龐龐塔煤礦礦山坐標系的建立研究

候新春

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西方山 033100）

龐龐塔煤礦礦山坐標系的建立研究

候新春

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西方山 033100）

龐龐塔煤礦所處地理位置與生產水平的標高決定了在該礦采用國家統一分帶坐標系情況下，礦山測量長度綜合變形超過限度，給礦山制圖和巷道貫通工程帶來不利影響，針對這種情況在分析長度綜合變形的來源、變形值和變形允許值的基礎上，研究和探討了改進和建立礦山坐標系的方案，提出了建立礦山坐標系及把現有坐標轉換至新建立的礦山坐標系的方法。

國家統一坐標系；礦山坐標系；長度綜合變形；坐標轉換

1 關于坐標系統的長度綜合變形問題

地球坐標系統是基于地球旋轉橢球建立的，點的平面位置是用曲線坐標大地經度L和大地緯度B表示的，這種坐標使用不方便、不直觀，不利于對工程問題的理解；為了使用的方便性、直觀性，又在大地坐標基礎上按統一分帶投影的方法將大地坐標投影為高斯平面直角坐標，一般將這樣的坐標系統叫做國家統一分帶高斯投影平面坐標系。

在國家統一分帶高斯投影平面坐標系中，經過測量誤差改正后的真實長度需經過兩次投影歸算才能變成高斯平面坐標計算所需的長度，一次歸算是把地面水平長度變成大地坐標基準，即地球參考橢球面上的大地線長s，二次歸算則是將大地線長變成高斯平面的直線長度S，兩次歸算后的長度才是計算高斯平面投影坐標計算所用的長度，兩次歸算的差為：

該差Δs便是長度綜合變形。

長度綜合變形的存在改變了真實長度，使坐標計算使用的長度產生了變形，這種變形是坐標系建立和使用不可繞過的，卻又是使礦山工程制圖產生變形，使重要礦山巷道貫通工程產生偏差的重要因素。對礦山井下的工程測量而言，長度綜合變形主要決定于下列兩個因素：一是礦井井田內的主采水平之標高，二是礦井井田范圍距中央子午線的距離。

適度的變形是允許的，其變形值對不同的工程有不同的要求，按《國家三角測量和精密導線測量規范》規定，地面平面控制網使用的坐標系統應該保證長度綜合變形不超過2.5 cm/km，或相對變形優于1∶40 000；對于煤礦的主生產水平，不涉及特長型貫通測量工程時，這一原則也是適用的，但當礦井正在進行大型貫通測量工程時，則需限制其變形量，確保大型貫通測量工程不受其影響。當上述綜合變形大于2.5 cm/km時，即認為長度綜合變形超過了國家統一坐標系統的適用程度和范圍，應考慮另行建立坐標系統。

2 礦山測量長度綜合變形計算及危害性影響

霍州煤電集團有限責任公司呂梁山分公司下屬龐龐塔煤礦是霍州煤電集團在建的千萬噸級煤電一體化礦井，礦井主采水平標高為+750 m，現采用1954北京坐標基準3°帶高斯投影平面坐標，中央子午線經度111°，屬國家統一分帶坐標。龐龐塔煤礦主采水平標高為Hm=+750 m，主采水平測量區域距投影帶中央子午線距離為ym=5.9 km，現計算1 km長度綜合變形如下：

1）計算在主采水平真實長度d=1 km時，歸算至1954北京坐標基準克拉索夫斯基地球參考橢球面的長度改正：

2）計算將上述結果歸算至統一分帶高斯投影面時的長度改正數：

上列計算中取地球平均半徑R=637 km，按式（1）可計算得長度綜合變形為11.8 cm/km，顯然大于國家統一坐標系統的適用程度2.5 cm/km的規定，并可得到下列結論：龐龐塔煤礦現在采用的國家統一坐標系統對該礦而言是不適用的。

由上述計算可知，龐龐塔煤礦采用國家1954北京坐標基準統一分帶高斯投影坐標系后產生了較大的長度綜合變形，其變形值遠遠超過國家統一坐標系的適用程度。造成長度綜合變形大的原因是國家統一坐標系投影面與礦山主生產水平標高面不匹配，國家統一坐標系的投影面為大地高零面，而礦山主采水平也就是實際測量作業水平的標高為+750 m，而龐龐煤礦主采區域距國家統一坐標的中央子午線距離又較小，高斯投影的長度變形不足以抵消由投影面產生的變形。

綜合變形的存在，對龐龐塔煤礦的礦山制圖，以及正在進行的特長型貫通測量工程是極為不利的，為了抵消變形影響，貫通工程進行中需對全部井下觀測邊長進行長度綜合變形改正，大量和復雜的變形改正計算不僅增加了礦山測量人員的工作量，而且極易造成計算錯誤或粗差，甚至可導致特大型貫通測量工程失敗；對礦山制圖而言，上述井下控制網長度綜合變形必然會使各類礦圖產生變形，給礦山工程設計、生產及安全帶來隱患。

3 龐龐塔煤礦礦山坐標系的建立方法研究

據以上分析，龐龐塔煤礦現在采用的國家統一坐標系統是不適用的，對該礦的礦山測量工作極為不利，必須進行改進研究，也就是尋求建立一個龐龐塔煤礦礦山坐標系統。

由式（2）及式（3）的變形計算可知，要使長度綜合變形小于2.5 cm/km，或更小至零，則需式（2）及

在地球平均曲率半徑和觀測長度一定的情況下，若要實現式（4）表達的變形值為零，則需使Hm或ym發生改變。現分兩種情況討論：方案一是改變也就是改變投影帶中央子午線位置，使式（3）與式（2）計算的變形值抵消，實施該方案會導致控制點的坐標值發生大的變化，使業已形成的、大量存在的礦山地面及井下礦圖與新產生的礦圖難以匹配，不利于舊有圖紙資料的利用；方案二是保持不變，而主開采水平的標高是天然形成且不可改變的，所以只能通過改變橢球投影面的方法實現龐龐塔煤礦礦山坐標系的重建。按照上述思路，對于龐龐塔礦而言，要克服采用國家統一坐標系的不適用性，就需找一個投影面，使現在開采水平Hm=750 m上的長度投影后變形優于2.5 cm/km，或等于零，由式（2）和式（3）的計算結果可知，應將投影面設置于標高與主采水平高程相等的位置，即選投影抵償面的高程為HD=750 m。式（3）滿足下列條件，即：

4 將現行國家統一坐標系坐標轉換至新建的礦山坐標系

龐龐塔礦區使用國家統一坐標系多年，礦區存在大量國家統一坐標系統下的控制點，為滿足礦山生產與建設的需要，需將這些點的國家統一坐標轉換為新建礦山坐標系成果。轉換時可以礦區國家統一坐標系下的平均坐標（xm，ym）做新建坐標的“原點”，按式（5）所示的線性變換式計算均勻分布于礦區的4-5個控制點在新建礦山坐標系下的坐標：

式中：x，y為控制點在國家統一坐標系下的坐標；xD，yD為新建礦山坐標系坐標。再利用該4-5個點具有的兩套平面坐標系統下的坐標，按下列[1-2]相似變換式計算轉換參數：

式中：Δx，Δy為平移參數；m為尺度參數；α為旋轉參數。求定轉換參數后可利用上式將全部原國家統一坐標系統下的控制點坐標批量轉換為新建的龐龐塔煤礦礦山坐標系統下坐標。

5 結論

1 )在采用礦區國家統一坐標系下的平均坐標做新建坐標的“原點”的情況下，新建的礦山坐標系統下主采水平井下控制點坐標值接近原來采用的國家統一坐標系的坐標值，不影響業已形成的礦圖的使用；2）由于重新選定的投影面，使長度綜合變形為零，則可大幅提高礦山制圖的精度，并對正在進行的特大型貫通工程產生有利影響；3）因投影面選定在開采水平標高面上，使井下礦山測量計算簡單化，坐標計算可直接使用實測的真實長度，無需加入投影改正。

[1]Liu Xingwei，Yuan Peng，Jiang Weiping．The Algorithm of Coordinate Automatic Regional Transformation and Its Software Realization[J]. Bulletin of Surveying and Mapping，2014，448（7）：55-57．

[2]Zhao Bo.Optimization of Office Operation Solution for Mine One Shaft Orientation[J]．Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources，2013，110（1）：20-24．

Establishment of Mine Coordinates in Pangpangta Mine

HOU Xinchun
（Lvliangshan Coal Electricity Co.,Ltd.,Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd., Fangshan 033100,China）

Geographic position and production elevation determine that Pangpangta Mine adopts state coordinates.If length deformation exceeds the limits,it will have adverse effects on the cartography in mines and the connection of roadways.On the analysis of source,value,and allowable value of length comprehensive deformation,the study discusses the establishment and improvement of the mine coordinates and proposes the method of establishment and conversion of the coordinates.

state coordinates;mine coordinates;comprehensive deformation of length;coordinates conversion

TD171

A

1672-5050（2015）02-0010-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.004

（編輯：樊敏）

2014-12-18

候新春（1966-），男，山西運城人，大學本科，工程師，從事煤礦測量及管理工作。