現(xiàn)代測繪技術(shù)在礦井中的應(yīng)用探析

高艷蕓(山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司,山西 晉城048019)

1 前言

隨著礦井生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升,現(xiàn)代化測繪技術(shù)在礦井測量中逐漸廣泛[1]。現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)階段快速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)等密切相關(guān)[2]。GPS、全站儀以及慣性測量系統(tǒng)等較為先進(jìn)的測量技術(shù)、測量設(shè)備涌現(xiàn)并在礦井中大范圍推廣應(yīng)用,為礦井測量工作高效開展創(chuàng)造了良好條件[3-4]。為了更好的促進(jìn)現(xiàn)代測繪技術(shù)在礦井測繪中應(yīng)用,文中就對以全站儀、空間信息技術(shù)、慣性測量技術(shù)以及懸掛羅盤測量技術(shù)為代表的現(xiàn)代測繪技術(shù)在礦井中應(yīng)用情況進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 現(xiàn)代測繪技術(shù)概述

礦井測繪技術(shù)是一項包含勘探學(xué)、地質(zhì)學(xué)、測量等學(xué)科的綜合性技術(shù),礦井測繪工作是礦井煤炭資源開采的必備前提條件及重要環(huán)節(jié),測繪結(jié)果為煤炭資源探測、礦井持續(xù)運(yùn)營、采區(qū)及巷道布置等工作開展提供資料支撐[5]?，F(xiàn)階段礦井測繪工作主要對礦區(qū)地貌、采掘工作開展、井下采掘環(huán)境地質(zhì)參數(shù)以及煤炭資源賦存規(guī)模等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)測量,并根據(jù)測量結(jié)果繪制采掘工作平面圖、地形圖等圖件。測繪工作高效開展可提升礦井煤炭資源開采效率,并降低煤炭開采成本,對提升礦井經(jīng)濟(jì)效益有顯著的促進(jìn)作用。隨著礦井測繪技術(shù)不斷發(fā)展現(xiàn)階段已基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化采集,數(shù)據(jù)傳輸方式也向多樣化方向發(fā)展?，F(xiàn)代測繪技術(shù)由于具備較強(qiáng)的抗干擾能力及適應(yīng)性,在礦井中應(yīng)用、推廣速度加快,從而大幅度提升礦井測繪精度及測繪效率[6-8]。

3 現(xiàn)代測繪技術(shù)在礦井的應(yīng)用

3.1 全站儀在礦井測繪中應(yīng)用

1)全站儀測繪技術(shù)概述

全站儀集電學(xué)技術(shù)以及光學(xué)技術(shù),是現(xiàn)階段礦井測量工作中應(yīng)用最為廣泛的測繪設(shè)備,具體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。全站儀主要通過光電掃描度盤自動對記錄、存儲、顯示測繪結(jié)果,整個測量工作較為簡單、測量精度高。在全站儀內(nèi)部嵌入有測量軟件,通過簡化測量程序即可有效提升測量效率及精度。在礦井實際測量過程中通過布置全站儀即可獲取垂直角、水平角、高差、距離(平距、斜距)等參數(shù)。

圖1 全站儀結(jié)構(gòu)示意圖

2)全站儀在礦井應(yīng)用情況

通過布置全站儀即可獲取眾多測量參數(shù)且可將測量結(jié)果直接以數(shù)字形式顯示,通過內(nèi)部嵌入的軟件即可分析、處理測量獲取到的參數(shù),具有操作簡便、測量結(jié)果穩(wěn)定以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。在礦井測繪中通過全站儀可構(gòu)建覆蓋全礦的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理系統(tǒng)。全站儀不僅可適應(yīng)井下煤巖采掘測量工作而且可對礦區(qū)采空區(qū)地表變形、地形進(jìn)行測量。礦井通過采用全站儀可大幅降低測量人員勞動強(qiáng)度及數(shù)據(jù)處理工作量,在礦井測量工作中具有顯著優(yōu)勢。例如,中國礦業(yè)大學(xué)賀清清、張杰等對礦井連續(xù)搬運(yùn)條件下全站儀誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,為了提高全站儀測量精度建立井下陀螺定向中誤差與搬運(yùn)距離高相關(guān)性擬合方程,預(yù)測該陀螺全站儀連續(xù)搬運(yùn)距離限制,研究成果可在一定程度上豐富全站儀在礦井中應(yīng)用。

3.2 空間信息測量技術(shù)

空間信息技術(shù)是融合RS 技術(shù)(遙感技術(shù)/空間集成技術(shù))、GPS 技術(shù)(全球定位技術(shù))以及GIS 技術(shù)(地理信息技術(shù))等一種綜合測繪技術(shù),該技術(shù)是現(xiàn)代化礦井測繪主要發(fā)展方向。RS 技術(shù)包括衛(wèi)星遙感以及航空遙感兩大部分,采用遙感技術(shù)后可對獲取到的表面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理;GPS 技術(shù)在礦井測繪中可實現(xiàn)24 h 不間斷測量,具有測量靈活、精度高等優(yōu)點,GPS 技術(shù)在礦井測繪、工程測量以及導(dǎo)航等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)的測繪技術(shù),GPS 可對礦山任意點位進(jìn)行測量,且可進(jìn)行三維定位,對礦井測量數(shù)據(jù)處理以及提升測繪精度等均有一定的促進(jìn)作用。GIS 可實現(xiàn)對空間地理數(shù)據(jù)獲取、計算及分析,將GIS 技術(shù)與GPS 技術(shù)相融合可實現(xiàn)對礦井開采時出現(xiàn)的測量工作進(jìn)行檢測,并對開采引起的地表巖層滑移角、地表沉陷等數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控,根據(jù)已有測量成果并結(jié)合GPS 測量精度,利用GIS 構(gòu)建分析模型即可對測量獲取到的空間地理信息進(jìn)行高效處理、整合,從而大幅簡化測量工作并提升測量精度。例如,同煤集團(tuán)張麗霞等采用GPS-RTK 技術(shù)對馬脊梁礦礦區(qū)沉降監(jiān)測進(jìn)行監(jiān)測,并將監(jiān)測結(jié)果與全站儀的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)上述兩種方式測量結(jié)果間存在高度的一致性,GPS-RTK 技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。具體測量誤差見表1。

表1 GPS 測量標(biāo)準(zhǔn)誤差表

3.3 慣性測量技術(shù)

慣性測量技術(shù)是采用導(dǎo)向定位技術(shù)獲取礦井測量數(shù)據(jù),該技術(shù)具有多樣性、自主性等特點,為礦井測量工作開展提供全性能、自動化技術(shù)支撐。礦井采用的慣性測量技術(shù)涉及到的系統(tǒng)主要有便捷式系統(tǒng)以及平臺式系統(tǒng),將慣性測量技術(shù)與GPS 技術(shù)相結(jié)合可形成新的測量系統(tǒng),充分發(fā)揮兩種技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)高度精度測繪以及定位,高效對獲取到的礦井測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。慣性測量技術(shù)在礦井實際測量應(yīng)用中主要用以井下測量工作。例如,山東科技大學(xué)提出綜合使用慣性測量和三維激光技術(shù)對深部開采礦井井筒變形情況進(jìn)行測定、評價;山東理工大學(xué)王瑋等獎慣性測量技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下移動車輛定位中并進(jìn)行現(xiàn)場試驗,結(jié)果表明,利用慣性測量技術(shù)能夠?qū)σ苿榆囕v姿態(tài)進(jìn)行有效跟蹤,在運(yùn)動狀態(tài)估計輔助下能有效降低煤礦移動車輛累計位置誤差。上述應(yīng)用實例為其他礦井慣性測量技術(shù)推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗借鑒,并在一定程度上豐富了慣性測量技術(shù)應(yīng)用范圍。

3.4 懸掛羅盤測量技術(shù)

懸掛羅盤測量技術(shù)由于采用的測量設(shè)備體積小、攜帶方便且便于操作等特點,同時相互鄰近的各個測點間無聯(lián)系,因此在狹小空間測量環(huán)境中具有較大技術(shù)優(yōu)勢。懸掛羅盤測量技術(shù)特別適應(yīng)井下空間狹小環(huán)境,是現(xiàn)階段礦井測量工作中常用測量技術(shù)。懸掛羅盤在礦井測量工作應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)守測量作業(yè)要求,從而提升測量精度。在礦井測量是可采用下述操作提升測量效果。

1)基本數(shù)據(jù)測量及計算分析

通過綜合懸掛羅盤測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)可對礦井井下傾斜長度、傾斜角度以及方位角等參數(shù)進(jìn)行測量,從而計算出測量所需的坐標(biāo)值、高程等參數(shù)。

2)轉(zhuǎn)化測量坐標(biāo)

為了便于測量數(shù)據(jù)分析計算,應(yīng)采用測量坐標(biāo)換算公式將懸掛羅盤測量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的平面坐標(biāo)。

3)最初磁方位角測量

礦井測繪時可通過“磁方位角=坐標(biāo)方位角+改正角”這一計算公式,獲取最初磁方位角。

3.5 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)采用遙控遠(yuǎn)程控制即可實現(xiàn)測量工作,與常規(guī)的測量技術(shù)最大區(qū)別在于不需要測量人員去測量點即可實現(xiàn)測量。三維激光掃描技術(shù)是采用激光發(fā)射點對礦井測量區(qū)域進(jìn)行掃描,根據(jù)激光反饋結(jié)果構(gòu)建三維測量模型,實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量工作。三維激光掃描技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力、操作便捷以及測量精度高等提點。在礦井采用三維激光掃描工作可大幅提升測量效率,極大的降低測量成本以及測量人員勞動強(qiáng)度,三維激光掃描技術(shù)已成為礦井測量發(fā)展中重要的測量技術(shù)。例如,冬瓜山銅礦采用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建礦井采空區(qū)、溜井三維地質(zhì)測量模型,為礦井安全生產(chǎn)工作開展提供了可靠數(shù)據(jù)支撐;部分礦井采用三維激光掃描技術(shù)對采空塌陷區(qū)變形、回采巷道變形等進(jìn)行監(jiān)測,有效提升了測量精度以及測量效率。

3.6 其他測繪新技術(shù)

在礦井測繪工作開展中其他的測繪新技術(shù)以及新設(shè)備包括有激光指向儀、陀螺經(jīng)緯儀、數(shù)字式水準(zhǔn)儀等。上述新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用單獨(dú)或者綜合運(yùn)用均可在一定程度上提升礦井測繪效率以及精度。同時隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,更為便捷的測繪技術(shù)在不斷涌現(xiàn),將現(xiàn)代化測繪技術(shù)在礦井測繪中應(yīng)用勢必會在提升礦井現(xiàn)代化水平,為智慧礦井建設(shè)提供可靠測繪數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

隨著礦井自動化以及智能化建設(shè)的不斷推進(jìn),傳統(tǒng)的礦井測繪技術(shù)已經(jīng)不能滿足煤炭資源探測、礦井建設(shè)以及煤炭回采需要。將現(xiàn)代化測繪技術(shù)應(yīng)用到礦井生產(chǎn)中,為礦井生產(chǎn)提供可靠、便捷的測繪成果,可在一定程度上提升礦井現(xiàn)代化建設(shè)水平以及礦井生產(chǎn)效率。

在礦井測繪中通過采用空間信息技術(shù)可實現(xiàn)對測繪獲取到的空間地質(zhì)信息進(jìn)行更為便捷的處理、分析,有助于促進(jìn)礦井測繪工作效率;依據(jù)全站儀工作特點,并結(jié)合空間信息技術(shù)構(gòu)建礦井三維地質(zhì)模型,且能夠?qū)崿F(xiàn)對測繪數(shù)據(jù)自動采集、傳輸以及分析,為構(gòu)建新型的礦井測繪系統(tǒng)提供支撐。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到礦井測繪中,可實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控測量,大幅降低測繪人員勞動強(qiáng)度、測繪成本以及顯著提升礦井測繪效率。

在礦井測繪中通過采用現(xiàn)代測繪技術(shù)勢必會改善礦井測繪工作現(xiàn)狀,為構(gòu)建智能化礦井提供可靠支撐。