庞庞塔煤矿矿山坐标系的建立研究

候新春

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司，山西方山 033100）

庞庞塔煤矿矿山坐标系的建立研究

候新春

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司，山西方山 033100）

庞庞塔煤矿所处地理位置与生产水平的标高决定了在该矿采用国家统一分带坐标系情况下，矿山测量长度综合变形超过限度，给矿山制图和巷道贯通工程带来不利影响，针对这种情况在分析长度综合变形的来源、变形值和变形允许值的基础上，研究和探讨了改进和建立矿山坐标系的方案，提出了建立矿山坐标系及把现有坐标转换至新建立的矿山坐标系的方法。

国家统一坐标系；矿山坐标系；长度综合变形；坐标转换

1 关于坐标系统的长度综合变形问题

地球坐标系统是基于地球旋转椭球建立的，点的平面位置是用曲线坐标大地经度L和大地纬度B表示的，这种坐标使用不方便、不直观，不利于对工程问题的理解；为了使用的方便性、直观性，又在大地坐标基础上按统一分带投影的方法将大地坐标投影为高斯平面直角坐标，一般将这样的坐标系统叫做国家统一分带高斯投影平面坐标系。

在国家统一分带高斯投影平面坐标系中，经过测量误差改正后的真实长度需经过两次投影归算才能变成高斯平面坐标计算所需的长度，一次归算是把地面水平长度变成大地坐标基准，即地球参考椭球面上的大地线长s，二次归算则是将大地线长变成高斯平面的直线长度S，两次归算后的长度才是计算高斯平面投影坐标计算所用的长度，两次归算的差为：

该差Δs便是长度综合变形。

长度综合变形的存在改变了真实长度，使坐标计算使用的长度产生了变形，这种变形是坐标系建立和使用不可绕过的，却又是使矿山工程制图产生变形，使重要矿山巷道贯通工程产生偏差的重要因素。对矿山井下的工程测量而言，长度综合变形主要决定于下列两个因素：一是矿井井田内的主采水平之标高，二是矿井井田范围距中央子午线的距离。

适度的变形是允许的，其变形值对不同的工程有不同的要求，按《国家三角测量和精密导线测量规范》规定，地面平面控制网使用的坐标系统应该保证长度综合变形不超过2.5 cm/km，或相对变形优于1∶40 000；对于煤矿的主生产水平，不涉及特长型贯通测量工程时，这一原则也是适用的，但当矿井正在进行大型贯通测量工程时，则需限制其变形量，确保大型贯通测量工程不受其影响。当上述综合变形大于2.5 cm/km时，即认为长度综合变形超过了国家统一坐标系统的适用程度和范围，应考虑另行建立坐标系统。

2 矿山测量长度综合变形计算及危害性影响

霍州煤电集团有限责任公司吕梁山分公司下属庞庞塔煤矿是霍州煤电集团在建的千万吨级煤电一体化矿井，矿井主采水平标高为+750 m，现采用1954北京坐标基准3°带高斯投影平面坐标，中央子午线经度111°，属国家统一分带坐标。庞庞塔煤矿主采水平标高为Hm=+750 m，主采水平测量区域距投影带中央子午线距离为ym=5.9 km，现计算1 km长度综合变形如下：

1）计算在主采水平真实长度d=1 km时，归算至1954北京坐标基准克拉索夫斯基地球参考椭球面的长度改正：

2）计算将上述结果归算至统一分带高斯投影面时的长度改正数：

上列计算中取地球平均半径R=637 km，按式（1）可计算得长度综合变形为11.8 cm/km，显然大于国家统一坐标系统的适用程度2.5 cm/km的规定，并可得到下列结论：庞庞塔煤矿现在采用的国家统一坐标系统对该矿而言是不适用的。

由上述计算可知，庞庞塔煤矿采用国家1954北京坐标基准统一分带高斯投影坐标系后产生了较大的长度综合变形，其变形值远远超过国家统一坐标系的适用程度。造成长度综合变形大的原因是国家统一坐标系投影面与矿山主生产水平标高面不匹配，国家统一坐标系的投影面为大地高零面，而矿山主采水平也就是实际测量作业水平的标高为+750 m，而庞庞煤矿主采区域距国家统一坐标的中央子午线距离又较小，高斯投影的长度变形不足以抵消由投影面产生的变形。

综合变形的存在，对庞庞塔煤矿的矿山制图，以及正在进行的特长型贯通测量工程是极为不利的，为了抵消变形影响，贯通工程进行中需对全部井下观测边长进行长度综合变形改正，大量和复杂的变形改正计算不仅增加了矿山测量人员的工作量，而且极易造成计算错误或粗差，甚至可导致特大型贯通测量工程失败；对矿山制图而言，上述井下控制网长度综合变形必然会使各类矿图产生变形，给矿山工程设计、生产及安全带来隐患。

3 庞庞塔煤矿矿山坐标系的建立方法研究

据以上分析，庞庞塔煤矿现在采用的国家统一坐标系统是不适用的，对该矿的矿山测量工作极为不利，必须进行改进研究，也就是寻求建立一个庞庞塔煤矿矿山坐标系统。

由式（2）及式（3）的变形计算可知，要使长度综合变形小于2.5 cm/km，或更小至零，则需式（2）及

在地球平均曲率半径和观测长度一定的情况下，若要实现式（4）表达的变形值为零，则需使Hm或ym发生改变。现分两种情况讨论：方案一是改变也就是改变投影带中央子午线位置，使式（3）与式（2）计算的变形值抵消，实施该方案会导致控制点的坐标值发生大的变化，使业已形成的、大量存在的矿山地面及井下矿图与新产生的矿图难以匹配，不利于旧有图纸资料的利用；方案二是保持不变，而主开采水平的标高是天然形成且不可改变的，所以只能通过改变椭球投影面的方法实现庞庞塔煤矿矿山坐标系的重建。按照上述思路，对于庞庞塔矿而言，要克服采用国家统一坐标系的不适用性，就需找一个投影面，使现在开采水平Hm=750 m上的长度投影后变形优于2.5 cm/km，或等于零，由式（2）和式（3）的计算结果可知，应将投影面设置于标高与主采水平高程相等的位置，即选投影抵偿面的高程为HD=750 m。式（3）满足下列条件，即：

4 将现行国家统一坐标系坐标转换至新建的矿山坐标系

庞庞塔矿区使用国家统一坐标系多年，矿区存在大量国家统一坐标系统下的控制点，为满足矿山生产与建设的需要，需将这些点的国家统一坐标转换为新建矿山坐标系成果。转换时可以矿区国家统一坐标系下的平均坐标（xm，ym）做新建坐标的“原点”，按式（5）所示的线性变换式计算均匀分布于矿区的4-5个控制点在新建矿山坐标系下的坐标：

式中：x，y为控制点在国家统一坐标系下的坐标；xD，yD为新建矿山坐标系坐标。再利用该4-5个点具有的两套平面坐标系统下的坐标，按下列[1-2]相似变换式计算转换参数：

式中：Δx，Δy为平移参数；m为尺度参数；α为旋转参数。求定转换参数后可利用上式将全部原国家统一坐标系统下的控制点坐标批量转换为新建的庞庞塔煤矿矿山坐标系统下坐标。

5 结论

1 )在采用矿区国家统一坐标系下的平均坐标做新建坐标的“原点”的情况下，新建的矿山坐标系统下主采水平井下控制点坐标值接近原来采用的国家统一坐标系的坐标值，不影响业已形成的矿图的使用；2）由于重新选定的投影面，使长度综合变形为零，则可大幅提高矿山制图的精度，并对正在进行的特大型贯通工程产生有利影响；3）因投影面选定在开采水平标高面上，使井下矿山测量计算简单化，坐标计算可直接使用实测的真实长度，无需加入投影改正。

[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

（编辑：樊敏）

2014-12-18

候新春（1966-），男，山西运城人，大学本科，工程师，从事煤矿测量及管理工作。