淺談GPS-RTK技術(shù)在垂直救援中的應(yīng)用

閆彩虹 段鵬飛

礦山事故發(fā)生后,搶救被困礦工是首要任務(wù),目前普遍還是沿用從坑口向搶險(xiǎn)點(diǎn)推進(jìn)的救援辦法。這種方法用時(shí)長(zhǎng)、困難大、風(fēng)險(xiǎn)高。隨著礦山救援裝備和GPS-RTK測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展,使得垂直救援工作越來越具有可操作性。在王家?guī)X礦“3?28”事故搶險(xiǎn)救援中,山西省煤炭地質(zhì)局采用GPS-RTK技術(shù)對(duì)1號(hào)、2號(hào)鉆井進(jìn)行準(zhǔn)確定位,其中2號(hào)鉆井真正起到了信息通道、通風(fēng)通道和生命通道的重要作用。下面是對(duì)GPS-RTK技術(shù)在垂直救援中使用的心得及體會(huì),供大家參考。

1 GPS-RTK技術(shù)和測(cè)量原理

談起GPS-RTK技術(shù) ,先介紹一下GPS技術(shù) 。GPS(Global Positioning System)即“全球定位系統(tǒng)”,20世紀(jì) 70年代在美國開始研制,歷時(shí)20年,耗資200億美元,于 1994年全面建成。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能,能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。

GPS由空間部分、地面支撐系統(tǒng)及用戶設(shè)備三個(gè)部分組成。空間部分即進(jìn)行定位的衛(wèi)星,包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星。地面支撐系統(tǒng)由主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站構(gòu)成。用戶設(shè)備則是用來接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào),以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息。采用多臺(tái)靜態(tài)GPS接收機(jī)對(duì)已知點(diǎn)、未知點(diǎn)進(jìn)行同步連續(xù)觀測(cè),通過GPS平差軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,由已知點(diǎn)解算出未知點(diǎn)坐標(biāo)。

RTK(Real Time Kinematic,簡(jiǎn)稱 RTK)即“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)”,是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分測(cè)量技術(shù),是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。RTK技術(shù)系統(tǒng)用戶主要包括三個(gè)部分:基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和數(shù)據(jù)鏈。在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果,歷時(shí)不到1 s。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài),也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài);可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè),也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī),并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后,只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形,流動(dòng)站就可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

因?yàn)镚PS-RTK測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)量點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(x,y,z),并能夠達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。這就為GPS-RTK測(cè)量工作的可靠性和高效率提供了保障,這對(duì)GPSRTK測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和普及,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 垂直救援及鉆孔定位

所謂垂直救援,是指在礦山搶險(xiǎn)中,迅速鎖定“井下被困職工”的具體位置,利用先進(jìn)的鉆井技術(shù),從地面向具體定位點(diǎn)快速鉆井,通過井筒輸送氧氣、給養(yǎng)品、建立聯(lián)絡(luò)通訊等,甚至直接將被困職工從危險(xiǎn)區(qū)救出地面。由于采用垂直救援技術(shù)使得救援時(shí)間大大縮短,可以有效保證被困職工生命安全。礦山事故發(fā)生后,采用井下水平救援與垂直救援相結(jié)合的辦法,可以確保救援工作及時(shí)、有效地展開。

同樣地,在垂直救援中,鉆孔位置的選擇也非常重要。根據(jù)災(zāi)情性質(zhì)、救援重點(diǎn),參考采掘工程平面圖、井上下實(shí)測(cè)對(duì)照?qǐng)D以及相關(guān)地質(zhì)資料,合理設(shè)計(jì)鉆孔點(diǎn)位,并從相應(yīng)圖件中解析出井下鉆孔坐標(biāo),從而返算出地面上對(duì)應(yīng)坐標(biāo),同時(shí)通過實(shí)地測(cè)量再對(duì)解析坐標(biāo)進(jìn)行校核,以保證鉆孔坐標(biāo)準(zhǔn)確無誤。在王家?guī)X礦“3?28”事故搶險(xiǎn)救援中,專家組在分析井下巷道資料的基礎(chǔ)上,經(jīng)過實(shí)地踏勘,最終確定了兩個(gè)鉆孔位置:其中1號(hào)孔為漏水孔,在積水巷道最低處對(duì)應(yīng)的地面上往下垂直打井,通過鉆井,使巷道內(nèi)的積水自動(dòng)流入到距巷道80 m以下的奧陶系含水層內(nèi)。2號(hào)孔為救生孔,從輔助運(yùn)輸巷內(nèi)距巷道北頭1 400 m處對(duì)應(yīng)的地面上往下垂直鉆井,起通信、通風(fēng)、給養(yǎng)投送作用。

3 采用GPS-RTK技術(shù)對(duì)鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行放樣測(cè)量

為方便表述,我們把救援范圍稱為測(cè)區(qū),首先在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)收集可以利用的控制點(diǎn),如近井點(diǎn)等。如果有三個(gè)以上的控制點(diǎn)保存完好,經(jīng)檢核后,可以直接使用。如果測(cè)區(qū)內(nèi)沒有足夠的控制點(diǎn),可以根據(jù)地形地貌,在測(cè)區(qū)內(nèi)合理布設(shè)E級(jí)GPS點(diǎn),然后采用4臺(tái)以上的靜態(tài)GPS接收機(jī)同測(cè)區(qū)外的高精度坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行同步聯(lián)測(cè),進(jìn)而用GPS平差軟件對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,從而求出測(cè)區(qū)內(nèi)新布設(shè)的E級(jí)GPS點(diǎn)的坐標(biāo)。在測(cè)區(qū)內(nèi)有足夠的控制點(diǎn)后,首先,將基準(zhǔn)站架設(shè)在一個(gè)已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)上,以另外兩個(gè)已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)為校正點(diǎn)。校正完成后,將電子手簿里存儲(chǔ)好的鉆孔坐標(biāo)調(diào)出,手持移動(dòng)站、手簿及對(duì)中桿對(duì)鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行放樣,也就是把空間坐標(biāo)落實(shí)到具體位置上。在放樣過程中,考慮到測(cè)量的精度要求,要保持PDOP值在2.5以下。GPS手簿界面會(huì)實(shí)時(shí)提示測(cè)量員離鉆孔點(diǎn)位的距離及方位,從而引導(dǎo)測(cè)量員對(duì)鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行精確定位。王家?guī)X礦“3?28”事故搶險(xiǎn)救援中,救援人員在分析井下巷道資料的基礎(chǔ)上,采用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)對(duì)鉆孔進(jìn)行精確定位,并用傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行校驗(yàn),使定位誤差保持在±10 cm之內(nèi),完全滿足了鉆井施工的精度要求。

4 GPS-RTK技術(shù)在垂直救援測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

首先,采用GPS-RTK技術(shù)可以測(cè)繪大比例尺地形圖。在搶險(xiǎn)救援過程中,需要現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的大比例尺地形圖供救援指揮部進(jìn)行決策指揮。由于搶險(xiǎn)救援工作事態(tài)嚴(yán)重,時(shí)間緊迫,必須在短時(shí)間內(nèi)高精度地完成數(shù)據(jù)采集工作。采用GPS-RTK技術(shù)測(cè)圖時(shí),僅需一人背著GPS移動(dòng)站在要測(cè)的地形地貌碎部點(diǎn)上待一兩秒鐘,同時(shí)輸入特征編碼,在手簿界面點(diǎn)位精度的提示下,迅速完成該點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集工作。把一個(gè)區(qū)域測(cè)完后回到室內(nèi),由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖,這樣就大大提高了工作效率。

第二,對(duì)鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行放樣測(cè)量。在垂直救援過程中布設(shè)鉆井孔位是一項(xiàng)重要的工作。根據(jù)災(zāi)情性質(zhì)、救援重點(diǎn),鉆孔有滅火、漏水、堵水、通風(fēng)、通訊、給養(yǎng)投送等作用,因而在短時(shí)間內(nèi)精確定位鉆孔位置,對(duì)垂直救援的順利進(jìn)行起重要支撐作用。在采用GPS-RTK技術(shù)放樣時(shí),先把設(shè)計(jì)好的鉆孔坐標(biāo)輸入到電子手簿中,然后手持移動(dòng)站、手簿及對(duì)中桿對(duì)鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行放樣測(cè)量,手簿界面會(huì)實(shí)時(shí)提示測(cè)量員離鉆孔點(diǎn)的方位及距離,從而引導(dǎo)測(cè)量員對(duì)鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行精確定位。這樣操作既迅速又方便,完全滿足了垂直救援對(duì)測(cè)繪工作高效率、高精度的要求。

5 結(jié)語

垂直救援技術(shù)是近幾年來興起的礦山事故救災(zāi)新技術(shù),在我國、美國、澳大利亞等國家都有成功案例。希望更多的專家學(xué)者對(duì)礦山搶險(xiǎn)垂直救援技術(shù)以及測(cè)繪技術(shù)在垂直救援中的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討,以促進(jìn)垂直救援技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

[1] 徐紹銓.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2008.

[2] 王利鋒.GPS-RTK技術(shù)在界線點(diǎn)放樣工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(3):357-359.