利用井上下對(duì)照?qǐng)D結(jié)合手持GPS確定地面鉆孔位置

辛 珂

（同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041）

引言

采空區(qū)鉆孔標(biāo)定項(xiàng)目，需要在上覆煤層采空區(qū)內(nèi)施工水文鉆孔，以確定積水對(duì)下分層開(kāi)采的影響。在測(cè)量學(xué)中稱之為測(cè)設(shè)工程，即將設(shè)計(jì)點(diǎn)位在具體的空間位置標(biāo)定出來(lái)。確定地面點(diǎn)的空間位置需要三個(gè)量，平面坐標(biāo)和高程。平面坐標(biāo)分為兩種地理坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)，地理坐標(biāo)使用經(jīng)緯度來(lái)表示，該方法可以有效避免地球曲率對(duì)角度的影響，但是當(dāng)測(cè)區(qū)半徑小于10km時(shí)，可以將某一測(cè)區(qū)當(dāng)作平面來(lái)看待，即日常所用的平面直角坐標(biāo)。煤峪口礦井田東西長(zhǎng)9.76km，南北長(zhǎng)3.7km，故應(yīng)該使用平面直角坐標(biāo)，高程使用絕對(duì)高程（即海拔）。

井上下對(duì)照?qǐng)D是反映地面的地物地貌和井下的采掘工程之間的空間位置關(guān)系的綜合性圖，比例尺為1∶2 000或1∶5 000。如圖1所示就是井上下對(duì)照?qǐng)D中的一部分，圖中藍(lán)色標(biāo)注為11～12號(hào)8713采空區(qū)鉆孔位置，綠色和粉色色框代表上下分層采空區(qū)，在采空區(qū)低洼位置施工鉆孔就可以探明該工作面積水情況。

圖1 14號(hào)307 8714工作面探水孔位置

1 施工方案

1.1 傳統(tǒng)的標(biāo)定方法

布設(shè)控制導(dǎo)線，由于地表植被覆蓋且溝壑縱橫，預(yù)計(jì)導(dǎo)線8.8km，測(cè)站16站。

利用下列公式進(jìn)行坐標(biāo)正算求出每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)：

如閉合或附和導(dǎo)線，還需進(jìn)行平差計(jì)算。

最后用下列公式坐標(biāo)反算求出極坐標(biāo)方位和距離，用全站儀將點(diǎn)位放出：S＝

以上一個(gè)工作循環(huán)將6個(gè)鉆孔全部放出預(yù)計(jì)需要3～4d時(shí)間，并且施工計(jì)算量大，容易出錯(cuò)。

2 新標(biāo)定方法

施工設(shè)備：1∶2 000井上下對(duì)照?qǐng)D，比例尺，手持GPS。

2.1 確定鉆孔坐標(biāo)

如圖1所示，在井上下對(duì)照?qǐng)D上選擇鉆孔，鉆孔應(yīng)當(dāng)選在8713工作面采空區(qū)煤層底板等高線低洼處，且對(duì)應(yīng)地表地物地貌應(yīng)在開(kāi)闊處，便于架設(shè)鉆機(jī)。由于不確定因素很多，例如地表有植被或者墳地等不能架設(shè)鉆機(jī)，就需要及時(shí)調(diào)整坐標(biāo)位置，利用比例尺在井上下對(duì)照?qǐng)D上量取坐標(biāo)。還有，由于受GPS定位特性限制，在選擇鉆孔位置時(shí)應(yīng)當(dāng)避讓高壓線以及大面積水體。此次工程經(jīng)過(guò)反復(fù)論證最終選擇以下坐標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)定鉆孔坐標(biāo)及名稱

2.2 使用手持GPS進(jìn)行點(diǎn)位放樣

全球定位系統(tǒng)即GPS（global positioning system）基本參數(shù)，衛(wèi)星顆數(shù)21＋3，衛(wèi)星軌道面6個(gè)，衛(wèi)星高度20 200km，軌道傾角為55°，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11h58m（恒星時(shí)12h），在地球表面上任何地點(diǎn)任何時(shí)刻，在高度角15°以上，平均通視觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，最多可以觀測(cè)9顆。

煤峪口礦使用的手持GPS為中海達(dá)手持式GPS，它采用windows CE操作系統(tǒng)，內(nèi)部集成HIQ－GIS軟件，它的測(cè)距采用的是載波相位平滑處理技術(shù)，處理后的定位精度中誤差在5m左右。在導(dǎo)航功能下，定位誤差與GPS的移動(dòng)速度成正比，通常為30m左右。其自動(dòng)定位只需要2min，工作溫度為－25～70℃，保存溫度為－40～80℃，對(duì)野外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.2.1 常規(guī)定位時(shí)需要設(shè)置的參數(shù)

1）坐標(biāo)格式設(shè)置。首先在 WGS－84（世界大地坐標(biāo)系，目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)。全稱是World Geodetic System－84。由美國(guó)國(guó)防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時(shí)GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)WGS－72坐標(biāo)系統(tǒng)、BJ－54采集北京54坐標(biāo)系統(tǒng)、西安－80采集西安80坐標(biāo)系統(tǒng)。大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系四種坐標(biāo)系中選一種，由于同煤集團(tuán)使用大同礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系，所以選大同礦區(qū)為獨(dú)立坐標(biāo)系。接著輸入使用地區(qū)所在的三度帶或六度帶的中央子午線經(jīng)度；最后輸入比例參數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 坐標(biāo)系選擇界面

2）投影一般選擇“高斯三度帶”（1∶10 000地形圖采用）或“高斯六度帶”（1∶50 000地形圖采用），也可選擇“高斯自定義”，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的中央子午線。

3）橢球轉(zhuǎn)換，一般選擇“無(wú)”。設(shè)定好參數(shù)后一定要點(diǎn)擊右邊的保存，否則設(shè)定的參數(shù)無(wú)效。

4）平面轉(zhuǎn)換，選擇“四參數(shù)法”四參數(shù)法即x平移、y平移、旋轉(zhuǎn)、縮放比例（尺度）K，兩平面坐標(biāo)系之間的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放比例參數(shù)，適用于大部分普通工程用戶，只需要兩個(gè)已知坐標(biāo)即可進(jìn)行參數(shù)求解。

2.2.2 坐標(biāo)定位操作方法

使用手持GPS手動(dòng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集法，采用“平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換＋高程擬合法”（工程用戶通用方法）需至少兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)（已知點(diǎn)可以是任意坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，最好為三個(gè)或三個(gè)以上，可以檢校已知點(diǎn)的正確性）。

如圖3，上方6為接收的衛(wèi)星顆數(shù)，下方1.7為HDOP值，用于評(píng)價(jià)衛(wèi)星的分布圖形對(duì)解質(zhì)量的影響，一般數(shù)據(jù)越小，表明衛(wèi)星分布越好，小于3為較好狀態(tài)。HDOP（Horizontal Dilution of Precision，水平精度因子）是描述水平坐標(biāo)精度的誤差程度，值為緯度和經(jīng)度誤差平方和的開(kāi)根號(hào)值，所以最準(zhǔn)確的時(shí)候 HDOP近似于1，一般來(lái)說(shuō)大于6，就表示誤差比較大。

圖3 衛(wèi)星顆數(shù)和HDOP值

圖4中下方x，y，h即為坐標(biāo)三參數(shù)，根據(jù)前面推算出的6個(gè)鉆孔坐標(biāo)來(lái)確定鉆孔在實(shí)地中的位置。

圖4 衛(wèi)星軌跡和數(shù)量顯示

3 結(jié)語(yǔ)

所施工6個(gè)鉆孔，除了81022采空區(qū)鉆孔因?yàn)檫^(guò)空巷夾鉆桿導(dǎo)致無(wú)法施工外，其余五個(gè)均全部順利貫通，尤其是為8 7 1 3采空區(qū)探明了積水量3 000m3，目前14號(hào)5713巷道已經(jīng)掘進(jìn)至積水線以內(nèi)，每天排老空區(qū)積水70m3左右，為防治水工作提供了可靠的保障。

煤峪口礦在此之前一直使用全站儀進(jìn)行地面鉆孔的標(biāo)定工作，全站儀標(biāo)定的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但是缺點(diǎn)也很明顯：太過(guò)繁瑣，為了保證精度，需要布設(shè)閉合或者附和導(dǎo)線；工期太長(zhǎng)，礦區(qū)內(nèi)山谷交錯(cuò)，地形比較復(fù)雜，礦區(qū)范圍又大，布設(shè)一條導(dǎo)線往往就需要幾天的時(shí)間，加上放樣等，工期延長(zhǎng)，不利于快速開(kāi)展工作；受地形、地物、地貌限制非常大。例如礦區(qū)410盤區(qū)上方，除了丘陵溝壑地形外，還有大面積植被覆蓋，對(duì)布設(shè)導(dǎo)線以及點(diǎn)位放樣造成極大的影響。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，以及在工作中的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)精度為±5m的情況下，使用本方法來(lái)進(jìn)行三維空間定位完全能夠滿足要求。此技術(shù)廣泛應(yīng)用于采空區(qū)鉆孔位置標(biāo)定，地表裂縫治理，礦界點(diǎn)標(biāo)定等眾多工程中。