礦山測量技能競賽在貫通測量實訓課中的應用

張建龍

（1.黑龍江能源職業學院 資源與化學環境工程系，黑龍江 雙鴨山 155100）

為適應新形勢下煤炭行業的快速發展，調動廣大職業院校學生實踐訓練的積極性，加強技術技能型人才的培養，提高煤炭行業職業教育能力，提升煤炭職業院校教學水平，減少礦山企業的人才培訓成本[1-2]，中國煤炭教育協會聯合煤炭工業職業技能鑒定指導中心等多部門開展了全國煤炭職業院校技能大賽，至今已成功舉辦了8屆。本文以黑龍江能源職業學院參加的第六～八屆“礦山測量技術”賽項為基礎，分析了賽項外業觀測和內業計算的流程和技術要求；結合實訓課《貫通測量》，提出將競賽流程和測量標準融入實訓課，并利用模擬巷道進行施測，模擬貫通測量真實環境；建立了支導線點位誤差分析模型，對待貫通巷道進行了誤差預計。

1 “礦山測量技術”賽項分析

1.1 外業觀測

“礦山測量技術”賽項包括外業觀測和內業計算兩部分。外業觀測是在井下完成15 s級支導線測量，觀測路線見圖1，從井口附近A1 點出發，沿井下巷道A2、A3、A4、A5 依次測量至A6 點。競賽指定使用南方NTS-342R10A 全站儀，井下導線測量內容包括水平角、垂直角、斜距、儀器高、覘標高、全巷高。競賽過程采用團體制，每支參賽隊由4 名隊員組成，分別在A2～A5 點設站，按照觀測、記錄、計算、司尺各崗位輪流操作，每人觀測一站，記錄一站。

圖1 貫通測量線路示意圖

外業觀測是技能競賽的第一步，觀測成果質量將直接決定競賽的成敗。常見問題包括為節約時間攜帶儀器跑步前進、轉站時全站儀未裝箱前進、長時間離開儀器無人看守、非記錄人員參與外業計算、水平角或垂直角超限而未及時進行檢查、測量員和記錄員讀記錯誤、角度和長度計算未執行測量中的“奇進偶舍”規則。外業觀測的要求主要是為了加強學生的規范化意識，培養良好的職業素養。針對這些問題，賽前訓練時應反復研讀賽項規程和礦山測量相關規范，將規范要求融入訓練中，用規程和規范約束訓練[3-4]。

1.2 內業計算

內業計算是給定A2 點的坐標、高程和A1-A2 邊方位角，依次計算各導線邊的坐標方位角；再計算A3、A4、A5、A6 的坐標、高程和底板高程；最后根據給定的穿口點B的坐標、底板高，計算A6至B的貫通平距、高差、坐標方位角、貫通斜距、貫通巷道傾角、指向角。導線任一邊的坐標方位角為：

支導線終點A6的坐標為：

式中，x1、y1為A2 點坐標；α0為A1-A2 邊的坐標方位角；l1、l2、…、ln為導線各邊平距；α1、α2、…、αn為導線各邊坐標方位角；β1、β2、…、βn為所測導線前進路線左角。

待貫通的聯絡巷中心線坐標方位角、水平長度、指向角、貫通巷道坡度、貫通巷道斜長的計算公式分別為：

式中，HA6、HB分別為A6點和B點的高程值。

內業計算是一項極其細致的工作，需前后聯系、環環相扣。常見問題包括忽略垂直角仰角和俯角的正負號、忽略點位在頂板和底板的正負號、方位角計算左角公式和右角公式顛倒、坐標增量計算中三角函數混淆用錯。這些問題中若有一處計算錯誤則會引起后續步驟連續錯誤，失之毫厘則謬以千里[5-6]，因此在賽前訓練中一方面要反復強調細節，另一方面要從問題原理入手，通過現場演示、作圖等方法加深記憶。

1.3 技術要求

該賽項涉及大量測量知識，對學生的操作技能、計算能力都提出了很高要求。競賽總時長為1.5 h，參賽學生進入一個與自己平時訓練完全不同的環境，而且競賽中關閉巷道中所有燈光，對學生心理也有一定影響，只有規范操作、沉著應對、合理安排內外業時間、組員之間密切配合，才能高質量地完成全部競賽內容[7-8]。外業測量的主要觀測內容為水平角、垂直角和斜距。記錄表使用鉛筆記錄計算，記錄的數字與文字應清晰、整潔，不得轉抄、涂改、就字改字、連環涂改，不得使用橡皮擦。角度記錄秒值錯誤應重新觀測，距離測量厘米和毫米錯誤應重新觀測。水平角測量采用測回法觀測兩個測回，同一測回中半測回互差不大于20 平，兩測回間互差不大于12 測；垂直角測量采用測回法觀測兩個測回，垂直角互差不大于15直，指標差互差不大于15標；距離測量觀測兩個測回，每測回照準棱鏡一次，讀數4 次，一測回最大互差不大于10 mm，單程測回間最大互差不大于15 mm。

1.4 競賽效果

礦山測量技能競賽將理論與實踐相結合，通過實踐訓練，使測量中水平角、垂直角計算，方位角計算，三角高程測量計算，坐標增量計算，貫通要素計算等課堂上較難理解的知識點得以落地掌握，對教學有極大的促進作用。通過訓練，學生能熟練完成全站儀對中、整平與測角、量邊等操作，加強了手動計算能力，提高了學生實踐能力[9]。礦山測量技能競賽涉及的知識點貫穿于《測量學》《控制測量學》《地下工程測量》等核心課程，為課程學習做好了鋪墊，學生學習更加容易，考試成績也較高。競賽能加深學生對測量原理的理解，遇到測量問題時基本能從技術、原理、人員、儀器配置等方面思考分析問題，并提出解決方法，將所學知識用于實際問題，達到了畢業生的基本要求。

2 礦山測量技能競賽在實訓課中的應用

黑龍江能源職業學院工程測量技術專業已連續多年參加省級、國家級測繪技能競賽，競賽取得成績后，如何讓競賽的相關成果應用于日常教學，如何讓技能競賽的效能普惠到更多的非參賽學生是參賽的最終目標。因此，測量教研室對實訓課教學進行了課程改革，將礦山測量技能競賽與《貫通測量》實訓課結合起來：①在實訓第一堂課，邀請參賽選手為未參賽的學生開展德育教育，宣講競賽過程中的經驗和收獲、展現出的良好素養和頑強意志，這種來自身邊榜樣的力量是一種潛移默化的影響，實踐證明宣講拉近了競賽和實踐教學的距離以及未參賽學生和參賽選手之間的距離；②將基礎理論教學與技能大賽內容相結合，工程測量技術專業教學過程中涉及較多的數理知識，職業院校學生基礎知識薄弱，往往對基礎理論教學不感興趣，如果在競賽中弱化原理上的教學，即使測量速度提高很多，但競賽結束后一段時間再遇到類似問題，學生仍是一知半解，不能正確回答，不能形成一個牢固的記憶，因此在實訓課中穿插競賽案例、在競賽案例中加入基礎理論，讓學生不僅知其然更要知其所以然，感受到學習理論的重要性，使其明白有理論支撐的技能才是真正的技能，完善又系統的理論框架下的技術才有更強的創造力。

2.1 貫通測量支導線點位誤差分析模型建立

從礦山測量技能競賽的內容來看，所測導線為一條支導線，外業測量主要測量各測站點的角度和邊長，A6點坐標是所有角度和邊長的非線性函數，對式（2）進行全微分線性化[10]，由協方差傳播率得到A6點在X和Y方向上的誤差為：

測角中誤差和量邊中誤差的計算公式為：

式中，Rxi、Ryi分別為A6點與導線點i連線在X軸、Y軸上的投影。

因此，對于光電測距導線，式（8）可簡化為：

A6點的點位誤差為：

2.2 技能競賽在《貫通測量》實訓課中的應用

《貫通測量》實訓課是工程測量技術專業學生在學習《地下工程測量》后開設的一門實訓課。其目的是讓學生熟練掌握點下對中、全站儀導線外業觀測和內業計算、井下巷道貫通要素計算并進行貫通相遇點誤差預計。全國煤炭職業院校技能大賽“礦山測量技術”賽項內容與該實訓內容基本吻合。因此，將競賽規程、工作要求、技術要求、評分細則完全融入實訓中，以競賽標準進行訓練，最后進行成績評定，并對成績優異的小組給予一定的獎勵。參加過比賽的選手具有豐富的競賽經驗，能幫助未參加比賽的學生快速進入狀態，使訓練積極性得到很大提高。貫通測量是一項非常重要的測量工作，礦山測量人員責任重大，其任務是要保證掘進工作面沿著設計方向前進，并使貫通接合處的偏差不超過規定限度[11-12]。因此，實訓中在按競賽標準和要求完成外業觀測和內業計算后，增加了貫通誤差預計內容，讓學生在模擬巷道中完整進行貫通測量工作，最大程度地模擬礦山貫通測量的真實環境。

預計水平方向的貫通誤差，即預計相遇點K 在X'方向的誤差，如圖2 所示，由導線測角誤差、導線光電測距誤差引起的K 在X'方向的誤差為：

圖2 井下導線貫通測量

式中，為K 點與各導線點連線在Y'軸上的投影長度；α'為導線各邊與X'軸間的夾角。

K 點在X'方向的預計中誤差為：

導線獨立施測兩次，平均值的中誤差為：

取極限誤差為中誤差的兩倍，則K 點在X'方向的預計誤差為：

3 實例分析

《貫通測量》實訓課在黑龍江能源職業學院模擬巷道中進行，模擬巷道由一號教學樓地下室改造而成，能滿足采礦、地質、礦井通風、礦山測量等實訓課訓練。某次貫通測量實訓中按競賽要求施測了支導線A1、A2、…、A6，給定起始邊坐標方位角αA1,A2=27°16'43″，外業測量了各導線點左角和各邊長（表1）。為計算A6 點的點位誤差，利用南方CASS9.0 軟件將各點按1∶500 的比例尺展繪在圖上，連接各點形成導線圖；并做出A2、A3、A4、A5點至A6點的連線在X軸和Y軸上的投影（表2）。

表1 各導線點左角和各邊長

表2 導線點與終點連線在坐標軸的投影

所用全站儀的測角精度mβ=2″，計算得到由測角誤差引起的A6 點在X軸、Y軸上的誤差分別為±1.13 mm 和±0.44 mm 。該導線采用光電測距量邊，所用全站儀的測距精度為2+2×10-6，該導線最長邊為42.798 m，比例誤差可忽略，只取固定誤差，因此各邊的量邊中誤差均為2 mm，由量邊誤差引起的A6 點在X軸、Y軸的誤差分別為±2.58 mm和±3.01 mm。A6 點在X方向、Y方向的誤差分別為±2.82 mm 和±3.04 mm，則A6點的點位誤差為4.15 mm。

為進行貫通誤差預計，本文施測了A2-A1-B1-B2-B3 支導線，貫通相遇點為A6-B3 的中點K，貫通重要方向為A6-B3 的垂直方向。因此，以K 點為原點，沿A6-B3 方向建立Y'軸，沿A6-B3 的垂直方向建立X'軸，各導線點在Y'軸投影以及各邊與X'軸夾角α'見表3。

表3 各導線點投影與各邊夾角

根據上述公式，計算得到由導線測角誤差、導線光電測距誤差引起的K 點在貫通重要方向X'軸的誤差分別為±0.8 mm和±4.5 mm，則K 點在X'方向的誤差為±4.58 m。測量小組對該導線獨立施測了兩次，得到的平均值中誤差為±3.2 mm。K 點在X'方向的預計誤差為±6.4 mm。《煤礦測量規程》中對同一礦井內巷道貫通，在貫通面上的允許偏差為±0.3 m，由于實訓課在模擬巷道中進行，導線總長度較短，測角和量邊精度較高，因此貫通誤差小于規程規定，滿足貫通要求。

4 結語

本文分析了全國煤炭職業院校技能大賽“礦山測量技術”賽項內容，并將競賽應用于《貫通測量》實訓課中，得到以下結論：①高質量的外業觀測成果是準確進行內業計算的前提，小組成員需密切配合按規范進行觀測，內業計算涉及大量公式，尤其是坐標方位角，若計算有誤將導致后續連環錯誤，應引起足夠重視；②將競賽內容融入實訓課中，以賽項標準進行日常訓練，讓參賽選手帶領未參賽學生進行訓練，提高了學生的參與意識和訓練積極性，達到了以賽促教、以賽促學的目的，解決了以往競賽普惠性較差的問題；③將基礎理論教學與技能大賽內容相結合，通過建立貫通測量支導線點位誤差分析模型，并在模擬巷道中進行實測，導線終點的點位誤差為±4.15 mm，預計貫通誤差為±6.4 mm，顯著小于±0.3 m 的貫通允許偏差；④在職業院校中開展技能競賽，對推動職業教育發展、促進產教融合、弘揚大國工匠精神、深化工匠技能人才培養等具有重要意義。