煤矿井下测量控制网修正系统设计

张正源

（大同煤矿集团白洞矿业公司，山西大同，037003）

1 引言

在煤矿生产过程中，需要非常准确的坐标和高程控制网来支持。盘区的布置，工作面的设计与形成，相关巷道的掘进都是以煤矿坐标控制网作为依据和指导的。因此，在煤矿控制网布设的过程中需要严格保证导线控制点的准确度。

煤矿控制导线的布设以及测量都是由地质科的地测人员完成。随着先进测量仪器的投入使用，为测量人员的工作带来了很大的便利，简化了测量过程并提高了测量精度。但是日益精细化的测量方法依然无法完全规避测量误差的产生。一方面，全站仪本身会产生一定的仪器误差，虽然可以定期校准，但只能减弱而不能消除误差。另一方面，测量人员在观察和读数的过程中，其工作习惯也会对测量结果产生一定影响。

井下工作面在巷道掘进时，要求两条顺槽巷道平行，但由于仪器误差和观测误差的存在，导线点在布设和测量中其水平角会有一定的误差。而这种误差往往是线性累计的，每布一个点时，其测量的各项数据指标均在限差内，而巷道的方向偏差和平移偏差已经造成了累计。对于一个顺槽长度2 000 m左右的工作面，这种误差如果不及时修正，就会造成工作面宽度不一致，给综采生产带来极大不便，并会造成资源的极大浪费。

为了消除上述的误差影响，大同煤矿集团白洞矿业公司尝试了以下两种办法：

（1）保证方位角正确

为了保证掘进巷道方位正确，每次布置新导线点后，将其方位角与设计值进行比对，如果相差较大，则在下一次进行修正。这种方法的优点是误差易于观察，校正值容易计算，缺点是只能消除方位误差，对于平移误差无法进行修正。

（2）保证工作面宽度

在巷道掘进过程中，及时地将控制点绘制在图纸上，读取每一次控制点距离相邻巷道的距离，保证工作面的宽度一致。其优点是工作面宽度保持一致，能有效保证综采的有序工作，其缺点是在导线点上图和量取过程会造成新的误差，给工作人员带来不必要的工作量。

由于以上两种误差消除方式都存在缺点和不足，因此有必要设计一项科学准确的控制导线检查和修正系统，及时地对控制网误差进行检查和报警，提示地测工作人员及时进行修正。

2 系统设计

2.1 系统总体设计思路

系统设计采用MATLAB 软件编程实现，系统主要设计流程如图1 所示。首先搭建GUI 人机交互界面，添加各功能控件，之后为每个控件编写回调函数实现相关功能，最后进行调试运行，调试完成进行结果输出。

图1 系统设计流程

系统主要包括4个模块，如图2所示。坐标系转化模块主要是将地质坐标系转化为计算机使用的平面直角坐标系；标准线绘制模块主要为后续数据点的绘制提供基础；数据计算模块主要进行数据点的计算校验；报警模块是在计算数据点出现偏差时报警显示。

图2 系统主要设计模块

2.2 软件界面设计

首先建立软件登陆界面，如图3所示。

图3 软件登陆界面

2.3 坐标系转化

登陆界面完成以后需要进行坐标系建立、数据导入、数据计算等一系列工作。首先要进行的就是建立坐标系。MATLAB 软件是一款数学软件，因此其识别的坐标系统为平面直角坐标系，即以X轴为横轴，X轴正方向为零度，逆时针递增。而地质测量工作中所使用的是地理坐标系，即以X轴为纵轴，角度以方位角进行计算，因此需要把地理坐标系转换成为数学坐标系以建立巷道坐标的数学模型。

以下分四种情况讨论方位角α 与倾斜角β 之间的关系。当α ＜90°时，方位角和倾斜角之间的关系符合β=90°-α；当90°＜α ＜180°时，方位角和倾斜角之间的关系符合β=270°-α；当180°＜α ＜270°时，方位角 和 倾 斜 角 之 间 的 关 系 符 合 β=270°-α ；当270°＜α ＜360°时，方位角和倾斜角之间的关系符合β=450°-α。

2.4 控制标准线绘制

标准线偏移量d，水平偏移量xd与方位角α 之间存在如下关系。当方位角α ＜90°，偏移量与方位角的关系符合；当方位角90°＜α ＜180°，偏移量与方位角的关系符合；当方位角180°＜α ＜270° ，偏 移 量 与 方 位 角 的 关 系 符 合xd=；当方位角270°＜α ＜360°，偏移量与方位角的关系符合。

根据以上公式以及起始点坐标，使用软件绘制了控制点的标准线，测试输入参数数据如表1。

表1 测试数据

绘制结果如图4所示，其中黑色直线为标准线，红色虚线为控制点导线。

图4 绘制控制点标准线

2.5 计算和报警系统设计

准备工作完成以后，对井下采集的控制点数据进行距离计算，当控制点与控制标准线之间的距离为工作面设计距离时，说明点位及方位角都处于合理范围内。而当距离超过一定限值时，说明该点位出现了偏移，这种偏移不及时修正就会出现工作面宽度变形，并可能进行累计使变形量不断扩大。本次软件演示使用了正在进行巷道掘进的某工作面相关数据，将点线之间的距离设置为100 m，选取了5 个点位坐标进行计算。本软件使用EXCEL 软件作为数据输入和存储软件，具体的读取、计算及报警界面如图5所示：

图5 控制点距离测算界面

3 系统实验及结果分析

本次选取了5 个控制点坐标进行系统测试实验，如图6所示，其中的坐标数据皆来自于井下测量所得，为了展示坐标出现错误或误差的情况，对其中的4 号点进行了修改，X、Y坐标都做了加大处理。

图6 原始坐标点数据

点击界面中的导入数据选项，将存在EXCEL表格里的坐标读取到计算界面中，如图7所示。

图7 界面读取数据结果

点击计算距离选项，具体的计算过程由软件自动完成，计算结果如图8所示。

图8 距离计算和结果展示

软件选取30 cm 作为报警限值，对不正确点位进行报警。如图8 中所示，1、2、3、5 号点位显示数值正确，4号点位出现报警，提示距离不正常需要及时进行修正。根据图8中的计算结果还可以看出，4号点距离不正确属于距离偏大，说明3 号点到4 号点方位角过小，在4号点布置5号点时需要适量的将方位角调大以进行方位和距离的修正，对于井下控制导线给线过程有着重要指导意义。

4 结语

经过系统测试实验验证，该系统在进行控制导线坐标检查和修正过程中，数据比对结果清晰明了，在方位角准确度和工作面宽度两方面都能够得到有效的保障，出现问题时能够及时发现处理，避免了工作面某区域的误差累计和宽度突变。该系统操作简单，对于使用人员的相关知识要求较低，其数据处理结果直观易懂，能够有效指导井下控制点布设的工作。因此，在煤矿井下测量工作中具有很好的应用前景。