張建龍

（1.黑龍江能源職業(yè)學(xué)院 資源與化學(xué)環(huán)境工程系，黑龍江 雙鴨山 155100）

為適應(yīng)新形勢下煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，調(diào)動(dòng)廣大職業(yè)院校學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練的積極性，加強(qiáng)技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)，提高煤炭行業(yè)職業(yè)教育能力，提升煤炭職業(yè)院校教學(xué)水平，減少礦山企業(yè)的人才培訓(xùn)成本[1-2]，中國煤炭教育協(xié)會(huì)聯(lián)合煤炭工業(yè)職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心等多部門開展了全國煤炭職業(yè)院校技能大賽，至今已成功舉辦了8屆。本文以黑龍江能源職業(yè)學(xué)院參加的第六～八屆“礦山測量技術(shù)”賽項(xiàng)為基礎(chǔ)，分析了賽項(xiàng)外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)計(jì)算的流程和技術(shù)要求；結(jié)合實(shí)訓(xùn)課《貫通測量》，提出將競賽流程和測量標(biāo)準(zhǔn)融入實(shí)訓(xùn)課，并利用模擬巷道進(jìn)行施測，模擬貫通測量真實(shí)環(huán)境；建立了支導(dǎo)線點(diǎn)位誤差分析模型，對待貫通巷道進(jìn)行了誤差預(yù)計(jì)。

1 “礦山測量技術(shù)”賽項(xiàng)分析

1.1 外業(yè)觀測

“礦山測量技術(shù)”賽項(xiàng)包括外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)計(jì)算兩部分。外業(yè)觀測是在井下完成15 s級支導(dǎo)線測量，觀測路線見圖1，從井口附近A1 點(diǎn)出發(fā)，沿井下巷道A2、A3、A4、A5 依次測量至A6 點(diǎn)。競賽指定使用南方NTS-342R10A 全站儀，井下導(dǎo)線測量內(nèi)容包括水平角、垂直角、斜距、儀器高、覘標(biāo)高、全巷高。競賽過程采用團(tuán)體制，每支參賽隊(duì)由4 名隊(duì)員組成，分別在A2～A5 點(diǎn)設(shè)站，按照觀測、記錄、計(jì)算、司尺各崗位輪流操作，每人觀測一站，記錄一站。

圖1 貫通測量線路示意圖

外業(yè)觀測是技能競賽的第一步，觀測成果質(zhì)量將直接決定競賽的成敗。常見問題包括為節(jié)約時(shí)間攜帶儀器跑步前進(jìn)、轉(zhuǎn)站時(shí)全站儀未裝箱前進(jìn)、長時(shí)間離開儀器無人看守、非記錄人員參與外業(yè)計(jì)算、水平角或垂直角超限而未及時(shí)進(jìn)行檢查、測量員和記錄員讀記錯(cuò)誤、角度和長度計(jì)算未執(zhí)行測量中的“奇進(jìn)偶舍”規(guī)則。外業(yè)觀測的要求主要是為了加強(qiáng)學(xué)生的規(guī)范化意識，培養(yǎng)良好的職業(yè)素養(yǎng)。針對這些問題，賽前訓(xùn)練時(shí)應(yīng)反復(fù)研讀賽項(xiàng)規(guī)程和礦山測量相關(guān)規(guī)范，將規(guī)范要求融入訓(xùn)練中，用規(guī)程和規(guī)范約束訓(xùn)練[3-4]。

1.2 內(nèi)業(yè)計(jì)算

內(nèi)業(yè)計(jì)算是給定A2 點(diǎn)的坐標(biāo)、高程和A1-A2 邊方位角，依次計(jì)算各導(dǎo)線邊的坐標(biāo)方位角；再計(jì)算A3、A4、A5、A6 的坐標(biāo)、高程和底板高程；最后根據(jù)給定的穿口點(diǎn)B的坐標(biāo)、底板高，計(jì)算A6至B的貫通平距、高差、坐標(biāo)方位角、貫通斜距、貫通巷道傾角、指向角。導(dǎo)線任一邊的坐標(biāo)方位角為：

支導(dǎo)線終點(diǎn)A6的坐標(biāo)為：

式中，x1、y1為A2 點(diǎn)坐標(biāo)；α0為A1-A2 邊的坐標(biāo)方位角；l1、l2、…、ln為導(dǎo)線各邊平距；α1、α2、…、αn為導(dǎo)線各邊坐標(biāo)方位角；β1、β2、…、βn為所測導(dǎo)線前進(jìn)路線左角。

待貫通的聯(lián)絡(luò)巷中心線坐標(biāo)方位角、水平長度、指向角、貫通巷道坡度、貫通巷道斜長的計(jì)算公式分別為：

式中，HA6、HB分別為A6點(diǎn)和B點(diǎn)的高程值。

內(nèi)業(yè)計(jì)算是一項(xiàng)極其細(xì)致的工作，需前后聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣。常見問題包括忽略垂直角仰角和俯角的正負(fù)號、忽略點(diǎn)位在頂板和底板的正負(fù)號、方位角計(jì)算左角公式和右角公式顛倒、坐標(biāo)增量計(jì)算中三角函數(shù)混淆用錯(cuò)。這些問題中若有一處計(jì)算錯(cuò)誤則會(huì)引起后續(xù)步驟連續(xù)錯(cuò)誤，失之毫厘則謬以千里[5-6]，因此在賽前訓(xùn)練中一方面要反復(fù)強(qiáng)調(diào)細(xì)節(jié)，另一方面要從問題原理入手，通過現(xiàn)場演示、作圖等方法加深記憶。

1.3 技術(shù)要求

該賽項(xiàng)涉及大量測量知識，對學(xué)生的操作技能、計(jì)算能力都提出了很高要求。競賽總時(shí)長為1.5 h，參賽學(xué)生進(jìn)入一個(gè)與自己平時(shí)訓(xùn)練完全不同的環(huán)境，而且競賽中關(guān)閉巷道中所有燈光，對學(xué)生心理也有一定影響，只有規(guī)范操作、沉著應(yīng)對、合理安排內(nèi)外業(yè)時(shí)間、組員之間密切配合，才能高質(zhì)量地完成全部競賽內(nèi)容[7-8]。外業(yè)測量的主要觀測內(nèi)容為水平角、垂直角和斜距。記錄表使用鉛筆記錄計(jì)算，記錄的數(shù)字與文字應(yīng)清晰、整潔，不得轉(zhuǎn)抄、涂改、就字改字、連環(huán)涂改，不得使用橡皮擦。角度記錄秒值錯(cuò)誤應(yīng)重新觀測，距離測量厘米和毫米錯(cuò)誤應(yīng)重新觀測。水平角測量采用測回法觀測兩個(gè)測回，同一測回中半測回互差不大于20 平，兩測回間互差不大于12 測；垂直角測量采用測回法觀測兩個(gè)測回，垂直角互差不大于15直，指標(biāo)差互差不大于15標(biāo)；距離測量觀測兩個(gè)測回，每測回照準(zhǔn)棱鏡一次，讀數(shù)4 次，一測回最大互差不大于10 mm，單程測回間最大互差不大于15 mm。

1.4 競賽效果

礦山測量技能競賽將理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過實(shí)踐訓(xùn)練，使測量中水平角、垂直角計(jì)算，方位角計(jì)算，三角高程測量計(jì)算，坐標(biāo)增量計(jì)算，貫通要素計(jì)算等課堂上較難理解的知識點(diǎn)得以落地掌握，對教學(xué)有極大的促進(jìn)作用。通過訓(xùn)練，學(xué)生能熟練完成全站儀對中、整平與測角、量邊等操作，加強(qiáng)了手動(dòng)計(jì)算能力，提高了學(xué)生實(shí)踐能力[9]。礦山測量技能競賽涉及的知識點(diǎn)貫穿于《測量學(xué)》《控制測量學(xué)》《地下工程測量》等核心課程，為課程學(xué)習(xí)做好了鋪墊，學(xué)生學(xué)習(xí)更加容易，考試成績也較高。競賽能加深學(xué)生對測量原理的理解，遇到測量問題時(shí)基本能從技術(shù)、原理、人員、儀器配置等方面思考分析問題，并提出解決方法，將所學(xué)知識用于實(shí)際問題，達(dá)到了畢業(yè)生的基本要求。

2 礦山測量技能競賽在實(shí)訓(xùn)課中的應(yīng)用

黑龍江能源職業(yè)學(xué)院工程測量技術(shù)專業(yè)已連續(xù)多年參加省級、國家級測繪技能競賽，競賽取得成績后，如何讓競賽的相關(guān)成果應(yīng)用于日常教學(xué)，如何讓技能競賽的效能普惠到更多的非參賽學(xué)生是參賽的最終目標(biāo)。因此，測量教研室對實(shí)訓(xùn)課教學(xué)進(jìn)行了課程改革，將礦山測量技能競賽與《貫通測量》實(shí)訓(xùn)課結(jié)合起來：①在實(shí)訓(xùn)第一堂課，邀請參賽選手為未參賽的學(xué)生開展德育教育，宣講競賽過程中的經(jīng)驗(yàn)和收獲、展現(xiàn)出的良好素養(yǎng)和頑強(qiáng)意志，這種來自身邊榜樣的力量是一種潛移默化的影響，實(shí)踐證明宣講拉近了競賽和實(shí)踐教學(xué)的距離以及未參賽學(xué)生和參賽選手之間的距離；②將基礎(chǔ)理論教學(xué)與技能大賽內(nèi)容相結(jié)合，工程測量技術(shù)專業(yè)教學(xué)過程中涉及較多的數(shù)理知識，職業(yè)院校學(xué)生基礎(chǔ)知識薄弱，往往對基礎(chǔ)理論教學(xué)不感興趣，如果在競賽中弱化原理上的教學(xué)，即使測量速度提高很多，但競賽結(jié)束后一段時(shí)間再遇到類似問題，學(xué)生仍是一知半解，不能正確回答，不能形成一個(gè)牢固的記憶，因此在實(shí)訓(xùn)課中穿插競賽案例、在競賽案例中加入基礎(chǔ)理論，讓學(xué)生不僅知其然更要知其所以然，感受到學(xué)習(xí)理論的重要性，使其明白有理論支撐的技能才是真正的技能，完善又系統(tǒng)的理論框架下的技術(shù)才有更強(qiáng)的創(chuàng)造力。

2.1 貫通測量支導(dǎo)線點(diǎn)位誤差分析模型建立

從礦山測量技能競賽的內(nèi)容來看，所測導(dǎo)線為一條支導(dǎo)線，外業(yè)測量主要測量各測站點(diǎn)的角度和邊長，A6點(diǎn)坐標(biāo)是所有角度和邊長的非線性函數(shù)，對式（2）進(jìn)行全微分線性化[10]，由協(xié)方差傳播率得到A6點(diǎn)在X和Y方向上的誤差為：

測角中誤差和量邊中誤差的計(jì)算公式為：

式中，Rxi、Ryi分別為A6點(diǎn)與導(dǎo)線點(diǎn)i連線在X軸、Y軸上的投影。

因此，對于光電測距導(dǎo)線，式（8）可簡化為：

A6點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為：

2.2 技能競賽在《貫通測量》實(shí)訓(xùn)課中的應(yīng)用

《貫通測量》實(shí)訓(xùn)課是工程測量技術(shù)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)《地下工程測量》后開設(shè)的一門實(shí)訓(xùn)課。其目的是讓學(xué)生熟練掌握點(diǎn)下對中、全站儀導(dǎo)線外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)計(jì)算、井下巷道貫通要素計(jì)算并進(jìn)行貫通相遇點(diǎn)誤差預(yù)計(jì)。全國煤炭職業(yè)院校技能大賽“礦山測量技術(shù)”賽項(xiàng)內(nèi)容與該實(shí)訓(xùn)內(nèi)容基本吻合。因此，將競賽規(guī)程、工作要求、技術(shù)要求、評分細(xì)則完全融入實(shí)訓(xùn)中，以競賽標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練，最后進(jìn)行成績評定，并對成績優(yōu)異的小組給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)。參加過比賽的選手具有豐富的競賽經(jīng)驗(yàn)，能幫助未參加比賽的學(xué)生快速進(jìn)入狀態(tài)，使訓(xùn)練積極性得到很大提高。貫通測量是一項(xiàng)非常重要的測量工作，礦山測量人員責(zé)任重大，其任務(wù)是要保證掘進(jìn)工作面沿著設(shè)計(jì)方向前進(jìn)，并使貫通接合處的偏差不超過規(guī)定限度[11-12]。因此，實(shí)訓(xùn)中在按競賽標(biāo)準(zhǔn)和要求完成外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)計(jì)算后，增加了貫通誤差預(yù)計(jì)內(nèi)容，讓學(xué)生在模擬巷道中完整進(jìn)行貫通測量工作，最大程度地模擬礦山貫通測量的真實(shí)環(huán)境。

預(yù)計(jì)水平方向的貫通誤差，即預(yù)計(jì)相遇點(diǎn)K 在X'方向的誤差，如圖2 所示，由導(dǎo)線測角誤差、導(dǎo)線光電測距誤差引起的K 在X'方向的誤差為：

圖2 井下導(dǎo)線貫通測量

式中，為K 點(diǎn)與各導(dǎo)線點(diǎn)連線在Y'軸上的投影長度；α'為導(dǎo)線各邊與X'軸間的夾角。

K 點(diǎn)在X'方向的預(yù)計(jì)中誤差為：

導(dǎo)線獨(dú)立施測兩次，平均值的中誤差為：

取極限誤差為中誤差的兩倍，則K 點(diǎn)在X'方向的預(yù)計(jì)誤差為：

3 實(shí)例分析

《貫通測量》實(shí)訓(xùn)課在黑龍江能源職業(yè)學(xué)院模擬巷道中進(jìn)行，模擬巷道由一號教學(xué)樓地下室改造而成，能滿足采礦、地質(zhì)、礦井通風(fēng)、礦山測量等實(shí)訓(xùn)課訓(xùn)練。某次貫通測量實(shí)訓(xùn)中按競賽要求施測了支導(dǎo)線A1、A2、…、A6，給定起始邊坐標(biāo)方位角αA1,A2=27°16'43″，外業(yè)測量了各導(dǎo)線點(diǎn)左角和各邊長（表1）。為計(jì)算A6 點(diǎn)的點(diǎn)位誤差，利用南方CASS9.0 軟件將各點(diǎn)按1∶500 的比例尺展繪在圖上，連接各點(diǎn)形成導(dǎo)線圖；并做出A2、A3、A4、A5點(diǎn)至A6點(diǎn)的連線在X軸和Y軸上的投影（表2）。

表1 各導(dǎo)線點(diǎn)左角和各邊長

表2 導(dǎo)線點(diǎn)與終點(diǎn)連線在坐標(biāo)軸的投影

所用全站儀的測角精度mβ=2″，計(jì)算得到由測角誤差引起的A6 點(diǎn)在X軸、Y軸上的誤差分別為±1.13 mm 和±0.44 mm 。該導(dǎo)線采用光電測距量邊，所用全站儀的測距精度為2+2×10-6，該導(dǎo)線最長邊為42.798 m，比例誤差可忽略，只取固定誤差，因此各邊的量邊中誤差均為2 mm，由量邊誤差引起的A6 點(diǎn)在X軸、Y軸的誤差分別為±2.58 mm和±3.01 mm。A6 點(diǎn)在X方向、Y方向的誤差分別為±2.82 mm 和±3.04 mm，則A6點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為4.15 mm。

為進(jìn)行貫通誤差預(yù)計(jì)，本文施測了A2-A1-B1-B2-B3 支導(dǎo)線，貫通相遇點(diǎn)為A6-B3 的中點(diǎn)K，貫通重要方向?yàn)锳6-B3 的垂直方向。因此，以K 點(diǎn)為原點(diǎn)，沿A6-B3 方向建立Y'軸，沿A6-B3 的垂直方向建立X'軸，各導(dǎo)線點(diǎn)在Y'軸投影以及各邊與X'軸夾角α'見表3。

表3 各導(dǎo)線點(diǎn)投影與各邊夾角

根據(jù)上述公式，計(jì)算得到由導(dǎo)線測角誤差、導(dǎo)線光電測距誤差引起的K 點(diǎn)在貫通重要方向X'軸的誤差分別為±0.8 mm和±4.5 mm，則K 點(diǎn)在X'方向的誤差為±4.58 m。測量小組對該導(dǎo)線獨(dú)立施測了兩次，得到的平均值中誤差為±3.2 mm。K 點(diǎn)在X'方向的預(yù)計(jì)誤差為±6.4 mm。《煤礦測量規(guī)程》中對同一礦井內(nèi)巷道貫通，在貫通面上的允許偏差為±0.3 m，由于實(shí)訓(xùn)課在模擬巷道中進(jìn)行，導(dǎo)線總長度較短，測角和量邊精度較高，因此貫通誤差小于規(guī)程規(guī)定，滿足貫通要求。

4 結(jié)語

本文分析了全國煤炭職業(yè)院校技能大賽“礦山測量技術(shù)”賽項(xiàng)內(nèi)容，并將競賽應(yīng)用于《貫通測量》實(shí)訓(xùn)課中，得到以下結(jié)論：①高質(zhì)量的外業(yè)觀測成果是準(zhǔn)確進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算的前提，小組成員需密切配合按規(guī)范進(jìn)行觀測，內(nèi)業(yè)計(jì)算涉及大量公式，尤其是坐標(biāo)方位角，若計(jì)算有誤將導(dǎo)致后續(xù)連環(huán)錯(cuò)誤，應(yīng)引起足夠重視；②將競賽內(nèi)容融入實(shí)訓(xùn)課中，以賽項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行日常訓(xùn)練，讓參賽選手帶領(lǐng)未參賽學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練，提高了學(xué)生的參與意識和訓(xùn)練積極性，達(dá)到了以賽促教、以賽促學(xué)的目的，解決了以往競賽普惠性較差的問題；③將基礎(chǔ)理論教學(xué)與技能大賽內(nèi)容相結(jié)合，通過建立貫通測量支導(dǎo)線點(diǎn)位誤差分析模型，并在模擬巷道中進(jìn)行實(shí)測，導(dǎo)線終點(diǎn)的點(diǎn)位誤差為±4.15 mm，預(yù)計(jì)貫通誤差為±6.4 mm，顯著小于±0.3 m 的貫通允許偏差；④在職業(yè)院校中開展技能競賽，對推動(dòng)職業(yè)教育發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)教融合、弘揚(yáng)大國工匠精神、深化工匠技能人才培養(yǎng)等具有重要意義。