相似變換在現(xiàn)代化礦井測量中的應(yīng)用及探討

李慧平 李耀龍

（榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719000）

相似變換在現(xiàn)代化礦井測量中的應(yīng)用及探討

李慧平 李耀龍

（榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719000）

提出在國家統(tǒng)一平面坐標(biāo)系下通過相似變換方法建立相對獨立坐標(biāo)系，將兩套坐標(biāo)系分別用于同一礦井井下和地面工程，以解決測量邊長變形帶來的測設(shè)改算問題。結(jié)合工程實例說明了在實踐中的應(yīng)用并進行了討論。

現(xiàn)代化礦井 礦山測量 坐標(biāo)系 相似變換

1 礦山測量坐標(biāo)系的選取

（1）現(xiàn)代化礦山測量的特點。一是測量種類多，在礦山建設(shè)階段，主要進行一系列施工測量，有地下井筒開挖、巷道掘進貫通、地面工業(yè)與民用建筑物放樣、生產(chǎn)設(shè)備連接安裝測量、配套洗選煤廠、公路建設(shè)以及鐵路建設(shè)等；二是時間長，礦井建設(shè)期2～5年，生產(chǎn)服役期一般多達30～100年；三是區(qū)域面積大，一般大型礦井井田面積在50 km2以上；四是精度要求高，現(xiàn)代化大型礦井不僅要保證巷道和工作面長距離精確貫通，而且安裝工程需要更高的測量精度。

（2）坐標(biāo)系選取原則。根據(jù)礦山測量特點，坐標(biāo)系選取原則主要以礦井井下工程建設(shè)及安全生產(chǎn)對測量工作的需要為重點。為統(tǒng)一管理，一個礦山只采用一個坐標(biāo)系統(tǒng)來使用，一般采用國家統(tǒng)一坐標(biāo)系或建立一個獨立坐標(biāo)系來使用。

（3）測量邊長變形影響。國家坐標(biāo)系下兩點間距離與實際測量距離存在差異，這個差異是由于實測邊長（距離）值歸化到橢球面上，再將橢球面上邊長投影到高斯平面上而產(chǎn)生邊長變形引起的。

礦井建設(shè)分地面和井下兩部分，地面工程需要完成的是大量的測設(shè)放線工作。在實地測量中常以礦山高等級GPS控制點作為起算基準(zhǔn)進行測設(shè)數(shù)據(jù)計算，而GPS控制點一般采用高斯平面坐標(biāo)系（國家統(tǒng)一坐標(biāo)系），與建設(shè)工程設(shè)計圖平面坐標(biāo)之間存在邊長變形。表現(xiàn)的實際現(xiàn)象就是兩控制基點用儀器實際測量邊長與反算邊長值不相等，在實際測設(shè)中解決的方法就是算出差值加入這個改算數(shù)。但由于地面測量種類多，測設(shè)工作量大，需要改算數(shù)據(jù)繁多，而且某些建筑物和安裝工程相對內(nèi)部誤差控制較嚴(yán)格，精度要求高，加入改算數(shù)不當(dāng)將產(chǎn)生較大誤差或測量錯誤，造成工程事故。如果能消除邊長變形的影響不加這個改算數(shù)是最好結(jié)果。

2 建立相對坐標(biāo)系的方法

礦井處于高原或距離投影子午線過遠，測量邊長變形影響大，以井下測量為主建立的高斯平面坐標(biāo)系不能很好解決地面測設(shè)問題，在同一礦井建設(shè)中，可以根據(jù)測量特點和工作的需要，建立一個既獨立又有聯(lián)系的相對獨立坐標(biāo)系，將邊長變形對測量工作帶來的影響解決掉。采用相似變換法就是方法之一。

（1）找結(jié)合點。結(jié)合點的選取原則是此點既能聯(lián)系地面又能聯(lián)系井下，便于成果轉(zhuǎn)換，結(jié)合點在相對獨立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值與高斯坐標(biāo)系坐標(biāo)值相等。

（2）建立變換公式。建立“抵償高程面”測量控制網(wǎng)的相似變化公式進行變換修正。

公式（1）是將地面控制點（x，y）換算到抵償高程面相應(yīng)的坐標(biāo)系中含義為抵償高程面邊長歸化到參考橢球體面（大地水準(zhǔn)面）變形改算系數(shù)，而實際應(yīng)為礦井測量邊長歸化到參考橢球面的邊長再投影到高斯投影平面上，因此還應(yīng)加上橢球面的長度投影到高斯平面的變形值這一項，并令兩項和等于K，變?yōu)楣剑?），再將公式（2）代回公式（1），進行修正，得到公式（3），即為相似變換新坐標(biāo)公式。

式中：K——高斯平面長度與地面長度變形改算系數(shù)；

ym——測區(qū)兩端點橫坐標(biāo)的平均值（自然值），m；

R——長度所在方向的參考橢球平均曲率半徑，m；

Hm——長度所在高程面對橢球面的平均高差，m。

x、y——變換前的國家統(tǒng)一坐標(biāo)；

x0、y0——變換結(jié)合原點基點的坐標(biāo)。

3 工程實例

青龍寺煤礦地處陜北神府礦區(qū)新民開采區(qū)中部，是神華集團與陜煤集團合作投資的大型現(xiàn)代化在建礦井，地面海拔高度1100～1280m，井田面積50.3km2，井型3.0Mt／a，可采煤層4層，服務(wù)年限63年。地面工業(yè)廣場地處山溝，由于地形所限，呈長條式布設(shè)，并伴有運煤鐵路、運煤公路、轉(zhuǎn)載站和地面洗選煤加工工廠建設(shè)。

在規(guī)劃建設(shè)之初，結(jié)合礦區(qū)實際，以后期井下測量工作為主，礦井坐標(biāo)系采用了1954北京平面坐標(biāo)系，在主、輔井口布設(shè)GPS D級近井點3個，同時用做地面工業(yè)廣場建設(shè)。工程位置見圖1，坐標(biāo)值見表1。

圖1 地面控制點布設(shè)及重要工程位置

表1 國家統(tǒng)一坐標(biāo)系坐標(biāo)

3.1 找出結(jié)合基點

根據(jù)圖1，在了解了工程情況的基礎(chǔ)上，在主斜井要安裝礦井帶式輸送機，和地面驅(qū)動機房、轉(zhuǎn)載站相連，為了保證井下和地面各銜接安裝部位的連接，確定將主井設(shè)計井口Z點作為連接原點，在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值不變。

3.2 計算K值

根據(jù)文獻，結(jié)合青龍寺井田海拔高度，查取青龍寺井田所在地理位置橢球平均曲率半徑R≈6373.759km，代入公式（2）：K＝（1.231y2m·10－7－1.5689 Hm）·10－7。

代入其他參數(shù)，計算得：K＝0.000166049。

3.3 坐標(biāo)變換，建立新坐標(biāo)系

將算得的K值代入公式（3），計算得到通過相似變化得到的相對獨立坐標(biāo)系坐標(biāo)值，見表2。

從表2看出，變換基點Z點的坐標(biāo)值不變，其他平面坐標(biāo)值變化在13～111mm之間。

變換后的相對獨立坐標(biāo)系仍具有國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的特點，僅是由于投影面選取不同，坐標(biāo)系存在邊長尺度比K，而產(chǎn)生坐標(biāo)差。坐標(biāo)變換是坐標(biāo)原點的相對平移和尺度上的變化，坐標(biāo)方位在兩個坐標(biāo)系中相同，便于成果的相互轉(zhuǎn)化利用。這樣同一礦井就建立了兩套坐標(biāo)系統(tǒng)，國家統(tǒng)一坐標(biāo)系用于井下工程，控制貫通測量并便于與其他坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換聯(lián)系。相似變換后的相對獨立坐標(biāo)系用于地面工業(yè)廣場建設(shè)的各項測量工作及地面與井下聯(lián)系的安裝工程測量。應(yīng)用變換后的相似獨立坐標(biāo)進行測設(shè)時，不再需要加入改算數(shù)，利用測繪儀器測出的邊長將與設(shè)計平面圖邊長相符，各個坐標(biāo)不加繁瑣的改算數(shù)能相互閉合。

表2 變換后相對獨立坐標(biāo)系坐標(biāo)

4 結(jié)束語

這種通過相似變換建立相對獨立坐標(biāo)系與國家坐標(biāo)系同時使用在同一礦井地面和井下測量工程的方法，在不改變以井下測量坐標(biāo)系建立為重點的基礎(chǔ)上，解決了地面測設(shè)邊長變形問題，有效地消除了測量系統(tǒng)誤差，提高了測量準(zhǔn)確度。兩套坐標(biāo)系聯(lián)合運用，起到了優(yōu)勢互補作用。但相對獨立坐標(biāo)系不便于與礦井周圍其他坐標(biāo)系連接轉(zhuǎn)換，且只限于局部獨立工程運用，在具體運用時一定要按照不同工程的特點，分析與其他工程空間位置上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，合理選擇，靈活應(yīng)用。

[1] 陜西地質(zhì)勘查開發(fā)局測繪大隊.榆林神華袁家梁、郭家灣、青龍寺井田控制網(wǎng)布測工程報告[R].西安，2009（7）

[2] 中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.工程測量規(guī)范[S].北京：北京計劃出版社，2008

[3] 張鳳舉，張海華，趙長勝，孟魯閩，盧秀山.控制測量學(xué)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999

[4] 中國統(tǒng)配煤礦總公司生產(chǎn)局.煤礦測量手冊（修訂本）[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1990

[5] 張國良，朱家鈺，顧和和.礦山測量學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008

[6] 李耀龍，林林，趙平安.分區(qū)歸化投影系數(shù)在測量井田邊長中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2010（2）

Application and discussion of similar transformation for measurement in modernized mines

Li Huiping，Li Yaolong

（Yulin Shenhua Energy Company，Yulin，Shannxi 719000，China）

The relative independent coordinate system could be set up in a plane coordinate system via the similar transformation.These two coordinate systems could be separately applied in the pit and ground engineering for the same mine，so that the measuring and setting problems of deformation of side length measurement could be solved.Combined with engineering projects，the application of similar transformation was discussed.

modernized mine，mine survey，coordinate system，similar transformation

TD17

B

李慧平（1974－），男，工程師，2000年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)采礦系采礦專業(yè)，現(xiàn)任榆林神華能源公司青龍寺煤礦籌建處安全副礦長兼總工程師。

（責(zé)任編輯 張艷華）