基于全站儀的礦山沉降測繪方案優化研究

李雄飛

冀中能源股份有限公司邢臺礦地質測量科 河北邢臺 054001

為了提高礦山生產質量及其安全性，需要定期監測礦山地表沉降情況，并按照監測結果制定控制方案，以滿足綜采需求。當前礦山區域沉降測繪通過水準儀監測地表監測點的水平和豎直位移量，這種測量方案盡管精確度較高，但是可監測范圍比較小，無法全面檢測整個礦區沉降情況，難以滿足當前礦山的高效、精確監測需求，由此提出了全站儀測繪方案，通過點云數據處理方案建立三維模型，對比不同測量方案測繪數據，對礦山沉降測繪精度、測量偏差進行精確，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，其應用具有經濟價值和安全保障作用。

1 全站儀概述

全站儀在測量時，使用測距儀測量距離，使用經緯儀測量角度，使用計算機處理系統對測量所得的精確數據進行分析處理。全站儀主要包括手機測點數據、工程放樣和記錄傳輸坐標數據等功能。全站儀的測距模式包括精測、粗側以及跟蹤測量三種模式，需要根據具體測量要求進行科學選擇測量模式。隨著全站儀的發展，測距模式增加了棱鏡、免棱鏡這兩種測量功能，同時也具有紅外可見光測量功能，被廣泛應用在礦山測量中。

2 全站儀礦山沉降測繪分析

為提高礦山沉降測量精確度，測量時需要選擇新型三維激光掃描全站儀，其融合了自動定位測量以及激光云掃描，不僅能夠根據傳統方案先修正存儲測量數據，并利用互聯網處理拼接數據，同時也能夠直接將數據傳輸到云系統中進行自動處理[1]。這種傳感器掃描范圍可以擴大到2km范圍內，掃描速度也能夠達到妹妹1200點，掃描距離、速度、精度可以達到有機統一，見圖1為激光掃描儀結構。

圖1 結構圖

基于煤礦沉降監測要求，在測量范圍內設置三個控制基準點，其中，第一個基準點位于礦山和運輸道路交叉路口，以便實現聯測控制，其余兩個基準點設置在林基恩測量區域的未沉降山體處，以便架設設備，開展測量工作[2]。三個測量點間都設置了礦山沉降監測線，其上每個20m分別設置了一個監測點，順著工作面沿路監測點設置共有10個，從H1到H10，順著沉降的傾斜方向共有監測點為12個，從Z1到Z12，為了能夠統一礦山沉降測繪精度，提高測量效率，分分別設計了兩種測量方案，分別為區域內和區域外兩種掃描測量方案。

3 全站儀礦山沉降測繪方案優化

為提高全站儀的測量精度，需要對其測量方案進行優化。首先，針對復雜的測量環境、不同人員的專業差異等導致的測量結果差異，測量部門需要對測量方案進行科學規范，測量時要先設置高級導線，再設置低級導線，通過高級導線調整低級導線，并采取多網交叉方式布設導線網，縮小橫向測量偏差[3]。其次，根據礦山情況使用全站儀設置基準點，進而對井下作業環境進行測量。最后，測量時需要盡量減少人員影響測量結果，通過計算多次測量平均值和盤左、盤右測量平均值，根據其測量結果盡量減少測量人員的影響。

3.1 區域掃描測量

（1）區域內掃描測量。該測量方案是通過在礦山沉降區域利用全站儀來布設自由測量點，之后對基準點1、2、3分別進行測量。掃描測量時同時使用水準儀來測量檢測區各測點水準情況，使用全站儀補充測量數據。該方案應用時，每次測量都能夠在沉降量明顯區域設置測點，同時能夠增加測量設置密度，使各測點測繪距離能夠處于200m范圍內，以保證沉降區更加精確[4]。例如對P1、K1和K2這三個測點間的距離測量，各點測線標志為S1、S2、S3，測量得到，區域內掃描測量可以滿足測量江都處于10mm范圍內測量精度要求，測量的精確度較高，所得結果也更比較穩定。

（2）區域外掃描測量。該測量方案是根據沉降區外控制點進行掃描測量。激光掃描全站儀根據設置的第二個和第三個基準點，通過后視定向，之后從外側沉降變形掃描區域內[5]。通過該方案可以掃描監測相對全面的沉降區域，并通過云聯網進行數據整合處理。因為掃描范圍較大，間距較遠，因此實際測量的精度也會被影響。第一個基準點和第二個基準點間設置的沉降監測點有12個，第一個基準點與沉降監測點間距最短是210m，最大是390m，第二個基準點與沉降監測點間距最短是270m，最大是397m。這幾個點上均布設了激光靶標，以便采用激光掃描儀來實行掃描測量。見表1。

表1 對比掃描結果

根據測量結果得到，激光掃描儀測量江都和距離呈反比例關系，也就是距離越近，掃描的精度也就更高[6]。在掃描距離達到210m時，測量精度可以達到11mm，二者偏差過大不滿足礦山沉降測量精確要求。總之，區域外掃描測方案不適合本礦山沉降精確測量中。

3.2 數據修正處理

全站儀掃描完成之后，利用網絡將數據點傳給云系統實行濾波降噪處理，之后根據數字模擬建模和分析軟件了對比分析各點位測量數據。對比分析數據時，按照礦山所在地情況來修正處理數據，盡量降低測量區域內受到植被覆蓋的影響。測量數據在三維云數據處理之后轉化成疊加分析云圖[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。

該方案相對于水準儀測量礦山沉降效率高出50%，同時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。當前，通過該方案在礦山進行反復沉降測量，保障了礦山災害預防以及沉降處理水平。

4 全站儀礦山沉降測繪具體應用

以某礦區工程為例，通過地表埋樁法監測該礦山邊坡垂直位移，并在影響區域外布設固定貫徹點，利用高精度測量儀對邊坡煙氣位移情況進行監測，經過長期周期貫徹了解沉降變化，判斷礦山穩定度。

首先，構建基準網。根據影響因素、礦山沉降需求在穩定地層上監理監測基點，按照精度要求設計基準網，通過GPS控制器符合C級網要求。

其次，通過三角高程測量來檢測測點垂直位移，根據當前礦山地形情況使用單向觀測法來進行沉降測量，也就是在已知高程點上安裝儀器，測站與沉降測點間距、垂直角和儀器高、艦高，計算彼此高差[8]。通過三角高程單向觀測法來監測礦山沉降現象，需要盡量降低誤差。因此，實際測量時，利用全站儀盡可能的減少測量距離，縮小測距誤差，并嚴格遵循三角高程測量對各測點進行觀測，降低大氣折射誤差。根據上述誤差因素，采用全站儀的精確要求進行測量，測量誤差在規定范圍內。全站儀測量機器人實行全自動觀測，當前兩側站在同時段測量同一點，縮小點位高程誤差，多各點進行精度測量，按照精度指標的規范要求控制好測量誤差。總之，監測點與基準點間距最好處于900m范圍內，垂直角的范圍處于25°范圍內，在此基礎上選擇監測點。

最后，建設監測點，同時監測監測點。在建設監測點時，本礦山邊坡地表位移監測點在設計平面位置時，先要對監測范圍以及可能的滑動方向進行測量，按照開采過程中的采控破壞情況來監測預警，按照當前的礦山地形情況和觀測方式進行布設，根據主滑動方向和滑動面范圍對測線進行確定，設置測線，之后再設置監測點，通過誤差分析計算得到測量基線不超過900m，垂直角不可超過25°，尤其需要加強監測滑動帶等重點部位。監測樁是根據GPS-RTK放樣，同時按照限制條件來調整監測點，監測樁的尺寸和基準點是一樣的。在測量測量點的垂直位移時，基于監測點以及基準點點位澆筑之后的20天后開展首次監測，在穩定監測點后再監測。監測過程中，先要觀測基準點高程，通過二等水準測量使用外圍高級水準點引測至基準點構成閉合水準路線，通過平差可得監測點高程[9]。首次測量數據為后續監測提供了標準值，因此首次檢測時需要開展兩次獨立測量，每次得到的監測點標準高程為后續監測提供了高程標準。后續的每次監測中，分別從四個邊角對監測點高程進行測量。

此外，基于同等觀測情況計算誤差。按照變形測量時垂直位移的測量等級和精度，所得四等變形監測點點位中誤差在-2.0mm到2.0m之間，只要符合掃描范圍內的測量數據就是合格。每次測量之后，及時制定監測報表，其中提供了相應的高程，并對比每期監測數據以及首次測量結果，對監測點的高程變化進行可續分析，同時用表格形式和折現圖形式表現出來，同時對其進行闡述說明。

5 結語

綜上所述，當前礦山沉降測量的效率、精度和工作強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，本文采用全站儀進行礦山沉降測繪，通過點云數據建立三維數據模型，在實際應用時提出兩種方案，方案一的測試靈活，能夠隨意確定測點，可以按照礦山地質實際情況來測量，可以滿足測量精度在10mm范圍內精度需求，測量質量好，且更加穩定。而方案二的測量比較簡單，速度快，但是會產生較大偏差，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，同時可以確保測量精度符合要求，以便預防礦山地質災害，有效處理礦山沉降。