利用井上下对照图结合手持GPS确定地面钻孔位置

辛 珂

（同煤集团煤峪口矿，山西 大同 037041）

引言

采空区钻孔标定项目，需要在上覆煤层采空区内施工水文钻孔，以确定积水对下分层开采的影响。在测量学中称之为测设工程，即将设计点位在具体的空间位置标定出来。确定地面点的空间位置需要三个量，平面坐标和高程。平面坐标分为两种地理坐标和平面直角坐标，地理坐标使用经纬度来表示，该方法可以有效避免地球曲率对角度的影响，但是当测区半径小于10km时，可以将某一测区当作平面来看待，即日常所用的平面直角坐标。煤峪口矿井田东西长9.76km，南北长3.7km，故应该使用平面直角坐标，高程使用绝对高程（即海拔）。

井上下对照图是反映地面的地物地貌和井下的采掘工程之间的空间位置关系的综合性图，比例尺为1∶2 000或1∶5 000。如图1所示就是井上下对照图中的一部分，图中蓝色标注为11～12号8713采空区钻孔位置，绿色和粉色色框代表上下分层采空区，在采空区低洼位置施工钻孔就可以探明该工作面积水情况。

图1 14号307 8714工作面探水孔位置

1 施工方案

1.1 传统的标定方法

布设控制导线，由于地表植被覆盖且沟壑纵横，预计导线8.8km，测站16站。

利用下列公式进行坐标正算求出每个点的坐标：

如闭合或附和导线，还需进行平差计算。

最后用下列公式坐标反算求出极坐标方位和距离，用全站仪将点位放出：S＝

以上一个工作循环将6个钻孔全部放出预计需要3～4d时间，并且施工计算量大，容易出错。

2 新标定方法

施工设备：1∶2 000井上下对照图，比例尺，手持GPS。

2.1 确定钻孔坐标

如图1所示，在井上下对照图上选择钻孔，钻孔应当选在8713工作面采空区煤层底板等高线低洼处，且对应地表地物地貌应在开阔处，便于架设钻机。由于不确定因素很多，例如地表有植被或者坟地等不能架设钻机，就需要及时调整坐标位置，利用比例尺在井上下对照图上量取坐标。还有，由于受GPS定位特性限制，在选择钻孔位置时应当避让高压线以及大面积水体。此次工程经过反复论证最终选择以下坐标，见表1。

表1 标定钻孔坐标及名称

2.2 使用手持GPS进行点位放样

全球定位系统即GPS（global positioning system）基本参数，卫星颗数21＋3，卫星轨道面6个，卫星高度20 200km，轨道倾角为55°，卫星运行周期为11h58m（恒星时12h），在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均通视观测到6颗卫星，最多可以观测9颗。

煤峪口矿使用的手持GPS为中海达手持式GPS，它采用windows CE操作系统，内部集成HIQ－GIS软件，它的测距采用的是载波相位平滑处理技术，处理后的定位精度中误差在5m左右。在导航功能下，定位误差与GPS的移动速度成正比，通常为30m左右。其自动定位只需要2min，工作温度为－25～70℃，保存温度为－40～80℃，对野外环境适应能力强。

2.2.1 常规定位时需要设置的参数

1）坐标格式设置。首先在 WGS－84（世界大地坐标系，目前GPS所采用的坐标系统。全称是World Geodetic System－84。由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS－72坐标系统、BJ－54采集北京54坐标系统、西安－80采集西安80坐标系统。大同矿区独立坐标系四种坐标系中选一种，由于同煤集团使用大同矿区独立坐标系，所以选大同矿区为独立坐标系。接着输入使用地区所在的三度带或六度带的中央子午线经度；最后输入比例参数见图2。

图2 坐标系选择界面

2）投影一般选择“高斯三度带”（1∶10 000地形图采用）或“高斯六度带”（1∶50 000地形图采用），也可选择“高斯自定义”，并设置对应的中央子午线。

3）椭球转换，一般选择“无”。设定好参数后一定要点击右边的保存，否则设定的参数无效。

4）平面转换，选择“四参数法”四参数法即x平移、y平移、旋转、缩放比例（尺度）K，两平面坐标系之间的平移、旋转、缩放比例参数，适用于大部分普通工程用户，只需要两个已知坐标即可进行参数求解。

2.2.2 坐标定位操作方法

使用手持GPS手动坐标数据采集法，采用“平面四参数转换＋高程拟合法”（工程用户通用方法）需至少两个已知坐标点（已知点可以是任意坐标系下的坐标，最好为三个或三个以上，可以检校已知点的正确性）。

如图3，上方6为接收的卫星颗数，下方1.7为HDOP值，用于评价卫星的分布图形对解质量的影响，一般数据越小，表明卫星分布越好，小于3为较好状态。HDOP（Horizontal Dilution of Precision，水平精度因子）是描述水平坐标精度的误差程度，值为纬度和经度误差平方和的开根号值，所以最准确的时候 HDOP近似于1，一般来说大于6，就表示误差比较大。

图3 卫星颗数和HDOP值

图4中下方x，y，h即为坐标三参数，根据前面推算出的6个钻孔坐标来确定钻孔在实地中的位置。

图4 卫星轨迹和数量显示

3 结语

所施工6个钻孔，除了81022采空区钻孔因为过空巷夹钻杆导致无法施工外，其余五个均全部顺利贯通，尤其是为8 7 1 3采空区探明了积水量3 000m3，目前14号5713巷道已经掘进至积水线以内，每天排老空区积水70m3左右，为防治水工作提供了可靠的保障。

煤峪口矿在此之前一直使用全站仪进行地面钻孔的标定工作，全站仪标定的优点是精度高，但是缺点也很明显：太过繁琐，为了保证精度，需要布设闭合或者附和导线；工期太长，矿区内山谷交错，地形比较复杂，矿区范围又大，布设一条导线往往就需要几天的时间，加上放样等，工期延长，不利于快速开展工作；受地形、地物、地貌限制非常大。例如矿区410盘区上方，除了丘陵沟壑地形外，还有大面积植被覆盖，对布设导线以及点位放样造成极大的影响。通过反复试验，以及在工作中的应用，在设计精度为±5m的情况下，使用本方法来进行三维空间定位完全能够满足要求。此技术广泛应用于采空区钻孔位置标定，地表裂缝治理，矿界点标定等众多工程中。