基于全站儀的礦山沉降測繪方案優(yōu)化研究

李雄飛

冀中能源股份有限公司邢臺(tái)礦地質(zhì)測量科 河北邢臺(tái) 054001

為了提高礦山生產(chǎn)質(zhì)量及其安全性，需要定期監(jiān)測礦山地表沉降情況，并按照監(jiān)測結(jié)果制定控制方案，以滿足綜采需求。當(dāng)前礦山區(qū)域沉降測繪通過水準(zhǔn)儀監(jiān)測地表監(jiān)測點(diǎn)的水平和豎直位移量，這種測量方案盡管精確度較高，但是可監(jiān)測范圍比較小，無法全面檢測整個(gè)礦區(qū)沉降情況，難以滿足當(dāng)前礦山的高效、精確監(jiān)測需求，由此提出了全站儀測繪方案，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方案建立三維模型，對比不同測量方案測繪數(shù)據(jù)，對礦山沉降測繪精度、測量偏差進(jìn)行精確，提高測繪效率，以滿足礦山對測繪的高精度需求。本研究方案可以提高礦山沉降測量效率、精度，其應(yīng)用具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和安全保障作用。

1 全站儀概述

全站儀在測量時(shí)，使用測距儀測量距離，使用經(jīng)緯儀測量角度，使用計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)對測量所得的精確數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。全站儀主要包括手機(jī)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、工程放樣和記錄傳輸坐標(biāo)數(shù)據(jù)等功能。全站儀的測距模式包括精測、粗側(cè)以及跟蹤測量三種模式，需要根據(jù)具體測量要求進(jìn)行科學(xué)選擇測量模式。隨著全站儀的發(fā)展，測距模式增加了棱鏡、免棱鏡這兩種測量功能，同時(shí)也具有紅外可見光測量功能，被廣泛應(yīng)用在礦山測量中。

2 全站儀礦山沉降測繪分析

為提高礦山沉降測量精確度，測量時(shí)需要選擇新型三維激光掃描全站儀，其融合了自動(dòng)定位測量以及激光云掃描，不僅能夠根據(jù)傳統(tǒng)方案先修正存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，并利用互聯(lián)網(wǎng)處理拼接數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)處理[1]。這種傳感器掃描范圍可以擴(kuò)大到2km范圍內(nèi)，掃描速度也能夠達(dá)到妹妹1200點(diǎn)，掃描距離、速度、精度可以達(dá)到有機(jī)統(tǒng)一，見圖1為激光掃描儀結(jié)構(gòu)。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

基于煤礦沉降監(jiān)測要求，在測量范圍內(nèi)設(shè)置三個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)，其中，第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位于礦山和運(yùn)輸?shù)缆方徊媛房?，以便?shí)現(xiàn)聯(lián)測控制，其余兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在林基恩測量區(qū)域的未沉降山體處，以便架設(shè)設(shè)備，開展測量工作[2]。三個(gè)測量點(diǎn)間都設(shè)置了礦山沉降監(jiān)測線，其上每個(gè)20m分別設(shè)置了一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，順著工作面沿路監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置共有10個(gè)，從H1到H10，順著沉降的傾斜方向共有監(jiān)測點(diǎn)為12個(gè)，從Z1到Z12，為了能夠統(tǒng)一礦山沉降測繪精度，提高測量效率，分分別設(shè)計(jì)了兩種測量方案，分別為區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外兩種掃描測量方案。

3 全站儀礦山沉降測繪方案優(yōu)化

為提高全站儀的測量精度，需要對其測量方案進(jìn)行優(yōu)化。首先，針對復(fù)雜的測量環(huán)境、不同人員的專業(yè)差異等導(dǎo)致的測量結(jié)果差異，測量部門需要對測量方案進(jìn)行科學(xué)規(guī)范，測量時(shí)要先設(shè)置高級(jí)導(dǎo)線，再設(shè)置低級(jí)導(dǎo)線，通過高級(jí)導(dǎo)線調(diào)整低級(jí)導(dǎo)線，并采取多網(wǎng)交叉方式布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)，縮小橫向測量偏差[3]。其次，根據(jù)礦山情況使用全站儀設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)而對井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行測量。最后，測量時(shí)需要盡量減少人員影響測量結(jié)果，通過計(jì)算多次測量平均值和盤左、盤右測量平均值，根據(jù)其測量結(jié)果盡量減少測量人員的影響。

3.1 區(qū)域掃描測量

（1）區(qū)域內(nèi)掃描測量。該測量方案是通過在礦山沉降區(qū)域利用全站儀來布設(shè)自由測量點(diǎn)，之后對基準(zhǔn)點(diǎn)1、2、3分別進(jìn)行測量。掃描測量時(shí)同時(shí)使用水準(zhǔn)儀來測量檢測區(qū)各測點(diǎn)水準(zhǔn)情況，使用全站儀補(bǔ)充測量數(shù)據(jù)。該方案應(yīng)用時(shí)，每次測量都能夠在沉降量明顯區(qū)域設(shè)置測點(diǎn)，同時(shí)能夠增加測量設(shè)置密度，使各測點(diǎn)測繪距離能夠處于200m范圍內(nèi)，以保證沉降區(qū)更加精確[4]。例如對P1、K1和K2這三個(gè)測點(diǎn)間的距離測量，各點(diǎn)測線標(biāo)志為S1、S2、S3，測量得到，區(qū)域內(nèi)掃描測量可以滿足測量江都處于10mm范圍內(nèi)測量精度要求，測量的精確度較高，所得結(jié)果也更比較穩(wěn)定。

（2）區(qū)域外掃描測量。該測量方案是根據(jù)沉降區(qū)外控制點(diǎn)進(jìn)行掃描測量。激光掃描全站儀根據(jù)設(shè)置的第二個(gè)和第三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通過后視定向，之后從外側(cè)沉降變形掃描區(qū)域內(nèi)[5]。通過該方案可以掃描監(jiān)測相對全面的沉降區(qū)域，并通過云聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理。因?yàn)閽呙璺秶^大，間距較遠(yuǎn)，因此實(shí)際測量的精度也會(huì)被影響。第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和第二個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間設(shè)置的沉降監(jiān)測點(diǎn)有12個(gè)，第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與沉降監(jiān)測點(diǎn)間距最短是210m，最大是390m，第二個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與沉降監(jiān)測點(diǎn)間距最短是270m，最大是397m。這幾個(gè)點(diǎn)上均布設(shè)了激光靶標(biāo)，以便采用激光掃描儀來實(shí)行掃描測量。見表1。

表1 對比掃描結(jié)果

根據(jù)測量結(jié)果得到，激光掃描儀測量江都和距離呈反比例關(guān)系，也就是距離越近，掃描的精度也就更高[6]。在掃描距離達(dá)到210m時(shí)，測量精度可以達(dá)到11mm，二者偏差過大不滿足礦山沉降測量精確要求?？傊瑓^(qū)域外掃描測方案不適合本礦山沉降精確測量中。

3.2 數(shù)據(jù)修正處理

全站儀掃描完成之后，利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)點(diǎn)傳給云系統(tǒng)實(shí)行濾波降噪處理，之后根據(jù)數(shù)字模擬建模和分析軟件了對比分析各點(diǎn)位測量數(shù)據(jù)。對比分析數(shù)據(jù)時(shí)，按照礦山所在地情況來修正處理數(shù)據(jù)，盡量降低測量區(qū)域內(nèi)受到植被覆蓋的影響。測量數(shù)據(jù)在三維云數(shù)據(jù)處理之后轉(zhuǎn)化成疊加分析云圖[7]。通過分析礦山全站儀沉降測繪方案，測試時(shí)的偏差最大是-16.2mm，最小是3.4mm，整體偏差在±7.1mm，以保證礦山測量精度。

該方案相對于水準(zhǔn)儀測量礦山沉降效率高出50%，同時(shí)可以確保測量精確度能夠滿足要求，對煤礦測繪信息和水平提高具有重要作用。當(dāng)前，通過該方案在礦山進(jìn)行反復(fù)沉降測量，保障了礦山災(zāi)害預(yù)防以及沉降處理水平。

4 全站儀礦山沉降測繪具體應(yīng)用

以某礦區(qū)工程為例，通過地表埋樁法監(jiān)測該礦山邊坡垂直位移，并在影響區(qū)域外布設(shè)固定貫徹點(diǎn)，利用高精度測量儀對邊坡煙氣位移情況進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)過長期周期貫徹了解沉降變化，判斷礦山穩(wěn)定度。

首先，構(gòu)建基準(zhǔn)網(wǎng)。根據(jù)影響因素、礦山沉降需求在穩(wěn)定地層上監(jiān)理監(jiān)測基點(diǎn)，按照精度要求設(shè)計(jì)基準(zhǔn)網(wǎng)，通過GPS控制器符合C級(jí)網(wǎng)要求。

其次，通過三角高程測量來檢測測點(diǎn)垂直位移，根據(jù)當(dāng)前礦山地形情況使用單向觀測法來進(jìn)行沉降測量，也就是在已知高程點(diǎn)上安裝儀器，測站與沉降測點(diǎn)間距、垂直角和儀器高、艦高，計(jì)算彼此高差[8]。通過三角高程單向觀測法來監(jiān)測礦山沉降現(xiàn)象，需要盡量降低誤差。因此，實(shí)際測量時(shí)，利用全站儀盡可能的減少測量距離，縮小測距誤差，并嚴(yán)格遵循三角高程測量對各測點(diǎn)進(jìn)行觀測，降低大氣折射誤差。根據(jù)上述誤差因素，采用全站儀的精確要求進(jìn)行測量，測量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。全站儀測量機(jī)器人實(shí)行全自動(dòng)觀測，當(dāng)前兩側(cè)站在同時(shí)段測量同一點(diǎn)，縮小點(diǎn)位高程誤差，多各點(diǎn)進(jìn)行精度測量，按照精度指標(biāo)的規(guī)范要求控制好測量誤差?？傊?，監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間距最好處于900m范圍內(nèi)，垂直角的范圍處于25°范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上選擇監(jiān)測點(diǎn)。

最后，建設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測監(jiān)測點(diǎn)。在建設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，本礦山邊坡地表位移監(jiān)測點(diǎn)在設(shè)計(jì)平面位置時(shí)，先要對監(jiān)測范圍以及可能的滑動(dòng)方向進(jìn)行測量，按照開采過程中的采控破壞情況來監(jiān)測預(yù)警，按照當(dāng)前的礦山地形情況和觀測方式進(jìn)行布設(shè)，根據(jù)主滑動(dòng)方向和滑動(dòng)面范圍對測線進(jìn)行確定，設(shè)置測線，之后再設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，通過誤差分析計(jì)算得到測量基線不超過900m，垂直角不可超過25°，尤其需要加強(qiáng)監(jiān)測滑動(dòng)帶等重點(diǎn)部位。監(jiān)測樁是根據(jù)GPS-RTK放樣，同時(shí)按照限制條件來調(diào)整監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測樁的尺寸和基準(zhǔn)點(diǎn)是一樣的。在測量測量點(diǎn)的垂直位移時(shí)，基于監(jiān)測點(diǎn)以及基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)位澆筑之后的20天后開展首次監(jiān)測，在穩(wěn)定監(jiān)測點(diǎn)后再監(jiān)測。監(jiān)測過程中，先要觀測基準(zhǔn)點(diǎn)高程，通過二等水準(zhǔn)測量使用外圍高級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)引測至基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成閉合水準(zhǔn)路線，通過平差可得監(jiān)測點(diǎn)高程[9]。首次測量數(shù)據(jù)為后續(xù)監(jiān)測提供了標(biāo)準(zhǔn)值，因此首次檢測時(shí)需要開展兩次獨(dú)立測量，每次得到的監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)高程為后續(xù)監(jiān)測提供了高程標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)的每次監(jiān)測中，分別從四個(gè)邊角對監(jiān)測點(diǎn)高程進(jìn)行測量。

此外，基于同等觀測情況計(jì)算誤差。按照變形測量時(shí)垂直位移的測量等級(jí)和精度，所得四等變形監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位中誤差在-2.0mm到2.0m之間，只要符合掃描范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)就是合格。每次測量之后，及時(shí)制定監(jiān)測報(bào)表，其中提供了相應(yīng)的高程，并對比每期監(jiān)測數(shù)據(jù)以及首次測量結(jié)果，對監(jiān)測點(diǎn)的高程變化進(jìn)行可續(xù)分析，同時(shí)用表格形式和折現(xiàn)圖形式表現(xiàn)出來，同時(shí)對其進(jìn)行闡述說明。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前礦山沉降測量的效率、精度和工作強(qiáng)度等與不斷提高的測繪精度以及效率要求不符，要想提高礦山沉降測繪精度和效率，提出了新型測繪方案，本文采用全站儀進(jìn)行礦山沉降測繪，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維數(shù)據(jù)模型，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)提出兩種方案，方案一的測試靈活，能夠隨意確定測點(diǎn)，可以按照礦山地質(zhì)實(shí)際情況來測量，可以滿足測量精度在10mm范圍內(nèi)精度需求，測量質(zhì)量好，且更加穩(wěn)定。而方案二的測量比較簡單，速度快，但是會(huì)產(chǎn)生較大偏差，不滿足精確測量要求。采用全站儀測量方案后，礦山沉降測量效率大大提高，同時(shí)可以確保測量精度符合要求，以便預(yù)防礦山地質(zhì)災(zāi)害，有效處理礦山沉降。