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矿山近井点建立技术设计研究
矿山近井点建立技术研究
1.1概述
在全国范围内都布设了国家一、二等三角网和水准网，在矿区范围内也有国家一、二等三角点和水准点。
但是，这些点的密度很小，远远不能满足矿区测量的需要。
通常进行的矿区控制测量就是在国家一、二等三角网和水准网的基础上布设矿区三、四等三角网或高精度的光电测距导线作为矿区的平面控制，布设矿区三、四等水准网作为矿区的高程控制。
为了满足矿井建设和生产的需要，建立矿井上、下统一坐标系统，还需在矿井工业广场井筒附近布设平面控制点和高程控制点，即我们通常所说的近井点和井口水准基点。
在矿井建设和生产过程中，为了井口位置和工业广场建筑物的标定，井上、下联系测量，井口之间贯通测量等，首先需在井口附近地面上建立近井点。
高质量的近井点，应是既满足工程施工标定对近井点点位精度的要求又能使观测工作量（例如野外观测时所花时间和费用）最小，即成本最低的近井点，这种近井点，称为最优点。
建立最优近井点，可通过优化设计来实现。
它包括最佳点位（图形）设计和最佳观测权设计。
本文只阐述矿区近井点图形最佳设计，并就矿区常用的几种近井点推证了最佳图形、最佳点位精度、非最佳点位精度以及它们之间变化情况。
考虑到矿区在长期矿井建设及开采过程中，近井点点面遭到破坏，因此近井点应该设立在有利于长期保存的位置，以满足将来的需要。
近井点点位依据工业广场设计图，尽可能悬在不影响工广建设，易于保存、同时状况良好的地方，具体位置由矿方决定。
近井点大致高程需要与工广设计高程相近，做到不影响生产、易于保存和利用。
由于GPS测量的特殊性，为了保证GPS测量的精度，点位选择还要遵循一定的技术要求。
本文以万福煤矿测区为例阐述矿山近井点测设的方法及相关问题。
1.2已有测绘资料的分析利用
测区附近有四个三等三角点，分为：
郭庄、王水坑西、张庄、后牛楼，是泰安中煤物测队于1987年10月-1988年8月，在改造后的菏泽二等网基础上施测的，称为“巨野三等三角网”，采用1954坐标系，三个点保存完好，距离矿区大约为4公里、2公里和7公里，本次测量拟采用其作为近井点的起算数据。
上述三等点的高程是泰安中煤物测队于1990年在国家二、三等水准点的基础上不设的四等水准点，采用1956黄河高程系，水准网的高程中误差为0.0192m。
选用国家二、三等水准点作为本次测量的高程起算数据。
已知数据见表1.1
表1.1已知坐标数据
点号
点名
X（m）
Y（m）
高程（m）
备注
1
郭庄
7614.858
8354.003
42.774
柱石面真高
2
王水坑西
2453.882
6777.141
44.647
柱石面真高
3
张庄
2277.218
2629.447
41.941
柱石面真高
本次测量前要求对起算数据进行检核，具体检核方案如下：
（1）在郭庄、王水坑西、张庄按照D级GPS点观测规范要求进行静态GPS测量，获得其同步观测数据。
（2）利用GPS随即软件进行数据处理，分析其精度，进行互相推求解算，分析其已知成果精度。
（3）如果有必要，联测董官屯镇、柳林镇、大谢集镇和董楼C级GPS点（80系）中的部分点进行坐标转换好精度分析或通过中煤物测队获取更多矿区附近高等级控制点。
1.3坐标系和投影面选择
根据万福煤矿的要求，平面控制测量采用1954年北京坐标系。
1954北京坐标系参考椭球基本几何参数为：
长半轴a=6378245m
短半轴b=6356755.2882m
扁率a=1/298.3
第一偏心率平方ｅ1²=0.00669438499959
第二偏心率平方ｅ2²=0.0067395081947
高程采用1956黄海高程系
1.4GPS控制网的布设
近年来随着GPS定位技术的发展，GPS相对定位精度在几十千米的范围内可以达到1/1000000-1/10000，完全可以满足城市二、三等网的精度要求。
GPS网的网形在很大程度上与使用接收机的数量和作业方式有关。
目前，在地铁及公路的建设过程中，首级网的布设很多都是采用了GPS网。
施工控制网的设计一般经过下列过程：
首先根据建立控制网的目的、要求和控制范围，经过图规划也野外选点，确定控制网的图形并决定参考基准（起始点）；根据测量仪器条件拟定观测纲要（观测方法和观测值的预期精度）；根据观测所需的人力、物力进行成本预算；根据控制网图形和观测精度进行目标成果的精度估算和分析，并与预定的要求进行比较，作必要的方案修正，以上称为控制网的设计工作。
然后是付诸实施，埋设标志，建立观测墩、台和观测标志，按预定纲要进行观测，按观测数据评定观测精度。
最后进行成果处理、平差计算，平差值及目标成果的精度评定。
控制网优化设计的质量标准
控制网的质量是控制网设计的核心和宗旨。
用什么标准来衡量控制网的质量好坏，不仅却取决于工程的性质和要求，而且取决于标准制定的合理与否。
因此，标准的制定对控制网的设计非常重要。
而这个标准就是控制网优化设计的质量标准，又称为质量指标或质量准则。
通常，我们用一些数值指标来描述控制网质量的好坏。
根据对控制网的要求不同，一般有下列4个方面的质量指标：
（1）精度，描述误差分布离散程度的一种度量；
（2）可靠性，发现和抵抗模型误差的能力大小的一种度量；
（3）灵敏度，监测网发现某一变形的能力大小的一种度量；
（4）经济，建网费用。
1.5近井点点位的选取
近井点点位依据工业广场设计图，尽可能在不影响工厂建设，易于保存、同时情况良好的地方，具体位置由矿方决定。
另外，工厂设计高程约为44.5m，近井点大致高程需与该设计高程相应，做到不影响生产、易于保存和利用。
由于GPS测量的特殊性，为保证GPS测量的精度，点位选择还需遵循以下的技术要求。
（1）尽可能埋设在便于观测、保存和不受开采影响的地点。
当近井点必须设置于井口附近工业厂房顶上时，需保证观测时不受机械震动的影响和便于向井口敷设导线。
（2）每个井口附近需设置一个近井点和两个高程基点。
近井点和连测导线点（即近井点至定向连接点或斜井、平哃口之间的导线点）据可作为高程基点用。
（3）近井点至定向连接点（或斜井、平哃口的导线点）之间的连测导线边数需不超过3个。
（4）多井口矿的近井点应统一规划，合理布置，尽可能使各近井点位于同一个三角网、三边网、边角网或导线网中，并使相邻井口的近井点构成控制网中的一条边或力求间隔的边数最少。
（5）近井点和井口高程基点表示的埋设深度在无冻土地区应不小于0.6m，在冻土地区盘石顶面与冻结先之间的距离应不小于0.3m。
（6）为使近井点和井口高程基点免受损坏，在点的周围应设置保护桩和栅栏或刺线。
在标石上方宜堆放高度不小于0.5m的碎石。
（7）在实地选点前，应收集有关布网任务与测区资料，包括1：
10000地形图，已有的控制点、站的资料；并充分熟悉测区的情况。
（8）点位均选在易于安置接收设备，交通方便，视野开阔的较高点上。
（9）点位目标显著，视场周围15°以上不应有内障碍物，以减少GPS信号被遮挡或障碍物吸收。
（10）点位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等）其距离不小于200m；远离高压线，其距离不得小于50m，以避免电磁场对GPS信号的干扰。
（11）点位附近不应有大面积水域，不应有强烈干扰卫星信号接受的物体，并尽量避开了大面积反射墙。
（12）所选点形成的网形应有利于同步观测边的连接。
（13）交通方便，有利于水准、加密等其他测量手段扩展和连测边的连接。
（14）近井点的选择在满足以上条件的基础上应尽量选在交通便利的地方。
根据以上技术要求和万福煤矿的需要，选择6个点作为近井点，如图1-1所示，点位设计坐标如表1.2。
另外，在工广区之外埋设3-4个近井点，以便备用和长期保存。
表1.2近井点分布表
点名
坐标X
坐标Y
备注
W-1
1167.59
5925.58
W-2
0971.08
5946.64
W-3
0967.12
6355.32
W-4
0666.09
6354.67
W-5
0662.82
5985.28
W-6
0528.75
6000.99
图1.1近井点分布
由于GPS观测站之间不要求互相通视，所以选点工作较常规测量要简便的多。
因为GPS点点位的选择，对GPS观测工作的顺利进行并得到可靠地成果有重要影响，所以，应根据测量任务的目的和测区范围、精度和密度的要求等，从分收集和了解测区的地理情况及原有控制点的分布和保存情况，恰当地选取GPS点的点位。
在选定GPS点点位应遵循以下原则：
（1）定位周围便于安置天线和GPS接收机。
视野开阔，视场内周围障碍物的高度角一般应小于15°。
（2）定位应远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站及微波通道等）及高压电线，以免周围磁场对GPS信号的干扰。
（3）为减弱多路径效应的影响，定位周围不应有对电磁波发射强烈的物体。
（4）定位选择在交通方便的地方，以提高作业效率。
（5）选点时，应考虑便于用其他测量手段联测和扩展。
（6）点位应选择在地面基础坚固的地方，以便于保存。
为了长期保存点位，GPS控制点一般应设置具有中心标志的标石，精确标志点位。
GPS点的标石和标志必须稳定、坚固。
对于研究三维变形的GPS监测网的点位，更应该建造便于保存的标志，为提高GPS测量精度，可以建造带有强制对中的观测墩。
1.6技术标准
D级GPS网测量作业基本技术规定符合下表的要求：
表1.3D级GPS网测量作业基本技术规定
项目
级别
卫星高度角（1°）
有效观测卫星总数
时段中任一卫星有效观测时间（min）
观测时段数
时段长度（min）
数据采样间隔（s）
D
≥15
≥4
≥15
≥1.6
≥45
5-15
GPS观测所选有效观测卫星与测站组成的几何图形尽可能坚强，点位几何图形强度因子（pdop）值，D级网小于或等于10。
GPS观测，需事先制定观测计划，统一指挥，做到同时开机，同时关机，观测员应将GPS接收机天线准确置于测点上方，对中误差≤2mm。
保证每个时段观测的有效性，关机后再量取一次天线高。
作为校核，两次差不得大于3mm，取平均值作为量后结果。
观测员认真仔细填写GPS测量野外观测手簿，做到填写及时、正确，在作业过程中严禁作业人员离开现场，防止人和其他物体靠近天线遮挡卫星信号。
技术要求：
（1）在GPS网设计时,根据《煤矿测量规程》中对矿区控制网的精度要求,可选择精度为四等或一级的GPS网,一般建议选择四等的GPS网。
（2）布网时应考虑与国家坐标系统统一起来,即联测国家高等级控制点,将国家高等级控制点作为控制网中的已知点来使用。
（3）在GPS网的图形设计时宜采用边点混合连接方式，这样既能保证网的几何强度,提高网的可靠指标,又能减少外业工作量,降低成本。
（4）选点时应遵守原则是:
远离高压输电线及大面积水域等影响精度的地方,同时考虑GPS控制点与近井点和井口的水准基点重合,这样可提高井下平面控制网的精度及节省成本。
（5）观测时要严格按《全球定位系统（GPS）测量规范》或《全球定位系统城市测量技术规程》的相关规定进行观测,同时根据设计精度,注意保证足够的观测时间。
（6）在GPS基线平差中,应先采用无约束平差,在无约束平差确定的有效观测测量的基础上,在以国家坐标系的一个已知点和一个已知基线的方向作为起算数据,平差将GPS基线向量观测值及其方差阵转换到国家坐标系的二维平面上。
（7）在GPS网的平差得出大地高后,求解正常高时,可采用GPS水准高程或者是GPS三角高程的方法。
但根据煤矿应用的实际,笔者建议采用水准测量进行直接测设高程,同时联测至井口附近对矿山建设有用的GPS控制点上即可。
近井点可在矿区三、四等三角网,测边网或边角网的基础上，用插网、插点和敷设经纬仪导线等方法测设。
近井点的精度，对于测设它的起算点来说，其点位中误差不得超过±7cm，后视边方位角中误差不得超过±10″。
井口水准基点应按四等水准测量的精度要求测设。
此外近井点和高程水准基点的布设还要满足以下要求：
（1）尽可能埋设在便于观测、保存和不受开采影响的地点；
（2）近井点至井口的连测导线边数应不超过3条；
（3）高程水准基点应不少于两个近井点可作为高程水准基点。
1.7平面控制网
用天宝双频接收机，标称精度为±（5mm+1ppm*D）；GPS控制网按静态相对定位模式观测。
静态相对定位模式作业方法是，将两台或两台以上的GPS接收机设备分别安置在几个点上，同步观测1-2h，当测站间距离不超过5km时，观测时间可缩短到45min左右。
天线安置应符合下列要求：
（1）一般情况下，天线应尽量利用三角架安置在标志中心的垂线方向上，直接对中。
当点上建有寻常标，在觇标下安置天线应适当延长观测时间。
（2）天线底板上的圆水准气泡必须居中。
雷雨天气安置天线时，应注意将其底盘接地，以防雷击，在雷雨过境时应暂时关机停测，卸下天线。
观测应注意事项：
（1）观测组中各接收机的观测员应按观测计划规定的时间作业，确保同步观测同一组卫星。
（2）在确认外接电源电缆及天线等各项联接结无误后，才能接通电源。
在接收机预置状态正确时，才可启动接收机。
接收机启动前与作业过程中，应随时逐项填写测量手簿中记录项目，开机后接收机的仪表数据显示正常时，才能进行自测试和输入有关测站和时段控制信息。
（3）接收机开始记录数据后，观测员应使用功能键和选择菜单，注意查看测站信息、接收卫星数量、卫星号、各通道噪音比、相位测量残差、实时定位的结果及其变化和存储介质记录等情况。
天线安置后，应在各观测时段的前后各量取天线高一次。
两次量高之差不应大于3mm，取平均值作为最后的天线高。
若互差超限，应查明原因，提出处理意见，记入观测记录。
（4）在一个观测段中，接收机不得关闭并重新启动；不准改变卫星高度角的限值和天线高；观察员应注意防止接受设备震动，更不得移动；不得碰动天线或阻挡信号。
（5）经检查所有作业项目均按规定完成，并符合要求，记录与资料完整无误，且将点位恢复原状后，方可迁站。
观测记录由GPS接收机自动形成，并记录在存储介质（翅磁卡或记忆卡等）上，其内容有：
载波相位观测值，相应的GPS时间，GPS卫星星历及卫星钟差参数；测站初始信息，包括测站点名和点号、时段号、近似坐标、天线高等，测站信息先由观测人员输入接收机。
测量手簿是在观测过程中由观测人员填写完整，不得测后补记。
在GPS控制网的图形设计中，要保证GPS观测成果的可靠性，有效地发现观测结果中的差粗差，必须将GPS控制网中的独立边构成一定的几何图形。
这些几何图形是由数条GPS独立边构成的非同步多边形（称为非同步闭合环），如三边形、四边形、五边形等。
但如果要保证GPS控制网的精度，GPS控制网的闭合环中的边数应限制在一定的数目内。
这个数目一般根据GPS控制网精度要求和应用的目的性来确定。
当对GPS控制网精度要求较高时，建议GPS控制网闭合环中的边数不超过4条-5条，要求精度较低时，闭合环中的边数也不应超过6条-7条。
如图1.2，本次近井点平面测量采用静态GPS观测，利用泰安中煤物测队建立的三个巨野三等三角点作为起算数据，按照《全球定位系统（GPS）测量规范》中D级GPS点测量技术规程进行施测，利用4台接收机分8个时段，形成7个同步环和8个异步环、确保有足够的解算、检核数据。
图1.2近井点平面控制网图
1.8高程控制网
如图1.2，本次近井点高程测量采用水准测量方式进行，利用董官屯镇和大谢集镇两个C级GPS点（高程为三等）作为起算数据，因其高程基准属85基准，特设计水准观测方案如下：
（1）董官屯镇和答谢集镇两个C级GPS点高程改正到黄海高程（29mm）；
（2）从三等水准点董官屯镇出发，联测四等水准点王水坑西（黄海高程进行检核；
（3）继续串联6个近井点；
（4）联测四等水准点郭庄（黄海高程）进行再次检核；
（5）附合到三等水准点大谢集镇。
该方案进行多次附合与检核，能够满足本次高程控制测量要求。
图1.3高程控制网
《规程》要求井口基点高程应按照四等水准测量的精度施测，以满足两相邻井口间进行主要巷道贯通工程测量的要求。
由于两井口间进行主要巷道贯通时，在Z轴方向（即高程）的允许偏差M
=±0.2m，则其中误差M
=±0.1m，由于一般要求两井口高程基点相对高程中误差引起贯通点K在Z轴方向的偏差中误差应不超过±M
/3=±0.03m，考虑到两相邻井口高程基点间的测量路线一般为直线并且小于5km，所以在平坦地区应采用四等水准施测。
采用S03级laicaDNA03自动安平水准仪和相应铟钢水准尺。
施测前，按规程要求进行。
符合水准路线或环形闭合差≤20
mm，L为路线长度，单位为km。
平差每公里水准测量偶然中误差M≤±5mm,每公里水准测量全中误差M≤±10mm。
（1）水准野外观测
①设置测站饿要求。
四等水准测量采用尺台作转点尺承。
观测点在标尺分划线成像清晰稳定时进行，若成像欠佳，应酌情缩短视线长度，测站的视线长度、视线高度按下表1.4执行：
表1.4四等水准测站视线长度、视线高度要求
等级
视线长度
前后视距差（米）
前后视距积累差（米）
视线高度
仪器类型
视距（米）
四等
Laica
DNA03
≤50
≤3.0
≤10.0
三丝能读书
②测站上观测方法和顺序：
四等水准测量采用仪器自身的全自动读数、存储、校核功能施测。
（2）观测中应遵守的事项
a、观测时，须用白色测伞遮蔽阳光，迁站时，应罩以白色仪器罩；
b、转弯除外，每一测站上仪器和前后视标尺的三个位置，尽量接近一条直线；
c、一测站上观测时，一般不得两次调焦，仅当视线长度小于10m，且前后视距差小于1m时，可在观测前后标尺时调整焦距；
d、已知点及近井点任两点间测站数都应为偶数；
e、观测过程中作业人员应认真负责，严防尺台被车辆等碰到。
水准路线闭合按下表1.5执行：
等级
符合路线或环线闭合差
平原
山区
四等
±20
±25
注：
L为附合路线（环线）长度，km。
四等水准测量每公里测量的偶然中误差M
≤5mm
M
=±
式中：
Δ-测段往返测（或左右路线）高差不符值，mm；
R-测段长度，km；
n-测段数
当水准网的水准环超过20个小时，还须按环闭合差W计算每公里水准测量全中误差M
M
=±
式中：
W-水准环闭合差，mm。
F-水准环线周长，km
N-水准环数。
全中误差M
≤10.0mm
1.9数据处理
GPS测量的精度标准通常用网中相邻点之间的距离中误差来表示，其形式为：
σ=
式中：
σ—标准差（基线向量的弦长中误差mm）
a—固定误差（mm）
b—比例尺误差系数（ppm）
d—相邻点间的距离（mm）
国家测绘局1992年制定的我国第一部“GPS测量规范”将GPS的测量精度分为A-E五等。
其中A、B两级一般为国家GPS控制网的标准。
我国的国家GPS控制网就按照这一精度标准设计的，其中A级网29个点、B级网有数百个。
本次观测采用D级标准，主要技术标准见下表：
表1.6GPS主要技术要求
等级
A（mm）
b（ppm）
最弱边相对中误差
D级
≤10
≤10
1/45000
注：
当边长小于200m时，边长中误差小于20mm。
基线解算起算点坐标采用不少于30分钟观测时间的定位结果的平差值提供的WGS—84坐标。
基线解算的数学模型为8km内的基线，采用双差固定解，30km以内的基线，可在双差固定解和双差浮点解算中选择最优结果，30km以上的基线，可采用三差解作为基线解算的最终结果，任何一条基线观测数据剥除率应小于15%。
同步时段中任一三边同步环坐标分量相对闭合差环全长相对合差的规定如下表1.7：
表1.7技术要求
等级
限差类型
D级
坐标分量相对闭合差
6.0
环线全长相对闭合差
10.0
野外数据检核的同步环坐标分量相对闭合差均小于或等于
/5σ，环线全长相对闭合差小于或等于
/5σ。
或以上两种闭合差D级分别不大于3ppm、5ppm，E级分别不大于6ppm，10ppm。
异步环检验在整个GPS网中选取一组完全的独立基线构成闭合环，各独立环的坐标分量闭合差均符合下式计算规定的限差。
异步环、坐标分量闭合差和前场闭合差应符合下式的规定：
Wx≤2
σWy≤2
σWz≤2
σ
全长闭合差均符合下式的计算规定的限差：
W≤2
σ
式中：
n—独立闭合环的边数
σ—相应级别规定的精度
w=
重复基线的长度较差，不超过下式的规定：
ds≤2
σ
由于同步观测是两台或两台以上的GPS接收机同时对同一组卫星进行观测，同步解算的基线其误差具有一定的相关性，其闭合差限差较严，但在实际工作中经常会发现解算结果不能满足限差要求。
实际上同步观测的基线其同步时间常会有所差异，而导致基线结果不能满足要求，因此在实际观测的同步环中，如果各同步环的同步观测时间有较大差异，这时对同步环闭合差应放宽要求。
异步环闭合差的大小，是评价观测成果质量的重要标准。
如果Wx（或Wy，Wz）超过限差规定，应及时分析原因，必要时对其中的部分结果进行重测。
GPS测量数据处理主要包括基线解算和GPS网平差。
基线数据采用仪器自带的软件进行数据处理求解。
基线解算采用消电离层的双差浮点解或加电离层改正的双差整点解，其主要技术参数如下：
卫星介质高度角≥15°；
电离层模型为standard模型；
对流层模型为Hopfield或Computed模型；
星历为广播星历；
采用L1频率。
GPS网的平差计算应用GPS数据处理软件包在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，以检查本次GPS网的内符合精度。
同时，为将WGS-84坐标系下的GPS基线观测值投影到高斯平面上，并将换到国家1954北京坐标系中，进行三维约束平差。
在检查GPS基线、环闭合差符合要求后，以所有点基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以一个点的WGS-84系三维坐标作为起算依据，进行GPS网的无约束平差。
无约束基线边长以及点位和边长的长度信息。
在无约束平差确定的有效观测量基础上，在国家坐标系或独立坐标下应进行三维约束平差或二维约束平差。
约束点的已知坐标、已知距离、已知点位，可作为强制约束的固定值，也可作为加权观测值。
平差结果应输出在国家坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线边长、方位以及坐标、基线边长、方位的精度信息；转换参数及其精度信息。
无约束平差中，基线向量改正数（VΔx、VΔy、VΔz）绝对值应满足下式要求：
VΔx≤3σVΔy≤3σVΔz≤3σ
约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差（dVΔx、dVΔy、dVΔz）应符合下式要求：
dVΔx≤2σdVΔy≤2σdVΔz≤2σ
在GPS网平差中对于不同观测条件的基线（例如有些国家控制点可能在刚标下），应分别列入不同的方差组以分别定权。
其过程如图：
GPS网与地面网数据的联合处理，高程问题解算
矿山近井点建立技术研究经济效益分析报告
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