煤礦邊坡測量技術的優化研究

張清山

（晉能控股煤業集團天安公司盈盛煤業，山西 晉城 048006）

隨著煤礦開采的不斷進行，在煤礦附近均會形成煤矸石山或者各類型的邊坡，當邊坡高度過大或者在特殊情況下將導致滑坡，嚴重影響了煤礦的生產安全，因此需要對礦山邊坡進行實時監測，對邊坡變化情況進行跟蹤測量，當出現過大變化時及時進行報警。目前對煤礦邊坡變化情況的監測主要是利用經緯儀再配合其他計量儀器對其進行變形觀測，但在過程中需要布設大量的基準點，對測點設置和觀測方法要求極為嚴格，不僅測試效率低而且精度差，嚴重依賴人員的技術熟練程度，同時該測量模式也無法實現低邊坡變化情況的直接監測和報警，難以滿足監測安全性的需求。

本文結合煤礦邊坡測量的實際需求，提出了一種新的煤礦邊坡測量技術，該技術以全站儀為核心，對全站儀特性。智能控制結構、極坐標差分監測方案等進行了分析，利用改善測點分布、改善測量流程的方式對全站儀邊坡測量、智能報警，根據實際應用表明，新的測控技術將邊坡測量精度提升了4.6 倍，實現了對邊坡變形的自動報警，對提升煤礦生產安全具有十分重要的意義。

1 全站儀自動監測原理

對礦山邊坡監測的核心是能夠實現對變頻變化情況的自動監測，因此在實際使用中需要選好監測點并設置全站儀，全站儀依靠自身的傳感器和測控軟件，對邊坡的變化情況進行實時數據的采集，然后將監測數據傳輸到控制中心，對其進行邏輯運算，解算出監測時間點的邊坡變形數據，將該變形數據和數據庫內設定的邊坡極限變形數據進行對比分析，當變形量超出系統設定值后，自動進行報警，便于煤礦人員的及時跟進處理。

該全站儀自動監測報警和核心，是要建立邊坡監測報警控制邏輯，實現對邊坡變形狀態的實時監測和精確分析，從而實現對邊坡變形狀況的精確測量分析，在監測過程中系統需要能夠根據外界環境溫度情況自動調整修正數據，從而確保在不同時間段的監測準確性，全站儀自動監測系統工作原理如圖1 所示[1]。

圖1 全站儀自動監測系統工作流程示意圖

由圖1 可知，該全站儀自動監測系統主要包括了數據采集、數據處理、數據存儲及預警幾個部分，數據分析處理完成后自動將監測結果顯示到數據顯示系統上，便于各監測人員及時掌握變頻變化情況，提高系統監測的可靠性。

2 全站儀邊坡測量方法研究

在測量時需要在地質條件穩定且平整的地方建立觀測的站點和參考基準點，在測量的時候均按照極坐標原理，對基準點、觀測點之間的傾角、斜距、高程進行觀測，將測量值和基準值進行對比，然后將差異值疊加到變形點的觀測值上，并通過系統進行數據修正即可測量出觀測點的實際數值，該邊坡測量方法如下頁圖2 所示[2]。

圖2 全站儀邊坡測量方法示意圖

在整個監測過程中為了確保監測的精確性，在變形監測的過程中在邊坡附近將設置監測點、參考點及目標點，將全站儀架設在監測點的位置，通過對監測點和目標點的觀測值來確定變形體的變化情況，然后通過設置在變形點和基準點上的棱鏡來實現對各個監測點觀測結果的實時監測和分析，實現對邊坡變形情況的持續跟蹤。

3 邊坡變形監測流程

對邊坡變形情況的監測，主要分為工作基點網建立、數據采集及數據處理三個部分[3]?；c網建立，一般是在比較穩定的區域建設三個基準點，形成一個穩定的監測三角區域，在基準點選擇時應設置在開闊位置，且三個基準點之間無障礙物擋，能夠直接進行觀測，每個基準點需要用混凝土進行澆筑。一般來說要在變頻周圍布置不少于31 個監測點并對各個監測點進行編號，在上高坡設置15 個觀測點，在中間高坡設置10 個觀測點，在下邊坡處設置6 個觀測點，通過觀測點加密布置的方式提高對變形監測的可靠性。

數據采集。數據采集的準確性直接關系到該監測系統的應用可靠性。在監測的過程中首先要對各個監測點進行人工觀測，獲取各個觀測點的極坐標系統，然后建立觀測點坐標數據庫，用于對監測點進行數據校正。由于采用極坐標分析的方法其測量精度和基準點、監測點、參考點之間的距離有很大的關系，因此在觀測的時候需要將離監測點最近的基準點作為基準站和參考站，然后將全站儀設置在水泥基準點上，然后設置好觀測順序及測回數，使全站儀能夠根據測點情況進行自動測量，并將測量結果傳輸到存儲器內。由于全站儀為高精度的測量設備，因此其測量精度受外界的影響較大，需要根據不同的氣候條件對其進行數據修正，提高監測的準確性。當施工現場出現立體作業或者交叉作業等不利情況時，需要及時終止觀測，同時需要對測量設備進行定期清洗，保證觀測的準確性。

數據處理。數據采集完成后，系統從數據存儲中心中調出儲存數據然后通過差分改正方法進行數據處理，在處理時將工作基點和參考基準點間的水平距離經過投影反算后，修改為以工作基準點和參考基準點上全站儀高為基準的斜距，其可表達為[4]：

邊長改正系數可表示為[5]：

各監測點修改后的斜距可表示為：

式中：S 為測量點的斜距，m；D 為測量點的水平距離，m；ΔH 表示為測量點位置的高度差，m；S'為測量點的斜距測量值，m。

4 邊坡監測應用

為了對使用全站儀對邊坡變形情況進行自動監測的效果進行分析，以煤礦邊坡為實際觀測對象，在四周按要求設置31 個觀測點，利用GPS 定位儀對全站儀進行精確定位，保證各測點的位置偏差不大于0.05 m，為了提高測量的準確性，縮小全站儀和測點間的距離，將全站儀設置到邊坡的中心線上，距離邊坡不大于40 m。設置完成后利用全站儀再次對各測點的測量坐標進行校正，并設置自動觀測的順序、自動觀測的測回數量，在測量時設置了粗測量和精測量相結合的模式[6]，每次測量的時候首先對其進行粗測，待全站儀捕捉到測點后系統自動轉入精測模式，進行精確性測量，該測量模式的優點是能夠快速進行定位測量，比傳統精測方案相比，在測量精度不降低的情況下將測量速度提升了57%，部分測定點的測量結果如表1 所示。

表1 自動監測數據匯總表

由實際監測結果可知，該煤礦邊坡測量系統表現出了極高的測量精度，并且能夠實現對測點變化情況的連續跟蹤觀測，當邊坡的累積變形量超過0.2 m后系統自動進行報警，該系統的實際監測精度約為0.12 m，比優化前的0.5 m 提升了4.6 倍，顯著提升了邊坡監測的安全性。

5 結論

為了解決煤礦邊坡測量精度低、測量效率低下的情況，提出了一種新的煤礦邊坡測量技術，該技術以全站儀為核心，對邊坡測量原理、測量方案等進行了分析，實現了對煤礦邊坡的高效測量，根據實際應用表明：

1）全站儀自動監測報警和核心，是邊坡監測報警控制邏輯，實現對邊坡變形狀態的實時監測和精確分析。

2）在變形監測的過程中在邊坡附近將設置監測點、參考點及目標點，通過工作基點網建立、數據采集及數據處理三個流程實現對邊坡變形量的自動測量。

3）該自動監測系統，監測精度為0.12 m，比優化前提高了4.6 被倍，能夠實現邊坡的自動監測和跟蹤，極大的提升了邊坡監測精度和應用效果。