金属矿井定向测量工作总方案的选择

高永峰

（西藏华泰龙矿业开发有限公司，西藏 拉萨 850212）

1 定向测量概述

1.1 直线定向测量

在测量工作中，确定两点之间平面位置的相对关系非常重要。为确定这种关系，首先要测量两点之间的距离，其次还需要掌握直线方向才能确定最终两点之间的相对位置。在金属矿井定向测量中，可根据某一个标准方向来确定一条直线上的方向，确定一条之间和标准方向之间的水平夹角关系可称作为直线定向。

1.2 坐标方位角推算

正坐标方位角指的是一条直线的前进方向，即若从a点到b点是前进方向，则直线ab的坐标方位角就是正方位角，和前进方向相比，b点到a点是反方向，则直线ba的坐标方位角就是相对于角ab的反方位角。在定向测量中，坐标方位角的测算也非常重要，在实际测量中，直线方位角可通过已知坐标方位角与观测的水平夹角进行推算，水平夹角有左右之分，位于推算前进方向左侧的就是左角，而位于反方向的则是右角。

1.3 坐标计算原理

1.3.1 坐标增量计算

坐标增量指的是两点平面直角坐标值之差，在直角坐标系中，已知ab两点的坐标，就可以根据公式得到ab两点的坐标增量。例如a点的坐标是（Xa，Ya），b点的坐标是（Xb，Yb），则这两点的坐标增量是ΔXab=Xb-Xa，ΔYab=Yb-Ya。若已知一点的坐标和该点到另一点的坐标增量，则另一点的坐标就是Xb=Xa+ΔXab，Yb=Ya+ΔYab。

1.3.2 坐标正反计算

坐标正算时，已知点a的坐标就可以测量得到ab之间的距离和方位角ab，并能推算得到定点b的坐标值。坐标反算指的是已知ab两点各自的坐标值，就可以计算两点之间的距离和方位角ab。

1.4 罗盘仪测定磁方位角

1.4.1 罗盘仪构造

罗盘仪又叫做袖珍经纬仪，由磁针、刻度盘、测斜仪和水准器一起安装在铜制或铝制、木制的圆盒内，结构上可以分成底盘、外壳与上盖，所有的仪器都固定在底盘上并用合页联结成一体。

1.4.2 罗盘仪原理和使用

罗盘上有一个指针用来知名磁子午线的方向，可粗略确定目标相对于磁子午线的方位角并利用水准器装置测量俯角或仰角垂直角来确定被测量物体在的位置。使用罗盘仪的主要目的是测定目的物和观测者之间的相对位置关系，即测定观测者和所测目的物两点连线的磁方位角。为避免出现测量混乱的情况，在测量时应以接物板指着所测目的物恒读指北针，此时所得读数便是观测者和所测目的物直线的磁方位角。

2 金属矿井定向测量的应用

定向测量指的是在一个井筒内悬挂两根钢丝实现地面和井下联合测量，并将两条垂线中心的平面坐标和其连线的坐标方位角传递给井下控制点与导线边。一般使用三角形连接法，外业工作包括定向投点和井上井下连续测量。其中，定向投点内容主要指井筒之中悬挂两根钢丝，之后确定竖直面井时能够点位和方向内容。反观连接测量，主要包括两方面内容，即地面连接测量、井下连接测量，其中，地面临街测量工作执行时，主要是对钢丝坐标和连线方位角进行测定，将导线起始点坐标和方位角突显出来。另外，由于主井和服井不能相互通视，所以可结合现场的实际情况采用连接三角法进行测量。下面以某金属矿定向测量为例对定向测量进行说明。

某金属矿井口主井深度为98m，井筒直径为3m，其中主井和副井都不通视，标高之间相差十几米，结合井筒的实际情况采用定向方法进行测量。设置两条垂涎之间连测的点是C和C1，地面即井上连接测量是在连接点C上设置经纬仪，后视D点，和两条垂线联测，并由近井点测设经纬仪导线到C点，测量出两条垂线的坐标和连接线之间的坐标方位角。在井下连接点上设置经纬仪，后视D1点，并和两线连测同时测量得到导线到定向基点D1的坐标与D1、E1边坐标方位角，最终可完成定向工作。

3 金属矿定向测量前的准备

在金属矿定向测量之前，必须查看主井井筒的断面情况，并通过提高系统对井筒占用情况的研究分析确定两条垂涎之间的最大距离是1.58m，同时还勘探了井上和井下的测量路线，选择了较为科学合理的连接图形与测量路线。第二，埋设和定向测量相关的3个测站点并进行了连测。第三，准备了投点测量需要的钢丝、投点器、水桶和定向测量使用的经纬仪。

4 设计说明书编写

在定向测量目标的基础上建立井上和井下控制系统，使矿井和所要测量的矿山区域形成一坐标系统，保持两个矿井之间的安全贯通，要求两次独立定向误差不能大于1’。地面连测导线是三站，测角量边应该严格按照煤矿测量的要求开展测量工作。连接图形的要求为，在测量点架设仪器进行观测，该角度不能大于2°，两条垂线投点以后，井上和井下的误差不能超过2mm。定向测量时要求井上和井下联络使用喊话和绞车信号结合的方式。在投点结束后让垂铊静止在水中然后在井上制作3个～6个圈顺钢丝绳投下，检查钢丝绳是否和其他障碍物接触。

5 定向测量时的安全措施

在金属矿定向测量过程中，要求所有不是现场的工作人员都不能靠近井口，并设置专人警戒，在现场设置安全警示标示。其次要求必须将井盖和脚手板、投点设备牢固安置，安置时应将钳子、锤子等工具放置好，以避免设备掉落伤人。此外，要求井筒口的工作人员必须佩戴好安全设施，采取相应的安全防护措施。在安装井口设备和下放、提升钢丝的过程中禁止井下人员进入井筒。最后地面工作人员禁止将任何东西掉入到井内，在定向时必须安排专门人员负责井上和井下的通讯联络，且要求井下工作人员进入井筒工作时应提前通知地面上的工作人员。

6 三角形连接法测量具体技术要点

6.1 建立井下和井上联合测量控制系统

为了维护井下坐标和矿区坐标的统一，保证两个井筒之间风巷道的准确和顺利，实现两个井筒之间的贯通，必须根据实际情况建立井下井上联合测量控制系统，并要求控制独立测量定向误差。其次，工作人员应根据埋设好的导线点和井口根本情况，在地面上设计两个合理的测站点，严格按照测量规范执行测量操作。再次，从之前连接图形要求之中能够看出，实际锐角之间的差值大约在2°左右，两条垂线在定向投点以后，求得井上和井下两条垂线之间距离互差，一般不可超过2mm。此外，在定向投点之后，必须通过联合测量信息控制系统获得井下和井上的信息，实现两者的联系。实际点投之后的操作步骤如下：第一，工作人员在垂球挂好之后，检查其是否存在与桶底或者是桶壁接触情况。当垂球处于静止状态时，工作人员可以利用好地面的铁丝，将其制作成信号圈套，之后放入到井下，看定向水平是否处于完整性状态。第二，当主体处于定向水平状态值周，证明垂线不会与井筒壁或者是其他障碍物形成接触，此时，工作人员可以对其进行重新检查操作。

6.2 联系三角形测量

（1）外业测量。井下和井上三角形测量时应满足下面的要求：第一，两吊垂线之间的距离应该尽可能选择最大的数值；第二，对于联系三角形形状确认，应该以眼神形状为主体，尽可能缩小三角形内角，确保具体角度低于2°。第三，要求联系三角形的边长比值在1.5左右。实际联系三角形测量边和精度要求过程中，工作人员首先要做的就是借助于全站仪实现对边长的对中测量，并将地面联系三角形测量角精度保持在±4范围内，实际地下联系三角形测量角范围为±6。其次，在实际量边垂线在稳定过程中，实际三角形各个边的钢尺测量次数大约为6次，读书取值为0.5mm，各个边长误差应保持在2mm以内，最终结果以平均值为准。在实际垂线摆动过程中，应该以各边使用摆动方式测量为基准，每次涉及到的读数个数应保持在6个以上，每次丈量的差值不能超过4mm，最终结果为多次丈量结果的平均值。

（2）内业计算。联系三角形法测量后，采用正弦定理进行各内角的计算，同时需对测量与计算的结果进行检查。首先连接三角形三个内角的和平均都是180℃，如果有少量残差则可平均分配到各个内角上。此外，实际井下三角形闭合设计之中，同样需要满足具体的精度要求，反观井上测量中的丈量操作，实际钢丝之间的距离可以根据余弦定理计算，最终距离差值不得高于2mm。最后，对连接点的各个测角精确度进行评价总结，得到连接点测量角的误差值，若在规定误差范围内则表示此次矿井定向测量成功。

6.3 矿井定向测量精确度分析

（1）垂球线投点和投向误差计算。首先，借助于垂球线投点以及投向误差计算形式，将煤矿测量要求合理呈现出来，在此过程中，一井两次独立定向计算得到的方差角度差距不能超过2°，确保其始终处于合理范围内。另外，工作人员也可以使用两倍中误差，这也是允许误差范畴。该误差由井上连接误差和投向误差等组织。一般情况下，井定向误差与连接误差处于等价状态。相关工作人员可以借助于垂球线投点，避免滴水等因素对主体操作产生影响。除此之外，从实际钢丝弹性发展中能够看出，能够让主体垂球线投点出现很大变化。当缠绕在绞筒上的钢丝进入到井之中之后，钢丝还会处于之前状态，此时，钢丝中的各个点位也会与之前位置相偏离。所以说，为了维护各项工作的合理开展，工作人员使用直径超过250mm的绞车和细的钢丝，确定合理的垂重，避免对主体工作产生影响。除此之外，当钢丝自滑轮经定点放入井筒后，恰好与滑轮槽处于统一直线，此时，定点板将会与滑轮之间存在倾斜关系。由于钢丝之中存在一些弹性，当经过定点板的时候，钢丝也会继续向斜向方向延伸，之后渐渐转变成垂直状态。为了避免上述问题的出现，工作人员可以在定点板下方钢丝位置处执行地面连接测量操作。在后续滑轮和定点板布置过程中，需要将二者之间倾斜线以及垂线交角进一步缩小，避免主体操作对投向产生严重影响。

（2）减少投点误差的措施。首先，确保测量布置位置选择处于合理化状态；其次，处理好马头门处的气流问题；再次，如果钢丝具备直径小、强度高特点，工作人员还要适当增加稳定液的使用数量；最后，实际摆动观测工作的执行，实际垂球线摆动方向应该与标尺面处于平行状态，避免对钢丝和垂球产生严重影响。

（3）三角形连接法测量误差和有利形状分析。连接三角形定向测量最有利的形状应该是锐角小于2°的延伸三角形，在计算内角误差时应随着测量角的误差增大而增大，随着比值的减小而减小。所以在连接测量时应使连接点和点之间尽量靠近最近的垂球线，并精确测量出角度。第三，对于两条垂球线之间的距离，如果距离越大则说明计算角的误差越小。第四，在延伸三角形时，量边误差对于定向精度的影响较小。连接角误差会对连接精确度产生的影响指的是，因为在定向测量时，连接三角形的各个测量元素角和各边都是根据经纬仪中心测量得到的，因此仪器会对连接三角形的测量产生一定影响，尤其对垂球线方位角的确定产生影响。

7 结论

综上所述，按照定向矿井测量的要求和方法规定，进行了两个金属矿的定向测量实践，实现了两个矿井井长8000m的准确贯通测量，不仅取得了良好的测量效果，所取得的测量数据可以为矿井开采作业、通风系统的设计施工奠定基础，而且还为整体工程节约了不少费用。总的来说，进行金属矿井定向测量时应根据金属矿井的采矿生产特点、定向测量的目的、采矿生产对矿山测量工作的要求，以及从定向测量的精度等方面，讨论定向测量工作的总方案。