基于數(shù)字化測(cè)量的煤礦測(cè)繪技術(shù)研究

周 慧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同037027）

0 引言

隨著煤礦的不斷開采，同煤集團(tuán)馬脊梁礦的采空區(qū)數(shù)量和面積在不斷增大，礦區(qū)會(huì)出現(xiàn)巖體變形、地面塌陷等災(zāi)害，因此要加強(qiáng)對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)測(cè)量[1]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法在短時(shí)間內(nèi)難以對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)資料進(jìn)行全面的測(cè)量，而數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的測(cè)量成果全面、測(cè)量效率較高、局限性小、且自動(dòng)化程度較高，被廣泛使用；因此，在對(duì)馬脊梁礦的測(cè)量過(guò)程中，要重點(diǎn)研究采用先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方法

對(duì)礦井進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，配合GPS、GIS、PTK等技術(shù)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下地質(zhì)資料的采集，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，運(yùn)用CAD等繪圖軟件將其繪制成圖，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)測(cè)量向數(shù)字化測(cè)量的轉(zhuǎn)變，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要確保測(cè)量信息盡可能準(zhǔn)確，對(duì)出現(xiàn)的誤差要及時(shí)進(jìn)行處理，在提高準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，提升測(cè)量的工作效率。在不斷開采的過(guò)程中，由于地質(zhì)情況越來(lái)越復(fù)雜，信息傳遞不及時(shí)，致使測(cè)量的難度加大，因此，結(jié)合GPS技術(shù)，通過(guò)對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程采用GPS定位進(jìn)行控制，在布設(shè)準(zhǔn)確后，將所有的GPS測(cè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，從而得到測(cè)量的數(shù)據(jù)。還可以配合防爆型全站儀技術(shù)，設(shè)置合理的測(cè)量參數(shù)，使用閉合導(dǎo)線進(jìn)行控制測(cè)量，根據(jù)繪制的草圖，對(duì)車場(chǎng)、邊坡、巷道交叉口等相關(guān)區(qū)域標(biāo)注，確保所設(shè)計(jì)的草圖符合要求，對(duì)井下測(cè)量有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)具體步驟

對(duì)馬脊梁礦使用的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)基本流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)流程圖

2.1 選點(diǎn)布設(shè)

采用GPS對(duì)D、E級(jí)進(jìn)行選點(diǎn)布設(shè)，在三等三角點(diǎn)之間對(duì)D級(jí)布設(shè)點(diǎn)連式和邊連式相結(jié)合的GPS網(wǎng)，每一個(gè)設(shè)點(diǎn)至少連接4條基線，共布設(shè)50個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間的距離約1.5 km。E級(jí)在D級(jí)點(diǎn)布設(shè)的基礎(chǔ)上，布設(shè)點(diǎn)連式的GPS網(wǎng)，兩點(diǎn)之間最多布設(shè)5個(gè)三角形，總邊數(shù)少于8條，共布設(shè)60個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，采用靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量法對(duì)D、E級(jí)布設(shè)平面控制網(wǎng)，以三角形點(diǎn)連接方式為主，邊連接方式為輔。布設(shè)的測(cè)點(diǎn)分布均勻，布設(shè)點(diǎn)的強(qiáng)度較高。

2.2 外業(yè)觀測(cè)

布設(shè)好點(diǎn)后，采用單頻接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中，D級(jí)的觀測(cè)時(shí)間大于60 min，E級(jí)的觀測(cè)時(shí)間大于45 min，每隔10 s采集一次數(shù)據(jù)，同步接收衛(wèi)星大于5顆，高度角在15°以上，單頻接收機(jī)和衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度較高。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用GPS接收機(jī)隨機(jī)軟件對(duì)GPS外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像編輯處理，在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，根據(jù)不同的測(cè)量需要生成相應(yīng)的圖庫(kù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于及時(shí)調(diào)用，同時(shí)要注意分析對(duì)圖像編輯時(shí)，可能存在的問(wèn)題，以提高數(shù)據(jù)精度。采用獨(dú)立基線平差法，檢核GPS網(wǎng)的內(nèi)部精度是否符合要求，在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行無(wú)約束平差，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，沒(méi)有剔除任何基線向量，在基準(zhǔn)點(diǎn)的約束下進(jìn)行二維約束平差，提供各測(cè)點(diǎn)在高斯平面上的坐標(biāo)系坐標(biāo)和高程系高，其中，D級(jí)GPS網(wǎng)共6個(gè)高程起算點(diǎn)，平差精度見表1所示。

表1 GPS網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)

為了使每千米投影長(zhǎng)度的變形值小于0.25 m，將測(cè)區(qū)內(nèi)所有邊都投射到3 800 m的高程面上，測(cè)量的起算點(diǎn)是三等三角點(diǎn)350，起算方位是坐標(biāo)系的方位，重新計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，邊長(zhǎng)的投影計(jì)算公式為：

式中：DS為高程面上的邊長(zhǎng)；DG為高斯平面的邊長(zhǎng)；R為測(cè)區(qū)中心的平均曲率變徑；Ym為邊長(zhǎng)兩端點(diǎn)的橫坐標(biāo)中數(shù)；H為平均高程面Hm和高程異常hm之和，取Hm為3 800m，hm為+18.5 m。

根據(jù)計(jì)算出的成果表，按坐標(biāo)進(jìn)行取位，D級(jí)取至0.001 m，E級(jí)取至0.01 m。

2.4 數(shù)字化測(cè)圖

由于測(cè)區(qū)D、E級(jí)的GPS點(diǎn)的密度符合繪圖要求，所以在D、E級(jí)GPS點(diǎn)上直接進(jìn)行測(cè)圖，圖像比例尺為1∶10 000，代碼為G，等高距為2.5 m，采用國(guó)際分幅，經(jīng)差為3′45″,緯差為2′30″,測(cè)點(diǎn)的測(cè)距長(zhǎng)度小于700 m，測(cè)區(qū)內(nèi)的圖幅均為地形草圖，使用全站儀采集地形的三維坐標(biāo)并進(jìn)行存儲(chǔ)，傳輸?shù)诫娔X上編輯成圖。通過(guò)對(duì)馬脊梁礦測(cè)區(qū)1∶5 000的內(nèi)外業(yè)數(shù)字化測(cè)量，使得各級(jí)的控制網(wǎng)成果精度優(yōu)于傳統(tǒng)的成圖效果。

3 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)過(guò)程分析

將數(shù)字化測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在煤礦的地質(zhì)測(cè)量中，能很好地對(duì)井下地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化精準(zhǔn)測(cè)量，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)使用的前提是全面可靠的原始數(shù)據(jù)，在構(gòu)建的過(guò)程中，借助點(diǎn)測(cè)量和邊測(cè)量等方式來(lái)得到數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建地表模型，通過(guò)特殊的連線技術(shù)，連接各個(gè)不同的點(diǎn)，構(gòu)成數(shù)字化模型，便于現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。其中，最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)矢量信息是如何準(zhǔn)確獲得有效的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)情況的評(píng)估，在具體測(cè)量時(shí)，要先構(gòu)建坐標(biāo)系，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)記，確保矢量數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像數(shù)據(jù)庫(kù)盡可能完整，然后對(duì)圖像進(jìn)行編輯和處理，將煤礦各區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境制成相應(yīng)的圖像，最后要進(jìn)行誤差校驗(yàn)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行修正，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為井下開采提供精準(zhǔn)可靠信息。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量效率低、局限性大等問(wèn)題，采用先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方法，從數(shù)字化測(cè)量技術(shù)入手，結(jié)合GPS測(cè)點(diǎn)定位技術(shù)和全站儀采集技術(shù)，根據(jù)煤礦測(cè)量工程實(shí)例，分析數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的具體使用步驟，并對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行分析，得到如下結(jié)果：

1）采用全站儀進(jìn)行自動(dòng)三維坐標(biāo)采集，在業(yè)內(nèi)處理數(shù)據(jù)的同時(shí)可以兼顧外業(yè)的測(cè)量精度，大大降低了誤差，減少了測(cè)量人員，縮短了測(cè)量實(shí)際。

2）通過(guò)對(duì)馬脊梁礦內(nèi)外業(yè)的數(shù)字化測(cè)量，結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果符合相關(guān)規(guī)程要求，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為煤礦井下開采提供準(zhǔn)確的信息，對(duì)井下測(cè)量有一定的應(yīng)用價(jià)值。