Системы координат, применяемые при съемках и составлении

Маркшейдерских чертежей

Значительную долю общего времени работы маркшейдера занимают съемки и замеры горных выработок, на основании которых составляются планы горных работ, разрезы, гипсометрические графики и другие графи­ческие материалы. Геометрическая основа всех графических материалов строится по координатам съемки, поэтому очень важно сделать правиль­ный выбор системы координат и направления координатных осей.

Правильный выбор системы координат обеспечивает качественное со­ставление маркшейдерской документации и широкое его использование при решении горно-геометрических и других задач. Неудачный же выбор ведет к обесцениванию большой и трудной работы маркшейдера.

Маркшейдерская служба на горных предприятиях выполняет разнооб­разные работы, при этом ведутся съемки и составляются чертежи различ­ного назначения. В результате съемок получают: координаты пунктов; комплект планов и карт, отражающих пространственное положение гор­ных и геологоразведочных выработок; комплект чертежей, связанных с обслуживанием строительства горного предприятия; комплект горно­геометрических графиков, отражающих геологию месторождений, свой­ства полезного ископаемого и т.д.

Все чертежи составляются по координатам точек в той или иной вы­бранной системе. От выбранной системы координат зависит их использо­вание, а без маркшейдерских чертежей не может работать ни одно горное предприятие.

Требования, предъявляемые к системе координат, должны быть сле­дующими:

а) планы поверхности, планы горных работ и другие маркшейдерские чертежи должны составляться в единой системе координат и быть долго­вечными. Такие чертежи могут быть полезными на практике даже тогда, когда горное предприятие прекратило свое существование;

б) возможность сопоставления (совмещения) по координатной сетке маркшейдерских чертежей одного масштаба друг с другом. Например, планов поверхности и планов горных работ, погоризонтных планов друг с другом, планов горных работ и горно-геометрических графиков и т.д. Такие совмещения необходимы при решении различного рода марк­шейдерских задач: сбойки, решение вопросов о подработке сооружений, взаимной увязки горных работ друг с другом и т.д.;

в) выбранная система должна согласовываться с картографической проекцией. Здесь преследуется цель использования маркшейдерских съе­мок для картографии страны:

г) переход от измеренных при съемке величин к координатам должен быть простым и удобным для массовых вычислений.

При определении положения пункта в пространстве пользуются на практике тремя взаимно перпендикулярными осями: OX, OY, OZ (рисунок 2.1).

Ось ОХ всегда направлена на север и располагается на плане вверх от читающего. Ось OY - на восток. Положение оси ОХ на плане может быть указано по направлению истинного, магнитного меридианов и осевого меридиана зоны, и это нас будет интересовать с двух точек зрения:

а) сохранности и долговечности пла­нов;

б) возможности сопоставления пла­нов друг с другом.

Выбор оси ОХ по магнитному мери­диану (рисунок 2.2) прост, а приборы, при­меняемые для съемки примитивны. Нанесенная на план поверхности или горных работ координатная сетка по направлению магнитного меридиана не обеспечивает своего постоянства во времени и пространстве.

Рисунок 2.1 - Координатные оси

Рисунок 2.2 - Выбор оси ОХ по магнитному меридиану

Величина магнитного склонения непостоянна в одной и той же точке земли вследствие суточных, вековых и внезапных изменений магнитного поля Земли.

Амплитуда суточных колебаний зависит от широты места ф . На­пример, для Донбасса она равна 10-12', для Ленинграда - 20', а для Ка­раганды и Усть – Каменногорска - 8-10', а возникающие магнитные бури отклоняют магнит­ную стрелку до 4^о .

Если ОХ принять по магнитному азимуту, то ни одно из требований, предъявляемых к системе координат, не соблюдается. Инструкцией выбор оси ОХ по этому направлению запрещен.

Выбор оси ОХ по истинному меридиану (рисунок 2.3) частично обеспечи­вает выполнение предъявляемых требований к системе координат. Истин­ный азимут постоянен во времени, но различен в пространстве для раз­личных точек земли вследствие сближения меридианов и их соединения на земных полюсах. Если представить себе два шахтных поля со стволами А и В, удаленных друг от друга на расстояние S, а планы горных работ этих шахт составлены по истинному меридиану и имеют каждый свое на­чало, то нетрудно представить, что:

Рисунок 2.3 - Выбор оси ОХ по истинному меридиану

а) сбойки горных выработок смежных шахт невозможны;

б) не обеспечива­ется безопасность горных работ;

в) планы горных работ смежных шахт не совмещаются друг с другом.

Истинный азимут постоянен во време­ни и пространстве лишь для одной точки земли или малого ее района. В этом случае планы горных работ, на которых ось ОХ проведена по истинному меридиану, могут быть использованы в течение длительного периода. Для составления сводных планов необходимо учитывать изменение сближения мери­дианов, которое вычисляется по формулам:

или , где S - расстояние между точками, км; R - радиус Земли, км; - широта места наблюдения, град.; - 36" на 1км длины по широте; Y , Y - ординаты точек, км.

Выбор оси ОХ по осевому меридиану зоны (общегосударственная сис­тема плоских прямоугольных координат 1942 года) удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к системам (рисунок 2.4).

В общегосударственной системе координат используется эллипсоид Красовского и равноугольная (конформная) поперечно-цилиндри­ческая проекция Гаусса-Крюгера. Поверхность эллипсоида разбивает­ся по долготе на зоны. Для съемок поверхности мелкого масштаба ис­пользуется шестиградусные зоны, для 'съемок масштаба 1:25000 и крупнее - трехградусные. Зоны ну­меруются с запада на восток, от гринвичского меридиана. Каждая зона образует самостоятельную систему плоских прямоугольных координат. Элементами этой системы являются т. О - начало координат; ОХ - осевой меридиан зоны; OY - линия

Рисунок 2.4 - Выбор оси ОХ по осевому меридиану зоны

экватора. Долгота от Гринвича осевого меридиана шестиградусной зоны с номе­ром N находится по формуле =6° N - 3°.

Долгота осевого меридиана трехградусной зоны с ее номером опреде­ляется по формуле =3°n.

Высотной основой геодезических и маркшейдерских съемок являются государственные нивелирные сети СССР. Отсчет высот пунктов ведется от нуля Кронштадского футштока, т.е. от уровня Балтийского моря.

В маркшейдерской практике широкое применение получила условная прямоугольная система координат, в которой начало системы, т. О, вы­брано произвольно, а ось ОХ проведена параллельно осевому меридиану зоны или повернута на некоторый угол О) (рисунок 2.5). Ось OY' перпендику­лярна ОХ¹.

Рисунок 2.5 - Условная прямоугольная сис­тема координат

Две взаимно перпендикулярные линии делят лист бумаги на четыре четверти с нумерацией по ходу ча­совой стрелки.

Пространственная и плоская по­лярные системы координат также широко используются на практике, особенно при съемке открытых гор­ных разработок, складов полезных ископаемых, отвалов и т.д.

2.2 Опорные маркшейдерско-геодезические сети на поверхности и в шахте.

В процессе практической деятельности маркшейдер производит съем­ку поверхности промышленных предприятий, делает ориентирно-соединительные съемки и измерение глубины шахт с тем, чтобы связать поверхностные и подземные съемки в единую систему, замеряет склады полезного ископаемого и т. д. Все съемки опираются на опорную геодези­ческую сеть и там, где нет этих пунктов, маркшейдерская служба обязана сама создать их путем вставки точек в существующую сеть или путем прокладки полигонных ходов.

Рисунок 2.6 - Классификация опорной геодезической сети на поверхности

Классификация опорных маркшейдерско-геодезических сетей на по­верхности характеризуется следующей схемой (рисунок 2.6).

Опорная сеть на поверхности, к которой примыкают топографические и маркшейдерские съемки, может быть создана методами триангуляции (трилатерации), полигонометрии и нивелирования.

Методы триангуляции (трилатерации) и полигонометрии (табл. 2.1 и табл. 2.2) дают плано­вое обоснование, т.е. в результате их проведения получают координаты X, Υ каждого опорного пункта.

Нивелирование же обеспечивает высотное обоснование съемок, т.е. опорный пункт получает третью координату - Ζ - высоту над уровнем моря.

Триангуляция (трилатерация), полигонометрия и нивелирование разде­ляются на государственные сети (классы) и на сети местного значения (разряды).

Триангуляция отличается от трилатерации способом определения длин сторон треугольников. При триангуляции длины вычисляются по извест­ной длине базиса и измеренным горизонтальным углом в треугольниках, в трилатерации - непосредственно измеряют, используя радио- и светодальномеры.

Геодезические сети местного значения развиваются на базе государст­венной опорной сети. Они служат обоснованием для съемок масштабов 1:500 - 1:5000 и выполнения других маркшейдерских работ.

Полигонометрия, при прокладке которой применяются наряду с традиционными приборами и инструментами также радио- и светодальномеры, выгоднее метода триангуляции при сгущении государственной опорной сети в равнинных, полузакрытых и закрытых районах, а также в городах и поселках. Полигонные ходы могут быть замкнутые и разомкнутые, опирающиеся на пункты высших классов полигонометрии или пункты триангуляции.

Таблица 2.1 - Триангуляция (трилатерация)

Таблица 2.2 - Полигонометрии

Таблица 2.3 - Геометрическое нивелирование

Полигонометрические ходы (рисунок 2.7) могут прокладываться методом траверс, при котором измеряется длина линий между пунктами, и методом парал­лактической полигонометрии, когда длина линии непосредственно не измеряется, а вычисляется по известной длине выставленного в середине этой линии базиса и измеренных горизонтальных углах между линией и направлениями с пунктов на концы базиса.

Первый метод предпочтительнее, поскольку длинные стороны могут быть измерены с высокой точностью радио- или светодальномерами.

При создании опорной сети методом полигонометрии стремятся сто­роны полигонов делать возможно большими, в этом случае результаты будут точнее, т.к. основную погрешность дают ошибки измерения углов, а не длин.

Используемые в маркшейдерско-геодезической практике инструменты и приборы позволяют вести геометрическое нивелирование с высокой точностью, поэтому без особого труда достигается точность 3 и 4 классов.

Рисунок 2.7 - Виды подземных полигонометрических ходов:

1 - твердый пункт; 2 - сторона с твер­дым дирекционным углом; 3 - сторона

Государственные геодезические опорные плановые и высотные сети должно выполнять Главное управление геодезии и картографии (ГУГ и К) РК. Остальное - ведомственные организации.

По точности, назначению и методике создания различают опорные сети, съемочные сети 1 разряда, съемочные сети 2 разряда и сети повышенной точности.

Опорные сети прокладываются по главным подготовительным выработкам от ствола к границам шахтного поля. Полигонометрические ходы опорных сетей должны быть замкнутыми, прокла­дываться между пунктами с твердыми координатами и твердыми дирекционными углами при них или в прямом и обратном направ­лениях. Если ходы в начале и конце опираются на дирекционные углы, определенные независимо гироскопическим способом, то повторные ходы разрешается не прокладывать.

Углы измеряются теодолитами с точностью отсчетных приспо­соблений не менее 30". Средняя квадратическая погрешность из­мерения углов не должна превышать 20".

Длины сторон измеряют компарированными рулетками или светодальномерами типа МСД. Каждая сторона измеряется не­зависимо в прямом и обратном направлениях. При этом разность не должна превышать 1 : 3000 длины стороны. Для приведения длин линий на горизонтальную плоскость теодолитом измеряют углы их наклона.

При размере крыла шахтного поля более 2 км полигонометрические ходы разделяются на секции с числом углов в секции не более 20. В каждой секции дирекционный угол одной стороны хода определяется гироскопическим способом.

Опорные сети пополняются через 300—500 м подвигания забоя основной подготовительной выработки. Общая протяженность отдельного хода сети не ограничивается и связана с протяжен­ностью выработок.

Методика создания опорной сети и точность угловых и линей­ных измерений должны быть такими, чтобы погрешность положе­ния наиболее удаленного пункта шахтного поля относительно исходного не превышала ±0,8 мм основного плана горных работ. Поэтому на каждой шахте должен быть специальный проект соз­дания и развития подземной маркшейдерской опорной сети с предрасчетом погрешности наиболее удаленного пункта.

Съемочные сети 1 разряда предназначены для съемки подготови­тельных выработок и для аналитического решения различных маркшейдерских задач. Они состоят из замкнутых или разомкну­тых теодолитных ходов, опирающихся в начале и конце на пункты опорной сети. Длина отдельного хода не должна превышать 2 км. Углы измеряются теодолитом с точностью отсчетных приспособле­ний не ниже 60". Средняя квадратическая погрешность измере­ния углов не должна превышать 45". Длины стороны измеряются компарированными стальными рулетками или оптическими даль­номерами в прямом и обратном направлениях. Расхождение между двумя независимыми измерениями не должно превышать 1 : 1000 измеренной длины.

Съемочные сети 2 разряда состоят из теодолитных или угло­мерных ходов длиной до 0,5 км, прокладываемых между пунктами высших разрядов по нарезным и очистным выработкам. Они предназначены для съемки нарезных и очистных выработок, а также для задания направлений второстепенным выработкам внутри нарезных блоков. Средняя квадратическая погрешность измерения углов не должна превышать 3'. Длины линий измеря­ются стальными или тесмяными рулетками с округлением отсче­тов до 1 см.

Сети повышенной точности прокладываются при выполнении работ, требующих особо высокой точности (например, при слож­ных сбойках выработок). Методика производства работ и требуемая точность измерений определяются инженерным расчетом.

Перед началом или пополнением любого теодолитного хода надлежит измерить в точках примыкания горизонтальный угол ранее выполненной съемки. Этот угол называется контрольн ы м. Разность между первоначальным (из предыдущих съемок) и измеренным значением контрольного угла не должна превышать: для полигонов опорной сети - 1', для ходов съемочной сети 1 разряда - 2'; для ходов съемочной сети 2 разряда -8'. Аналогичные измерения выполняются также при примыкании к предыдущим съемкам в конце хода. Если контрольное измерение горизонтального угла не укладывается в приведейные.выше нормы, то пункты предыду­щей съемки смещены, в таком случае теодолитный ход должен быть привязан к другим пунктам, где измеренное значение контрольно­го угла соответствует требуемым нормам. -

Теодолитная съемка состоит из следующих основных видов работ: закрепление пунктов теодолитного хода маркшейдерскими знаками; измерение горизонтальных и вертикальных углов; из­мерение длины сторон хода'; съемка контуров выработок; вычис­ление координат вершин теодолитного хода.