利用井上下對照圖結合手持GPS確定地面鉆孔位置

辛 珂

（同煤集團煤峪口礦，山西 大同 037041）

引言

采空區鉆孔標定項目，需要在上覆煤層采空區內施工水文鉆孔，以確定積水對下分層開采的影響。在測量學中稱之為測設工程，即將設計點位在具體的空間位置標定出來。確定地面點的空間位置需要三個量，平面坐標和高程。平面坐標分為兩種地理坐標和平面直角坐標，地理坐標使用經緯度來表示，該方法可以有效避免地球曲率對角度的影響，但是當測區半徑小于10km時，可以將某一測區當作平面來看待，即日常所用的平面直角坐標。煤峪口礦井田東西長9.76km，南北長3.7km，故應該使用平面直角坐標，高程使用絕對高程（即海拔）。

井上下對照圖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所示就是井上下對照圖中的一部分，圖中藍色標注為11～12號8713采空區鉆孔位置，綠色和粉色色框代表上下分層采空區，在采空區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307 8714工作面探水孔位置

1 施工方案

1.1 傳統的標定方法

布設控制導線，由于地表植被覆蓋且溝壑縱橫，預計導線8.8km，測站16站。

利用下列公式進行坐標正算求出每個點的坐標：

如閉合或附和導線，還需進行平差計算。

最后用下列公式坐標反算求出極坐標方位和距離，用全站儀將點位放出：S＝

以上一個工作循環將6個鉆孔全部放出預計需要3～4d時間，并且施工計算量大，容易出錯。

2 新標定方法

施工設備：1∶2 000井上下對照圖，比例尺，手持GPS。

2.1 確定鉆孔坐標

如圖1所示，在井上下對照圖上選擇鉆孔，鉆孔應當選在8713工作面采空區煤層底板等高線低洼處，且對應地表地物地貌應在開闊處，便于架設鉆機。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鉆機，就需要及時調整坐標位置，利用比例尺在井上下對照圖上量取坐標。還有，由于受GPS定位特性限制，在選擇鉆孔位置時應當避讓高壓線以及大面積水體。此次工程經過反復論證最終選擇以下坐標，見表1。

表1 標定鉆孔坐標及名稱

2.2 使用手持GPS進行點位放樣

全球定位系統即GPS（global positioning system）基本參數，衛星顆數21＋3，衛星軌道面6個，衛星高度20 200km，軌道傾角為55°，衛星運行周期為11h58m（恒星時12h），在地球表面上任何地點任何時刻，在高度角15°以上，平均通視觀測到6顆衛星，最多可以觀測9顆。

煤峪口礦使用的手持GPS為中海達手持式GPS，它采用windows CE操作系統，內部集成HIQ－GIS軟件，它的測距采用的是載波相位平滑處理技術，處理后的定位精度中誤差在5m左右。在導航功能下，定位誤差與GPS的移動速度成正比，通常為30m左右。其自動定位只需要2min，工作溫度為－25～70℃，保存溫度為－40～80℃，對野外環境適應能力強。

2.2.1 常規定位時需要設置的參數

1）坐標格式設置。首先在 WGS－84（世界大地坐標系，目前GPS所采用的坐標系統。全稱是World Geodetic System－84。由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當時GPS所采用的坐標系統WGS－72坐標系統、BJ－54采集北京54坐標系統、西安－80采集西安80坐標系統。大同礦區獨立坐標系四種坐標系中選一種，由于同煤集團使用大同礦區獨立坐標系，所以選大同礦區為獨立坐標系。接著輸入使用地區所在的三度帶或六度帶的中央子午線經度；最后輸入比例參數見圖2。

圖2 坐標系選擇界面

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”，并設置對應的中央子午線。

3）橢球轉換，一般選擇“無”。設定好參數后一定要點擊右邊的保存，否則設定的參數無效。

4）平面轉換，選擇“四參數法”四參數法即x平移、y平移、旋轉、縮放比例（尺度）K，兩平面坐標系之間的平移、旋轉、縮放比例參數，適用于大部分普通工程用戶，只需要兩個已知坐標即可進行參數求解。

2.2.2 坐標定位操作方法

使用手持GPS手動坐標數據采集法，采用“平面四參數轉換＋高程擬合法”（工程用戶通用方法）需至少兩個已知坐標點（已知點可以是任意坐標系下的坐標，最好為三個或三個以上，可以檢校已知點的正確性）。

如圖3，上方6為接收的衛星顆數，下方1.7為HDOP值，用于評價衛星的分布圖形對解質量的影響，一般數據越小，表明衛星分布越好，小于3為較好狀態。HDOP（Horizontal Dilution of Precision，水平精度因子）是描述水平坐標精度的誤差程度，值為緯度和經度誤差平方和的開根號值，所以最準確的時候 HDOP近似于1，一般來說大于6，就表示誤差比較大。

圖3 衛星顆數和HDOP值

圖4中下方x，y，h即為坐標三參數，根據前面推算出的6個鉆孔坐標來確定鉆孔在實地中的位置。

圖4 衛星軌跡和數量顯示

3 結語

所施工6個鉆孔，除了81022采空區鉆孔因為過空巷夾鉆桿導致無法施工外，其余五個均全部順利貫通，尤其是為8 7 1 3采空區探明了積水量3 000m3，目前14號5713巷道已經掘進至積水線以內，每天排老空區積水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行地面鉆孔的標定工作，全站儀標定的優點是精度高，但是缺點也很明顯：太過繁瑣，為了保證精度，需要布設閉合或者附和導線；工期太長，礦區內山谷交錯，地形比較復雜，礦區范圍又大，布設一條導線往往就需要幾天的時間，加上放樣等，工期延長，不利于快速開展工作；受地形、地物、地貌限制非常大。例如礦區410盤區上方，除了丘陵溝壑地形外，還有大面積植被覆蓋，對布設導線以及點位放樣造成極大的影響。通過反復試驗，以及在工作中的應用，在設計精度為±5m的情況下，使用本方法來進行三維空間定位完全能夠滿足要求。此技術廣泛應用于采空區鉆孔位置標定，地表裂縫治理，礦界點標定等眾多工程中。