基于全站儀的礦山沉降測繪方案優(yōu)化研究

彭志偉

（山西晉城煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 046605）

晉煤集團趙莊煤業(yè)，核定生產(chǎn)能力800 萬t/a，2005 年建礦，水文地質(zhì)類型中等。為了確保礦區(qū)的安全性，需要定期對礦山地表的沉降情況進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的控制方案，滿足綜采安全性的需求。目前對礦山區(qū)域地表沉降的監(jiān)測主要是采用水準儀對地表監(jiān)測點水平和豎直位移量進行監(jiān)測。該方案雖然精度較高，但有效監(jiān)測范圍過小，無法對整個礦山區(qū)域的地表沉降情況進行監(jiān)測，無法滿足日益提高的礦山測繪精度和高效率的需求，因此提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測繪方案。通過利用點云數(shù)據(jù)處理方案，構(gòu)建了三維模型數(shù)據(jù)模型，對兩種不同測量方案下的礦山沉降綜合測繪情況進行了對比。根據(jù)實際分析表明，新的礦山沉降測繪精度小于10 mm，測量的偏差中誤差約為±7.1 mm，測繪效率比傳統(tǒng)水準儀測量方案提升50%以上，完全滿足礦山測繪精度需求。同時該測試方案能夠?qū)⒌V山沉降測試效率提升47.2%以上，極大地提升了礦山測繪效率和精度。目前該方案已經(jīng)得到了全面的推廣，具有極大經(jīng)濟和安全效益。

1 測量方案分析

為了確保對礦山區(qū)域地表沉降效果測量的準確性，在進行測量時，選擇了一款全新的三維激光掃描全站儀。該全站儀實現(xiàn)了將自動定位測量和激光云掃描進行有機融合，既能夠按照傳統(tǒng)的技術(shù)方案實現(xiàn)先進行測量數(shù)據(jù)修正存儲然后聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理拼接，又能夠?qū)崿F(xiàn)直接進行數(shù)據(jù)上傳云系統(tǒng)自動處理。該類型傳感器的激光掃描范圍可達2 km，掃描速度可以達到1200 點/s，實現(xiàn)了掃描距離、掃描速度和掃描精度的有機統(tǒng)一。該激光掃描儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)煤礦四周的沉降監(jiān)測控制要求，在需要測量的區(qū)域設(shè)定了三個控制基準點。第一基準點設(shè)置到礦山與運輸公路交叉口處，方便進行聯(lián)測控制；將第二個基準點和第三個基準點分別設(shè)置到與測量區(qū)域緊鄰的未沉降的山體上，方便進行設(shè)備架設(shè)和測量。在三個測量點之間分別設(shè)置礦山地表沉降監(jiān)測線，在監(jiān)測線上平均每20 m 設(shè)置一個監(jiān)測點。其中，沿著工作面走向設(shè)置10 個監(jiān)測點，編號為H1～H10，沿著沉降傾向方向設(shè)置12 個監(jiān)測點，編號為Z1～Z12。為了實現(xiàn)對礦山沉降測繪精度、測量效率的統(tǒng)一，設(shè)計了區(qū)域外掃描測量和區(qū)域內(nèi)掃描測量兩種方案。

圖1 三維激光掃描全站儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 區(qū)域外掃描測量

區(qū)域外掃描測量是指以沉降區(qū)域外的控制點為基準進行的掃描測量。將激光掃描全站儀分別設(shè)置在第二和第三個基準點上并對全站儀進行后視定向，然后從外側(cè)向掃描區(qū)域內(nèi)進行沉降變形掃描。利用該測量方案能夠?qū)崿F(xiàn)比較全面的沉降區(qū)域掃描監(jiān)測，同時可以利用云聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)整合處理。由于掃描距離較遠，因此其實際測量精度會受到一定的影響。由于基準1 和基準2 之間共設(shè)置了12 個沉降監(jiān)測點，基準點1 和沉降監(jiān)測點之間的最近距離為210 m，最遠距離為390 m，基準點2 和沉降監(jiān)測點之間的最近距離為270 m，最遠距離為397 m。在這四個點上設(shè)置激光靶標，便于激光掃描儀進行掃描測量。實際測量情況如表1 所示。

表1 掃描精度對比結(jié)果統(tǒng)計表

由實際測量結(jié)果分析可知，激光掃描儀的測量精度和掃描測量距離成反比，距離越近掃描精度越高，距離越遠掃描精度越低。當(dāng)距離為210 m 時的掃描精度可達11 mm，當(dāng)距離為397 m 時的掃描精度達到了89 mm。測量偏差極大，無法滿足礦山沉降區(qū)域的精確測繪需求，因此該方案不適應(yīng)于本礦的精確測繪。

3 區(qū)域內(nèi)掃描測量

區(qū)域內(nèi)的掃描測量主要是指利用全站儀在礦山沉降區(qū)域內(nèi)設(shè)置自由測量點，然后分別以基準1、基準2 和基準3 為控制點進行掃描測量。在進行掃描時同步采用水準儀對監(jiān)測區(qū)域各個測點的水準變化情況進行測量，用于對全站儀測量數(shù)據(jù)進行補充。該方案的優(yōu)點就在于每次測量的時候均可以將測點設(shè)置在沉降量較為明顯的位置，而且可以增加測量的布點密度，將不同測點的測繪距離確保到200 m以內(nèi)，滿足沉降區(qū)域監(jiān)測準確性的需求。以測量范圍內(nèi)的三個測點P1（自由設(shè)點）、K1、K2三點之間的測量為例，其測量模式如圖2 所示，各個測點之間的測線分別為S1、S2、S3。

圖2 區(qū)域內(nèi)掃描模式示意圖

根據(jù)實際測量結(jié)果分析可知，采用區(qū)域內(nèi)掃描測量的方案能夠滿足將測量精度保證在10 mm 以內(nèi)的精確測量需求，測量精度高，穩(wěn)定性好。

4 全站儀三維云數(shù)據(jù)處理

全站儀在進行數(shù)據(jù)掃描完成后，將數(shù)據(jù)點通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)進行濾波降噪處理，然后再利用數(shù)字模擬建模及分析軟件對各個點位的測定數(shù)據(jù)進行對比分析。在進行數(shù)據(jù)對比分析時需要根據(jù)礦山所在地的實際情況進行數(shù)據(jù)修正處理，最大限度地降低測量區(qū)域植被覆蓋所造成的影響。通過三維云數(shù)據(jù)處理后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)疊加分析云圖，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 三維地質(zhì)測量云圖

通過對礦山區(qū)域全站儀沉降測繪方案的分析，測試過程中最大偏差約為-16.2 mm，最小偏差約為3.4 mm，整個測量的偏差中誤差約為±7.1 mm，完全能夠滿足礦山測繪精確性的需求。通過該方案對礦山沉降測量的效率比傳統(tǒng)水準儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測量過程中測量精度滿足測繪要求，對于提升煤礦測繪的信息化程度具有十分重要的意義。目前利用該方案已經(jīng)在煤礦完成了7 次沉降觀測，為礦山災(zāi)害預(yù)防和沉降處理奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

針對目前礦山沉降測量效率低、精度差、工作強度大，無法滿足日益提高的礦山測繪精度和效率需求的現(xiàn)狀，提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測繪方案，通過利用點云數(shù)據(jù)處理方案，構(gòu)建了三維模型數(shù)據(jù)模型，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

（1）區(qū)域外掃描，測量方案簡單，測量速度快，但測量偏差極大，無法滿足礦山沉降區(qū)域的精確測繪需求；

（2）區(qū)域內(nèi)掃描，測量方法靈活性高，可以隨意選擇測點，能夠根據(jù)礦山實際地質(zhì)情況進行測量，能夠滿足將測量精度保證在10 mm 以內(nèi)的精確測量需求，測量精度高，穩(wěn)定性好；

（3）全站儀測繪方案，對礦山沉降測量的效率比傳統(tǒng)水準儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測量過程中測量精度滿足測繪要求，為礦山災(zāi)害預(yù)防和沉降處理奠定了基礎(chǔ)。