《礦山測量》第三章 礦井聯(lián)系測量

第三章礦井聯(lián)系測量第一節(jié)作用和任務

將礦區(qū)地面平面坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)傳遞到井下的測量，稱為聯(lián)系測量。

將地面平面坐標系統(tǒng)傳遞到井下的測量稱平面聯(lián)系測量，簡稱定向。將地面高程系統(tǒng)傳遞到井下的測量稱高程聯(lián)系測量，簡稱導入高程。

礦井聯(lián)系測量的目的是使地面和井下測量控制網采用同一坐標系統(tǒng)。(1)需要確定地面建筑物、鐵路和河湖等與井下采礦巷道之間的相對位置關系。(2)需要確定相鄰礦井的各巷道間及巷道與老塘(采空區(qū))間的相互關系，正確地劃定兩相鄰礦井間的隔離礦柱。(3)為解決很多重大工程問題，如井筒的貫通或相鄰礦井間各種巷道的貫通，以及由地面向井下指定地點開鑿小井或打鉆孔等等。地面塌陷和井下采礦聯(lián)系測量的任務在于確定：(1)井下經緯儀導線起算邊的坐標方位角；(2)井下經緯儀導線起算點的平面坐標x和y；(3)井下水準基點的高程H。第二節(jié)礦井定向的種類與要求

礦井定向概括說來可分為兩大類：一類是從幾何原理出發(fā)的幾何定向；另一類則是以物理特性為基礎的物理定向。幾何定向分為:

(1)通過平硐或斜井的幾何定向；

(2)通過一個立井的幾何定向;(一井定向)；

(3)通過兩個立井的幾何定向(兩井定向)。

物理定向分為：

(1)用精密磁性儀器定向；

(2)用投向儀定向；

(3)用陀螺經緯儀定向?！兑?guī)程》規(guī)定的聯(lián)系測量的主要精度要求見表3-1表3-1聯(lián)系測量的主要限差15″級:<40″25″級:<60″井下同一定向邊兩次獨立陀螺經緯儀定向的互差15″級:<40″25″級:<70″一井定向：<2′兩井定向：<1′陀螺經緯儀精度級別是按實際達到的一測回測量陀螺方位角的中誤差確定的同一邊任意兩測回測量陀螺方位角的互差陀螺經緯儀定向井田一翼長度小于300m的小礦井，可適當放寬限差，但應<10′由近井點推算的兩次獨立定向結果的互差幾何定向備注容許限差類別《規(guī)程》中幾何定向的限差，是根據當時制定《規(guī)程》時各礦的實際定向精度規(guī)定的。根據一些局礦的統(tǒng)計資料，求得兩次獨立定向平均值的中誤差和兩次獨立定向的容許互差列于表3-2。表3-2實際定向精度與規(guī)程限差對比1′2′《規(guī)程》規(guī)定值估算值52″13″85兩井定向1′40″25″28一井定向備注兩次獨立定向的個數定向方法第三節(jié)地面近井點、井口水準基點

及井下定向基點測設1.礦區(qū)控制測量簡介礦區(qū)基本控制網是指為滿足礦山生產和建設對空間位置的精確需要而設立的平面和高程控制網,也稱近井網。其目的是將整個礦區(qū)或礦山納入統(tǒng)一的平面坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)之中。它可以是國家等級控制網的一部分，也可以根據需要單獨布設。

布設要求

一個礦區(qū)應采用統(tǒng)一的坐標和高程系統(tǒng)。為了便于成果、成圖的相互利用，應盡可能采用國家3o帶高斯平面坐標系統(tǒng)。在特殊情況下，可采用任意中央子午線或礦區(qū)平均高程面的礦區(qū)坐標系統(tǒng)。礦區(qū)面積小于50Km2且無發(fā)展可能時，可采用獨立坐標系統(tǒng)。礦區(qū)高程盡可能采用1985國家高程基準，當無此條件時，方可采用假定高程系統(tǒng)。

礦區(qū)地面平面控制網可采用三角網、邊角網、導線網，GPS定位等布網方法建立。礦區(qū)首級平面控制網必須考慮礦區(qū)遠景發(fā)展的需要。一般在國家一、二等平面控制網基礎上布設，其等級依礦區(qū)井田大小及貫通距離和精度要求確定。

礦區(qū)地面高程首級控制網，一般應采用水準測量方法建立，其布設范圍和等級選擇依據礦區(qū)長度來確定。礦區(qū)地面高程首級控制網宜布設成環(huán)形網，加密時宜布設成附合路線和結點網，只有在山區(qū)和丘陵地帶，才允許布設成水準支線。各等水準網中最弱點的高程中誤差(相對于起算點)不得大于±2cm。

2.近井點和井口高程基點的概念及其作用

在礦山建設和生產過程中，須按設計和工程要求進行各種采礦工程測量，如:井口位置、十字中線點和工業(yè)廣場建筑物的標定，井筒掘砌和提升設備安裝時的測量，建立地表移動和建(構)筑物變形觀測站，工業(yè)廣場平面圖的測繪，井下基本控制導線的施測以及井口之間井巷貫通。

所有這些采礦工程測量都必須依據建立在井口附近的平面控制點和高程控制點來進行。在礦山工程測量中稱這類控制點為近井點和井口高程基點。近井點和井口高程基點是礦山測量的基準點。

礦區(qū)近井點布設要求

近井點可在礦區(qū)三、四等三角網、測邊網或邊角網的基礎上，用插網、插點、敷設經緯儀導線(鋼尺量距或光電測距)或GPS定位等方法測設。近井點的精度，對于測設它的起算點來說，其點位中誤差不得超過7cm，后視邊方位角中誤差不得超過±10″。近井網的布設方案可參照礦區(qū)平面控制網的布設規(guī)格和精度要求來測設。

井口高程基點的高程精度應滿足兩相鄰井口間進行主要巷道貫通的要求。由于兩井口間進行主要巷道貫通時，在高程上的允許偏差=±0.2m，則其中誤差±0.1m，一般要求兩井口水準基點相對的高程中誤差引起貫通點K在Z軸方向的偏差中誤差應不超過=±0.03m。

所以井口高程基點的高程測量，應按四等水準測量的精度要求測設。在丘陵和山區(qū)難以布設水準路線時，可用三角高程測量方法測定，但應使高程中誤差不超過±3cm，對于不涉及兩井間貫通問題的高程基點的高程精度不受此限。

近井點和井口水準基點是礦山測量的基準點。在建立近井點和井口水準基點時，應滿足下列要求：

(1)盡可能埋設在便于觀測、保存和不受開采影響的地點。

(2)每個井口附近應設置一個近井點和兩個水準基點；

(3)近井點至井口的連測導線邊數應不超過三個；

(4)多井口礦井的近井點應統(tǒng)一合理布置，盡可能使相鄰井口的近井點構成三角網中的一個邊，或力求間隔的邊數最少；

(5)近井點和井口水準基點標石的埋設深度，在無凍土地區(qū)應不小于0.6m，在凍土地區(qū)盤石頂面與凍結線之間的高度應不小于0.3m；

(6)為使近井點和井口水準基點免受損壞，在點的周圍宜設置保護樁和柵欄或刺網。在標石上方宜堆放高度不小于0.5m的碎石。第四節(jié)立井幾何定向

一、概述在立井中懸掛鋼絲垂線由地面向井下傳遞平面坐標和方向的測量工作稱為立井幾何定向。幾何定向分一井定向和兩井定向。立井幾何定向方法:

可把立井幾何定向工作分為兩部分：由地面向定向水平投點(簡稱投點)；在地面和定向水平上與垂球線連接(簡稱連接)。

二、一井定向方法

在一個井筒中掛兩根鋼絲，將,,傳到井下方法：連接三角形法，四邊形法，瞄直法

(一)投點

在井筒內掛兩根垂球線。多重單重穩(wěn)定:水桶內，靜止不變，井深小，擺幅小擺動:井深，風大，擺幅大，自由擺動投點投點誤差：風流、滴水等影響，鋼絲地面井下投影不重合，線量偏差投向誤差：由投點誤差所引起的垂球線連線的方向誤差aABbaAbBBAabθθccce

=1mm,=3m時,=±68.8″規(guī)程規(guī)定，兩井兩次獨立定向之差小于2′,則一次定向中誤差不大小±42″,投向誤差小于±30″當=2,3,4m時，=0.3,0.45,0.6mm與成正比與成反比減小投點誤差措施：1)增大2)減少馬頭門處風流3)小直徑，高強度綱絲,加大錘重，浸入液體中4)減小滴水影響，擋水，桶蓋

1.單重穩(wěn)定投點

單重穩(wěn)定投點是假定垂球線在井筒內處于鉛垂位置而靜止不動。當井筒不深、滴水不大、井筒內氣流緩慢、垂球線擺動很小、其擺幅一般不超過0.4mm時被采用。

投點所需主要設備的要求如下：(1)垂球：以對稱砝碼式的垂球為好，每個圓盤重量最好為10kg或20kg。當井深小于100m時，采用30～50kg的垂球，當超過100m時，則宜采用50～100kg的垂球；(2)鋼絲：應采用直徑為0.5～2mm的高強度的優(yōu)質碳素彈簧鋼絲。鋼絲上懸掛的重錘重量應為鋼絲極限強度的60%～70%；(3)手搖絞車：絞車各部件的強度應能承受三倍投點時的荷重，絞車應設有雙閘；

(4)導向滑輪：直徑不得小于150mm，輪緣做成銳角形的繩槽以防止鋼絲脫落，最好采用滾珠軸承；(5)定點板：用鐵片制成，定向時也可不用定點板；(6)小垂球：在提放鋼絲時用，其形狀成圓柱形或普通垂球之形狀均可；(7)大水桶：用以穩(wěn)定垂球線，一般可采用廢汽油桶，水桶上應加蓋。2.鋼絲下放及自由懸掛的檢查下放方法:緩慢下放，穩(wěn)定，閘，掛大錘球，伸長量自由懸掛檢查:信號圈法比距法直接檢查3.單重擺動投點觀測重球線擺動，找出其靜止位置，然后固定，連接觀測。二根標尺,經緯儀定點盤大頭針，小釘等

(二)連接

由于不能在垂球線、點安設儀器，故選定井上下的連接點與，從而在井上下形成了以為公用邊的和，一般把這樣的三角形稱為連接三角形。當已知點坐標及邊的方位角和地面三角形各內角及邊長時，便可按導線測量計算法，算出、在地面坐標系統(tǒng)中的坐標及其連線方位角。同樣，已知、的坐標及其連線的方位角和井下三角形各要素時，再測定連接角，就能計算出井下導線起始邊的方位角及點的坐標。CBACDEDEabcabc在選擇井上下連接點和時，應滿足下列要求：

(1)點與及與應彼此通視，且和的長度應盡量大于20m。當邊小于20m時，儀器必須對中三次；

(2)點與應盡可能地在延長線上，使三角形的銳角應小于2°，這樣便構成最有利的延伸三角形；

(3)點和應適當地靠近最近的垂球線，使及之值應盡量小一些。

1.外業(yè)：

(1)在連接點上用測回法測量角度和。

(2)丈量連接三角形的三個邊長、及。量邊應用檢驗過的鋼尺并施加比長時的拉力，記錄測量時的溫度。

在垂線穩(wěn)定情況下，應用鋼尺的不同起點丈量6次。估讀導0.5mm。同一邊各次觀測值的互差不得大于2mm，取平均值作為丈量的結果。在垂球擺動的情況下，應將鋼尺沿所量三角形的各邊方向固定，然后用擺動觀測了的方法，以求得邊長。每次均須用上述方法測量兩次，互差不得大于3mm，取其平均值作為丈量結果。井上、下量得兩垂球先間距離的互差，一般應不超過2mm。測角，量邊,

2.內業(yè)檢查記錄

(1)三角形的解算當及時，(2)測量和計算正確性檢核①，平均分配于，上②

當<時，符合規(guī)程要求，分配

2mm,井上

4mm,井下(三)一井定向的工作組織

工作環(huán)節(jié)多，測量精度要求高，縮短占用井筒的時間，需很好的工作組織。(1)準備工作

①選擇連接方案，作出技術設計；②定向設備及用具的準備；③檢查定向設備及檢驗儀器；④預先安裝某些投點設備和將所需用具設備等送至定向井口和井下；⑤確定井上下的負責人，統(tǒng)一負責指揮和聯(lián)絡工作。(2)制定地面的工作內容及順序。(3)制定定向水平上的工作內容及順序。。(4)定向時的安全措施①在定向過程中，應勸阻一切非定向工作人員在井筒附近停留；②提升容器應牢固停妥；③井蓋必須結實可靠地蓋好；④對定向鋼絲必須事先仔細檢查，放提綱絲時，應事先通知井下，只有當井下人員撤出井筒后才能開始；⑤垂球未到井底或地面時，井下人員均不得進入井筒；⑥下放鋼絲時應嚴格遵守均勻慢放等規(guī)定，切忌時快時慢和猛停，因為這樣最易使鋼絲折斷；⑦應向參加定向工作的全體人員反復進行安全教育，以提高警惕。在地面工作的人員不得將任何東西掉入井內，在井蓋工作的人員均應配帶安全帶；⑧定向時，地面井口自始至終不能離人，應有專人負責井上下聯(lián)系。

(5)定向后的技術總結

定向工作完成后，應認真總結經驗，并寫出技術總，同技術設計書一起長期保存。定向后的技術總結，首先應對技術設計書的執(zhí)行情況作簡要說明，指出在執(zhí)行中遇到的問題、更改的部分及原因。其次編入下列內容：①定向測量的實際時間安排，實際參加定向的人員及分工；②地面連測導線的計算成果及精度；③定向的內業(yè)計算及精度評定；④定向測量的綜合評述和結論。

三、兩井定向方法

當礦區(qū)有兩個立井，且兩井之間在定向水平上有巷道相通并能進行測量時，就要采用兩井定向。兩井定向時，由于兩垂球線間距離大大增加，因而由投點誤差引起的投向誤差也大大減小，這是兩井定向的最大優(yōu)點。

(一)外業(yè)工作1.投點

在兩個立井中各懸掛一根垂球線A和B。2.地面連接測量

從近井點K分別向兩垂球線A、B測設連接導線K-Ⅱ-Ⅰ-A及K-Ⅱ-B，以確定A、B的坐標和AB的坐標方位角。導線可采用Ⅰ級或Ⅱ級導線。3.井下連接測量

在定向水平測設經緯儀導線A-1-2-3-4-B，導線可采用7″或15″基本控制導線。(二)內業(yè)計算1.根據地面連接測量的結果，計算兩垂球連線的方位角及長度按一般方法，算出兩垂球線的坐標、、、，根據算出的坐標，計算的方位角及長度：

2.根據假定坐標系統(tǒng)計算井下連接導線

假設為坐標原點，邊為軸方向，即

3.測量和計算的檢驗

用比較井上與井下算得的兩垂線間距離與進行檢查。由于兩垂球的向地心性，差值為:應不超過井上、下連接測量中誤差的兩倍

4.按地面坐標系統(tǒng)計算井下導線各邊的方位角及各點的坐標

其他邊的坐標方位角為：

式中：——該邊在假定坐標系中的假定方位角。根據起算數據

,

,與井下導線的測量數據重新計算井下連接導線點的坐標。

將地面與井下求得的B點坐標相比較，如果相對閉合差符合井下所采用連接導線的精度時，可將坐標增量閉合差按井下連接導線邊長成比例反號加以分配，因地面連接導線精度較高，可不加改正。

5.兩井定向應獨立進行兩次，其互差不得超過1′

取兩次獨立定向計算結果的平均值作為兩井定向井下連接導線的最終值。

第五節(jié)陀螺經緯儀工作原理

陀螺經緯儀是將陀螺儀和經緯儀結合的儀器。不受時間和環(huán)境的限制，觀測簡單方便、效率高，較高的定向精度，所以是一種先進的定向儀器。就礦山而言，它完全可以取代國內礦山測量沿用百年之久的幾何定向法，克服了幾何定向法要占用井筒而造成停產、耗費大量人力、物力和時間等缺點。

慣性導航陀螺經緯儀在礦山測量中可用作：(1)為井下每一水平進行定向。(2)控制導線測量誤差的積累。加測陀螺方位邊，發(fā)現(xiàn)粗差，減少方向誤差的積累。(3)礦山及地下工程大型巷道貫通定向。(4)在蔭蔽地區(qū)，線路、管道、隧道等工程的定向。(5)與光電測距儀配套使用，可用極坐標法測設新點和敷設高精度的光電測距——陀螺定向導線。

1852年，法國物理學家傅科(J.B.L.Foucalt)提出地球的自轉會在陀螺儀上產生效應的設想。

19世紀初，研制成功陀螺羅盤作為航海導航儀器。

20世紀50年代，研制成功液浮式礦用陀螺羅盤儀。

1960年代，在礦用陀螺羅盤儀的基礎上發(fā)展成陀螺經緯儀，其中較大的改進是利用金屬懸掛帶把陀螺靈敏部置于空氣中。下架式陀螺經緯儀。

1970年代，上架式陀螺經緯儀。特點是體積小，重量輕，觀測時間短，便于操作和攜帶，適應煤礦井下作業(yè)條件。如瑞士威特(WILD)廠的GAK-1、匈牙利英姆(MOM)廠的Gi-C11、德國芬奈(Fennel)廠的TK-4、中國礦業(yè)大學和徐州光學儀器總廠聯(lián)合研制的JT15等。

20世紀70年代后期，德國、瑞士、匈牙利、前蘇聯(lián)等國家把自動控制技術和電子計算機引進陀螺經緯儀，研制出自動化陀螺經緯儀。如德國的MW-77-Gyromat,瑞士的GG1型，匈牙利的Gi-B3、Gi-B11型，前蘇聯(lián)的МВЦ4型等。

1980年代，研制成數字化陀螺全站儀。它的特點是可以直接測定測線的方位角和待定點的坐標，敷設光電測距—陀螺定向導線，滿足高精度工程測量的要求。如日本索佳的GP1型就是這類儀器。激光陀螺光纖陀螺全自動數字化陀螺慣性系統(tǒng)二、自由陀螺的特性

沒有任何外力作用，并具有三個自由度的陀螺儀稱做自由陀螺儀。自由陀螺的模型及原理：

自由陀螺儀有兩個特性，具體如下：

(1)陀螺軸在不受外力矩作用時，它的方向始終指向初始恒定方位，即所謂定軸性；

(2)陀螺軸在受外力作用時，將產生非常重要的效應——“進動”，即所謂進動性。陀螺軸在受外力作用時，以最小角度向外力矩方向進動。通過實驗還可以得出：進動的角速度ωP的大小與外加力矩MB成正比，與陀螺儀的動量矩H成反比，即通常用右手定則來表示它們之間的方向關系。

根據研究表明，由于軸承間摩擦力矩所引起的主軸的進動是沒有規(guī)律的。目前用于定向的陀螺儀是采用兩個完全的自由度和一個不完全的自由度，也稱為兩個半自由度的所謂鐘擺式陀螺儀。

如果把自由陀螺儀的重心從中心下移，即在自由陀螺儀軸上加以懸重Q，則陀螺儀靈敏部的重心由中心O下移到O1點，此時它具有兩個完全的自由度和一個不完全的自由度。因為它的靈敏部和鐘擺相似(重心位于過中心的鉛垂線上，且低于中心)，所以稱為鐘擺式陀螺儀。如果用懸掛帶懸掛起來，陀螺既能繞自身軸高速旋轉，又能繞懸掛軸擺動(進動)。

三、陀螺經緯儀工作原理(一)地球自轉及其對陀螺儀的作用

地球以角速度(周/晝夜=7.25×10-5rad/s)繞其自轉軸旋轉，故地球上的一切東西都隨著地球轉動。如從宇宙空間來看地軸北端，地球是在作逆時針方向旋轉，其旋轉角速度的矢量沿其自轉軸指向北端。對緯度為的地面點而言，地球自轉角速度矢量和當地的水平面成角，且位于過當地的子午面內?？煞纸鉃榇怪狈至?沿鉛垂方向)和水平分量

(沿子午線方向)。

這時角速度矢量ωE應位于OPN上，且向著北極PN那一端。將ωE分解成互相正交的兩個分量ω1和ω2。ω1叫做地球旋轉的水平分量，表示地平面在空間繞子午線旋轉的角速度；且地平面的東半面降落，西半面升起，在地球上的觀測者感到就像太陽和其他星體的高度變化一樣。地球水平分量ω1的大小為：

(3-16)

分量ω2表示子午面在空間繞鉛垂線亦即萬向結構z軸旋轉的角速度，并且表示子午線的北端向西移動。這個分量稱為地球旋轉的垂直分量。觀測者在地球上感到的正如太陽和其他星體的方位變化一樣。分量ω2的大小為：

(3-17)

為了說明鐘擺式陀螺儀受到地球旋轉角速度的影響，我們把地球旋轉分量ω1再分解成為兩個互相垂直的分量ω3(沿y軸)和ω4(沿x軸)。分量ω4表示地平面繞陀螺儀主軸旋轉的角速度，其大小為：

(3-18)

此分量對陀螺儀軸在空間的方位沒有影響，所以不加考慮。

分量ω3表示地平面繞y軸旋轉的角速度，其大小為：

(3-19)

分量ω3對陀螺儀軸x的進動有影響，所以ω3叫做地轉有效分量。該分量使陀螺儀軸發(fā)生高度的變化，向東的一端仰起(因東半部地平面下降)，向西的一端傾降。

當地球旋轉時，鐘擺式陀螺儀上的懸重Q將使主軸x產生回到子午面的進動。當陀螺儀主軸x平行于地平面的時刻，則懸重Q不引起重力力矩，所以對于x軸的方位沒有影響。但在下一時刻，地平面依角速度ω3繞y軸旋轉，所以地平面不再平行于x軸，而與之呈某一夾角。設x軸的正端偏離子午面之東，那么當地平面降落后，觀測者感到的是x軸的正端仰起至地平面之上，并與地平面呈夾角θ。因而懸重Q產生力矩使x軸的正端進動并回到子午面方向。反之亦然。

若陀螺儀靈敏部重量為P，且認為是集中作用于重心O1，重心O1至懸掛點O的距離為1，則此時因地平面繞y軸旋轉而引起的力矩為：

(3-20)

顧及式(3-15)，可知這時x軸進動的角速度為：

(3-21)

因此鐘擺式陀螺儀在地轉有效分量ω3的影響下其主軸x總是向子午面方向進動。

(二)陀螺儀軸對地球的相對運動

由于與地球轉動的同時，子午面亦在按地轉鉛垂分量ω2不斷地變換位置。故即使某一時刻陀螺儀軸與地平面平行且位于子午面內，但下一時刻陀螺儀軸便不再位于子午面內，因此陀螺儀軸與子午面之間具有相對運動的形式。當陀螺儀軸的進動角速度ωP與角速度分量ω2相等時，則陀螺儀軸與儀器所在地點的子午面保持相對靜止，因而有：

因θ角較小，故可寫成：

(3-22)

也就是說，陀螺儀軸正端自地平面仰起θ角時，陀螺儀x軸便與子午面保持相對靜止，此時的θ角稱為補償角，并以θ0表示。1θ=0,ωP=01~2θ↗,ωP↗,ωP<ω2

2

θ=θ0,ωP=ω2

2~3θ↗,ωP↗,

ωP>ω2

3θ=max,ωP=max3~4θ↘,ωP

↘,ωP>ω24θ=θ0,ωP=ω24~55

5~66

6~1

(三)陀螺儀軸的進動方程

為了對陀螺儀軸的擺動規(guī)律有一個比較全面的理解，就需要建立陀螺儀軸的運動方程。陀螺儀軸的運動略去非線性項可用近似的微分方程來表示：

(6)

四、

陀螺經緯儀的基本結構

目前上架懸掛式陀螺經緯儀的型號很多，在國際上比較有代表性的有GAK-1、Gi-C11、TK4等，我國則有JT15、FT90等。雖然在具體的構造上各有特點，但在總體結構上卻基本類似。這里以JT15為例，說明陀螺經緯儀的基本結構。JT15陀螺經緯儀是由陀螺儀、經緯儀、便攜式陀螺電源箱及三腳架等四部分組成。(一)陀螺儀的基本結構

陀螺的核心是陀螺馬達，它裝在密封的充氫的陀螺房中，通過懸掛柱由懸掛帶懸掛起來，用兩根導流絲12和懸掛帶1及旁路結構給其供電。在懸掛柱上裝有反光鏡。它們共同構成了陀螺靈敏部。與陀螺儀支承殼體固連在一起的光標線，經反射棱鏡、反光鏡反射后，再通過物鏡成像在目鏡分劃板5上，從而構成了反射式光學系統(tǒng)。轉動儀器外部的手輪，通過凸輪帶動鎖緊限幅機構的升降，使陀螺靈敏部托起(鎖緊)或下放(擺動)。

儀器外殼14內壁和底部裝有磁蔽罩，用于防止外界磁場的干擾。陀螺儀和經緯儀的連接，靠經緯儀上部的橋形支架及螺紋壓環(huán)8的壓緊來實現(xiàn)。二者連接的穩(wěn)定性是通過橋形支架頂部三個球形頂針插入陀螺儀底部三條向心“V”形槽達到強制歸心的。

(二)經緯儀及三腳架

采用J2或J6型經緯儀及通用三腳架。

(三)陀螺電源箱

JT15陀螺經緯儀采用的馬達為DT4電動陀螺馬達。它要求電壓36V、頻率400Hz的三相交流電源驅動。為方便現(xiàn)場使用，特制成便攜式電源箱。五、陀螺經緯儀的定向方法(一)定向外業(yè)過程1.在地面已知邊上測定儀器常數

陀螺儀軸與望遠鏡光軸及觀測目鏡分劃板零線代表的光軸通常不在同一豎直面中，該假想的陀螺儀軸的穩(wěn)定位置通常不與地理子午線重合。二者的夾角稱為儀器常數，一般用Δ表示。陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊，Δ為正；反之，則為負。

2.在井下定向邊上測定陀螺方位角

井下定向邊的長度應大于50m，儀器安置在C′點上，可測出邊的陀螺方位角。則定向邊的地理方位角A為：

(3-54)

測定定向邊陀螺方位角應獨立進行兩次，其互差對GAK-1、JT15型儀器應小于40″

3.儀器上井后重新測定儀器常數

儀器上井后，應在已知邊上重新測定儀器常數2~3次。前后兩次測定的儀器常數，其中任意兩個儀器常數的互差對GAK-1、JT15型儀器應小于40″。然后求出儀器常數的最或是值，并按白塞爾公式來評定一次測定中誤差。

4.求算子午線收斂角

一般地面精密導線邊或三角網邊已知的是坐標方位角α0，需要求算的井下定向邊，也是要求出其坐標方位角α，而不是地理方位角A。因此還需要求算子午線收斂角γ。地理方位角和坐標方位角的關系為：

子午線收斂角γ0的符號可由安置儀器點的位置來確定，即在中央子午線以東為正，以西為負；其值可根據安置儀器點的高斯平面坐標求得。5.求算井下定向邊的坐標方位角

由圖3-44及以上公式可得：

(3-56)

井下定向邊的坐標方位角則為：

(3-57)

式中：Δ平——儀器常數的平均值。(二)陀螺儀懸?guī)Я阄挥^測

懸?guī)Я阄皇侵竿勇蓠R達不轉時，陀螺靈敏部受懸掛帶和導流絲扭力作用而引起扭擺的平衡位置，就是扭力矩為零的位置。這個位置應在目鏡分劃板的零刻劃線上。在陀螺儀觀測工作開始之前和結束后，要作懸?guī)Я阄挥^測，相應稱為測前零位和測后零位觀測。測定懸掛零位時，先將經緯儀整平并固定照準部，下放陀螺靈敏部從讀數目鏡中觀測靈敏部的擺動0+10-10

在分劃板上連續(xù)讀三個逆轉點讀數，估讀到0.1格。同時還需用秒表測定周期，即光標像穿過分劃板零刻劃線擺動一周的時間，其讀數稱為自由擺動周期T3。零位觀測完畢，鎖緊靈敏部。

如測前與測后懸掛零位變化在±0.5格以內，且自擺周期不變，則不必進行零位校正和加入改正。如零位變化超過±0.5格就要進行校正或加改正值。因為這時用“零”線來跟蹤靈敏部時懸掛帶的扭矩不完全等于零，會使靈敏部的擺動中心發(fā)生偏移。如陀螺定向時井上、下所測得的零位有變化時，也應加入改正數。

(三)粗略定向

在測定已知邊和定向邊的陀螺方位角之前，必須把經緯儀望遠鏡視準軸置于近似北方，粗略定向。羅盤粗定向。利用已知邊的坐標方位角直接尋找近似北方。兩個逆轉點法。達到逆轉點時，算近似北方在水平度盤上的讀數：

(3-63)

轉動照準部，把望遠鏡擺在N′讀數位置，再加上儀器常數，這時視準軸就指向了近似北方。(四)精密定向

精密定向是精確測定已知邊和定向邊的陀螺方位角。其方法可分為兩大類：一類是儀器照準部處于跟蹤狀態(tài)，即多年來國內外都采用的逆轉點法；另一類是儀器照準部固定不動，其方法很多，如中天法、時差法、擺幅法等。采用逆轉點法觀測時，陀螺經緯儀在一個測站的操作程序如下:(1)嚴格整置經緯儀，架上陀螺儀，以一個測回測定待定或已知測線的方向值，然后將儀器大致對正北方。(2)鎖緊擺動系統(tǒng)，啟動陀螺馬達，待達到額定轉速后，下放陀螺靈敏部，進行粗略定向。制動陀螺并托起鎖緊，將望遠鏡視準軸轉到近似北方位置，固定照準部。把水平微動螺旋調整到行程范圍的中間位置。

(3)打開陀螺照明，下放陀螺靈敏部，進行測前懸?guī)Я阄挥^測，同時用秒表記錄自擺周期T3。零位觀測完畢，托起并鎖緊靈敏部。

(4)啟動陀螺馬達，達到額定轉速后，緩慢地下放靈敏部到半脫離位置，稍停數秒鐘，再全部下放。如果光標像移動過快，再使用半脫離阻尼限幅，使擺幅大約在1°~3°范圍為宜。用水平微動螺旋微動照準部，讓光標像與分劃板零刻劃線隨時重合，即跟蹤。

跟蹤要做到平穩(wěn)和連續(xù)，切忌跟蹤不及時，例如時而落后于靈敏部的擺動，時而又很快趕上或超前很多，這些情況都會影響結果的精度。在擺動到達逆轉點時，連續(xù)讀取5個逆轉點讀數u1、u2……u5。然后鎖緊靈敏部，制動陀螺馬達。0+10-10

跟蹤時，還需用秒表測定跟蹤擺動周期T1。擺動平衡位置在水平度盤上的平均讀數NT稱為陀螺北方向值，用下式計算：

陀螺儀擺動中值的互差，對JT15、GAK-1型儀器應不超過25″。(5)

測后零位觀測，方法同測前零位觀測。(6)以一測回測定待定或已知測線的方向值。

測前測后兩次觀測結果的互差對J2和J6級經緯儀分別不得超過10″和25″。取測前測后兩測回的平均值作為測線方向值。

2.中天法

此法要求起始近似定向達到±15′以內。在整個觀測過程中，經緯儀照準部都固定在這個近似北方向上。中天法陀螺儀定向時一個測站的操作程序如下:(1)嚴格整置經緯儀，以一個測回測定待定或已知測線的方向值。然后將儀器大致對正北方。

(2)進行粗略定向。將經緯儀照準部固定在近似北方N′上，并記錄下N′值。(3)測前零位觀測。(4)啟動陀螺馬達，下放靈敏部，經限幅，使光標像擺幅不超過目鏡視場。然后按下列順序進行觀測：

①指標線經過分劃板零刻線時啟動秒表，讀取t1；

②指標線到達逆轉點時，在分劃板上讀取擺幅讀數aE

③指標線返回零刻線時讀出秒表上讀數t2；0+10-10

④指標線到達另一逆轉點時讀擺幅讀數aW；

⑤

靈敏部指標線返回零刻線時讀秒表上中天時間t3；

重復進行上述操作，一次定向需連續(xù)測定5次中天時間。記錄不跟蹤擺動周期T2。

(5)

測后零位觀測。

(6)

測定待定或已知測線方向值。取前、后兩次的平均值作為測線方向值?；居嬎闳缦拢簲[動半周期：

時間差：擺幅值：

近似北方偏離平衡位置的改正數為：(3-45)擺動平衡位置在水平度盤上的讀數(陀螺北方向值)應為：

(3-46)

式中c——比例系數。

c值的測定和計算方法如下：①利用實際觀測數據求c值。

把經緯儀照準部擺在偏東10′和偏西10′左右，分別用中天法觀測，求出時間差Δt1和Δt2，以及擺幅值a1和a2，可列出如下方程式，以求解c值。

解之得：

(3-47)

c值與地理緯度有關，在同一地區(qū)南北不超過500km范圍以內可使用同一c值，超過這個范圍須重新測定。隔一定時間后應抽測檢查。②利用擺動周期計算比例系數c

(3-48)

式中m——分劃板分劃值；

T1——跟蹤擺動周期；

T2——不跟蹤擺動周期。

(五)陀螺經緯儀定向時的注意事項

陀螺經緯儀是以動力原理論為基礎的光、機、電結合的精密儀器。工作時，陀螺靈敏部具有較大的慣性，必須注意合理使用，妥善保管，才能保持儀器的精度和壽命。在使用時，應根據儀器的性能及指標注意一些事項。(1)必須由具有一定操作經驗的人員來使用儀器。前后兩次測量儀器常數，一般應在三晝夜內完成。(2)在啟動陀螺馬達到額定轉速之前和制動陀螺馬達的過程中，陀螺靈敏部必須處于鎖緊狀態(tài)，防止懸掛帶和導流絲受損傷。(3)在陀螺靈敏部處于鎖緊狀態(tài)、馬達又在高速旋轉時，嚴禁搬動和水平旋轉儀器。否則將產生很大的力，壓迫軸承，以致毀壞儀器。(4)在使用陀螺電源逆變器時，要注意接線的正確；使用外接電源時應注意電壓、極性是否正確。在沒有負載時，不得開啟逆變器。(5)陀螺儀存放時，要裝入儀器箱內，放入干燥劑，儀器要正確存放，不要倒置或躺臥。(6)儀器應存放在干燥、清潔、通風良好處，切忌置于熱源附近，環(huán)境溫度以10℃~30℃為宜。(7)儀器用車輛運輸時，要使用專用防震包裝箱。(8)在野外觀測時，儀器要避免太陽光直接照射。(9)目鏡或其他光學零件受污時，光用軟毛刷輕輕拭去灰塵，然后用鏡頭紙或軟絨布揩拭，以免損傷光潔度和表面涂層。

(六)立井采用陀螺經緯儀定向時的聯(lián)系測量經過一個立井利用陀螺經緯儀定向時的聯(lián)系測量由三部分組成：①投點；②井上、下與連接測量；③井下起始邊的陀螺經緯儀定向。

1,投點激光垂直投點儀鋼絲投點法。

2,連接地面連接：井下連接：

3.定向在選定的起始邊上進行陀螺經緯儀定向，求出該邊的坐標方位角。

4.內業(yè)計算

(1)根據地面連接測量的成果，按復測支導線計算垂球線A的坐標(xA、yA)。

(2)計算井下連接導線各邊的坐標方位角。

(3)計算井下導線起始點的坐標。第六節(jié)高程聯(lián)系測量

一、導入高程的的原理高程聯(lián)系測量的任務，就在于把地面的高程系統(tǒng)，經過平硐、斜井或立井傳遞到井下高程測量的起始點上。所以我們稱之為導入高程。導入高程的方法隨開拓的方法不同而分為：①通過平硐導入高程；②通過斜井導入高程；③通過立井導入高程。

通過平硐導入高程，可以用一般井下幾何水準測量來完成。其測量方法和精度與井下水準相同。

通過斜井導入高程，可以用一般三角高程測量來完成。其測量方法和精度與井下基本控制三角高程測量相同。

通過立井導入高程的實質，就是如何來求得井上下兩水準儀水平視線間的長度l。立井導入高程的方法有長鋼尺導入高程、長鋼絲導入高程和光電測距儀導入高程和光電測距儀導入高程。圖3-11通過立井導入高程

則

因此通過立井導入高程的實質就是如何求得l的長度。目前導入高程采用的方法有:長鋼尺導入高程短鋼尺導入高程鋼絲導入高程測距儀導入高程二、長鋼尺導入高程

目前在國內外使用的長鋼尺有500m、800m、1000m等幾種。鋼尺通過井蓋放入井下，掛上一個10kg左右垂球，以拉直鋼尺，使之居于自由懸掛位置。在地面及井下安平水準儀，分別在A、B兩點水準尺上取讀數a與b，然后將水準儀照準鋼尺。當鋼尺掛好后，井上、下同時取讀數m和n。同時讀數可避免鋼尺移動所產生的誤差。還應用點溫計測定井上、下的溫度t1、t2。

根據上述測量數據，就能求得A、B兩點之高差為：(3-53)

式中:為鋼尺的總改正數，它包括尺長、溫度、拉力和鋼尺自重等四項改正數。即

(3-54)

在計算溫度改正數時，鋼尺工作時的溫度應該取井上下溫度的平均值，即。對于鋼尺的自重改正，可按下式計算：(3-55)

式中——鋼尺的相對密度，即7.8g/cm3;

E——鋼尺的彈性系數，等于2×106kg/cm2；

(m-n)——井上、下兩水準儀視線間的鋼尺長度。鋼尺的自重改正數永遠為正號。

如無長鋼尺時，也可將幾根50m的短鋼尺牢固地連接起來，然后進行比長，當作長鋼尺使用，同樣可取得很好的效果。導入高程均需獨立進行兩次，也就是說在第一次進行完畢后，改變其井上下水準儀的高度并移動鋼尺，用同樣的方法再作一次。加入各種改正數后，前后兩次之差，按《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定不得超過l/8000(l為井上、下水準儀視線間的鋼尺長度)。

三、鋼絲法高程聯(lián)系測量

目前由于我國長鋼尺較少，采用短鋼尺相接的辦法不方便，所以本次設計采用鋼絲法導入高程。用鋼絲導入高程時，因為鋼絲本身不象鋼尺一樣有刻畫，所以不能直接量出長度，須在井口設一臨時比長臺來丈量，以間接求出長度值。

1、觀測工作（1）井下：在井底車場的巷道內安置水準儀，在B點水準尺上讀取讀數，然后瞄準鋼絲，并將水準儀視線與鋼絲的交點用標線夾8在鋼絲上標出。

（2）地面：在井下8夾好的時候，對準一整刻畫讀取m1，提升鋼絲讀取夾10讀數n1，則鋼尺第一次提升長度為m1-n1，然后卸夾在卡于前端整尺分劃m2，對應讀出n2，如此反復進行，在比長臺上讀出最后一次后端讀數n，再在A點水準尺上讀數，對準鋼絲夾上9夾，再讀A尺讀數a，量出8夾與9夾之間的距離，提升鋼尺前后要在井上下測溫，取其平均值作井上下平均溫度。2、內業(yè)計算

A點和B點之間的高差為：

公式中λ的正負規(guī)定如下：標線夾8在標線夾9下面時為正，反之為負.在總改正數∑Δl中，按《規(guī)程》規(guī)定只需對丈量時所用鋼尺的尺長改正和溫度改正以及井上下溫度不同時影響鋼尺長度的改正。3、工作組織（1）井上水準讀數、立尺、記錄、夾標線各一人，比長臺讀數一人，通訊一人。（2）井下水準讀數、立尺、記錄、夾標線各一人，通訊一人。

四、光電測距儀導入高程的方法

1、長鋼絲配合測距儀導入高程將定向時的重陀改為10kg左右的垂球，然后，井上下的水準儀分別讀取立于水準點A和B上的水準尺讀數a和b，并根據水準儀視線在鋼絲上用纏膠布或細線綁扎的方法各固定一標記為m和n，同時測定井筒上下的溫度，接著提升鋼絲到地面，按下述方法丈量兩標記之間的長度。

(1)、當井筒井深較小時，可在地面選擇一平坦的地方，如公路邊、鐵路軌上，沿線將鋼絲從絞車上拉出，按鋼絲的上下標記m,n在路面或枕木上釘兩顆釘子或做兩個十字記號，然后用測距儀瞄準反射鏡按規(guī)定的步驟和方法進行測距，并記錄氣象參數：溫度和氣壓，測距時須進行往返測。

施測完以后即進行計算：

h=Sm-n+(b-a)+△l

其中△l包括鋼絲自重改正△lc和鋼絲溫度改正△lt

△lc=+γ*l*(L-l/2-l1)/E

l1

：長度l上端點鋼絲懸掛