二等水準(zhǔn)測量在礦區(qū)沉降形變監(jiān)測中的應(yīng)用

魏迎國

二等水準(zhǔn)測量具備非常高的精度，并且應(yīng)用簡單，能夠適用于各種控制測量場景。即便在現(xiàn)階段有相關(guān)測量方法能夠代替二等水準(zhǔn)測量，但是其僅作用于某些特定范圍之內(nèi)，并且在精度及穩(wěn)定性方面仍有待提升，因此在當(dāng)下二等水準(zhǔn)測量，仍具備極廣的應(yīng)用范圍和良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。除了常規(guī)的控制測量外，在垂直位移監(jiān)測方面也有著極好的適用性，比如鐵路線路建沉降監(jiān)測、深基坑施工監(jiān)測等等。雖然二等水準(zhǔn)測量在沉降觀測中的效率與當(dāng)下先進(jìn)代替方法相比相對(duì)較低，但是由于其的穩(wěn)定性及精度優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)下大型以及大范圍沉降監(jiān)測中仍得到了廣泛應(yīng)用。特別是在現(xiàn)階段礦業(yè)開采中，由于礦山開采會(huì)對(duì)地層山體結(jié)構(gòu)等造成破壞，進(jìn)而引發(fā)上覆巖層彎曲、邊坡滑塌破碎等等問題，所以就需要通過二等水準(zhǔn)測量來動(dòng)態(tài)監(jiān)測礦區(qū)內(nèi)容易出現(xiàn)形變、沉降的區(qū)域，及時(shí)掌握沉降形變程度，進(jìn)而采取有效的防護(hù)和處理措施，確保礦山開采的安全穩(wěn)定，降低各種安全事故風(fēng)險(xiǎn)。因此，做好二等水準(zhǔn)測量技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷提高測量精度，降低測量誤差，對(duì)于礦區(qū)開采和礦業(yè)發(fā)展有著非常重要的意義和作用。

1 礦區(qū)精密二等水準(zhǔn)測量的主要方式

精密二等水準(zhǔn)測量是經(jīng)過國家測繪信息局確認(rèn)的，適用于礦區(qū)測量測繪的標(biāo)準(zhǔn)測量技術(shù)。通過精密二等水準(zhǔn)測量能夠全方位的測量礦區(qū)以及周邊范圍的地形地殼信息數(shù)據(jù)，作為礦區(qū)開采生產(chǎn)提供參考和依據(jù)。在具體測量中常用工具為精密水準(zhǔn)測量儀，測量人員需要將數(shù)字水準(zhǔn)儀設(shè)置在相應(yīng)的測繪地點(diǎn)，在經(jīng)陽光照射后，編碼標(biāo)尺經(jīng)陽光反射就可以成像，然后就能夠呈現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡分劃板上，測繪人員就可以直接觀察相應(yīng)的數(shù)據(jù)和信息。同時(shí)還有部分光束會(huì)在分光鏡的作用下將光速傳輸?shù)紺CD傳感器中，經(jīng)過進(jìn)一步的光電轉(zhuǎn)換及整形，就可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到了數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過微處理器處理后，就可以保存在儲(chǔ)存端。最后通過與數(shù)字水準(zhǔn)儀中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的比對(duì)、轉(zhuǎn)換就可以得到具體的測量數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握測量區(qū)域的高度和水平距離。

2 二等水準(zhǔn)測量在礦區(qū)沉降變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

某礦區(qū)整體屬于丘陵地貌，整個(gè)礦區(qū)地勢(shì)地形變化復(fù)雜，東北方地勢(shì)相對(duì)較高，西南方地勢(shì)相對(duì)較低，同時(shí)在礦區(qū)內(nèi)還存在一條自北向南的河流。在長期開采過程中，礦區(qū)內(nèi)的開采空洞非常多，對(duì)地面地層結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞，沉降形變問題較為嚴(yán)重。為了有效掌握礦區(qū)沉降情況，更好指導(dǎo)礦山開采工作的開展，確保生產(chǎn)安全，以二等水準(zhǔn)測量來作為沉降監(jiān)測方法。

2.2 監(jiān)測方法概述

以1985國家高程基準(zhǔn)為本次測量的高程基準(zhǔn)，主要設(shè)備為數(shù)位數(shù)字水準(zhǔn)儀。礦區(qū)內(nèi)共設(shè)置了42個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，經(jīng)過常年檢測積累了大量高程數(shù)據(jù)，通過對(duì)比這些數(shù)據(jù)來掌握礦區(qū)各個(gè)區(qū)域的沉降規(guī)律及沉降量等相關(guān)信息。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，數(shù)字水準(zhǔn)儀在使用前必須按照既定的流程進(jìn)行校對(duì)檢核，并驗(yàn)證測量當(dāng)天的氣候等相關(guān)條件，只有符合測量測繪標(biāo)準(zhǔn)才可進(jìn)行觀測測量，如果存在超差監(jiān)測情況，則需要及時(shí)開展重測或補(bǔ)測。水準(zhǔn)儀在測量前需要先通過儀器自帶i角程序自測，并進(jìn)行儲(chǔ)存。如果測得的i角結(jié)果和上一次結(jié)果間的誤差超過3″，則需要重測校對(duì)，只有i角誤差在既定范圍內(nèi)才可開展正式測量。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)位選擇

二等水準(zhǔn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與水準(zhǔn)點(diǎn)位置直接相關(guān)，從穩(wěn)定性要求考慮水準(zhǔn)點(diǎn)所處于的位置地基必須足夠穩(wěn)定，存在沉降的區(qū)域一般不設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，以免沉降過大而造成監(jiān)測誤差。與此同時(shí)，水準(zhǔn)點(diǎn)所處區(qū)域還需要具有足夠開闊的視野，并且便于保存。比如對(duì)于基巖水準(zhǔn)點(diǎn)，一般需要設(shè)置在基巖路頭或者高架橋墩等位置。監(jiān)測點(diǎn)必須均勻設(shè)置在待測量區(qū)域范圍內(nèi)，這樣才能夠?qū)φ麄€(gè)沉降區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面準(zhǔn)確的檢測，進(jìn)而得到相應(yīng)的沉降形變規(guī)律。在具體測量點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置中，起始點(diǎn)和檢核點(diǎn)需要從已知的高程點(diǎn)中進(jìn)行選擇，在本次項(xiàng)目中綜合考慮整個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)地貌和植被情況，水準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)分別有16個(gè)和26個(gè)。

2.4 外業(yè)觀測

本次測量方法為往返觀測，對(duì)于同一地區(qū)必須采用同樣的儀器設(shè)備進(jìn)行往返測。長測量段則需要合力對(duì)其進(jìn)行分段，每段約在20km～30km之間，然后再有序進(jìn)行區(qū)段往返測繪。結(jié)合具體的路線和地質(zhì)情況，轉(zhuǎn)點(diǎn)尺承必須設(shè)置超過4個(gè)以上的尺樁，同時(shí)對(duì)于特殊地段，則需要采用大帽釘為尺承。往、返測奇數(shù)站和偶數(shù)站的照準(zhǔn)標(biāo)尺順序是不同的，前者為后、前、前、后者為：前、后、后、前。

觀測間隙需要結(jié)束在水準(zhǔn)點(diǎn)，如果無法實(shí)現(xiàn)，則需要在最后一站選擇兩個(gè)固定點(diǎn)為間歇點(diǎn)，固定點(diǎn)的要求為穩(wěn)定、光滑，能夠滿足標(biāo)尺放置要求。在間歇結(jié)束后，再檢測間歇點(diǎn)，對(duì)任意兩尺承點(diǎn)間歇前后高差進(jìn)行測量比對(duì)。同時(shí)在觀測中對(duì)于其他相關(guān)要求也必須進(jìn)行規(guī)范執(zhí)行，以此來獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，比如成果取舍、觀測時(shí)段、限差等方面的要求和標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)字水準(zhǔn)儀在完成測量后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入，然后再通過處理軟件自動(dòng)生成相應(yīng)的測量報(bào)表。在數(shù)據(jù)處理中按照公示儀來計(jì)算水準(zhǔn)，測量的偶然誤差，Δ為測段往返測高差不符值，單位mm；R為測段長度，單位km；n為測段數(shù)。

在本項(xiàng)目中經(jīng)計(jì)算可知東西和南北兩個(gè)方向閉合水準(zhǔn)路線的測量偶然誤差分別為±0.59mm和±0.5mm。

2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

2.6.1 監(jiān)測結(jié)果

本次研究主要將2017年～2020年間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總，由于整體數(shù)據(jù)量較大，所以僅選擇了其中部分?jǐn)?shù)據(jù)，2017年～2020年各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別為T1：129.875、129.863、

129.839、129.841；T2：42.490、42.493、42.495、42.489；C1：127.631、127.635、127.634、127.630；C2：127.732、127.730、127.735、127.734；C3：115.610、115.620、115.623、115.622；C4：115.304、115.314、115.309、115.308。其中T和C則代表了已知點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)。

2.6.2 研究區(qū)沉降規(guī)律分析

由于本次研究的時(shí)間跨度較長，并且個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)也出現(xiàn)了損壞問題，為了確保監(jiān)測精度，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并未統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)損壞的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，只統(tǒng)計(jì)了正常監(jiān)測點(diǎn)，共有38個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)來開展沉降規(guī)律的分析研究。將T1和T2兩個(gè)點(diǎn)作為起始值開展坐標(biāo)換算，將自定義的坐標(biāo)按照相應(yīng)既定流程換算為統(tǒng)一坐標(biāo)，分析各年中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后分析各個(gè)時(shí)間段內(nèi)地表沉降的規(guī)律。

通過分析研究可知在2017年～2020年之間，中東區(qū)域的沉降存款最為嚴(yán)重，并且部分區(qū)域出現(xiàn)了漏斗狀，說明該區(qū)域的巖層應(yīng)力變化非常大，該區(qū)域在2017年前已經(jīng)有著較大面積的開采空洞，但是每年的沉降速率變化并不大，分析其原因可能是原有被打破的應(yīng)力平衡在經(jīng)過自然變化后，又重新形成了平衡；但是在此之后所產(chǎn)生的開采空洞區(qū)，雖然沉降量小，但是與以往的產(chǎn)業(yè)速率相比，卻有了較大的提升，表明該區(qū)域被打破的應(yīng)力平衡正在逐漸向新的平衡狀況發(fā)展。綜合統(tǒng)計(jì)整個(gè)區(qū)域沉降量，最大和最小沉降量分別為52mm和3mm，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)沉降量具體分為4個(gè)層級(jí)，＞50mm、30mm～50mm、10mm～30mm和0mm～10mm，上述各個(gè)層級(jí)在總沉降面積中的比例為1.20%、10.80%、20.70%和67.30%。由上可知，整個(gè)礦區(qū)的沉降形變情況相對(duì)較小，地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，但是在部分區(qū)域也存在嚴(yán)重沉降風(fēng)險(xiǎn)，所以在日常礦山開采中，需要加強(qiáng)對(duì)塌陷預(yù)防等情況的分析處理，及時(shí)回填巷道和采空區(qū)，避免冒頂?shù)劝踩珕栴}的出現(xiàn)。

3 二等水準(zhǔn)測量在應(yīng)用中的誤差分析

3.1 水準(zhǔn)儀誤差分析

測量工作必須建立在相應(yīng)測量儀器設(shè)備的基礎(chǔ)之上，尤其在二等水準(zhǔn)測量中測量精度要求極高。如果測量儀器存在運(yùn)行異常必然會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果失真或者準(zhǔn)確度降低。其中，最為關(guān)鍵的就是水準(zhǔn)儀，在測量前如果沒有做好水準(zhǔn)儀i角的校對(duì)，與既定誤差范圍要求不相符，必然會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果失真。水準(zhǔn)儀i角指的是在測量中儀器視準(zhǔn)與水準(zhǔn)在不同水平面的夾角。即便在測量公司開始前，提前校正水準(zhǔn)儀i角，也會(huì)引起誤差。測量儀器誤差的出現(xiàn)會(huì)降低測量工作的效率，直接影響礦山沉降監(jiān)測工作的開展，所以在二等水準(zhǔn)測量中，必須充分重視對(duì)水準(zhǔn)儀誤差的分析和消除。

3.2 水準(zhǔn)尺誤差分析

水準(zhǔn)尺在測量工作中主要負(fù)責(zé)檢測儀器的水平面，其在二等水準(zhǔn)測量中也極其關(guān)鍵，水準(zhǔn)尺誤差必然會(huì)降低二等水準(zhǔn)測量工作的質(zhì)量。而導(dǎo)致水準(zhǔn)尺誤差的原因多數(shù)由于在制作水準(zhǔn)尺時(shí)存在工藝問題，水準(zhǔn)尺讀數(shù)在使用中無法準(zhǔn)確歸零，該誤差也就被稱之為零點(diǎn)差。零點(diǎn)差對(duì)二等水準(zhǔn)測量的影響是非常大的，零點(diǎn)差過大會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真，精度顯著降低。

3.3 調(diào)焦誤差分析

儀器加工誤差也是影響二等水準(zhǔn)測量結(jié)果精度的主要誤差因素之一，其中最為常見的就為調(diào)焦誤差，該誤差會(huì)降低光螺旋調(diào)焦二道的精度。因?yàn)樵谠撜`差的影響下，光透鏡中光的運(yùn)動(dòng)難以保持直線，這就會(huì)導(dǎo)致視準(zhǔn)軸出現(xiàn)變化，進(jìn)而就會(huì)影響水準(zhǔn)尺讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

3.4 外界環(huán)境誤差

二等水準(zhǔn)測量受環(huán)境因素的影響也相對(duì)較大，如果環(huán)境條件無法滿足相關(guān)測量儀器及技術(shù)的要求，就會(huì)造成測量誤差。一方面，隨著海拔高度的提升，大氣密度會(huì)出現(xiàn)明顯的梯度變化，如果空氣密度梯度不相同，就會(huì)導(dǎo)致光在空氣的折射率變化，在不同的折射率中所得到的結(jié)果也會(huì)不盡相同。另一方面，視線和地面間的距離設(shè)置不合理也會(huì)對(duì)光的折射率也會(huì)造成一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

3.5 測量觀測誤差

觀測誤差多數(shù)是由于在二等水準(zhǔn)測量中存在測量不規(guī)范、儀器設(shè)備操作不當(dāng)?shù)葐栴}所引起的。比如在水準(zhǔn)尺使用過程中，水準(zhǔn)尺控制氣泡沒有做到完全居中，這就說明水準(zhǔn)尺沒有完全水平，在此狀態(tài)下使用水準(zhǔn)尺測量必然難以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。再或者立尺使用中，沒有按照規(guī)定要求進(jìn)行鉛直處理，在此狀態(tài)下所得到的讀數(shù)會(huì)超過水準(zhǔn)尺的讀數(shù)，致使測量中測量人員視距提高，進(jìn)而導(dǎo)致誤差加大。除此以外，如果下行測量所處于的地面坡度較大，也會(huì)引發(fā)誤差。

4 精密二等水準(zhǔn)測量質(zhì)量的控制策略

4.1 儀器誤差消除策略

經(jīng)過長期發(fā)展，礦用數(shù)字水準(zhǔn)儀設(shè)備的精確度和自動(dòng)化程度在不斷提升，能夠完全滿足當(dāng)下精準(zhǔn)二等水準(zhǔn)測量的要求。但是在具體測量應(yīng)用中，為了有效控制誤差，提高測量精度，數(shù)字水準(zhǔn)儀在應(yīng)用前必須做好i角的調(diào)試校正，確保其誤差在既定精度范圍內(nèi)。同時(shí)在正式測量中，各個(gè)測量站都需要做好距離差值的限定，對(duì)于同一測站前后視距差值累計(jì)值必須控制在明確的限度范圍內(nèi)，同時(shí)在對(duì)同一測站前、后視距距離照準(zhǔn)時(shí)，盡量避免調(diào)焦。同時(shí)在太陽光照較強(qiáng)或者直射的區(qū)域進(jìn)行儀器設(shè)備操作時(shí)，還需要做好對(duì)水準(zhǔn)儀的遮蓋，避免光線向過強(qiáng)而影響水準(zhǔn)儀的正常測量，盡可能降低i角誤差。

4.2 水準(zhǔn)尺誤差消除策略

水準(zhǔn)尺誤差的根本在于零點(diǎn)差，所以要想盡可能降低水準(zhǔn)出誤差，必須從零點(diǎn)差消除方面入手，選擇偶數(shù)測量點(diǎn)來結(jié)束測量，這樣才可以盡可能達(dá)到二等水準(zhǔn)測量的精度要求。同時(shí)在具體測量中，也可以通過調(diào)整前后水準(zhǔn)尺位置的方式來消除誤差，提高測量精度。

4.3 調(diào)焦誤差消除策略

調(diào)焦誤差多數(shù)都是由于加工誤差所引起的，所以在當(dāng)下需要做好對(duì)測量儀器加工制造技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，提高加工制造質(zhì)量，這樣才能夠?qū)⒋祟愓`差的影響降至最低。并且在具體二等水準(zhǔn)測量中，前視距測量必須在后視距測量，徹底完成后才可開展，這樣就可以避免調(diào)整焦距，使前后視距焦距相同，減少了焦距誤差的影響，有效促進(jìn)測量結(jié)果精度的提高。

4.4 外界環(huán)境誤差消除策略

為了盡可能降低環(huán)境誤差的影響，在具體礦山二等水準(zhǔn)測量中，必須做好對(duì)各方面環(huán)境影響因素的分析研究，然后有針對(duì)性地開展控制策略和處理措施盡可能降低各類環(huán)境因素的影響。第一，在礦區(qū)測量中，測量人員需要對(duì)整個(gè)測量區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行勘察分析，盡可能采集各方面的地質(zhì)環(huán)境資料，然后再結(jié)合具體勘測要求進(jìn)行測量方案方法的確定，并加強(qiáng)對(duì)測量中光學(xué)水準(zhǔn)設(shè)備、電子水準(zhǔn)設(shè)備等于地面的距離，盡可能降低光線折射率方面的誤差影響。第二，對(duì)于視線和地面間的距離設(shè)置不合理所引起的光線折射率誤差，比如山體、大型坡道等，在測量中為了將該方法的誤差降至最低，需要盡可能地減小前視距長度，加強(qiáng)視距高度管控，以此來盡可能縮減坑洞測量中的水平視距誤相，有效降低水平誤差。第三，提高測量環(huán)境的穩(wěn)定性?？諝庹駝?dòng)一方面會(huì)導(dǎo)致地面發(fā)生震動(dòng)，然后傳輸?shù)綔y量儀器設(shè)備中，影響測量設(shè)備的正常運(yùn)行，另一方面在振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)對(duì)空氣造成影響，就造成空氣折射率的變化。并且由于礦山在開采過程中經(jīng)常需要進(jìn)行爆破、大型機(jī)械設(shè)備的操作使用以及車輛運(yùn)輸?shù)榷紩?huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)情況，所以在具體測量時(shí)，一方面需要選擇礦山作業(yè)閑時(shí)來開展測量觀測，并且盡可能確保測量站或者觀測點(diǎn)所在位置地基的平穩(wěn)，為測量工作提供一個(gè)穩(wěn)定安靜的環(huán)境；另一方面在不影響測量工作正常開展的同時(shí)，通過相應(yīng)的隔音措施來盡可能降低震動(dòng)影響。

4.5 測量觀測誤差消除策略

由于測量觀測誤差多數(shù)是由于操作規(guī)范性等方面的問題所引起的，因此對(duì)于測量觀測誤差，首先需要從技術(shù)交底和專業(yè)培訓(xùn)方面入手，明確各儀器設(shè)備的操作規(guī)范要求。并加強(qiáng)對(duì)相關(guān)測量人員的培訓(xùn)教育，以此來增強(qiáng)其對(duì)于各種儀器設(shè)備以及技術(shù)流程的掌握，不斷提高測量測繪能力。其次，則需要加強(qiáng)測量中的細(xì)節(jié)控制，明確各關(guān)鍵點(diǎn)的要求并加強(qiáng)控制管理。對(duì)于水準(zhǔn)尺在使用時(shí)，必須確保氣泡在其中央位置；對(duì)于立尺必須按照要求進(jìn)行鉛直處理，并且還需要利用扶尺做好對(duì)立尺垂直角度的校正，這樣才能進(jìn)一步提升整個(gè)二等水準(zhǔn)測量過程的規(guī)范性和科學(xué)性，確保測量精度，為礦山沉降形變監(jiān)測工作做出有效幫助。

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合具體礦區(qū)沉降監(jiān)測項(xiàng)目探究了二等水準(zhǔn)測量的應(yīng)用，研究表明二等水準(zhǔn)測量能夠準(zhǔn)確完成對(duì)礦區(qū)內(nèi)各沉降形變情況的準(zhǔn)確測量，這就為礦山開采和安全防護(hù)工作的開展提供了有效的數(shù)據(jù)信息支撐，充分說明了二等水準(zhǔn)測量在礦區(qū)沉降形變監(jiān)測中的適用性和精確度。但是在二等水準(zhǔn)測量中還存在的各種誤差，為了進(jìn)一步提升二等水準(zhǔn)測量的精確度，在礦區(qū)二等水準(zhǔn)測量工作中，需要從儀器、水準(zhǔn)尺、環(huán)境、測量觀測過程等多方面入手加強(qiáng)誤差的控制和消除，從而為礦山安全開采奠定良好基礎(chǔ)。