶和定向測量使用的經(jīng)緯儀。

4 設計說明書編寫

在定向測量目標的基礎上建立井上和井下控制系統(tǒng)，使礦井和所要測量的礦山區(qū)域形成一坐標系統(tǒng)，保持兩個礦井之間的安全貫通，要求兩次獨立定向誤差不能大于1’。地面連測導線是三站，測角量邊應該嚴格按照煤礦測量的要求開展測量工作。連接圖形的要求為，在測量點架設儀器進行觀測，該角度不能大于2°，兩條垂線投點以后，井上和井下的誤差不能超過2mm。定向測量時要求井上和井下聯(lián)絡使用喊話和絞車信號結(jié)合的方式。在投點結(jié)束后讓垂鉈靜止在水中然后在井上制作3個～6個圈順鋼絲繩投下，檢查鋼絲繩是否和其他障礙物接觸。

5 定向測量時的安全措施

在金屬礦定向測量過程中，要求所有不是現(xiàn)場的工作人員都不能靠近井口，并設置專人警戒，在現(xiàn)場設置安全警示標示。其次要求必須將井蓋和腳手板、投點設備牢固安置，安置時應將鉗子、錘子等工具放置好，以避免設備掉落傷人。此外，要求井筒口的工作人員必須佩戴好安全設施，采取相應的安全防護措施。在安裝井口設備和下放、提升鋼絲的過程中禁止井下人員進入井筒。最后地面工作人員禁止將任何東西掉入到井內(nèi)，在定向時必須安排專門人員負責井上和井下的通訊聯(lián)絡，且要求井下工作人員進入井筒工作時應提前通知地面上的工作人員。

6 三角形連接法測量具體技術(shù)要點

6.1 建立井下和井上聯(lián)合測量控制系統(tǒng)

為了維護井下坐標和礦區(qū)坐標的統(tǒng)一，保證兩個井筒之間風巷道的準確和順利，實現(xiàn)兩個井筒之間的貫通，必須根據(jù)實際情況建立井下井上聯(lián)合測量控制系統(tǒng)，并要求控制獨立測量定向誤差。其次，工作人員應根據(jù)埋設好的導線點和井口根本情況，在地面上設計兩個合理的測站點，嚴格按照測量規(guī)范執(zhí)行測量操作。再次，從之前連接圖形要求之中能夠看出，實際銳角之間的差值大約在2°左右，兩條垂線在定向投點以后，求得井上和井下兩條垂線之間距離互差，一般不可超過2mm。此外，在定向投點之后，必須通過聯(lián)合測量信息控制系統(tǒng)獲得井下和井上的信息，實現(xiàn)兩者的聯(lián)系。實際點投之后的操作步驟如下：第一，工作人員在垂球掛好之后，檢查其是否存在與桶底或者是桶壁接觸情況。當垂球處于靜止狀態(tài)時，工作人員可以利用好地面的鐵絲，將其制作成信號圈套，之后放入到井下，看定向水平是否處于完整性狀態(tài)。第二，當主體處于定向水平狀態(tài)值周，證明垂線不會與井筒壁或者是其他障礙物形成接觸，此時，工作人員可以對其進行重新檢查操作。

6.2 聯(lián)系三角形測量

（1）外業(yè)測量。井下和井上三角形測量時應滿足下面的要求：第一，兩吊垂線之間的距離應該盡可能選擇最大的數(shù)值；第二，對于聯(lián)系三角形形狀確認，應該以眼神形狀為主體，盡可能縮小三角形內(nèi)角，確保具體角度低于2°。第三，要求聯(lián)系三角形的邊長比值在1.5左右。實際聯(lián)系三角形測量邊和精度要求過程中，工作人員首先要做的就是借助于全站儀實現(xiàn)對邊長的對中測量，并將地面聯(lián)系三角形測量角精度保持在±4范圍內(nèi)，實際地下聯(lián)系三角形測量角范圍為±6。其次，在實際量邊垂線在穩(wěn)定過程中，實際三角形各個邊的鋼尺測量次數(shù)大約為6次，讀書取值為0.5mm，各個邊長誤差應保持在2mm以內(nèi)，最終結(jié)果以平均值為準。在實際垂線擺動過程中，應該以各邊使用擺動方式測量為基準，每次涉及到的讀數(shù)個數(shù)應保持在6個以上，每次丈量的差值不能超過4mm，最終結(jié)果為多次丈量結(jié)果的平均值。

（2）內(nèi)業(yè)計算。聯(lián)系三角形法測量后，采用正弦定理進行各內(nèi)角的計算，同時需對測量與計算的結(jié)果進行檢查。首先連接三角形三個內(nèi)角的和平均都是180℃，如果有少量殘差則可平均分配到各個內(nèi)角上。此外，實際井下三角形閉合設計之中，同樣需要滿足具體的精度要求，反觀井上測量中的丈量操作，實際鋼絲之間的距離可以根據(jù)余弦定理計算，最終距離差值不得高于2mm。最后，對連接點的各個測角精確度進行評價總結(jié)，得到連接點測量角的誤差值，若在規(guī)定誤差范圍內(nèi)則表示此次礦井定向測量成功。

6.3 礦井定向測量精確度分析

（1）垂球線投點和投向誤差計算。首先，借助于垂球線投點以及投向誤差計算形式，將煤礦測量要求合理呈現(xiàn)出來，在此過程中，一井兩次獨立定向計算得到的方差角度差距不能超過2°，確保其始終處于合理范圍內(nèi)。另外，工作人員也可以使用兩倍中誤差，這也是允許誤差范疇。該誤差由井上連接誤差和投向誤差等組織。一般情況下，井定向誤差與連接誤差處于等價狀態(tài)。相關工作人員可以借助于垂球線投點，避免滴水等因素對主體操作產(chǎn)生影響。除此之外，從實際鋼絲彈性發(fā)展中能夠看出，能夠讓主體垂球線投點出現(xiàn)很大變化。當纏繞在絞筒上的鋼絲進入到井之中之后，鋼絲還會處于之前狀態(tài)，此時，鋼絲中的各個點位也會與之前位置相偏離。所以說，為了維護各項工作的合理開展，工作人員使用直徑超過250mm的絞車和細的鋼絲，確定合理的垂重，避免對主體工作產(chǎn)生影響。除此之外，當鋼絲自滑輪經(jīng)定點放入井筒后，恰好與滑輪槽處于統(tǒng)一直線，此時，定點板將會與滑輪之間存在傾斜關系。由于鋼絲之中存在一些彈性，當經(jīng)過定點板的時候，鋼絲也會繼續(xù)向斜向方向延伸，之后漸漸轉(zhuǎn)變成垂直狀態(tài)。為了避免上述問題的出現(xiàn)，工作人員可以在定點板下方鋼絲位置處執(zhí)行地面連接測量操作。在后續(xù)滑輪和定點板布置過程中，需要將二者之間傾斜線以及垂線交角進一步縮小，避免主體操作對投向產(chǎn)生嚴重影響。

（2）減少投點誤差的措施。首先，確保測量布置位置選擇處于合理化狀態(tài)；其次，處理好馬頭門處的氣流問題；再次，如果鋼絲具備直徑小、強度高特點，工作人員還要適當增加穩(wěn)定液的使用數(shù)量；最后，實際擺動觀測工作的執(zhí)行，實際垂球線擺動方向應該與標尺面處于平行狀態(tài)，避免對鋼絲和垂球產(chǎn)生嚴重影響。

（3）三角形連接法測量誤差和有利形狀分析。連接三角形定向測量最有利的形狀應該是銳角小于2°的延伸三角形，在計算內(nèi)角誤差時應隨著測量角的誤差增大而增大，隨著比值的減小而減小。所以在連接測量時應使連接點和點之間盡量靠近最近的垂球線，并精確測量出角度。第三，對于兩條垂球線之間的距離，如果距離越大則說明計算角的誤差越小。第四，在延伸三角形時，量邊誤差對于定向精度的影響較小。連接角誤差會對連接精確度產(chǎn)生的影響指的是，因為在定向測量時，連接三角形的各個測量元素角和各邊都是根據(jù)經(jīng)緯儀中心測量得到的，因此儀器會對連接三角形的測量產(chǎn)生一定影響，尤其對垂球線方位角的確定產(chǎn)生影響。

7 結(jié)論

綜上所述，按照定向礦井測量的要求和方法規(guī)定，進行了兩個金屬礦的定向測量實踐，實現(xiàn)了兩個礦井井長8000m的準確貫通測量，不僅取得了良好的測量效果，所取得的測量數(shù)據(jù)可以為礦井開采作業(yè)、通風系統(tǒng)的設計施工奠定基礎，而且還為整體工程節(jié)約了不少費用?？偟膩碚f，進行金屬礦井定向測量時應根據(jù)金屬礦井的采礦生產(chǎn)特點、定向測量的目的、采礦生產(chǎn)對礦山測量工作的要求，以及從定向測量的精度等方面，討論定向測量工作的總方案。