第五章煤矿测量基础知识与专业技术

第五章煤矿测量基础知识与专业技术第一节煤矿测量基础知识一、内容和任务煤矿测量指煤矿建设时期和生产时期的测量工作。其包括矿区地面控制测量；矿区地形图测绘；近井点、十字基桩的建立及井口标定；矿井联系测量；井下控制测量；设备安装测量；井上、下施工测量；地表及岩层移动的观测研究等内容。其主要任务是：①建立矿区地面和井下测量控制系统，为煤矿各项测量工作提供起算数据；②依据设计文件，进行采掘、土建、管线和机电安装等工程测量工作，并在煤矿基本建设和生产各个阶段，对采掘工程是否按设计施工进行检查和监督；③利用测绘资料，解决煤矿生产、建设和改造中提出的各种测绘问题，并为煤矿灾害的预防、救护提供有关的测绘资料；④测绘各种煤矿测量图，满足煤矿生产、建设和规划各阶段的需要；⑤定期进行矿井“三量”的统计分析；正确反映煤矿采掘关系现状。按《生产矿井储量管理规程》的要求，对煤矿各级储量动态及损失量进行统计和管理工作，对煤炭资源的合理开采进行业务监督；⑥建立地表、岩层和建（构）筑物变形观测站，开展矿区地表与岩层移动规律、采矿或非采矿沉陷综合治理以及环境保护工作的研究；⑦根据矿区地表与移动变形参数，设计和修改各类保护煤柱。参与“三下”采煤和塌陷区综合治理以及土地征用和村庄搬迁的方案设计和实施；⑧进行矿区范围的地籍测量；⑨参与本矿区（矿）月度、季度、年度生产长远计划和长远发展规划的编制工作。因此煤矿测量工人的基本任务为：(1)参与建立矿区地面和井下各种控制网；测绘矿区各种地形图及工业广场平面图等工作。(2)参与井下各种设计工程的标定工作，并测量绘制各种测量图纸；在矿山各种工程施工中及工程竣工后，按设计规定进行检查、验收测量等工作。(3)对采煤引起的地表及岩层移动建立观测站，并进行观测。(4)及时掌握测绘新技术、新设备（如GPS、全站仪等），并能熟练运用到工作中去。思考题：煤矿测量的内容有那些？二、坐标系统和高程系统测量工作中常用的球面坐标系是大地坐标系，平面坐标系是高斯-克吕格平面直角坐标系，常用的高程系是正高系。大地坐标系统是用来表述地面地球点的位置的一种坐标系统，它采用一个接近地球整体形状的椭球作为表示点的位置及其相互关系的数学基础，大地坐标系统的三个坐标是大地经度L，大地纬度B和大地高程H。在大地坐标系统中的一点P的大地经度是P点所在的椭球子午面（NK’S）与起始子午面之间的二面角L，由起始子午面起算，向东（E）为正，向西（W）为负；P点的大地纬度是P点的椭球法线（PP’）与椭球赤道面的夹角B，由赤道面起算，由北（N）为正，向南（S）为负；P点的大地高是P点沿椭球法线图5-1大地坐标系与空间大地直角坐标系至椭球面的距离PP’=H。大地方位角的定义是过P点和另一地面点Q点的大地方位角A就是P点的子午面与过P点的法线及Q点的平面所成的角度，由子午面顺时针方向量起。大地坐标系统由一系列高精度大地控制点的大地坐标来体现，它是以大地原点为起点，覆盖全国的大地网构成国家大地坐标系统框架。目前我国的大地坐标系统有2个：（1）1954年北京坐标系。实际上是前苏联1942年坐标系的延伸，其原点在前苏联的普尔科沃。大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，高程异常则是以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为依据传算过来的。参考椭球采用克拉索夫斯基椭球元素：长半径a=6378245，扁率ɑ=1/298.3。（2）1980年国家大地坐标系。椭球短轴平行于地球质心指向JYD1968.0地极原点的方向。起始大地子午面平行于通过JYD1968.0平极和国际时间局（BIH）1968系统平均天文台赤道零点的子午面。国家大地坐标系统的原点建立在陕西泾阳县永乐镇。参考椭球采用第16界国际大地测量协会推荐的椭球元素：长半径a=6378140，ɑ=1/298.257。平面坐标系统是指确定地面点的平面位置所采用的一种坐标系统。大地坐标系统是建立在椭球面上的，而绘制地图则是在平面上的，因此必须通过地图投影把椭球面上点的大地坐标科学地转换成展绘在平面上的平面坐标。平面坐标用两轴相交成直角的纵、横坐标表示。中国的国家统一平面坐标系统是采用“高斯－克吕格平面直角坐标系”。它是利用高斯－克吕格投影将不可平展的地球椭球面转换成平面而建立的一种平面直角坐标系。由于椭球面上某一条中央子午线投影在平面上为直线，就将它作为此坐标系的纵轴（X），由赤道向北为正，椭球的赤道投影在平面上也为直线，它与中央子午线正交，就将它作为横轴（Y），由中央子午线向东为正。两坐标轴的交点为坐标原点（O）。为了限制远距离中央子午线的地区投影变形过大，采用了按子午线分带方法各自进行投影，即由两条边子午线所围成的范围为一带。各带坐标成独立系统，带宽一般分为60、30、1.50三种。为解决横坐标不出现负值，将纵轴西移500千米作为起始轴，该带内的横坐标值均增加500千米。在地形图上为了区别坐标所属哪一带，在靠近图廊东西两边的第一条坐标网纵线的坐标值之前加注图幅所在的带号。而且所有大地点的平面坐标也加注带号以示区别。因而高斯投影的特征可归纳为：①椭球面上的角度，投影后保持不变；②中央投影线投影后为一直线，且其长度保持不变；③赤道投影后是一条与中央子午线正交的直线；④椭球面上除中央子午线外，其余子午线投影后均向中央子午线弯曲，并向两极收敛；⑤椭球面上对称于赤道的平行圈，投影后成为对称的曲线，它与子午线的投影垂直，并凹向两极；⑥距中央子午线越远，长度变形越大。如果知道了某地的3°带、6°带的带号，那我们就可以计算该地中央子午线的经度：设6°带的带号为N，3°带的带号为n，中央子午线的经度L0，则6°带的中央子午线经度L0=6°N-3°，3°带的中央子午线经度L0=3°n。相反，如果已知某点的Y坐标为26428368，其相对于中央子午线的横坐标值、所在地中央子午线经度也可以推算：该点位于我国最东部6°带的23带，3°带的26带。其相对于中央子午线的横坐标值为428368-500000=-71632，所在地中央子午线经度为3°×26=78°。用以传算全国高程控制网中各点高程所采用的统一系统称为高程系统。高程系统按照不同的定义有正高、力高和大地高程等系统。我国《大地测量法式》规定采用正常高程系统，起算依据是国家高程基准，传算途径是全国四等以上各级高程控制网。高程基准是推算全国统一的高程控制网中所有水准点高程的起算数据，它包括一个水准基面和一个永久性水准点。水准基面在理论上通常采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面；在实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测计算出来的平均海平面。中国以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海平面作为中国的水准基面，即零高程面。中国水准原点建立在青岛验潮站附近，并构成原点网。用精密水准测量测定该水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，定位全国高程控制网的起算高程。通过国家等级水准测量构成的全国基本高程控制网称为国家水准网，是各项测量活动的高程基础。思考题:我国的平面坐标系是什么投影系统？其特征是什么？三、矿区控制测量和误差基础知识矿区控制测量就是在矿区范围内的地面上，通过建立平面控制网和高程控制网，精确地测定地面控制点的空间位置（平面坐标和高程）。矿区控制网在矿区测量中发挥着控制全局，限制测量误差的传递和积累，供作各项测量工作的基础等作用。平面控制网是各种测量工作的平面控制基础，用以确定控制点的平面位置；高程控制网是各种测量工作的高程控制基础，用以确定控制点的高程。（一）矿区平面控制网按布设方式（1）测角网。（2）测边网。（3）边角同测网。（4）导线网。（5）GPS网。目前随着技术发展，普遍采用GPS网。矿区高程控制网按建立方法分为：（1）几何水准测量法。（2）三角高程测量法。（3）GPS高程拟合法。（二）测定控制点水平位置的方法（1）天文测量方法：利用宇宙间天体的相关位置和运行的规律，在选定的地面点上，观测某天体（主要是恒星）的高度和方向，并记录观测瞬间的时刻，从而确定该地面点的地理位置---天文经、纬度及由该点至另一地面点的天文方位角。（2）大地测量方法：根据大地基准点的起始数据（坐标方位角），借助于地面测得的水平距离和水平角，来推算控制点坐标的一种方法。（3）GPS卫星定位：全球卫星定位系统（GPS）是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。由三个部分组成，即：空间的卫星、地面控制系统、用户的接收处理装置。在地面通过GPS接收机，接收从卫星上发来的无线电信号，在地球的表面进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维WGS-84地心坐标。目前测定控制点普遍应用后两种方法。（三）误差理论知识1.误差基础知识任何测量成果都存在测量误差。测量误差按性质可分为系统误差和偶然误差：（1）系统误差：在相同的条件下作一系列观测，如果观测误差在符号、大小上表现出一致的倾向（系统性），如按一定的规律变化，或者保持为常数，这种误差称为系统误差。（2）偶然误差：在相同观测条件下作一系列观测，如果误差在大小和符号上都表现出偶然性，既从表面现象看，该列误差的符号和大小没有规律性，那么，这种误差就称为偶然误差。偶然误差有以下特性：（1）在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值，不会超过一定的限值；（2）绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的机会多；（3）绝对值相等的正负误差出现的机会相等；（4）当观测次数无限增多时，偶然误差的算术平均值趋近于零。在测量上，以误差分布的密集或离散程度来表明测量成果的准确性，称其为精度。在相同的观测条件下所进行的一组观测，由于它是对应着同一种误差分布，因此，对于这一组中的每一个观测值，都称为是同精度观测值。衡量精度的标准有：（1）中误差：取一组误差平方和的平均数的平方根来评定这一组误差观测值的精度，称为中误差。nm/（2）相对中误差：中误差与观测值的比值称为相对中误差。（3）允许误差：在一定的观测条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限值，测量上通常取两倍中误差为误差的限值，即允许误差。2.测量平差为了较精确地确定某一个未知量的大小,往往对未知量进行多余观测.有了多余观测，观测值之间就存在差值，需要按最小二乘原理进行平差计算。井下导线测量分为支导线、附合导线和闭合导线，单一附合导线与闭合导线的近似平差方法如下：（1）角度平差角度平差的目的是消除转角观测误差引起的方位角闭合差，求得各转角的平差值。方法是先计算方位角闭合差f，当限ff时，将f反号平均分配给各转角，即：iiivni，，，21式中：n为转角个数；iv为转角改正数；i为转角平差值。（2）坐标平差坐标平差的目的是消除因转角和边长观测误差引起的坐标闭合差xf和yf，求得各点的坐标平差值。方法是用平差值i和观测边长D先推算各点间坐标增量近似值，进而求得坐标闭合差xf、yf和导线全长闭合差sf及导线全长相对闭合差K。当K≤K限时，将坐标闭合差按边长成比例反号分配给各坐标增量，求得坐标增量的平差值和各点坐标平差值，即：各边方位角：180后前各点间坐标增量：iiiiiiDyDxsincos坐标闭合差：)()(BCyBCxyyyfxxxf导线全长闭合差和导线全长相对闭合差为：22yxsfff限KfDKs/1nfvi坐标增量改正数为：DDfvDDfvyyixxii坐标增量平差值：ijijyijijxijijvyyvxx各点坐标平差值：ijijijijyyyxxx思考题：如何进行导线测量角度与坐标的近似平差？四、矿井联系测量矿井联系测量包括平面联系测量和高程联系测量。（一）平面联系测量平面联系测量的任务，是根据地面已知点的坐标和已知边的坐标方位角，求出井下起始点的坐标和起始边的坐标方位角，使井上下采用统一的平面坐标系统。平面联系测量可以采用几何的方法：即通过一个立井或两个立井用测角和量边的方法