花崗巖礦儲(chǔ)量變化監(jiān)測(cè)研究

盧 偉

（廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)，廣東江門529000）

1 概述

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展，工程建造的原料需求量也不斷增大。其中的砂石料，作為各地方高速路、高鐵、建構(gòu)筑物等基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的物料，其需求量也在急劇增大。在如此大的市場(chǎng)需求環(huán)境下，石料的出廠價(jià)相比往年出現(xiàn)了大幅上漲，其利潤(rùn)空間之大，導(dǎo)致各地開設(shè)了許多采石場(chǎng)，由此進(jìn)入采石賺錢的時(shí)代。當(dāng)然，為了貫徹資源開采的合理化與可持續(xù)化發(fā)展，政府定期要對(duì)采石場(chǎng)進(jìn)行資源儲(chǔ)量核實(shí)工作，同時(shí)遞交儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告，其目的是調(diào)查礦山開采現(xiàn)狀，估算礦山保有資源量，為下步開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。在這樣的發(fā)展背景下，如何運(yùn)用新的測(cè)量技術(shù)來(lái)快速有效地對(duì)儲(chǔ)量變化總量進(jìn)行計(jì)算，成為目前一個(gè)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。為此，本文依托于廣東省成熟的CORS系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)成像系統(tǒng)、免棱鏡全站儀系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的計(jì)算土石方量，為政府決策與部署提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 圖根控制測(cè)量

廣東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GD?CORS）于2006年11月開始試運(yùn)行，至今已有十三年多，實(shí)時(shí)坐標(biāo)定位服務(wù)高效穩(wěn)定，能夠提供平面毫米級(jí)定位精度，高程厘米級(jí)精度。廣東省似大地水準(zhǔn)面精化模型的外符合精度為±0.048m，完全符合1∶2000地形圖測(cè)量對(duì)高程精度的要求。基于成熟的GDCORS數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要收集礦區(qū)附近的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，架設(shè)基準(zhǔn)站并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，攜帶設(shè)備多，花費(fèi)很多時(shí)間與精力的缺點(diǎn)，甚至有些礦區(qū)及周邊無(wú)法收集到控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，這就給實(shí)地采集測(cè)量數(shù)據(jù)帶來(lái)很多麻煩。因此完全可以基于GDCORS的GNSS-RTK（型號(hào)為中海達(dá)TS7）直接采集測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)坐標(biāo)及高程。為檢驗(yàn)GDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度，選取江門市某區(qū)8個(gè)D級(jí)GPS控制點(diǎn)及四等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)（每個(gè)點(diǎn)均利用腳架對(duì)中采用平滑觀測(cè)），GPS網(wǎng)圖如圖1所示，統(tǒng)計(jì)精度如表1、表2所示。

圖1 GPS網(wǎng)圖

由表1數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)位精度較差均小于3cm，完全滿足圖根控制點(diǎn)測(cè)圖的要求。較差均值1.67cm說(shuō)明該GDCORS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。由表格2數(shù)據(jù)可知，8個(gè)點(diǎn)位較差均小于5cm說(shuō)明GDCORS提供高程數(shù)據(jù)滿足大比例尺測(cè)圖要求。綜上證明了基于GD?CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量可以達(dá)到厘米級(jí)精度，符合礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)精度要求。為了使礦山石方量計(jì)算工作能更加高效、經(jīng)濟(jì)，充分利用GDCORS是相當(dāng)有必要的。

表1 D級(jí)GPS控制點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)RTK平面成果比對(duì)表

2.2 確定地形修測(cè)范圍

表2 D等水準(zhǔn)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)RTK高程比對(duì)

由于大部分采石場(chǎng)開采量大，一般分臺(tái)階開采，很難確定監(jiān)測(cè)周期間地形變化范圍。為此，本項(xiàng)目采用大疆精靈4無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍照，每次在固定地點(diǎn)起飛至固定高度，同角度拍攝照片與上一次監(jiān)測(cè)照片進(jìn)行對(duì)比可以很輕松地確定需要修測(cè)的范圍。表格3為該無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

2.3 全站儀采集地形數(shù)據(jù)

表3 大疆精靈4無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本項(xiàng)目采用中緯ZOOM 35 PRO全站儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，測(cè)角精度為2″，免棱鏡測(cè)量模式標(biāo)稱為1000m(在礦山觀測(cè)背景下親測(cè)可達(dá)到500～700m)，測(cè)距精度為3mm+2ppm。由于礦山按照開發(fā)利用方案分臺(tái)階開采，人工立標(biāo)尺不僅效率低下而且安全隱患特別大。因此找好有利測(cè)站點(diǎn)，利用全站儀免棱鏡測(cè)量功能可以做到一個(gè)測(cè)站搞定全部修測(cè)。如表4所示為全站儀主要技術(shù)參數(shù)。

表4 全站儀主要技術(shù)指標(biāo)

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

廣東省江門市露天花崗巖礦山數(shù)量多，本單位承接該市兩區(qū)共計(jì)18個(gè)露天礦山的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。這就務(wù)必有一套高效率、低成本且安全行之有效的解決方案。本次項(xiàng)目選擇了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目里礦區(qū)面積最大、年開采量最多并且是該省知名花崗巖礦山的泰盛石場(chǎng)有限公司建筑用花崗巖礦區(qū)（以下簡(jiǎn)稱泰盛石場(chǎng)）作為研究對(duì)象，討論礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的工作方法。研究區(qū)概況敘述如下。泰盛石場(chǎng)行政隸屬該市該區(qū)某鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)面積0.4519km2，開采標(biāo)高：+360～+35m，開采礦種：建筑用花崗巖，開采方式：露天開采，生產(chǎn)規(guī)模：200×104m3/a。

3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)整理成圖及當(dāng)期開采儲(chǔ)量計(jì)算

3.2.1 確地監(jiān)測(cè)范圍

該花崗巖礦山作為露天礦每月采掘量很大，初步估計(jì)有幾十萬(wàn)立方米。本文選擇一年的時(shí)間差為基準(zhǔn)，計(jì)算該礦區(qū)石方量的變化。確定計(jì)算范圍根據(jù)大疆無(wú)人機(jī)航飛確定，如圖2所示范圍確定。

3.2.2 計(jì)算石方變化量

本次的處理過(guò)程是以該花崗巖礦山的地形地質(zhì)圖為例，該地形地質(zhì)圖的比例尺為1∶2000，數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是1980年西安坐標(biāo)系，基準(zhǔn)面采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。用南方CASS 10.1打開2019年1月3日和2020年1月5日該礦的地形地質(zhì)圖進(jìn)行比較。對(duì)一年內(nèi)有所變化的區(qū)域進(jìn)行初步的判斷，并用多段線進(jìn)行框選，通過(guò)CASS工具欄中的工具進(jìn)行數(shù)據(jù)批量刪減，刪減掉指定區(qū)域外多余的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)開采范圍的初步選取。通過(guò)CASS工具欄里的“建立DTM”功能，進(jìn)行DTM的創(chuàng)建，在生成DTM時(shí)可由圖面高程點(diǎn)生成，并且考慮在構(gòu)建三角網(wǎng)過(guò)程中陡坎與地性線的影響，之后對(duì)得到了三角網(wǎng)進(jìn)行細(xì)部修改，將不合理三角網(wǎng)點(diǎn)刪除，進(jìn)行局部構(gòu)建成網(wǎng)。三角網(wǎng)如圖3所示。最后采用南方CASS 10.1自動(dòng)生成剖面圖，利用平行斷面法計(jì)算。計(jì)算挖方量如圖4所示。

圖2 確定監(jiān)測(cè)范圍

圖3 點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS中顯示

3.2.3 數(shù)據(jù)比較與分析

數(shù)據(jù)a：通過(guò)采石場(chǎng)提供真實(shí)出貨量，該數(shù)值作為真值。

數(shù)據(jù)b：它的兩期數(shù)據(jù)均以地形地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，是通過(guò)本文提出的快速監(jiān)測(cè)方法計(jì)算得到的儲(chǔ)量變化總量。

數(shù)據(jù)c：它是以傳統(tǒng)RTK外業(yè)采集模式，利用CASS計(jì)算石方量變化值。

由圖5所示數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)據(jù)b是采用本文提出的方法快速計(jì)算的石方量變化值與真值之間差距微小。數(shù)據(jù)c的獲取是按照傳統(tǒng)外業(yè)RTK模式，外業(yè)采集高程通過(guò)CASS軟件計(jì)算而來(lái)。實(shí)際作業(yè)中有一定的危險(xiǎn)性。數(shù)據(jù)b數(shù)值為610.79×104m3；數(shù)據(jù)c數(shù)值為661.91×104m3，由(c-b)/b=8.34%，可以看出數(shù)據(jù)b與數(shù)據(jù)c的值之間相差較大，基于本文提出的方法計(jì)算的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)要少了8%，并且數(shù)據(jù)b數(shù)值更接近真值。該組數(shù)據(jù)證明基于本文提出的方法計(jì)算的石方儲(chǔ)量變化結(jié)果要比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果更為全面，更能夠反映出采石場(chǎng)的真實(shí)開采量。

圖4 石方變化量

圖5 數(shù)據(jù)比較圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用廣東省CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供平面坐標(biāo)及高程，且在該地區(qū)信號(hào)穩(wěn)定，固定速度快，精度可行，能省時(shí)省成本省人力。利用拍照型無(wú)人機(jī)快速確定修測(cè)范圍，可避免重復(fù)測(cè)繪，節(jié)省時(shí)間，并獲得直觀的礦山俯視圖給礦山主管部門參考。長(zhǎng)距離免棱鏡全站儀的使用，在外業(yè)觀測(cè)中節(jié)省人力物力，提高工作效率。綜合以上三種設(shè)備融合一套計(jì)算土方量變化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)計(jì)算出石方儲(chǔ)量變化數(shù)值。通過(guò)某礦的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與采石場(chǎng)提供真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了該系統(tǒng)的可靠性與可行性。本文研究是基于露天采礦領(lǐng)域的嘗試，希望這種監(jiān)測(cè)方式可以逐漸走向成熟，并在不久的將來(lái)被生產(chǎn)監(jiān)測(cè)單位所認(rèn)可。