基于MATLAB语言在李家村煤矿-270水平联络巷贯通测量中的应用_毕业设计(论文)

毕业设计(论文)
设计题目：基于MATLAB语言在李家村煤矿-270水平联络巷贯通测量中的应用
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摘要
为解决李家村煤矿矿井通风困难和提升、运输环节多的状况，结合影响矿井开拓的其它因素，特别是考虑到有利于井田深部的开拓开采，在充分利用矿井现有生产系统的前提下，提出在井田-270m水平与新建立井进行水平联络巷的巷道贯通的方案。

巷道贯通后，开拓方式由原来的斜井开拓改为综合开拓方式，矿井生产能力得到提高，服务年限得到延长。

当面对复杂的矿井贯通工作时，由于传统的手工预计方法工作量大、容易出错、精度低，且不易掌握，误差预计往往无法进行。

在很多技术环节上，一般的矿山测量人员也难以把握，多凭经验与感觉去完成。

这就造成了有些贯通能够满足要求，但也有些出现较大偏差，甚至发生工程事故。

通过使用MATLAB语言开发误差预计功能，能够方便、快速、准确的获得误差预计的结果，从而得到贯通相遇点K在贯通重要方向上的预计误差。

最大限度地提高矿井贯通测量精度，具有现实意义。

关键词：贯通测量一井定向误差预计 MATLAB语言
Abstract
To solve Li jiacun coal mine ventilation difficulties and improve the status of the transportation more，combined with other factors affecting mine development ，especially considering the beneficial to mine deep mining，the mine development way transformation，put forward in the field -270 horizontal connection for roadway expedite.after the new mine，pioneering way from the original inclined to develop comprehensive development way，the mine production capacity was improved，get extended length of service.
When facing the complicated mine through work，due to the traditional manual method is expected orkload is big，easy to get wrong，low accuracy，not easy to master，error is often unableto，in many technical process，deneralmmine surveying personal also difficult to grasp，more on experience and feeling to complete，this creates some breakthrough can meet the requirrments ，but also a big deviation，even engineering accidents.
By using the MATLAB language is to develop error function，to convenient、quick，accurate get error of predicted results ，design breakthrough point K is obtained on the important direction of error estimates，the maximum improve mine through measuring precision，has a realistic significance.
Key words: roadway expedite ，one directional well ，error estimate，MATLAB languag
目录
1绪论 (1)
1.1选题背景及研究 (1)
1.2工程依据及规范 (2)
2矿区概况 (3)
2.1矿区地理及交通位置 (3)
2.2矿井地质概述 (3)
2.3工程概况 (4)
3矿井地面控制测量 (6)
3.1矿区平面控制测量 (6)
3.2矿区高程控制测量 (9)
4矿井联系测量 (10)
4.1矿井定向测量 (10)
4.2导入标高 (14)
5井下控制测量 (16)
5.1井下平面控制测量 (16)
5.2井下高程控制测量 (21)
6巷道贯通测量 (22)
6.1贯通测量概述 (22)
6.2两井间的巷道贯通测量工作 (25)
7误差预计 (28)
7.1误差预计概述 (28)
7.2两井间巷道贯通测量误差预计 (31)
8 MATLAB语言测量程序设计 (41)
8.1MATLAB语言简介 (41)
8.2编程的实现 (43)
9结束语 (45)
参考文献 (46)
致谢 (47)
附录1 (48)
附录2 (69)
1绪论
1.1选题背景及研究
为解决李家村煤矿矿井通风困难和提升、运输环节多的状况，结合影响矿井开拓的其它因素，特别是考虑到有利于井田深部的开拓开采，对矿井开拓方式进行改造，提出在井田-270m水平联络巷进行巷道贯通。

贯通测量，尤其是大型巷道贯通测量是矿山测量工作的一项重要工作，贯通工程质量的好坏，直接关系到整个矿井的建设、生产和经济效益，为了加快矿井的建设速度、缩短建井周期、保证正常的生产接替和提高矿井产量，经常采用多井口或多头掘进，这样就会出现两井间或井田的长距离巷道贯通测量，所以两井间贯通测量就成为了矿井生产中必不可少的一项工作。

近50年来，随着电子技术、计算机技术、光机技术和通讯技术的发展，测绘仪器制造也得到了长足进展，其高科技产品代表之一就是电子全站仪。

全站仪是当前比较流行，也比较实用的测绘仪器。

应用全站仪与传统的科技手段和地质勘探技术理论相结合，在矿山勘探、设计、开发和生产运营的各个阶段，对矿区地面和地下的空间、资源和环境信息进行采集、存储、处理、显示、利用，将极大地提高资源勘探的效率，降低成本，减少人力物力，使矿区开采更加有效地进行。

国际上矿山测量仪器正向着多功能、小型化、数字化和全自动化方向发展。

当面对复杂的矿井贯通工作时，由于传统的手工预计方法工作量大、容易出错、精度低，且不易掌握，误差预计往往无法进行。

在很多技术环节上，一般的矿山测量人员也难以把握，多凭经验与感觉去完成。

这就造成了有些贯通能够满足要求，但也有些出现较大偏差，甚至发生工程事故。

而基于MATLAB语言的贯通测量程序设计能够方便、快速、准确的获得误差预计的结果。

本课题以李家村煤矿-270水平联络巷贯通为实例，通过
使用MATLAB语言开发误差预计功能，从而得到设计贯通点K在重要方向上的误差预计。

最大限度地提高矿井贯通测量精度，具有现实意义。

1.2工程依据及规范
1、《国家三、四等水准测量规范》（GB/T 12898-2009）(以下简称新规范)，2009年5月6日发布，自2009年10月1日施行。

本次贯通测量用新规范。

2、现行《煤矿安全规程》由国家安全生产监督管理局（国家煤炭安全监察局）颁布并于2005年1月1日起实施。

在此基础上，2006年、2009年、2010年进行了四次局部修订。

本次使用最新修订版本。

3、《煤矿测量规程》（以下简称《规程》），于1989年正式发布。

现行的《规程》是在1975年颁发的《煤矿测量试行规程》的基础上修改、补充制定的。

4、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314-2001），本标准适用于根据和局部GPS控制网的设计、布测和数据处理。

2矿区概况
2.1 矿区地理及交通位置
沂源县李家村煤矿有限公司行政区划隶属淄博市沂源县李家村镇管辖，地理坐标为东经117°55′～118°06′，北纬36°10′～36°15′，拥有山东省国土资源厅颁发的采矿许可证，证号3700000520255，矿区面积12.4881km2，有效期限2005年12月至2010年12月，矿区范围由19个拐点圈定，开采标高为220m至-1300m。

李家村井田范围东以古近系剥蚀线为界，西以断层F8与临沂矿务局草埠煤矿（现已关井）相邻，北以F
断层，南以古
1
近系剥蚀线为界。

李家村煤矿位于山东沂源县李家村镇，矿井东距沂源县城12km，西距莱芜市43km，省道329线在矿区通过，交通十分便利。

2.2 矿井地质概述
2.2.1工程地质特征
李家村井田内各煤层埋藏于侵蚀基准面以下，构造较发育，根据钻孔与采矿工程揭露情况分三个工程地质岩组。

第四纪松散岩组：井田内均有发育，岩性以冲积层为主，上部主要为粘土，下部为含水砂砾层，均不整合覆盖于古近系红色粘土质粉砂岩及侏罗系粉砂岩之上，上部粘土厚度0～6.50m，下部砂砾层厚度0.60～11.00m。

该层结构松散、易坍塌。

古近纪官庄群、侏罗纪淄博群粘土质粉砂岩：井田内以紫红色粘土质粉砂岩为主，无层理，夹薄层细砂岩及砾岩，泥质胶结为主，岩性相对较稳固，厚度200～914m，为隔水层。

煤系地层岩组：李家村井田内可采或局部可采煤层7层，直接顶底板
为粉砂岩、砂岩、石灰岩、粘土岩等。

李家村井田属华北型石炭二叠系海陆交互相含煤沉积，假整合于中奥陶系石灰岩之上，因遭受后生剥蚀，浅部仅保存煤系下部的本溪组和太原组地层，勘探发现在深部还保存煤系上部的山西组地层。

煤系上覆地层为侏罗系淄博群三台组、古近系官庄群及第四系表土流砂层。

构造形态：李家村井田位于李家村断陷盆地内，盆地呈北断南超的箕状形态。

地层走向近东西，倾向北，倾角25°～40°，浅部缓，往深部变陡。

断裂构造：由于受东西和南北向区域构造影响，井田内断层较发育，均为高角度正断层。

根据李家村煤矿生产实际揭露及钻孔揭露，井田内落差大于20m的断层7条，其性质均属张扭性断层，除F1-2为弧形断层外，其余断层走向较稳定。

李家村井田内只有68-05#钻孔揭露3层岩浆岩，厚度0.25～5.10m，岩性为中细粒辉石闪长岩，侵入10-1煤层附近。

根据李家村煤矿的开采资料，在浅部均未发现有岩浆岩侵入，煤层稳定性和煤质不受岩浆岩影响。

矿区深部物探、钻探均未发现岩浆岩。

综上所述，本区工程地质条件的复杂程度为中等偏复杂。

2.3工程概况
矿井现有生产系统存在两大问题，矿井现有通风系统存在的问题和提升、运输系统及存在的问题。

矿井通风难易程度评价为中等，但接近困难。

风量不足，风量不足是矿井现有生产系统中存在的最大困难。

矿井进回风线路长；巷道断面较小，无法提高矿井所需的风量；矿井进回风巷道多为单进单回，是造成矿井通风阻力较大，通风较困难的直接原因
现提升系统从地面+316m至-650m有三级提升，还有+34m和-270m水平
大巷运输，共有三级提升和两条水平运输系统，由于提升运输环节多，需占用大量车场操作和运输人员，由于辅助生产人员多，影响了矿井全员效率的提高和增加了原煤生产成本。

为解决矿井通风困难和提升运输环节多的状况，结合影响矿井开拓的其它因素，特别是考虑到有利于井田深部的开拓开采，在充分利用矿井现有生产系统的前提下，提出在井田-270 m水平与新建立井进行水平联络巷的巷道贯通。

巷道贯通后，开拓方式由原来的斜井开拓改为综合开拓方式，矿井生产能力得到提斜井开拓改为综合开拓方式，矿井生产能力得到提高，服务年限得到延长。

李家村村煤矿-270水平联络巷贯通属两井间巷道单向贯通,此次贯通是李家村煤矿建矿以来重要的大型贯通工程，贯通测量系统复杂、工作量大、难度大、技术上要求高。

根据生产进度情况及客观条件的限制,贯通相遇点距立井20 m处,明显地偏于立井一端,对贯通精度十分不利。

根据《煤矿测量规程》规定，开拓工程贯通相遇点处，两井间贯通相遇点K在水平重要方向的允许偏差为±0.5 m，贯通相遇点K在竖直方向的允许偏差为±0.2 m。

3 矿井地面控制测量
地面控制网是地下工程特别是矿井贯通工程正确性的基础。

地面控制测量的基本任务是根据地下工程特点和需要，在地面布设一定形状的控制网，并精密测定其地面位置。

地面控制测量的目的是为了控制全局，限制测量误差的传递和积累，保障测量工作的相对精度。

【1】
李家村煤矿井田有寺岭、李家村、北官庄、王庄四个四等三角点坐标（单控点），现场查验点之标架已破坏，但埋石点均保存完好。

在井田西部插有5"级小三角点—西岭，又利用寺岭、李家村村两点横穿井田中部布设—无定向线形锁。

同时在三角点上测算出矿水塔、大楼和钻塔等坐标，连同原三角点共21个永久点为李家村矿井田的基本控制点。

本次贯通测量平面坐标系统采用1954北京坐标系，高程系统采用1956黄海高程系统。

3.1矿区平面控制测量
3.1.1网点布设
地面控制网布设为E级GPS控制网使用南方NGS9600静态GPS进行平面控制测量(见图3-1)，利用小寺岭和Z1控制点作为该控制网的起算点，在立井测设2个E级GPS控制点H1和H2。

由于两井相距较远且地势不平坦，布设成三角网的形式。

立井
H
1
H
2
副井Z
1
Z
2
寺岭
图3-1地面控制测量GPS网形布设示意图
3.1.2施测方法
GPS测量外业实施包括:GPS点的选埋、观测、数据传输及数据预处理等工作。

GPS点位的选择已经选好，选取寺岭与Z
1作为已知的控制点，与H
1
、H
2
、
Z
2
进行联测。

本次选取的是经典静态定位模式，采用三台接收设备，分别安置在一条基线的两个端点，同步观测4颗以上卫星，每时段长45分钟至2个小时或更多。

基线的相对定位精度可达5mm+1ppm²D，D为基线长度（KM）。

GPS观测与常规测量在技术要求上有很大的区别，本次选用E级GPS进行控制测量，GPS测量的技术指标为E级技术指标见表3-1。

表3-1 GPS测量的技术指标
GPS网数据处理分基线解算和网平差两个阶段。

各阶段数据处理软件可采用随机软件或经正式鉴定的软件，对于高精度的GPS网成果处理也可选用国际著名的GAMIT/GLOBK、BERNESE、GIPSY、GFZ等软件。

本次选用GFZ 软件进行解算。

对于两台级以上接收机同步观测值进行独立基线向量（坐标差）的平差计算叫基线解算。

它的基本内容是：①数据传输；②数据分流；③统一数据文件格式；④卫星轨道的标准化；⑤探测周跳、修复载波相位观测值；
⑥对观测值进行必要改正。

对野外观测资料首先要进行复查，内容包括：成果是否符合调度命令和规范要求；进行观测的数据质量分析是否符合实际。

然后进行每个时段同步观测数据的检核；重复观测边的检核；同步观测环检核；异步观测环检核。

无论采用单基线模式或多基线模式解算基线，都应在整个GPS网一般规定，三边同步环中第三边处理结果与前两边的代数和之差应小于下列数
δ3≤∆y V ，δ3≤∆z V 。

约束平差中，基线向量的改正属于剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正书的较差应符合下式要求：δ2≤∆x dv ，δ2≤∆y dv ，δ2≤∆z
dv 。

式中，δ为相应的等级精度。

3.2矿区高程控制测量
副斜井井口水准基点Z1与立井井口水准基点H1之间使用DS2型自动安平水准仪按四等水准要求进行往返测，每公里高差中数中误差±10 mm ，往返互差、环线或附和路线L 20±，独立进行2次，单程路线长4. 6123 km 水准测量观测的技术要求应符合表3-1的规定。

表3-1 地面四等水准测量作业限差
4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。

将地面平面坐标系统传递到井下的测量称为平面联系测量。

将地面高程系统传递到井下的测量称为高程联系测量，简称导入高程。

矿井联系测量的目的就是使地面和井下测量控制网采用同一坐标系统。

【2】联系测量的任务在于:
(1)确定井下全站仪导线起算边的坐标方位角；
(2)确定井下全站仪导线起算点的平面坐标x和y；
(3)确定井下水准基点的高程H。

前面两项任务是通过矿井定向来完成的；第三个任务是通过导入高程来完的。

这样就获得了井下平面与高程测量的起算数据。

4.1矿井定向测量
进行矿井定向时考虑到实际情况，在立井与副斜井进行不同的定向方式。

在新建立井井下一井定向，在斜井导线测量用以定向。

4.1.1一井定向
一井定向方法有连接三角法、四边形法和适用于小型矿井的瞄直法等。

我们这里采用连接三角法。

立井井深989.305 m，采用一井定向，三角形法连接，独立进行三次。

1、投点
采用连接三角形进行一井定向时，要在井筒内挂两根垂球线。

投点时，一般都采用垂球线单重投点法，即在投点过程中，垂球的重量不变。

单重投点可分为两类：单重稳定投点和单重摆动投点。

[2]
由地面向定向水平上投点时，由于井筒内气流、滴水等影响，致使垂
球线在地面上的位置投到定向水平后会发生偏离，一般称这种线量偏差为投点误差。

由这种误差而引起的垂球线连线的方向误差，叫做“投向误差”。

图4-1中A和B系两垂球线在地面上的位置，而A′和B′为两垂球线在定向水平上偏离后的位置。

图4-1（a）中表示两垂球线沿其连线方向偏离，则这种投点误差对AB方向来说没有影响。

A′ A B B′
(a)
B′
A′
A B
(b)
B′
A
A′ B
(C)
图4-1
图4-1（b）则为两垂球偏向于连线的同一侧，且在连线的垂直方向上，使AB方向的投射产生了一个误差角θ。

则
tanθ=
AB B
A
B
B'
-'
如果两垂球向其连线两边偏离，且在垂直于连线方向上（图4-1（C）），则其投向误差θ可用下式求得：
tanθ=
AB B
A B
B'
+'
设AA′=BB′=e，AB=c，由于θ很小，则上式可简化为：
e2
θ''
ρ
=''
c
2、连接
连接三角形法的示意图如图4-2所示。

由于不能在垂球线A、B点安设仪器，因此选定井上下的连接点C和C′，从而在井上下形成了以AB为公用边的三角形ABC和ABC′，一般把这样的三角形称为连接三角形。

C
E A
D B
B’D’
A’C;E’
ψ
E E′
δϕ A
C b b′c′D′
D a B a′C′
图4-2 连接三角形示意图
3、内业
内业计算分为两部分：解算连接三角形各未知要素及其检核；按一般导线方法计算各边的方位角与各点坐标。

（1） 三角形的解算
对于延伸三角形，垂球处的角度βα、按正弦公式计算：
γαsin sin c a =，γβsin sin c
b =。

在井下连接三角形时，应用井下定向水平丈量的和计算的两垂球线间的距离平差井下计算。

（2） 测量和计算正确性的检核
①连接三角形三内角和γβα++应等于1800。

一般均能闭合，若有微小的残差时，则可以将其平均分配与βα及中。

②两垂球线间距离的检核。

设c 丈为两垂球线间距离的实际丈量值,c 计为其计算值，则：d=c
丈-c 计。

式中c 计可按余弦公式计算：
γcos 2222ab b a c -+=计。

当井上连接三角形中、mm d 2≤井下连接三角形中mm d 4≤且符合《煤矿测量规程》要求时，可在丈量的边长a 、b 及c 中分别加入下列改正数： 3d v a -=，3d v b +=，3
d v c -=。

4.1.2斜井几何定向
副斜井：井口标高+316m ，井底标高+34m ，井筒坡度18°30′，斜长888.736m ，采用单钩串车提升，担负升降人员和回风任务。

井筒采用半园拱断面，面积5.79m 2。

斜井使用NTS-202全站仪按7″级导线的要求采用测回法施测,同一测回中半测回互差20″,两测回间互差12″。

具体方法同三角高程测量导入高程的方法，使用全站仪导入高程的同时，进行角度测量。

具体方法在4.2.2
通过斜井导入高程和5.1井下平面控制测量中做具体介绍。

4.2导入标高
高程联系测量的任务，就在于把地面的高程系统，经过平硐、斜井或立井传递到井下高程测量的起点上。

所以我们称之为导入高程。

4.2.1通过立井导入高程
采用长钢丝法导入高程，导入高程独立进行两侧，互差不得超过井深的1/8000。

用钢丝导入高程时，因为钢丝本身不像钢尺一样有刻度，所以不能直接量出长度l，必须在钢丝上用特制的标线夹，在井上、下水准仪视线水平做出标记m和n，然后将钢丝提升到地面，用光电测距仪、钢尺或井口附近设置专门的量长台来丈量两标记之间的距离。

图4-3
井架
标尺m
水准仪
长钢丝
n
标尺
水准仪
图4-3 长钢丝导入高程
4.2.2通过斜井导入高程
通过斜井进行三角高程测量导入高程。

施测方法如图4-3所示。

安装全站仪与A 点，对中整平。

在B 点悬挂垂球。

用望远镜瞄准垂球线上的b 点，测出倾角δ，用钢尺丈量仪器中心到b 点的距离l '，量取仪器高i 及觇标高v 。

由图4-3可以看出，B 对A 点的高差可按下式计算：
v i l h -+'=δsin
式中：
l '—实测斜长
δ—垂直角，仰角为正，俯角为负
i —仪器高，由测点直仪器中心的高度，测点在底板时为正值，在顶板是为负值；
v —觇标高，由测点量至照准目标点的高度，测点在底板时为正值，在顶板是为负值；
B
v
b h
A l ′
i
δ
l
图4-4 三角高程测量
5 井下控制测量
由于受井下巷道条件的限制，井下平面控制均以导线的形式沿巷道布设，而不能像地面控制网那样可以有测角网、测边网、GPS网和交会法等多种可能方案。

井下平面控制测量的目的是建立井下平面测量的控制，作为测绘和标定井下巷道、硐室、回采工作面等的平面位置的基础，也能满足一般贯通测量的要求。

[3]
5.1井下平面控制测量
地下控制方案我们选择使用导线网作为井下平面测量控制，地下导线测的作用是以必要的精度建立地下的控制系统，并依据该控制系统可以放样出隧道（或巷道）的掘进方向。

[4]
与地面导线测量相比，地下工程中的地下导线测量具有以下特点：
(1)由于受巷道的限制，其形状通常形成延伸状。

地下导线不能一次布设完成，而是随着巷道的开挖而助教向前延伸。

(2)导线点有时设于巷道顶板，需采用点下对中。

（3）巷道的开挖，先敷设边长较短、精度较低的施工导线，指示巷道的掘进而后敷设高等级导线对低等级导线进行检查校正。

（4）地下工作环境较差，对导线测量干扰较大。

施测方法:设立导线或导线网作为井下平面测量控制。

所以，井下平面
Dj型的NTS-202全站仪按7″级导线控制测量实际上就是导线测量。

使用
2
的要求采用测回法施测。

1、井下导线布设与导线点的选择
井下导线的布设，按照“高级控制低级”的原则进行。

我国《煤炭测量规程》规定，井下平面控制分为基本控制（表5-1）和采区控制（表5-2）两类，这两类又都应敷设成闭（附）合导线或复测支导线。