龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系的建立研究

候新春

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西方山 033100）

龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系的建立研究

候新春

（霍州煤電集團(tuán)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(chǎn)水平的標(biāo)高決定了在該礦采用國家統(tǒng)一分帶坐標(biāo)系情況下，礦山測(cè)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(duì)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(chǔ)上，研究和探討了改進(jìn)和建立礦山坐標(biāo)系的方案，提出了建立礦山坐標(biāo)系及把現(xiàn)有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至新建立的礦山坐標(biāo)系的方法。

國家統(tǒng)一坐標(biāo)系；礦山坐標(biāo)系；長度綜合變形；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1 關(guān)于坐標(biāo)系統(tǒng)的長度綜合變形問題

地球坐標(biāo)系統(tǒng)是基于地球旋轉(zhuǎn)橢球建立的，點(diǎn)的平面位置是用曲線坐標(biāo)大地經(jīng)度L和大地緯度B表示的，這種坐標(biāo)使用不方便、不直觀，不利于對(duì)工程問題的理解；為了使用的方便性、直觀性，又在大地坐標(biāo)基礎(chǔ)上按統(tǒng)一分帶投影的方法將大地坐標(biāo)投影為高斯平面直角坐標(biāo)，一般將這樣的坐標(biāo)系統(tǒng)叫做國家統(tǒng)一分帶高斯投影平面坐標(biāo)系。

在國家統(tǒng)一分帶高斯投影平面坐標(biāo)系中，經(jīng)過測(cè)量誤差改正后的真實(shí)長度需經(jīng)過兩次投影歸算才能變成高斯平面坐標(biāo)計(jì)算所需的長度，一次歸算是把地面水平長度變成大地坐標(biāo)基準(zhǔn)，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(jì)算高斯平面投影坐標(biāo)計(jì)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(shí)長度，使坐標(biāo)計(jì)算使用的長度產(chǎn)生了變形，這種變形是坐標(biāo)系建立和使用不可繞過的，卻又是使礦山工程制圖產(chǎn)生變形，使重要礦山巷道貫通工程產(chǎn)生偏差的重要因素。對(duì)礦山井下的工程測(cè)量而言，長度綜合變形主要決定于下列兩個(gè)因素：一是礦井井田內(nèi)的主采水平之標(biāo)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(duì)不同的工程有不同的要求，按《國家三角測(cè)量和精密導(dǎo)線測(cè)量規(guī)范》規(guī)定，地面平面控制網(wǎng)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)該保證長度綜合變形不超過2.5 cm/km，或相對(duì)變形優(yōu)于1∶40 000；對(duì)于煤礦的主生產(chǎn)水平，不涉及特長型貫通測(cè)量工程時(shí)，這一原則也是適用的，但當(dāng)?shù)V井正在進(jìn)行大型貫通測(cè)量工程時(shí)，則需限制其變形量，確保大型貫通測(cè)量工程不受其影響。當(dāng)上述綜合變形大于2.5 cm/km時(shí)，即認(rèn)為長度綜合變形超過了國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的適用程度和范圍，應(yīng)考慮另行建立坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 礦山測(cè)量長度綜合變形計(jì)算及危害性影響

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司呂梁山分公司下屬龐龐塔煤礦是霍州煤電集團(tuán)在建的千萬噸級(jí)煤電一體化礦井，礦井主采水平標(biāo)高為+750 m，現(xiàn)采用1954北京坐標(biāo)基準(zhǔn)3°帶高斯投影平面坐標(biāo)，中央子午線經(jīng)度111°，屬國家統(tǒng)一分帶坐標(biāo)。龐龐塔煤礦主采水平標(biāo)高為Hm=+750 m，主采水平測(cè)量區(qū)域距投影帶中央子午線距離為ym=5.9 km，現(xiàn)計(jì)算1 km長度綜合變形如下：

1）計(jì)算在主采水平真實(shí)長度d=1 km時(shí)，歸算至1954北京坐標(biāo)基準(zhǔn)克拉索夫斯基地球參考橢球面的長度改正：

2）計(jì)算將上述結(jié)果歸算至統(tǒng)一分帶高斯投影面時(shí)的長度改正數(shù)：

上列計(jì)算中取地球平均半徑R=637 km，按式（1）可計(jì)算得長度綜合變形為11.8 cm/km，顯然大于國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的適用程度2.5 cm/km的規(guī)定，并可得到下列結(jié)論：龐龐塔煤礦現(xiàn)在采用的國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)該礦而言是不適用的。

由上述計(jì)算可知，龐龐塔煤礦采用國家1954北京坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一分帶高斯投影坐標(biāo)系后產(chǎn)生了較大的長度綜合變形，其變形值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的適用程度。造成長度綜合變形大的原因是國家統(tǒng)一坐標(biāo)系投影面與礦山主生產(chǎn)水平標(biāo)高面不匹配，國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的投影面為大地高零面，而礦山主采水平也就是實(shí)際測(cè)量作業(yè)水平的標(biāo)高為+750 m，而龐龐煤礦主采區(qū)域距國家統(tǒng)一坐標(biāo)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(chǎn)生的變形。

綜合變形的存在，對(duì)龐龐塔煤礦的礦山制圖，以及正在進(jìn)行的特長型貫通測(cè)量工程是極為不利的，為了抵消變形影響，貫通工程進(jìn)行中需對(duì)全部井下觀測(cè)邊長進(jìn)行長度綜合變形改正，大量和復(fù)雜的變形改正計(jì)算不僅增加了礦山測(cè)量人員的工作量，而且極易造成計(jì)算錯(cuò)誤或粗差，甚至可導(dǎo)致特大型貫通測(cè)量工程失?。粚?duì)礦山制圖而言，上述井下控制網(wǎng)長度綜合變形必然會(huì)使各類礦圖產(chǎn)生變形，給礦山工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及安全帶來隱患。

3 龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系的建立方法研究

據(jù)以上分析，龐龐塔煤礦現(xiàn)在采用的國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)是不適用的，對(duì)該礦的礦山測(cè)量工作極為不利，必須進(jìn)行改進(jìn)研究，也就是尋求建立一個(gè)龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系統(tǒng)。

由式（2）及式（3）的變形計(jì)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(cè)長度一定的情況下，若要實(shí)現(xiàn)式（4）表達(dá)的變形值為零，則需使Hm或ym發(fā)生改變。現(xiàn)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(jì)算的變形值抵消，實(shí)施該方案會(huì)導(dǎo)致控制點(diǎn)的坐標(biāo)值發(fā)生大的變化，使業(yè)已形成的、大量存在的礦山地面及井下礦圖與新產(chǎn)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(biāo)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(shí)現(xiàn)龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系的重建。按照上述思路，對(duì)于龐龐塔礦而言，要克服采用國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的不適用性，就需找一個(gè)投影面，使現(xiàn)在開采水平Hm=750 m上的長度投影后變形優(yōu)于2.5 cm/km，或等于零，由式（2）和式（3）的計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)將投影面設(shè)置于標(biāo)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(xiàn)行國家統(tǒng)一坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至新建的礦山坐標(biāo)系

龐龐塔礦區(qū)使用國家統(tǒng)一坐標(biāo)系多年，礦區(qū)存在大量國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)下的控制點(diǎn)，為滿足礦山生產(chǎn)與建設(shè)的需要，需將這些點(diǎn)的國家統(tǒng)一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為新建礦山坐標(biāo)系成果。轉(zhuǎn)換時(shí)可以礦區(qū)國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下的平均坐標(biāo)（xm，ym）做新建坐標(biāo)的“原點(diǎn)”，按式（5）所示的線性變換式計(jì)算均勻分布于礦區(qū)的4-5個(gè)控制點(diǎn)在新建礦山坐標(biāo)系下的坐標(biāo)：

式中：x，y為控制點(diǎn)在國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；xD，yD為新建礦山坐標(biāo)系坐標(biāo)。再利用該4-5個(gè)點(diǎn)具有的兩套平面坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，按下列[1-2]相似變換式計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)：

式中：Δx，Δy為平移參數(shù)；m為尺度參數(shù)；α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。求定轉(zhuǎn)換參數(shù)后可利用上式將全部原國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)下的控制點(diǎn)坐標(biāo)批量轉(zhuǎn)換為新建的龐龐塔煤礦礦山坐標(biāo)系統(tǒng)下坐標(biāo)。

5 結(jié)論

1 )在采用礦區(qū)國家統(tǒng)一坐標(biāo)系下的平均坐標(biāo)做新建坐標(biāo)的“原點(diǎn)”的情況下，新建的礦山坐標(biāo)系統(tǒng)下主采水平井下控制點(diǎn)坐標(biāo)值接近原來采用的國家統(tǒng)一坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，不影響業(yè)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(duì)正在進(jìn)行的特大型貫通工程產(chǎn)生有利影響；3）因投影面選定在開采水平標(biāo)高面上，使井下礦山測(cè)量計(jì)算簡(jiǎn)單化，坐標(biāo)計(jì)算可直接使用實(shí)測(cè)的真實(shí)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(yùn)城人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦測(cè)量及管理工作。