基于全站儀的礦山沉降測繪方案優化研究

彭志偉

（山西晉城煤業集團趙莊煤業有限責任公司，山西 晉城 046605）

晉煤集團趙莊煤業，核定生產能力800 萬t/a，2005 年建礦，水文地質類型中等。為了確保礦區的安全性，需要定期對礦山地表的沉降情況進行監測，根據監測結果設置相應的控制方案，滿足綜采安全性的需求。目前對礦山區域地表沉降的監測主要是采用水準儀對地表監測點水平和豎直位移量進行監測。該方案雖然精度較高，但有效監測范圍過小，無法對整個礦山區域的地表沉降情況進行監測，無法滿足日益提高的礦山測繪精度和高效率的需求，因此提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測繪方案。通過利用點云數據處理方案，構建了三維模型數據模型，對兩種不同測量方案下的礦山沉降綜合測繪情況進行了對比。根據實際分析表明，新的礦山沉降測繪精度小于10 mm，測量的偏差中誤差約為±7.1 mm，測繪效率比傳統水準儀測量方案提升50%以上，完全滿足礦山測繪精度需求。同時該測試方案能夠將礦山沉降測試效率提升47.2%以上，極大地提升了礦山測繪效率和精度。目前該方案已經得到了全面的推廣，具有極大經濟和安全效益。

1 測量方案分析

為了確保對礦山區域地表沉降效果測量的準確性，在進行測量時，選擇了一款全新的三維激光掃描全站儀。該全站儀實現了將自動定位測量和激光云掃描進行有機融合，既能夠按照傳統的技術方案實現先進行測量數據修正存儲然后聯網進行數據處理拼接，又能夠實現直接進行數據上傳云系統自動處理。該類型傳感器的激光掃描范圍可達2 km，掃描速度可以達到1200 點/s，實現了掃描距離、掃描速度和掃描精度的有機統一。該激光掃描儀的整體結構如圖1 所示。

根據煤礦四周的沉降監測控制要求，在需要測量的區域設定了三個控制基準點。第一基準點設置到礦山與運輸公路交叉口處，方便進行聯測控制；將第二個基準點和第三個基準點分別設置到與測量區域緊鄰的未沉降的山體上，方便進行設備架設和測量。在三個測量點之間分別設置礦山地表沉降監測線，在監測線上平均每20 m 設置一個監測點。其中，沿著工作面走向設置10 個監測點，編號為H1～H10，沿著沉降傾向方向設置12 個監測點，編號為Z1～Z12。為了實現對礦山沉降測繪精度、測量效率的統一，設計了區域外掃描測量和區域內掃描測量兩種方案。

圖1 三維激光掃描全站儀結構示意圖

2 區域外掃描測量

區域外掃描測量是指以沉降區域外的控制點為基準進行的掃描測量。將激光掃描全站儀分別設置在第二和第三個基準點上并對全站儀進行后視定向，然后從外側向掃描區域內進行沉降變形掃描。利用該測量方案能夠實現比較全面的沉降區域掃描監測，同時可以利用云聯網數據整合處理。由于掃描距離較遠，因此其實際測量精度會受到一定的影響。由于基準1 和基準2 之間共設置了12 個沉降監測點，基準點1 和沉降監測點之間的最近距離為210 m，最遠距離為390 m，基準點2 和沉降監測點之間的最近距離為270 m，最遠距離為397 m。在這四個點上設置激光靶標，便于激光掃描儀進行掃描測量。實際測量情況如表1 所示。

表1 掃描精度對比結果統計表

由實際測量結果分析可知，激光掃描儀的測量精度和掃描測量距離成反比，距離越近掃描精度越高，距離越遠掃描精度越低。當距離為210 m 時的掃描精度可達11 mm，當距離為397 m 時的掃描精度達到了89 mm。測量偏差極大，無法滿足礦山沉降區域的精確測繪需求，因此該方案不適應于本礦的精確測繪。

3 區域內掃描測量

區域內的掃描測量主要是指利用全站儀在礦山沉降區域內設置自由測量點，然后分別以基準1、基準2 和基準3 為控制點進行掃描測量。在進行掃描時同步采用水準儀對監測區域各個測點的水準變化情況進行測量，用于對全站儀測量數據進行補充。該方案的優點就在于每次測量的時候均可以將測點設置在沉降量較為明顯的位置，而且可以增加測量的布點密度，將不同測點的測繪距離確保到200 m以內，滿足沉降區域監測準確性的需求。以測量范圍內的三個測點P1（自由設點）、K1、K2三點之間的測量為例，其測量模式如圖2 所示，各個測點之間的測線分別為S1、S2、S3。

圖2 區域內掃描模式示意圖

根據實際測量結果分析可知，采用區域內掃描測量的方案能夠滿足將測量精度保證在10 mm 以內的精確測量需求，測量精度高，穩定性好。

4 全站儀三維云數據處理

全站儀在進行數據掃描完成后，將數據點通過網絡傳輸到云系統進行濾波降噪處理，然后再利用數字模擬建模及分析軟件對各個點位的測定數據進行對比分析。在進行數據對比分析時需要根據礦山所在地的實際情況進行數據修正處理，最大限度地降低測量區域植被覆蓋所造成的影響。通過三維云數據處理后將其轉換為數據疊加分析云圖，結果如圖3 所示。

圖3 三維地質測量云圖

通過對礦山區域全站儀沉降測繪方案的分析，測試過程中最大偏差約為-16.2 mm，最小偏差約為3.4 mm，整個測量的偏差中誤差約為±7.1 mm，完全能夠滿足礦山測繪精確性的需求。通過該方案對礦山沉降測量的效率比傳統水準儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測量過程中測量精度滿足測繪要求，對于提升煤礦測繪的信息化程度具有十分重要的意義。目前利用該方案已經在煤礦完成了7 次沉降觀測，為礦山災害預防和沉降處理奠定了基礎。

5 結論

針對目前礦山沉降測量效率低、精度差、工作強度大，無法滿足日益提高的礦山測繪精度和效率需求的現狀，提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測繪方案，通過利用點云數據處理方案，構建了三維模型數據模型，根據實際應用表明：

（1）區域外掃描，測量方案簡單，測量速度快，但測量偏差極大，無法滿足礦山沉降區域的精確測繪需求；

（2）區域內掃描，測量方法靈活性高，可以隨意選擇測點，能夠根據礦山實際地質情況進行測量，能夠滿足將測量精度保證在10 mm 以內的精確測量需求，測量精度高，穩定性好；

（3）全站儀測繪方案，對礦山沉降測量的效率比傳統水準儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測量過程中測量精度滿足測繪要求，為礦山災害預防和沉降處理奠定了基礎。