实验原理

集中实习阶段矿井联系测量虚拟仿真实验要求如下：

（1）学生利用注册账号，在指导教师指导下完成各项矿井联系测量虚拟仿真实验内容。包括实验内容选择、人员和角色分工、仪器选择、外业和模拟数据填写、内业处理等过程。

（2）严格按照规程作业，各项限差均不得超过《煤矿测量规程》的规定。依据虚拟仿真系统提示，利用键盘鼠标等交互输入工具，完成完整实验的模拟和成果提交。

（3）实验结束时，每人提交一份实验报告，实验资料编入实验报告。实验过程中，可以利用系统提供的交流平台，完成实验答疑等交流。

2-3-1、知识点1——矿井联系测量

将矿区地面平面坐标系统和高程系统传递到井下的测量，称为联系测量。矿井联系测量的目的是使地面和井下测量控制网采用同一坐标系统，具体工艺流程如图2-3.1。

图2-3.1  联系测量工艺流程

主要知识点如下：

（1）将地面平面坐标系统传递到井下的测量称平面联系测量，简称定向（本实验项目中涉及的一井定向、陀螺定向仿真实验）。

（2）将地面高程系统传递到井下的测量称高程联系测量，简称导入高程(本实验项目的导入高程仿真实验)。

（3）联系测量的任务在于确定：

①井下导线起算边的坐标方位角；②井下导线点的平面坐标x和y；③井下水准基点的高程H。上述任务分别对应本实验项目的井下导线和井下水准测量。

2-3-2、知识点2——一井定向

1、实验目的

是在一个井筒内悬挂两根钢丝（或同时铅垂地发射两条可见光束），将地面点的坐标和边的方位角传递到井下的测量工作。

2、主要知识点

一井定向工作分为投点和连接两个部分。

（1）投点

由地面向定向水平投点(简称投点)。主要模拟单重摆动投点法的投点过程和主要方法。

图2-3.2  一井定向示意及注意设备图

①投点主要设备安装与投点方法。垂球、钢丝、绞车、导向滑轮、定点板等主要投点设备的作用与安装方法。

②钢丝下放方法。缓慢下放，限制摆动，考虑钢丝伸长量。

③钢丝自由悬挂的检查。用信号圈法或比距法检查钢丝是否自由悬挂。

④采用单标尺法进行摆动投点。将一个具毫米刻划的标尺放在钢丝之后，垂直于望远镜视线，然后在经纬仪望远镜中观察钢丝摆动，当钢丝摆动到两端逆转点时均以钢丝外缘在标尺上的位置读取读数，估读至0.1mm。连续读取25个读数，一个端为12个，另一端为13个。取其左、右两端读数平均值的中数作为垂球线在标尺上的稳定位置。

 

图2-3-3  一井定向示意及注意设备图

（2）连接方法

在地面和定向水平上与垂球线连接(简称连接)，其示意见图2-3-3。

模拟连接三角形法外业数据采集方法。

①连接三角形应构成延伸形。在选择井上下连接点C和C′时应满足下列要求：

a. CD和C＇D＇边应尽量大于20米；

b. 点C与C＇应尽可能在AB延长线上。使三角线的锐角小于20；

c. 点C与C＇应适当靠近最近的垂球线，使a/c之值一般应小于1.5。

②测角。在连接点C测量φ和γ两个角度，应采用精度不低于J6的经纬仪或者全站仪进行观测。

③量边。应采用本组检定过的钢尺，加标准拉力并记温度，悬空丈量水平边长。在垂球线稳定的情况下，应用钢尺以不同起点丈量六次。取其平均值作为丈量结果，同一边长各次观测值互差不得大于2mm。

在垂球摆动情况下，应将钢尺沿所量三角形的各边方向固定，然后用摆动观测的方法（至少连续读取六个读数）确定钢丝在钢尺上的稳定位置，以求得边长。每边均须用上述方法丈量两次，两丈量互差不大于3mm时，取其平均值作为丈量结果。

3、数据处理

(1)解算连接三角形

采用正弦公式求α和β角：

(2)为检查三角形各边丈量的正确性，应按下式计算两垂球连线长度C

C值的丈量与计算值之差，在井上连接三角形中不得超过2mm；在井下连接三角形中不得超过4mm。计算模式参见教科书。

(3)坐标计算：按一般导线计算方法进行。

图2-3.3  一井定向联系三角测量示意图

2-3-3、知识点3——陀螺定向

1、实验目的：

使用陀螺经纬仪(全站仪)，将地面已知边的坐标方位角传递到井下定向边。

2、主要知识点

(1)了解陀螺经纬仪(全站仪)的结构及操作方法；

(2)掌握逆转点法、中天法观测陀螺北方向的观测方法。

3、实验内容：

（1）利用虚拟现实实验设备，熟悉陀螺经纬仪（全站仪）的构造、定向原理、仪器操作。

①打开照明开关，观察视窗光标情况。

②打开启动开关，陀螺转子启动转子达到额定转速。

③打开锁紧装置，慢慢下放陀螺，使陀螺灵敏部缓缓下放。操作者同时在目镜镜中观察，当手轮到达某一位置后，手上有定位感觉，此为半脱位置，光标象开始晃动起来，此时应稍停几秒钟，观察光标移动情况，注意限幅（限幅时使光标与零刻划线一致，慢慢托起，再慢慢放下）至到将陀螺房下放到位。

④观测完毕，先将陀螺房慢慢托起。

⑤按下制动开关，将陀螺制动，再按下关断开关，关掉电源，待陀螺静止后拆卸仪器。

（2）陀螺北方向观测

 逆转点法：

a)严格整置经纬仪，以一个测回测定待定和已知测线的方向值，然后将仪器大致对正北方。
b)锁紧摆动系统，启动陀螺马达，待达到额定转速后，下放陀螺灵敏部，进行粗略定向，再制动陀螺并托起锁紧，将望远镜视准轴转到近似北方位置，固定照准部，把水平微动螺旋调到行程中间位置。
c)打开陀螺照明，下放陀螺灵敏部，进行测前悬带零位观测，同时用秒表记录自摆周期。零位观测完毕，托起并锁紧灵敏部。
d)启动陀螺马达，达到额定转速后，慢慢下放灵敏部到半脱离位置，稍停数秒，再全部下放。用水平微动螺旋微动照准部，让光标像与分划板零刻划线随时重合，在摆动到逆转点时，连续读取5个逆转点读数。然后锁紧灵敏部，制动陀螺马达。
e)进行测后零位观测。
f)以一个测回测定待定和已知测线的方向值。

图2-3.5  陀螺定向逆转点法测量示意图

中天法：

和逆转点法一样进行粗略定向和零位测定，启动陀螺马达，到达额定转速后下放灵敏部，经限幅，使光标像摆幅不超过目镜视场。然后按下列顺序观测：

a)灵敏部指标线经过分划板零刻划线时启动专用秒表，读取中天时间t0;
b)灵敏部指标线到达逆转点时，在分划板上读取摆幅读数aW;
c)灵敏部指标线返回零刻划线时读出秒表上的读数t1;
d)灵敏部指标线到达另一逆转点时读取摆幅读数aE;
e)灵敏部指标线返回零刻划线时再读取秒表上中天时间t2。重复上述操作，一次定向需连续测定5次中天时间，记录不跟踪摆动周期。观测完毕，托起并锁紧灵敏部，制动陀螺马达。
f)进行测后零位观测
g)以一个测回测定待定和已知测线的方向值

图2-3.6  陀螺定向中天法测量示意图

3、数据处理：

（1）逆转点法观测数据处理

  用5个连续逆转点读数计算陀螺北方向值。

（2）中天点法观测数据处理

用三个连续中天时间计算近似北方向的改正数：

    △N=c·a· △t   

 式中c为比例

常数；

   若不考虑悬带零位改正，则陀螺北方向值：

NT=N′+ c·a· △t

图2-3.7  陀螺定向中天法数据处理示意图

2-3-4   知识点4——导入高程

1、实验目的

在井下建立一个与地面统一的高程系统，确定各种采掘巷道、硐室在竖直方向上的位置及相互关系，以解决各种采掘工程在竖直方向上的几何问题。

2、主要知识点

掌握利用水准仪、水准尺、钢尺、垂球等实验设备，完成井上高程导入井下的工艺流程和关键技能。

3、实验步骤

（1）在井筒中部悬挂一钢尺，在钢尺下端悬以重锤，使其处于自由悬挂状态；分别在井上、井下选择A、B两点并安置水准仪。

（2）在井上、井下同时用水准仪测得A、B处水准尺上的读数a和b，并用水准仪瞄准钢尺，测得井上、井下的钢尺读数m和n。

（3）在已知A点高程的情况下，利用公式H_B=H_A-((m-n)-(b-a))，计算出B点高程，即导入高程。

 

图2-3-8   导入高程示意

2-3-5  知识点5——井下导线测量

1、实验目的

在井下布设导线点，用经纬仪或全站仪测出其坐标，建立井下平面控制系统，作为测绘和标定井下巷道、硐室、回采工作面等的基础。

2、主要知识点

（1）井下巷道环境中导线点布设的特点与要求。

（2）井下特殊条件下导线测角、量边方法。

3、实验内容与方法步骤

（1）井下导线点布设要求

导线点应当选在巷道稳定、安全、便于安置仪器的巷道顶板上，避开淋水、片帮、落石和其他不安全因素；

相邻导线点之间通视良好，并应保持导线点间距离适当，在巷道的连接处和交叉口处，应当埋设导线点；

为了避免运输干扰，应尽量将点设在远离运输轨道的一侧。

（2）井下导线测量器材：经纬仪、全站仪、铅垂球、棱镜、三脚架、钢尺、拉力计、温度计等。

（3）井下导线测量步骤:

图2-3-9   井下支导线测量示意图

如图2-3-9，图中A、B点坐标已知。

①在巷道测站点B架设仪器，安装防风板，点下对中、整平，在前后视顶板导线点A、1悬挂垂球线，照亮垂球线，觇标对中。

②用测回法进行角度测量。首先照亮后视目标与望远镜十字丝并瞄准，然后照亮仪器读数窗读取后视点（盘左）水平度盘和垂直度盘读数，顺时针转动水平度盘照准前视点，观测前视点（盘左）水平度盘和垂直度盘读数；再进行下半测回操作，先观测前视点（盘右）水平度盘和垂直度盘读数，逆时针转动水平度盘照准后视点，观测后视点（盘右）水平角。

③边长采用光电测距或钢尺丈量，钢尺丈量需悬空丈量并测计拉力和温度。

以点1为测站架设全站仪，以B点为后视点、2点为前视点进行测量，方法同步骤②，以此类推，至以点3为测站并完成测量记录，往测结束。

④接下来进行返测，方法同步骤②，不过要注意前视点、后视点的区分。

2-3-6  知识点6——井下水准测量

1、实验目的

在井下布设导线点，用经纬仪或全站仪测出其坐标，建立井下平面控制系统，作为测绘和标定井下巷道、硐室、回采工作面等的基础。

2、主要知识点

（1）井下巷道环境中导线点布设的特点与要求。

（2）井下特殊条件下导线测角、量边方法。

3、实验内容与方法步骤

（1）井下导线点布设要求

导线点应当选在巷道稳定、安全、便于安置仪器的巷道顶板上，避开淋水、片帮、落石和其他不安全因素；

相邻导线点之间通视良好，并应保持导线点间距离适当，在巷道的连接处和交叉口处，应当埋设导线点；

为了避免运输干扰，应尽量将点设在远离运输轨道的一侧。

（2）井下导线测量器材：经纬仪、全站仪、铅垂球、棱镜、三脚架、钢尺、拉力计、温度计等。

（3）井下导线测量步骤:

如图2-3-8，图中A、B点坐标已知。

①在巷道测站点B架设仪器，安装防风板，点下对中、整平，在前后视顶板导线点A、1悬挂垂球线，照亮垂球线，觇标对中。

②用测回法进行角度测量。首先照亮后视目标与望远镜十字丝并瞄准，然后照亮仪器读数窗读取后视点（盘左）水平度盘和垂直度盘读数，顺时针转动水平度盘照准前视点，观测前视点（盘左）水平度盘和垂直度盘读数；再进行下半测回操作，先观测前视点（盘右）水平度盘和垂直度盘读数，逆时针转动水平度盘照准后视点，观测后视点（盘右）水平角。

③边长采用光电测距或钢尺丈量，钢尺丈量需悬空丈量并测计拉力和温度。

以点1为测站架设全站仪，以B点为后视点、2点为前视点进行测量，方法同步骤②，以此类推，至以点3为测站并完成测量记录，往测结束；

④接下来进行返测，方法同步骤②，不过要注意前视点、后视点的区分。

2-3-7  知识点7——井下水准测量

1、实验目的

在井下布设高程点，用水准仪测出其高差，建立井下高程控制系统，确定各种采掘巷道、峒室、工作面在竖直方向上的位置及相互关系。

2、主要知识点

（1）井下巷道环境中高程点布设的特点与要求。

（3）井下特殊条件下水准测量方法。

3、实验内容与方法步骤

（1）井下高程点布设要求。井下高程点可以设置在巷道顶板、底板或两帮上，也可以设在井下固定设备的基础上；一般每隔300～500米设一组，每组至少由两个永久固定的高程点组成；两点间距以30～80米为宜。

（2）水准测量外业。受井下巷道条件限制，井下水准测量一般采用两次仪器高法，所用仪器为光学水准仪和塔尺。

①将水准仪大致安置在前、后尺中间（前后水准点间距以30—80米为宜），用圆水准器整平。

②在后视点上竖立塔尺（如果后视点在顶板上，塔尺需倒立），用矿灯照亮并瞄准塔尺，用微倾螺旋使水准管精确整平，照亮水准仪十字丝，读取后视尺读数a。

③在前视点上竖立塔尺（如果前视点在顶板上，塔尺需倒立），用矿灯照亮并瞄准塔尺，用微倾螺旋使水准管精确整平，照亮水准仪十字丝，读取前视尺读数b。

④前后视高差计算。两点间高差 h=a-b，测点在顶板上时，水准尺读数前冠以“-” 号。

⑤变更水准仪高度不小于10cm，重复1-3步骤。

⑥检查两次仪器高所测得两个高差之互差，若不大于5mm时，后尺和仪器方可移动。

（3）往返水准路线平差计算：（支水准路线）从一高级水准点出发，经过测定其它各点高程到终点，又从终点返测到原来高级点的往返路线。支水准路线长度为300～500m.其高差闭合差：fh测=∑h往+∑h返；当fh测≤fh容时，认为外业测量成果合格，否则须重测。