矿业权实地核查中井下测量的简易方法

2012 NO.08SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯矿业权实地核查中井下测量的简易方法①

罗益君 何永钟 郭建华

(韶关市国土资源信息中心 广东韶关 512026)

摘 要:全国矿业权实地核查是国土资源部在矿产资源领域启动的三项基本国情调查之一,主要任务是实地核查全国范围内的有效矿业权(不含油气)实际位置与许可范围的一致性,并对其他数据项进行实地调查核实。矿业权核查中测量工作是基础和重要环节,其中难度最大的就是如何将地面上的控制点引到井下,本文以广东省韶关市矿业权核查测量具体工作为例,采用了一种简易的井下测量方法,方便快捷。

关键词:矿业权 核查 测量 一井定向中图分类号:TB22文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)03(b)-0087-02

野外实测是矿业权核查中一个重要环节,为矿业权开采范围及上下标高提供重要数据,井下测量则是矿业权核查外业测量中比较难的一部分。矿井平面联系测量主要分为几何定向和物理定向两种方法,几何定向又有一井定向和两井定向两种方式,物理定向则是采用陀螺仪定向；矿井高程联系测量一般有钢丝法导入标高和光电测距仪导入标高两种方法。韶关市市级矿业权核查均是规模较小的矿山,井下开采的矿山竖井普遍比较小,井筒开凿一般不规则而且从下至上多由枕木支撑,采用悬挂钢丝的方法速度慢,而且为了使联接边尽量长,钢丝在下落时会碰到中间的横木导致钢丝偏移却很难被发觉；采用陀螺定向则投入成本高,操作也不方便。测量高程采用钢丝法导入标高则需要井上井下两台水准仪同时观测,钢丝的长度测量也比较

繁琐；采用光电测距仪导入标高需要在井口和井底的中部分别安置反射镜,操作难度比较大。而采用激光投点的方法则相对快捷准确,笔者采用一台激光垂准仪和一台激光测距仪就能方便的完成投点工作,作业时间短、准确可靠。

1 作业流程

如图1所示,利用激光垂准仪产生两条垂直的激光束,分别用水平放置并固定在井上井下的木板接住激光束,则可以得到激光束的上下两个投点。使用钢针扎入木板上的投点处,并在钢针上贴上小反射片,就得到联接边AB、A′B′。然后井上井下的两台全站仪同时开始对钢针进行观测,形成的点位观测示意如图2。

地面连接测量是在C点安置全站仪测出ψ、φ和γ三个角度,并测出全站仪到A、B

.com.cn. All Rights Reserved.图1 激光垂准仪一井定向示意图图3 导线计算示意图

点的距离b、a,同样,井下连接测量是在C′

点安置仪器测量出ψ′、φ′和γ′三个角度,并测出全站仪到A′、B′的距离b′、a′,钢针间的水平距离使用全站仪的对边测量功能测出。

①运用余弦定理,解算出α、β、α′、β′

cosα=(b2+c2-a2)/2bccosβ=(a2+c2-b2)/2ac

222+c′-a′)/2b′c′cosα′=(b′222

cosβ′=(a′+c′-b′)/2a′c′②检查测量和计算成果。

首先,连接三角形的三个内角α、β、γ以及α′、β′、γ′的和均应为180°。若有少量残差可平均分配到α、β,或α′、β′上。

其次,井上丈量所得的两钢针间的距离C丈与按余弦定理计算出的距离C计相差不大于2mm；井下丈量所得的两钢针间的

与计算出的距离C′相差应不大距离C′丈计

于4mm。若符合上述要求可在丈量的a、b、c,以及a′、b′、c′,中加入改正数Va、Vb、Vc,及Va′、Vb′、Vc′:

C丈- C计C丈- C计

,Vb=Va=Vc=-33 - CCC丈计丈 - C计

Va′=Vc′=-,Vb′=

33

(3)将井上,井下连接图形视为一条导线,如D—C—A—B—C′—D′,按照导线的计算方法求出井下起始点C′的坐标及井下起始边C′D′的方位角。

2 应用实例

图2 连接三角形示意图表1 平差计算结果

角度计算值 α=16°07′30″ β=37°56′44″ γ=25°55′46″ α′=157°52′16″ β′=16°01′55″ γ′=6°05′49″ 边长平差值 a=2.7246 b=1.8664 c=1.3020 a′=3.3356 b′=4.5504 c′=1.3070 角度残差 △=16″ △′=11″ 顺达萤石矿竖井深度约63m,井口为长宽1.2m的正方形,为核查井下开拓面的平

(下转89页)

表2 控制点平差计算成果表ID 点名 平面 X/m 1 2 3 4 5 6 C D A B C′ D′ 1 1 0 0 0 0 Y/m 47636.153 42458.628 47644.063 42449.006 47644.325 42477.158 47643.227 42447.413 47647.551 42447.830 47659.550 42445.083 ①作者简介:罗益君(1983,11-),男,助理工程师,主要从事控制测量、地形地籍测量、地籍数据建库等工作。

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工 业 技 术

表1 分度圆处受力3类齿轮最大应力值

2012 NO.08SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯齿轮类型 最大应力(MPa) 20度压力角标准齿轮 62 25度压力角标准齿轮 47 20度、25度双压力角齿轮 25度压力角侧受力 55 20度压力角侧受力 65 齿轮类型 最大应力(MPa)

20度压力角标准齿轮

404

表2 齿顶处受力3类齿轮最大应力值

25度压力角标准称齿轮

437

20度、25度双压力角齿轮

25度压力角侧受力

415

20度压力角侧受力

424

.com.cn. All Rights Reserved.设置完毕各参数后，运行软件进行分析计算，系统将得出轮齿受圆周力时的应力分布图，由分析结果可知晓最大应力值的出现处。分度圆处受力，应力最大值处出现在齿根接近齿轮侧面处，受同样载荷，3类齿轮最大应力如表1。

由表可知，增大标准齿轮压力角，齿根处最大应力将有效减小。25度压力角侧受力的双压力角齿轮，齿根处最大应力也有效减小。

2.2齿顶处受力分析

2.2.1材质、约束及载荷施加依然选择41Cr4作为齿轮材质，并对齿轮键槽面添加固定约束。对于载荷施加，先过齿轮齿顶线且与齿顶面相切，新建一基准面，以齿顶面边线为受力线，同样只考虑圆周力作用，选择圆周向为受力方向，设置力的大小为500N，将径向力和轴向力都设置为0。

2.2.3 生成网格得出结果

选用软件默认设置生成网格，运行软件进行分析计算，系统将得出齿轮受力的应力分布图，由分析结果可知晓最大应力

值的出现处。由于齿顶受力，应力最大处出

现在齿顶顶点处，受同样载荷，3类齿轮最大应力如表2所示。

注：本文在传动齿轮的分度圆及齿顶处加载了同样的圆周力进行研究，但实际齿轮传动具有重合度，齿轮在齿顶处啮合时必有另一对齿轮同时啮合，在输入扭矩相同的前提下，作用在齿顶的圆周力必然远小于单齿啮合的情况，因此表1和表2内数值没有对比性。

由表可知，增加标准齿轮压力角，齿顶处最大应力随之增大。25度压力角侧受力的双压力角齿轮，最大应力较接近于应力数值较小的20度压力角标准齿轮，且应力增大量并不大。

压力角的齿轮，在齿轮工作侧采用诸如25度的大压力角，同等载荷作用下齿根处最大应力得到提高，而齿顶应力未见显著降低，在增加齿根弯曲疲劳强度的同时，降低了齿顶局部折断或塑性变形的可能性，体现出了双压力角齿轮在承载上的优越性。

本文也对比了双压力角齿轮分别在大压力角侧和小压力角侧受力的情况，虽然在小压力角侧受力可以维持原有的效率，但分析表明齿根弯曲应力最大值比20度压力角标准齿轮还高，显然这样的设计不可取。

参考文献

[1]张展．实用齿轮设计计算手册[M]．北

京：机械工业出版社，2010．[2]二代龙震工作室．SolidsWorks 2009高

级设计[M]．北京：清华大学出版社，2009．

3 结语

对于标准齿轮而言，承受载荷时应力最大值出现在齿根处，齿根处的弯曲疲劳强度最弱。增大传动齿轮的压力角可以有效提高齿根弯曲疲劳强度，但压力角增加同时减小了齿顶厚度，进而使得齿顶的局部折断或塑性变形的可能性增加。采用双

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面位置和开采深度,需要将地面上的控制点引入井下,同时要协助矿井贯通一条平巷与一个风井,风井为一个独立的深度约50m、直径约3m的竖井。作业过程中,投入的主要测量仪器有两台索佳SET230带免棱镜全站仪、一台科力达ML401激光垂准仪、一台徕卡D3激光测距仪。科力达ML401激光垂准仪可以同时向上、向下发出在同一直线上的两条激光束,向上一测回垂直测量标准偏差1/40000,激光有效射程大于等于100m(白天),激光光斑直径小于等于5mm/80m。投点使用一台激光垂准仪完成。先在竖井的对角线上预投两个点选好投点位置,使两个点之间的距离尽可能大,然后固定好承接激光束的木板,再仔细整平激光垂准仪投点,在木板上使用配套的靶板接住激光束,缓慢调节焦距使激光束最小,找准激光束的中心点后扎入钢针。投点时井上井下要同时作业,第一对点确定后才搬动仪器投第二对点。手持激光测距仪使用支架固定在井上竖直向下测距,激光点也使用木板接住,并在激光点的中心扎入钢针。

投点完成后,井上、井下两台全站仪同时进行角度和距离观测,角度观测四个测回,全站仪至钢针的距离观测采用免棱镜测距模式观测贴在钢针上的反射片,钢针之间的距离采用对边测量的模式获取。点位略图如图3。

在Nasew2003控制网平差软件中按照线路D—C—A—B—C′—D′输入计算得到的角度和边长如表1,坐标概算得到控制点成果如表2。

高程方面,由于激光测距仪难以严格的竖直,所测得的距离并不是铅垂方向的距离,需要进行改正,通过对边测量可以测得井上、井下激光测距仪的投点与A、A′、B、B′之间的平距,设激光测距仪的投点分别为O、O′,很容易求出OA与O′A′、OB与O′B′,通过三角函数就能求出激光束的OO′的垂直距离,从而将高程引入井下。

以点C′和点D′作为井下控制点进行支导线测量,很快就测出了井下开采面的平面坐标和高程值,并指引矿工在平巷与风井之间开凿出一条坡度约25°的巷道,成功贯通。整个井下的外业只用了一天时间。

本次测量中投点的误差较大,AB与A′B′差值为0.007m,井上角度残差19″,主要有两个原因:(1)激光垂准仪向上投影至井口时,由于井口外光线较强,确定激光束

的中心点有点偏差;(2)激光垂准仪的有一定的系统误差。本次作业向上投点的距离约61.5m,向下投点的距离约1.3m,导致激光束有细微的偏移。导线计算时对于C边,则取AB与A′B′的距离中数进行计算,可消除部分误差。根据《全国矿业权实地核查总体实施方案》对控制点精度要求:点位中误差为±0.10m,高程中误差±0.10m,本次井下引点测量还是能满足精度要求的。

3 结语

在矿业权核查外业测量的井下测量中,采用激光垂准仪和激光测距仪进行投点,方便快捷,可以有效的克服小型矿山竖井口较小、不方便的进行钢丝悬挂投点作业的困难,仪器成本投入也比较低。投点时仔细操作能很好的控制精度,满足矿业权核查对控制点的精度要求。采用该方法能有效提高井下引点效率,简单实用。

参考文献

[1]全国矿业权实地核查总体实施方案[S].

国土资源部.

[2]张义,韩克强.一井定向测量的内业平

差计算方法,2004,3.

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