煤礦井下測量控制網修正系統設計

張正源

（大同煤礦集團白洞礦業公司，山西大同，037003）

1 引言

在煤礦生產過程中，需要非常準確的坐標和高程控制網來支持。盤區的布置，工作面的設計與形成，相關巷道的掘進都是以煤礦坐標控制網作為依據和指導的。因此，在煤礦控制網布設的過程中需要嚴格保證導線控制點的準確度。

煤礦控制導線的布設以及測量都是由地質科的地測人員完成。隨著先進測量儀器的投入使用，為測量人員的工作帶來了很大的便利，簡化了測量過程并提高了測量精度。但是日益精細化的測量方法依然無法完全規避測量誤差的產生。一方面，全站儀本身會產生一定的儀器誤差，雖然可以定期校準，但只能減弱而不能消除誤差。另一方面，測量人員在觀察和讀數的過程中，其工作習慣也會對測量結果產生一定影響。

井下工作面在巷道掘進時，要求兩條順槽巷道平行，但由于儀器誤差和觀測誤差的存在，導線點在布設和測量中其水平角會有一定的誤差。而這種誤差往往是線性累計的，每布一個點時，其測量的各項數據指標均在限差內，而巷道的方向偏差和平移偏差已經造成了累計。對于一個順槽長度2 000 m左右的工作面，這種誤差如果不及時修正，就會造成工作面寬度不一致，給綜采生產帶來極大不便，并會造成資源的極大浪費。

為了消除上述的誤差影響，大同煤礦集團白洞礦業公司嘗試了以下兩種辦法：

（1）保證方位角正確

為了保證掘進巷道方位正確，每次布置新導線點后，將其方位角與設計值進行比對，如果相差較大，則在下一次進行修正。這種方法的優點是誤差易于觀察，校正值容易計算，缺點是只能消除方位誤差，對于平移誤差無法進行修正。

（2）保證工作面寬度

在巷道掘進過程中，及時地將控制點繪制在圖紙上，讀取每一次控制點距離相鄰巷道的距離，保證工作面的寬度一致。其優點是工作面寬度保持一致，能有效保證綜采的有序工作，其缺點是在導線點上圖和量取過程會造成新的誤差，給工作人員帶來不必要的工作量。

由于以上兩種誤差消除方式都存在缺點和不足，因此有必要設計一項科學準確的控制導線檢查和修正系統，及時地對控制網誤差進行檢查和報警，提示地測工作人員及時進行修正。

2 系統設計

2.1 系統總體設計思路

系統設計采用MATLAB 軟件編程實現，系統主要設計流程如圖1 所示。首先搭建GUI 人機交互界面，添加各功能控件，之后為每個控件編寫回調函數實現相關功能，最后進行調試運行，調試完成進行結果輸出。

圖1 系統設計流程

系統主要包括4個模塊，如圖2所示。坐標系轉化模塊主要是將地質坐標系轉化為計算機使用的平面直角坐標系；標準線繪制模塊主要為后續數據點的繪制提供基礎；數據計算模塊主要進行數據點的計算校驗；報警模塊是在計算數據點出現偏差時報警顯示。

圖2 系統主要設計模塊

2.2 軟件界面設計

首先建立軟件登陸界面，如圖3所示。

圖3 軟件登陸界面

2.3 坐標系轉化

登陸界面完成以后需要進行坐標系建立、數據導入、數據計算等一系列工作。首先要進行的就是建立坐標系。MATLAB 軟件是一款數學軟件，因此其識別的坐標系統為平面直角坐標系，即以X軸為橫軸，X軸正方向為零度，逆時針遞增。而地質測量工作中所使用的是地理坐標系，即以X軸為縱軸，角度以方位角進行計算，因此需要把地理坐標系轉換成為數學坐標系以建立巷道坐標的數學模型。

以下分四種情況討論方位角α 與傾斜角β 之間的關系。當α ＜90°時，方位角和傾斜角之間的關系符合β=90°-α；當90°＜α ＜180°時，方位角和傾斜角之間的關系符合β=270°-α；當180°＜α ＜270°時，方位角 和 傾 斜 角 之 間 的 關 系 符 合 β=270°-α ；當270°＜α ＜360°時，方位角和傾斜角之間的關系符合β=450°-α。

2.4 控制標準線繪制

標準線偏移量d，水平偏移量xd與方位角α 之間存在如下關系。當方位角α ＜90°，偏移量與方位角的關系符合；當方位角90°＜α ＜180°，偏移量與方位角的關系符合；當方位角180°＜α ＜270° ，偏 移 量 與 方 位 角 的 關 系 符 合xd=；當方位角270°＜α ＜360°，偏移量與方位角的關系符合。

根據以上公式以及起始點坐標，使用軟件繪制了控制點的標準線，測試輸入參數數據如表1。

表1 測試數據

繪制結果如圖4所示，其中黑色直線為標準線，紅色虛線為控制點導線。

圖4 繪制控制點標準線

2.5 計算和報警系統設計

準備工作完成以后，對井下采集的控制點數據進行距離計算，當控制點與控制標準線之間的距離為工作面設計距離時，說明點位及方位角都處于合理范圍內。而當距離超過一定限值時，說明該點位出現了偏移，這種偏移不及時修正就會出現工作面寬度變形，并可能進行累計使變形量不斷擴大。本次軟件演示使用了正在進行巷道掘進的某工作面相關數據，將點線之間的距離設置為100 m，選取了5 個點位坐標進行計算。本軟件使用EXCEL 軟件作為數據輸入和存儲軟件，具體的讀取、計算及報警界面如圖5所示：

圖5 控制點距離測算界面

3 系統實驗及結果分析

本次選取了5 個控制點坐標進行系統測試實驗，如圖6所示，其中的坐標數據皆來自于井下測量所得，為了展示坐標出現錯誤或誤差的情況，對其中的4 號點進行了修改，X、Y坐標都做了加大處理。

圖6 原始坐標點數據

點擊界面中的導入數據選項，將存在EXCEL表格里的坐標讀取到計算界面中，如圖7所示。

圖7 界面讀取數據結果

點擊計算距離選項，具體的計算過程由軟件自動完成，計算結果如圖8所示。

圖8 距離計算和結果展示

軟件選取30 cm 作為報警限值，對不正確點位進行報警。如圖8 中所示，1、2、3、5 號點位顯示數值正確，4號點位出現報警，提示距離不正常需要及時進行修正。根據圖8中的計算結果還可以看出，4號點距離不正確屬于距離偏大，說明3 號點到4 號點方位角過小，在4號點布置5號點時需要適量的將方位角調大以進行方位和距離的修正，對于井下控制導線給線過程有著重要指導意義。

4 結語

經過系統測試實驗驗證，該系統在進行控制導線坐標檢查和修正過程中，數據比對結果清晰明了，在方位角準確度和工作面寬度兩方面都能夠得到有效的保障，出現問題時能夠及時發現處理，避免了工作面某區域的誤差累計和寬度突變。該系統操作簡單，對于使用人員的相關知識要求較低，其數據處理結果直觀易懂，能夠有效指導井下控制點布設的工作。因此，在煤礦井下測量工作中具有很好的應用前景。