談一井定向和兩井定向的實(shí)驗(yàn)?zāi)M及數(shù)據(jù)處理

許 多 文

(武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000)

談一井定向和兩井定向的實(shí)驗(yàn)?zāi)M及數(shù)據(jù)處理

許 多 文

(武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000)

對(duì)礦井聯(lián)系測(cè)量中一井定向、兩井定向的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了分析，從實(shí)驗(yàn)?zāi)M、方案選取、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)值處理與分析等方面進(jìn)行了論述，提出了結(jié)合既有樓宇樓道、樓梯間實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行了圖示和計(jì)算步驟的梳理及要點(diǎn)歸納，達(dá)到了書(shū)本理論到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的連通，解決了具體實(shí)驗(yàn)中的場(chǎng)地局限、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制的問(wèn)題。

一井定向，兩井定向，實(shí)驗(yàn)?zāi)M，數(shù)據(jù)處理

0 引言

礦井聯(lián)系測(cè)量在礦井基建、生產(chǎn)乃至礦井報(bào)廢階段都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在礦井基建時(shí)期，為了加快井筒和巷道的貫通測(cè)量；在礦井生產(chǎn)時(shí)期需要了解井下巷道、采空區(qū)及地面建筑物、構(gòu)筑物、鐵路、水體等的相互位置關(guān)系，確定采礦所引起的地表塌陷的程度和范圍以及為了保護(hù)地面建筑物和避免地表水體、老塘水對(duì)開(kāi)采影響所需留設(shè)保護(hù)煤柱的大??；在礦井報(bào)廢階段為了避免井下采空區(qū)對(duì)地表和相鄰礦井的影響等都需要建立在礦井上、下采用同一坐標(biāo)基礎(chǔ)之上。在具體施測(cè)中采用GPS、陀螺經(jīng)緯儀等測(cè)繪新儀器可以完成相應(yīng)的作業(yè)，但是在數(shù)據(jù)處理和分析中所體現(xiàn)的測(cè)量基礎(chǔ)性的知識(shí)還是不容小覷，所以礦井聯(lián)系測(cè)量最終的目的是回到測(cè)量的出發(fā)點(diǎn)上：求得在不同作業(yè)層面、立體空間中某些點(diǎn)的坐標(biāo)而投影納入到同一個(gè)坐標(biāo)系中，分析其關(guān)系，為生產(chǎn)服務(wù)。

1 模擬一井定向、兩井定向?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的必要性

礦井聯(lián)系測(cè)量屬于工程測(cè)量學(xué)、礦山測(cè)量學(xué)、控制測(cè)量學(xué)、基礎(chǔ)平差等課程的重要一節(jié)，學(xué)科內(nèi)容有交集。聯(lián)系測(cè)量中地下控制網(wǎng)與地面上網(wǎng)聯(lián)系的形式不同，定向一般有四種方法：兩井定向、一井定向、平坑與斜井定向、陀螺經(jīng)緯儀定向。經(jīng)典的一井定向、兩井定向，知識(shí)點(diǎn)多，且環(huán)環(huán)相扣，融合了外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、基礎(chǔ)平差、歸化計(jì)算等學(xué)習(xí)能力，在某種程度上來(lái)講，綜合性高，掌握起來(lái)稍顯復(fù)雜。從書(shū)本理論到具體實(shí)踐中的計(jì)算分析還是有一定的距離，力求結(jié)合已有的某些建筑平臺(tái)充當(dāng)?shù)V井模擬而完成聯(lián)系測(cè)量中的兩井定向、一井定向的實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)及數(shù)據(jù)分析處理，強(qiáng)調(diào)其需要注意的事項(xiàng)，顯得尤為必要。

2 一井定向、兩井定向的實(shí)驗(yàn)?zāi)M、外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在具體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，關(guān)于一井定向和兩井定向，現(xiàn)實(shí)條件存在著具體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足或者根本沒(méi)有可模擬的場(chǎng)地用以實(shí)驗(yàn)的客觀局限，對(duì)于數(shù)據(jù)處理和兩種方式的異同比較更是無(wú)從談起。通過(guò)筆者的分析和觀察，結(jié)合在具體教學(xué)中的探索，模擬實(shí)驗(yàn)可以借助于建筑單體中的樓梯來(lái)完成，獲取數(shù)據(jù)，其原理完全符合礦井聯(lián)系測(cè)量要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和精度滿足教學(xué)需要。具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)表示如下。

2.1 一井定向的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及外業(yè)數(shù)據(jù)采集

一井定向的實(shí)驗(yàn)工作分為兩部分：一是由地面(六樓)用吊錘線向隧道(樓梯間的空隙來(lái)實(shí)現(xiàn))投點(diǎn)；二是地面(六樓)和地下(一樓)控制點(diǎn)與吊錘線的連接測(cè)量。如圖1所示，在一個(gè)樓梯間完成豎井井筒的模擬。其A，B兩點(diǎn)分別表示兩根吊錘線。連接測(cè)量在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)，聯(lián)系三角形要滿足的條件為：第一，聯(lián)系三角形ΔACB及ΔA′C′B′應(yīng)為伸展形狀，角度γ和β應(yīng)接近于0，任何情況下γ角都不能大于3°；第二，點(diǎn)C和M及C′和M′要彼此通視，且CM與C′M′的邊長(zhǎng)要大于20 m；第三，a/c與a′/c′的值要盡量小一些，一般應(yīng)小于1.5。PMCAB路線在六樓架設(shè)儀器完成測(cè)量，B′A′C′M′路線則是在一樓架設(shè)儀器完成測(cè)量。這樣就實(shí)現(xiàn)了在不同層面的巷道掘進(jìn)。實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)就是把在一樓所測(cè)量和標(biāo)注的點(diǎn)，在六樓所布設(shè)的控制網(wǎng)中獲得坐標(biāo)。連接三角形法的外業(yè)工作包括：地面連接測(cè)量在C點(diǎn)安置經(jīng)緯儀測(cè)量出ψ,ω和γ三個(gè)角度，并丈量a，b，c三條邊的邊長(zhǎng)。同樣，井下連接測(cè)量在C′點(diǎn)安置儀器測(cè)量出ψ′，ω′和γ′三個(gè)角度，并丈量a′，b′和c′三條邊的邊長(zhǎng)。

地下導(dǎo)線起始方位角的誤差，用下列公式來(lái)表示：

式中：(m0)S——邊長(zhǎng)丈量誤差所引起的計(jì)算角度的誤差；(m0)β——角度觀測(cè)誤差的影響；(m0)P——用吊錘投點(diǎn)誤差的影響。

為了保證必要的精度，可以通過(guò)質(zhì)量控制反演，選取合適標(biāo)稱精度的儀器對(duì)投點(diǎn)、距離丈量和三角形聯(lián)系測(cè)量進(jìn)行多次量測(cè)和計(jì)算。

2.2 雙井定向的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及外業(yè)數(shù)據(jù)采集

當(dāng)?shù)V井有兩個(gè)豎井(在實(shí)驗(yàn)中用兩個(gè)樓梯間空隙來(lái)實(shí)現(xiàn))，且在定向水平有巷道相通并能進(jìn)行測(cè)量時(shí)，就可以采用兩井定向。在圖2中，A及A′，B與B′分別表示地面和地下同一個(gè)投射點(diǎn)。實(shí)線表示地面控制測(cè)量(六樓)，虛線表示井下導(dǎo)線測(cè)量(一樓)。在兩個(gè)井筒內(nèi)(樓梯間空隙)各用重球懸掛一根鋼絲，通過(guò)地面和井下導(dǎo)線連接起來(lái)，把地面坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)和方向傳遞到井下。兩井定向的外業(yè)測(cè)量和一井定向類(lèi)似，也包括投點(diǎn)、地面和井下連接測(cè)量。由于在每個(gè)井口只懸掛一根鋼絲，這就使投點(diǎn)更為方便且縮短了占用井筒的時(shí)間。同時(shí)，兩井定向與一井定向相比，兩根鋼絲間的距離大大增加，從而使投向誤差顯著減小。在進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)時(shí)，地面分別在C，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ點(diǎn)架設(shè)儀器，測(cè)得對(duì)應(yīng)的連接角和距離。地下分別在1，2，3，4，5點(diǎn)架設(shè)儀器，測(cè)得對(duì)應(yīng)的連接角和距離。

注意：

1)地面和地下測(cè)量時(shí)，A(A′)，B(B′)作為視準(zhǔn)點(diǎn)和待求點(diǎn)，在其上不可架設(shè)也不需要架設(shè)儀器；

2)根據(jù)誤差傳播規(guī)律，為了減少測(cè)角誤差，盡量延長(zhǎng)傳遞導(dǎo)線的長(zhǎng)度。

3 一井定向、兩井定向的內(nèi)業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及要點(diǎn)

3.1 一井定向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

一井定向的關(guān)鍵是連接三角形的解算，如圖1所示。

1)通過(guò)在C和C′分別架設(shè)儀器，對(duì)于AB和A′B′目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用正弦定理，解算出α，β，α′，β′。

2)連接三角形的三個(gè)內(nèi)角α，β，γ及α′，β′，γ′的和均應(yīng)為180°，若有少量殘差可平均分配到α，β或α′，β′上。

3)井上丈量的兩鋼絲間的距離C丈與余弦定理計(jì)算出的距離C計(jì)互差不應(yīng)超限，地下測(cè)量相同，不超限可在丈量的a，b，c及a′，b′，c′中加入改正數(shù)。

4)將井上、井下連接圖形視作一條導(dǎo)線，如P—M—A—B—C′—M′，可按導(dǎo)線的計(jì)算方法求出井下起始點(diǎn)C′和起始方位角αC′M′。

注意：

1)采用一井定向進(jìn)行平面聯(lián)系測(cè)量至少應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩次，兩次的較差值小于《規(guī)程》要求，取中來(lái)用。必要時(shí)可根據(jù)質(zhì)量控制反演來(lái)確定采用的觀測(cè)儀器精度、觀測(cè)的次數(shù)等；

2)由于β，γ角度很小，故三角形內(nèi)角和來(lái)檢核有時(shí)不可靠，如果現(xiàn)場(chǎng)條件允許，為了提高定向的精度，可以應(yīng)用兩邊連接的聯(lián)系三角形或三個(gè)吊錘組成的聯(lián)系三角形。

3.2 兩井定向的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

兩井定向的內(nèi)業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理有以下步驟，如圖2所示。

1)根據(jù)導(dǎo)線傳遞的距離和轉(zhuǎn)折角，計(jì)算出地面兩鋼絲點(diǎn)A,B的坐標(biāo)；

2)計(jì)算出AB連線在地面控制坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方位角αAB及距離SAB；

3)以井下的A′1為x′軸，以A′點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立假定坐標(biāo)系，計(jì)算井下各點(diǎn)及B′點(diǎn)在假定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；

5)計(jì)算起始邊在地面坐標(biāo)系中的方位角αA1；

6)根據(jù)A點(diǎn)坐標(biāo)和計(jì)算出的αA1,依次推算其余各點(diǎn)在地面坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)和方位角；

注意：

1)由坐標(biāo)反算求解方位角時(shí)，要注意區(qū)別方位角和象限角的異同；

2)在建立的不同坐標(biāo)系中求同一條邊的方位角，相當(dāng)于坐標(biāo)系進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)；

3)以上計(jì)算步驟中，有限差要求的必須要滿足條件，方可進(jìn)行下一步計(jì)算，如果超限，則要重新測(cè)量和計(jì)算；

5)按《規(guī)程》要求，兩井定向必須獨(dú)立進(jìn)行兩次，兩次的起始方位角互差不超限，取平均值為最終定向成果。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井聯(lián)系測(cè)量中一井定向、兩井定向的外業(yè)數(shù)據(jù)采集較多，內(nèi)業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理相對(duì)較復(fù)雜。很多測(cè)繪專(zhuān)業(yè)、采礦專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的不足而停留在書(shū)本理論層面，沒(méi)有自己的動(dòng)手實(shí)踐故印象不深，知識(shí)點(diǎn)的掌握似是而非。在本文中通過(guò)借助于建筑樓宇中的6層和1層樓道和樓梯間，實(shí)現(xiàn)了井筒和水平巷道的模擬。同時(shí)對(duì)于一井定向、兩井定向的數(shù)據(jù)處理給出了清晰的計(jì)算思路和對(duì)比注意點(diǎn)，對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)及基礎(chǔ)測(cè)量?jī)?nèi)容、經(jīng)典的簡(jiǎn)易平差和大地測(cè)量學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有一定程度的融合和回顧，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)、數(shù)值分析和計(jì)算糾錯(cuò)能力有很好的指導(dǎo)和借鑒。

[1] 李青岳.工程測(cè)量學(xué)[M].北京：測(cè)繪出版社，1995:236-248.

[2] 高井祥.測(cè)量學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007:204-213.

Discussion on experimental simulation and data treatment of single shaft orientation and two shaft orientation

Xu Duowen

(WuweiVocationalCollege,Wuwei733000,China)

The paper analyzes realization principles of single shaft orientation and two shaft orientation in coal mine connection measurement, discusses experimental simulation, scheme selection, outdoor data collection, indoor data treatment and analysis and so on, puts forward experimental methods of combining existing building corridor with stairs, collects diagrams calculation procedures and summarizes points, realizes the connection from theory to practice, and solves specific experimental problems including limited field, data treatment and quality control as well.

single shaft orientation, two shaft orientation, experimental simulation, data treatment

1009-6825(2015)30-0193-03

2015-08-18

許多文(1982- )，男，碩士，講師

TD171

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