井下7″级导线及四等水准控制网的设计与实施

【摘 要】提出综合采用GPS、陀螺仪、水准仪以及全站仪等仪器，进行高精度矿山三维控制网建立。以某矿区实践为例，系统介绍建立井下7″级导线及四等水准控制网的主要步骤及其技术指标，主要包括：地表E级GPS网的建立、井下7″级导线测量、四等水准测量和陀螺定向，以及为类似矿区控制网的建立提供有效的理论和实践依据。

【关键词】井下测量；导线测量；水准测量；GPS；陀螺定向

前言

高精度的矿山三维控制网是矿山日常生产和灾害监测的重要保障，关系到煤矿生产的每一个环节。GPS、高精度陀螺仪等技术已经在不同领域得到了广泛的应用，并取得了较为理想的效果。如何采用现代测绘技术建立高精度的井下三维控制网，就成为矿山测绘工作者面临的一个重要问题。

本文针对主副斜井开采矿井，提出综合采用GPS、磁悬浮陀螺仪、水准仪以及全站仪，进行高精度矿山三维控制网的建立，并以某矿区具体实测数据为例，系统介绍建立井下7″级导线和四等水准控制网所需的设备及其主要技术指标，并给出应注意的问题，为类似矿区井下控制网的建立，提供有效的理论和实践依据。

1 地表平面控制网的建立

案例矿井主采煤层分为“九煤”和“四煤”，随着采区的不断推进，采区所在位置最近处距井口约4000米，原有的控制网难以满足生产的需要，考虑到该矿井的具体情况，矿方决定重新建立矿井地表和井下的三维控制网。

1.1 已有数据的整理和选取

该矿区在平面坐标系统为1.5°带高斯投影，中央子午线为112°30′，高程坐标系统为56黄海高程。该矿地测科提供了三个国家四等点和一个GPS D级点为起算点，采取插网方式建立该矿区E级GPS网。同时，提供了一个二等国家水准点和一个按照三等水准要求联测的水准点。项目组对上述点位进行了实际踏勘，对附近有大面积遮挡物，不满足GPS测量要求的点位予以剔除，选取包括三个控制点在内的8个点位进行GPS静态观测。

1.2 GPS控制网

对于平面网，起算点至少应有两个，才能解决基准问题；高程网则至少需要一个高程起算点，才能解决高程基准问题。选取三个四等国家点作为平面网起算基准，高程基准选取国家二等水准点。

由于该矿区采用的平面坐标系统中央子午线为112°30′的1.5°高斯投影坐标，而Ashtech Solutions 2.6 软件采用的坐标系统为中央子午线为111°的3°带，需要对解算结果进行换带计算，项目组采用 HDS2003软件包自带的坐标转换模块，进行相关数据的处理。

2 井下数据采集

2.1 基本控制导线

基本控制导线应沿矿井主要巷道（包括：斜井、井底车场、水平运输巷、总回风巷、集中运输石门等）敷设。根据矿区实际情况，在井下布设了110个导线点，最大边长为171.8m，最小边长为15.1m，平均107.1m。其中“九煤”79个导线点（包含17个永久点），“四煤”31个导线点（包含14个永久点）。永久点共有8组，一组3～5个，分别以A-H后面加数字区别，临时点分别以数字编号。

仪器选取：瑞士徕卡TCR802防爆全站仪，测角精度：2"，测距精度：2mm + 2ppm（IR单棱镜）；同时，在下井前对仪器进行检验和校正，确定棱镜常数，并对每个测站的气温和气压当场测量；对于靠近井口永久点的测量时，需要挡风板辅助整平对中。主要技术指标参见《煤矿测量规程》。

2.2 水准测量

由于该矿井主副井均为斜井，在高程导入过程中可以直接导入高程，不必进行联系测量，所以，高程控制网的布设过程中，直接选取永久点作为水准路线的待测点。水准路线为国家二等水准点出发的闭合环，对“九煤”和“四煤”进行水准联测，在工作量增加不大的情况下，建议进行较小范围的闭合环，以提高检核的条件。

此次高程测量使用的仪器为WILD NA2 型水准仪，根据《煤矿测量规程》规定的井下高程测量的各项具体技术指标施测。应注意：井下水准测量与井上水准测量主要区别在于永久点的测量。一般在井下永久点布置在便于观测且稳定的顶板上，因此在遇到永久点时，水准尺的零刻度应顶在永久点底部。

3 数据处理

3.1导线网平差

在进行平差计算前，首先对所测数据记录进行检核，经检验无误后，然后对导线网进行点位的概算，“九煤”和“四煤”的概算结果见表1，各导线的技术指标都满足限差要求。

由于井下导线测量的温度和压强对测量结果有影响，且与全站仪内默认的常温和常压相差较大，故应进行温度和压强改正。除此之外，《煤矿测量规程》规定贯通测量工作中，还应当考虑导线边长归化到投影水准面的改正和投影到高斯-克吕格平面的改正，结果（部分）见表2。

导线网数据处理采用的软件是由中国矿业大学基于Visual Basic平台，采用经典最小二乘理论自主开发。限于篇幅，处理过程略去。

采用测角中误差作为标准来衡量测量精度，其值可用下式计算：

（1）

其中： 为测角中误差； 为两个测回角度的差值； n 为测量测量角度个数。

计算结果见表3

表3 导线网中误差

导线名称 “九煤”导线 “四煤”导线 “四煤”“九煤”导线网

测角中误差（″） 3.83 3.81 3.84

3.2水准网平差

将实际测得的结果经过检核确定无误后，进行水准概算，分别计算“九煤”闭合环、“四煤”闭合环以及“四煤”“九煤”小环线的闭合差。

在确定数据合格后，采用中国矿业大学与安徽理工大学共同开发的GMDPS软件，进行水准网的平差计算。结果的单位权中误差为 4.82 mm，每公里观测高差之全中误差为 7.62 mm。其水准网平差结果（部分）如表5所示。

4 陀螺定向导线网平差及质量控制

4.1 数据采集

在进行“九煤”和“四煤”导线网平差过程中，分别计算出了最弱点的位置，根据《煤矿测量规程》要求：每1.5—2km布设一个陀螺边，以及实地考察结果和数据预处理结果，加测了6条陀螺边。

本次测量选用由长安大学与中国航天16所联合研制的GAT-05B型磁悬浮陀螺全站仪。由于该陀螺经纬仪定向精度可以达到5″，因此要求同一边任意两测回测量陀螺方位角的互差≤10″；对于超限数据应在现场予以补测，以保证地面常数标定测回总数不少于6个测回，井下各定向边不少于2个测回。在实测过程中，选取地面控制网中三个控制点构成的测线进行仪器常数标定。

4.2 数据处理及分析

根据每个测回的4万组寻北采样数据即可计算出测站点的真北方位，去除由设备车辆振动、巷道内风振等不利因素造成的粗差，定向结果（部分）如表6所示。

由地面控制点坐标，计算F1F3、F1F2和F3F1的坐标方位角、测站点子午线收敛角，再根据 （其中 为测线的真北方位角； 为测线的坐标方位角； 为测站点子午线收敛角，可通过《子午线收敛角系数表》计算得到）可得测线真北方位角。再根据 （其中 为测线的陀螺定向值； 为陀螺全站仪的仪器常数）结合陀螺的地面定向成果，计算陀螺仪器常数（表7）。

一次测定中误差：

仪器常数最或是值的中误差：

将上述计算得到的仪器常数，配合井下各定向边的陀螺定向成果，依据 （其中 表示由陀螺定向成果推算得到的测线坐标方位角； 为井下测线的陀螺定向成果； 为仪器常数； 为子午线收敛角），可得井下各定向边的坐标方位角（表8）。

4.3 陀螺导线网整理平差及其质量控制

对导线网和陀螺定向边进行联合数据处理，综合考虑井下测量过程中受到风吹引起的对中误差、光线水汽等引起的测距误差、照准误差以及视线偏差等影响。同时，根据规程中要求和实际概算分析，陀螺边定向中误差设定为12″，测边中误差设定为2+2ppm，进行平差计算，并通过迭代运算，修正不同观测之间的权值，最终结果（部分）如表9所示，验后单位权中误差由未加测陀螺边的7.85s减小到6.11s，同时，通过两种技术的共同观测，点位的可靠性显著增强。

5 结论

经过水准网平差、导线网平差及加入陀螺边后导线网平差可以得出如下结论：

（1）水准网平差结果显示本次水准测量精度可以达到四等水准要求，大大高于井下首级控制网高程规定，可以为井下作业提供高程基准；

（2）导线测量概算的测角中误差为1.2″，其闭合差达到了城市测量中一级导线（5″）技术要求和《煤矿测量规程》中基本控制导线（7″导线）的精度要求；

（3）加入陀螺定向边后，控制了角度误差传递，在长距离井下导线测量中提高了导线的精度，同时，一定程度上检验了导线测量数据，有效的提高了点位的可靠性；

（4）平差结果显示，最弱点点位误差为0.46米，其相对误差为1/25924，远高于规程中要求精度（1/8000），井平差计算后的各点可以作为井下平面基准，指导井下作业。

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