張敬霞

(安徽理工大學 測繪學院，安徽 淮南 232001)

高精度的礦山三維控制網(wǎng)是礦山生產(chǎn)和災害監(jiān)測的重要保障，關系到煤礦自勘探直至報廢的每一個環(huán)節(jié)。GPS、高精度陀螺全站儀、測量機器人等技術(shù)已經(jīng)在不同的領域得到了廣泛的應用，并取得了較為理想的效果[1-7]。如何采用現(xiàn)代測繪技術(shù)建立高精度的井下三維控制網(wǎng)，就成為礦山測繪工作者面臨的一個重要問題。本文針對主副斜井開采礦井，綜合采用GPS、磁懸浮陀螺儀、水準儀以及全站儀，進行高精度礦山三維控制網(wǎng)的建立，并以某礦區(qū)具體實測數(shù)據(jù)為例，系統(tǒng)介紹建立井下7″級導線和四等水準控制網(wǎng)所需的設備及其主要技術(shù)指標，并給出應注意的事項。

1地表平面控制網(wǎng)的建立

中煤平朔集團有限公司下屬井工一礦的主采區(qū)主要分為“九煤”和“四煤”，隨著采區(qū)的不斷推進，采區(qū)所在位置最近處距井口約4000 m，原有的控制網(wǎng)已難以滿足礦山生產(chǎn)的需要，需要更新或者重新建立，考慮到該礦井的具體情況，礦方?jīng)Q定重新建立礦井地表和井下的三維控制網(wǎng)。

1.1數(shù)據(jù)的選取

該礦區(qū)在平面坐標系統(tǒng)為1.5°帶高斯投影，中央子午線為112°30′，高程坐標系統(tǒng)為56黃海高程。地測部提供了三個國家四等點和一個GPS D級點為起算點，采取插網(wǎng)方式建立該礦區(qū)E級GPS網(wǎng)。同時，提供了一個二等國家水準點和一個地測部按照三等水準要求聯(lián)測的水準點。

對上述點位進行了實際踏勘，對附近有大面積水域和遮擋物，不滿足GPS測量要求的點位予以剔除，選取包括三個控制點在內(nèi)的8個點位進行GPS靜態(tài)觀測。

1.2 GPS控制網(wǎng)

對于平面網(wǎng)，起算點至少應有兩個，才能解決基準問題；高程網(wǎng)則至少需要一個高程起算點，才能解決高程基準問題。選取三個四等國家點作為平面網(wǎng)起算基準，高程基準選取國家二等水準點。

根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》[8]確定GPS測量的各項技術(shù)指標，采用四臺Ashtech 單頻GPS 接收機進行觀測，由于點位較少(僅8個)，構(gòu)網(wǎng)模式僅采用邊連接，以提高GPS網(wǎng)的結(jié)構(gòu)強度，共4個時段進行觀測，采用隨機軟件Ashtech Solutions 2.6 進行數(shù)據(jù)的處理。

由于該礦區(qū)采用的平面坐標系統(tǒng)中央子午線為112°30′的1.5°高斯投影坐標，而Ashtech Solutions 2.6 軟件采用的坐標系統(tǒng)為中央子午線為111°的3°帶，需要對解算結(jié)果進行換帶計算，其相關原理參見文獻[9]，本文采用 HDS2003軟件包自帶的坐標轉(zhuǎn)換模塊，進行相關數(shù)據(jù)的處理。

2 井下數(shù)據(jù)采集

2.1 基本控制導線

基本控制導線應沿礦井主要巷道(包括：斜井、暗斜井、平硐、井底車場、水平運輸巷道、總回風道、集中運輸石門等)敷設。根據(jù)礦區(qū)實際情況，在井下布設了110個導線點，最大邊長為171.8 m，最小邊長為15.1 m，平均107.1 m。其中“九煤”79個導線點(包含17個永久點)，“四煤”31個導線點(包含14個永久點)。永久點共有8組，一組3～5個，分別以A-H后面加數(shù)字區(qū)別，臨時點分別以數(shù)字編號。

儀器選?。喝鹗繌瓶═CR802防爆全站儀，測角精度：2″，測距精度：2 mm + 2 ppm(IR單棱鏡)；同時，應在下井前對儀器進行檢驗和校正，確定棱鏡常數(shù)，并對每個測站的氣溫和氣壓當場測量；對于靠近井口永久點的測量時，需要擋風板輔助腳架的整平對中。測量的主要技術(shù)指標參見《煤礦測量規(guī)程》[10]。

2.2 水準測量

井下高程測量主要是建立一個與地面統(tǒng)一的高程系統(tǒng)，確定各種采掘巷道、硐室在豎直方向上的位置以及相互關系，以解決各種采掘工程在豎直方向上的幾何問題。

由于該礦井主副井均為斜井，在高程導入過程中可以直接導入高程，不必進行聯(lián)系測量，所以，高程控制網(wǎng)的布設過程中，直接選取永久點作為水準路線的待測點。水準路線為國家二等水準點出發(fā)的閉合環(huán)，對“九煤”和“四煤”進行水準聯(lián)測，在工作量增加不大的情況下，建議進行較小范圍的閉合環(huán)，以提高檢核的條件。

此次高程測量使用的儀器為WILD NA2 型水準儀；根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定的井下高程測量的各項具體技術(shù)指標施測，本次測量采用木質(zhì)黑紅雙面尺，采用“后-前-前-后”、“黑-黑-紅-紅”的讀數(shù)方法進行水準環(huán)線的往返測量。

3數(shù)據(jù)處理

3.1導線網(wǎng)平差

在進行平差計算前，首先對所測數(shù)據(jù)記錄進行檢核，經(jīng)檢驗無誤后，然后對導線網(wǎng)進行點位的概算，“九煤”和“四煤”概算后的主要技術(shù)指標見表1，各導線的技術(shù)指標都滿足限差要求。

表1 導線概算結(jié)果

由于井下導線測量的溫度和壓強對測量結(jié)果有影響，且與全站儀內(nèi)默認的常溫和常壓相差較大，故需進行溫度和壓強改正。除此之外，《煤礦測量規(guī)程》規(guī)定貫通測量工作中，還應當考慮導線邊長歸化到投影水準面的改正和投影到高斯-克呂格平面的改正。為了保證精度，在坐標概算已滿足要求的情況下，進行各種邊長改正。邊長換算之后，對各點坐標進行重新概算，主要技術(shù)指標見表2。

表2 邊長改正后的導線概算結(jié)果

采用測角中誤差作為標準來衡量測量精度，其值可用下式計算：

(1)

式中σ—測角中誤差；d—兩個測回角度的差值；n—測量測量角度個數(shù)。

計算結(jié)果見表3。

表3 導線網(wǎng)中誤差

3.2水準網(wǎng)平差

將實際測得的結(jié)果經(jīng)過檢核確定無誤后，進行水準概算，分別計算“九煤”閉合環(huán)、“四煤”閉合環(huán)以及“四煤”“九煤”小環(huán)線的閉合差(表4)。

表4 水準線路閉合差

在確定數(shù)據(jù)合格后，采用由安徽理工大學自主研發(fā)的GMDPS軟件[11]，進行水準網(wǎng)的平差計算。結(jié)果的單位權(quán)中誤差為 4.82 mm，每公里觀測高差之全中誤差為 7.62 mm。其水準網(wǎng)平差結(jié)果(部分)如表5所示。

表5 水準網(wǎng)平差結(jié)果(部分)

4陀螺定向?qū)Ь€網(wǎng)平差及質(zhì)量控制

4.1 數(shù)據(jù)采集

在進行“九煤”和“四煤”導線網(wǎng)平差過程中，分別計算出了最弱點的位置為D4和H4。根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》要求：每1.5—2 km布設一個陀螺邊，以及實地考察結(jié)果和數(shù)據(jù)預處理結(jié)果，將陀螺邊分別設在A3→A2、C2→C1、H2→H1、D2→D3、Z3→Z2和G3→G4位置處。

本次測量選用由長安大學與中國航天16所聯(lián)合研制的GAT-05B型磁懸浮陀螺全站儀[12]。依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》中相關規(guī)定，主要工作流程為：(1)在地面已知邊上采用測量三測回，確定儀器常數(shù)；(2)在井下定向邊上用兩測回測量陀螺方位角；(3)返回地面后，在原已知邊上再測量三測回，檢核儀器常數(shù)。同時，為了保證同一方向測線各測回間觀測數(shù)據(jù)彼此的獨立性，在各測回間重新整平對中儀器。

由于該陀螺經(jīng)緯儀定向精度可以達到5″，因此要求同一邊任意兩測回測量陀螺方位角的互差≤10″；對于超限數(shù)據(jù)應在現(xiàn)場予以補測，以保證地面常數(shù)標定測回總數(shù)不少于6個測回，井下各定向邊不少于2個測回。

在實測過程中，選取地面控制網(wǎng)中F1、F2和F3三個控制點構(gòu)成的測線F1→F2、F1→F3 進行儀器常數(shù)標定。但由于F1點所在的地面水泥塊體有松動現(xiàn)象，影響儀器安置的穩(wěn)定；F2點的地面松軟不適合架設儀器；F3點屬于井口近井點，位于墻角處，風振回流現(xiàn)象對儀器的影響較為嚴重；因此為加強測量數(shù)據(jù)的可靠性，在F1→F3測線上采用對向觀測的方法對數(shù)據(jù)進行檢核。

4.2 數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)每個測回的4萬組尋北采樣數(shù)據(jù)即可計算出測站點的真北方位，去除由大型機械設備、車輛振動、巷道內(nèi)風振等不利因素造成的粗差，定向結(jié)果(部分)如表6所示。

由地面控制點坐標，計算F1→F3、F1→F2和F3→F1的坐標方位角、測站點子午線收斂角，再根據(jù)A=α+γ(其中A為測線的真北方位角；a為測線的坐標方位角；γ為測站點子午線收斂角，可通過《子午線收斂角系數(shù)表》計算得到)可得測線真北方位角。再根據(jù)A=T+Δ(其中T為測線的陀螺定向值；Δ為陀螺全站儀的儀器常數(shù))結(jié)合陀螺的地面定向成果，計算陀螺儀器常數(shù)(表7)[13]。

一次測定中誤差

將上述計算得到的儀器常數(shù)，配合井下各定向邊的陀螺定向成果，依據(jù)α′=T′+Δ-γ可得井下各定向邊的坐標方位角(表8)。

4.3 陀螺導線網(wǎng)整理平差及質(zhì)量控制

對導線網(wǎng)和陀螺定向邊進行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理，綜合考慮井下測量過程中受到風吹引起的對中誤差、光線水汽等引起的測距誤差、照準誤差以及視線偏差等影響。同時，根據(jù)規(guī)程中要求和實際概算分析，陀螺邊定向中誤差設定為12″，測邊中誤差設定為2 mm+2 ppm，進行平差計算，并通過迭代運算[14]，修正不同觀測之間的權(quán)值，最終結(jié)果(部分)如表9所示，驗后單位權(quán)中誤差由未加測陀螺邊的7.85s減小到6.11s，同時，通過兩種技術(shù)的共同觀測，點位的可靠性顯著增強。

表6 陀螺定向值結(jié)果(部分)

表7 儀器常數(shù)

表8 坐標方位角

表9 平差后坐標(部分)

5結(jié)論

1)水準網(wǎng)平差結(jié)果顯示本次水準測量精度可以達到四等水準要求，大大高于井下首級控制網(wǎng)高程規(guī)定，可以為井下作業(yè)提供高程基準。

2)導線閉合差達到了城市測量中一級導線(5″)技術(shù)要求和《煤礦測量規(guī)程》中基本控制導線(7″導線)的精度要求。

3)加入陀螺定向邊后，控制了角度誤差傳遞，在長距離井下導線測量中提高了導線的精度，同時，一定程度上檢驗了導線測量數(shù)據(jù)，有效的提高了點位的可靠性。

4)最弱點點位誤差為0.46 m，其相對誤差為1/25 924，遠高于規(guī)程中要求精度(1/8 000)，井平差計算后的各點可以作為井下平面基準，指導井下作業(yè)。

參考文獻：

[1] 牛根良．GPS控制網(wǎng)貫穿新疆天山南北[J].工程勘察, 2009(S2): 414-418．

[2] 丁獻龍．提高隧道平面控制網(wǎng)的精度方法探究[J]. 測繪與空間地理信息, 2010, 33(3):187-191．

[3] 劉 超，高井祥，王 堅，等．GPS/偽衛(wèi)星技術(shù)在露天礦邊坡監(jiān)測中的應用[J]. 煤炭學報, 2010, 35(5):755-759．

[4] 劉沂星，蘇國強，翟嘉倫，等．新景礦兩井間大型貫通

測量的實踐與研究[J]．中國科技信息, 2010(2): 76- 78．

[5] 袁仁愛，杜 強，羅田郎．瀏陽河隧道3#豎井陀螺定向聯(lián)系測量技術(shù)[J]. 鐵道工程學報, 2010, 136(1):59-62.

[6] 鄒雙朝, 李端有, 周 武, 等.地質(zhì)災害變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及應用[J]. 地理空間信息, 2010, 8(4):66-68．

[7] 陳秀忠，劉瑞敏．測量機器人在標靶控制點測量中的應用研究[J]. 測繪通報, 2007(4):20-22．

[8] 國家測繪局測繪標準化研究所．全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范[M]．北京：中國標準出版社，2001．

[9] 孔祥元，郭際明，劉宗泉．大地測量學基礎[M]．武漢：武漢大學出版社，2006．

[10] 原中華人民共和國煤炭部．煤礦測量規(guī)程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，1989．

[11] 余學祥，張華海，高井祥，等．GPS監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件包的研制[J]．礦山測量，2003(4)：11-14．

[12] 王 濤．GAT陀螺全站儀貫通測量一體化系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]．西安：長安大學，2008．

[13] 石 震，楊志強，楊 帥，等．基于度盤配置法的陀螺定向新方法及相關問題研究[J]．測繪通報，2011(2)：87-89．

[14] 崔希璋，於宗壽，陶本藻，等．廣義測量平差[M]．武漢：武漢大學出版社，2001．