二等水準測量在礦區沉降形變監測中的應用

魏迎國

二等水準測量具備非常高的精度，并且應用簡單，能夠適用于各種控制測量場景。即便在現階段有相關測量方法能夠代替二等水準測量，但是其僅作用于某些特定范圍之內，并且在精度及穩定性方面仍有待提升，因此在當下二等水準測量，仍具備極廣的應用范圍和良好的應用基礎。除了常規的控制測量外，在垂直位移監測方面也有著極好的適用性，比如鐵路線路建沉降監測、深基坑施工監測等等。雖然二等水準測量在沉降觀測中的效率與當下先進代替方法相比相對較低，但是由于其的穩定性及精度優勢，在當下大型以及大范圍沉降監測中仍得到了廣泛應用。特別是在現階段礦業開采中，由于礦山開采會對地層山體結構等造成破壞，進而引發上覆巖層彎曲、邊坡滑塌破碎等等問題，所以就需要通過二等水準測量來動態監測礦區內容易出現形變、沉降的區域，及時掌握沉降形變程度，進而采取有效的防護和處理措施，確保礦山開采的安全穩定，降低各種安全事故風險。因此，做好二等水準測量技術的研究和應用，不斷提高測量精度，降低測量誤差，對于礦區開采和礦業發展有著非常重要的意義和作用。

1 礦區精密二等水準測量的主要方式

精密二等水準測量是經過國家測繪信息局確認的，適用于礦區測量測繪的標準測量技術。通過精密二等水準測量能夠全方位的測量礦區以及周邊范圍的地形地殼信息數據，作為礦區開采生產提供參考和依據。在具體測量中常用工具為精密水準測量儀，測量人員需要將數字水準儀設置在相應的測繪地點，在經陽光照射后，編碼標尺經陽光反射就可以成像，然后就能夠呈現在望遠鏡分劃板上，測繪人員就可以直接觀察相應的數據和信息。同時還有部分光束會在分光鏡的作用下將光速傳輸到CCD傳感器中，經過進一步的光電轉換及整形，就可以將光信號轉換為數字信號，得到了數字信號在經過微處理器處理后，就可以保存在儲存端。最后通過與數字水準儀中相關標準參數的比對、轉換就可以得到具體的測量數據，準確掌握測量區域的高度和水平距離。

2 二等水準測量在礦區沉降變形監測中的具體應用

2.1 研究區概況

某礦區整體屬于丘陵地貌，整個礦區地勢地形變化復雜，東北方地勢相對較高，西南方地勢相對較低，同時在礦區內還存在一條自北向南的河流。在長期開采過程中，礦區內的開采空洞非常多，對地面地層結構造成了嚴重破壞，沉降形變問題較為嚴重。為了有效掌握礦區沉降情況，更好指導礦山開采工作的開展，確保生產安全，以二等水準測量來作為沉降監測方法。

2.2 監測方法概述

以1985國家高程基準為本次測量的高程基準，主要設備為數位數字水準儀。礦區內共設置了42個水準點，經過常年檢測積累了大量高程數據，通過對比這些數據來掌握礦區各個區域的沉降規律及沉降量等相關信息。為了確保數據的準確度，數字水準儀在使用前必須按照既定的流程進行校對檢核，并驗證測量當天的氣候等相關條件，只有符合測量測繪標準才可進行觀測測量，如果存在超差監測情況，則需要及時開展重測或補測。水準儀在測量前需要先通過儀器自帶i角程序自測，并進行儲存。如果測得的i角結果和上一次結果間的誤差超過3″，則需要重測校對，只有i角誤差在既定范圍內才可開展正式測量。

2.3 監測點位選擇

二等水準測量結果的準確性與水準點位置直接相關，從穩定性要求考慮水準點所處于的位置地基必須足夠穩定，存在沉降的區域一般不設置水準點，以免沉降過大而造成監測誤差。與此同時，水準點所處區域還需要具有足夠開闊的視野，并且便于保存。比如對于基巖水準點，一般需要設置在基巖路頭或者高架橋墩等位置。監測點必須均勻設置在待測量區域范圍內，這樣才能夠對整個沉降區域的相關數據進行全面準確的檢測，進而得到相應的沉降形變規律。在具體測量點和監測點的設置中，起始點和檢核點需要從已知的高程點中進行選擇，在本次項目中綜合考慮整個礦區的地質地貌和植被情況，水準點和監測點分別有16個和26個。

2.4 外業觀測

本次測量方法為往返觀測，對于同一地區必須采用同樣的儀器設備進行往返測。長測量段則需要合力對其進行分段，每段約在20km～30km之間，然后再有序進行區段往返測繪。結合具體的路線和地質情況，轉點尺承必須設置超過4個以上的尺樁，同時對于特殊地段，則需要采用大帽釘為尺承。往、返測奇數站和偶數站的照準標尺順序是不同的，前者為后、前、前、后者為：前、后、后、前。

觀測間隙需要結束在水準點，如果無法實現，則需要在最后一站選擇兩個固定點為間歇點，固定點的要求為穩定、光滑，能夠滿足標尺放置要求。在間歇結束后，再檢測間歇點，對任意兩尺承點間歇前后高差進行測量比對。同時在觀測中對于其他相關要求也必須進行規范執行，以此來獲得準確的測量結果，比如成果取舍、觀測時段、限差等方面的要求和標準。

2.5 數據處理

數字水準儀在完成測量后會自動進行相關數據的錄入，然后再通過處理軟件自動生成相應的測量報表。在數據處理中按照公示儀來計算水準，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。

在本項目中經計算可知東西和南北兩個方向閉合水準路線的測量偶然誤差分別為±0.59mm和±0.5mm。

2.6 數據處理與分析

2.6.1 監測結果

本次研究主要將2017年～2020年間的監測數據進行了匯總，由于整體數據量較大，所以僅選擇了其中部分數據，2017年～2020年各監測點的數據分別為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則代表了已知點和監測點。

2.6.2 研究區沉降規律分析

由于本次研究的時間跨度較長，并且個別監測點也出現了損壞問題，為了確保監測精度，提高監測數據的質量，并未統計出現損壞的監測點數據，只統計了正常監測點，共有38個監測點，以此為基礎來開展沉降規律的分析研究。將T1和T2兩個點作為起始值開展坐標換算，將自定義的坐標按照相應既定流程換算為統一坐標，分析各年中的監測數據，然后分析各個時間段內地表沉降的規律。

通過分析研究可知在2017年～2020年之間，中東區域的沉降存款最為嚴重，并且部分區域出現了漏斗狀，說明該區域的巖層應力變化非常大，該區域在2017年前已經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力平衡在經過自然變化后，又重新形成了平衡；但是在此之后所產生的開采空洞區，雖然沉降量小，但是與以往的產業速率相比，卻有了較大的提升，表明該區域被打破的應力平衡正在逐漸向新的平衡狀況發展。綜合統計整個區域沉降量，最大和最小沉降量分別為52mm和3mm，經過統計沉降量具體分為4個層級，＞50mm、30mm～50mm、10mm～30mm和0mm～10mm，上述各個層級在總沉降面積中的比例為1.20%、10.80%、20.70%和67.30%。由上可知，整個礦區的沉降形變情況相對較小，地層結構穩定性較高，但是在部分區域也存在嚴重沉降風險，所以在日常礦山開采中，需要加強對塌陷預防等情況的分析處理，及時回填巷道和采空區，避免冒頂等安全問題的出現。

3 二等水準測量在應用中的誤差分析

3.1 水準儀誤差分析

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

3.2 水準尺誤差分析

水準尺在測量工作中主要負責檢測儀器的水平面，其在二等水準測量中也極其關鍵，水準尺誤差必然會降低二等水準測量工作的質量。而導致水準尺誤差的原因多數由于在制作水準尺時存在工藝問題，水準尺讀數在使用中無法準確歸零，該誤差也就被稱之為零點差。零點差對二等水準測量的影響是非常大的，零點差過大會導致測量結果嚴重失真，精度顯著降低。

3.3 調焦誤差分析

儀器加工誤差也是影響二等水準測量結果精度的主要誤差因素之一，其中最為常見的就為調焦誤差，該誤差會降低光螺旋調焦二道的精度。因為在該誤差的影響下，光透鏡中光的運動難以保持直線，這就會導致視準軸出現變化，進而就會影響水準尺讀數的準確性。

3.4 外界環境誤差

二等水準測量受環境因素的影響也相對較大，如果環境條件無法滿足相關測量儀器及技術的要求，就會造成測量誤差。一方面，隨著海拔高度的提升，大氣密度會出現明顯的梯度變化，如果空氣密度梯度不相同，就會導致光在空氣的折射率變化，在不同的折射率中所得到的結果也會不盡相同。另一方面，視線和地面間的距離設置不合理也會對光的折射率也會造成一定影響，進而導致測量結果出現較大誤差。

3.5 測量觀測誤差

觀測誤差多數是由于在二等水準測量中存在測量不規范、儀器設備操作不當等問題所引起的。比如在水準尺使用過程中，水準尺控制氣泡沒有做到完全居中，這就說明水準尺沒有完全水平，在此狀態下使用水準尺測量必然難以得到準確的數據。再或者立尺使用中，沒有按照規定要求進行鉛直處理，在此狀態下所得到的讀數會超過水準尺的讀數，致使測量中測量人員視距提高，進而導致誤差加大。除此以外，如果下行測量所處于的地面坡度較大，也會引發誤差。

4 精密二等水準測量質量的控制策略

4.1 儀器誤差消除策略

經過長期發展，礦用數字水準儀設備的精確度和自動化程度在不斷提升，能夠完全滿足當下精準二等水準測量的要求。但是在具體測量應用中，為了有效控制誤差，提高測量精度，數字水準儀在應用前必須做好i角的調試校正，確保其誤差在既定精度范圍內。同時在正式測量中，各個測量站都需要做好距離差值的限定，對于同一測站前后視距差值累計值必須控制在明確的限度范圍內，同時在對同一測站前、后視距距離照準時，盡量避免調焦。同時在太陽光照較強或者直射的區域進行儀器設備操作時，還需要做好對水準儀的遮蓋，避免光線向過強而影響水準儀的正常測量，盡可能降低i角誤差。

4.2 水準尺誤差消除策略

水準尺誤差的根本在于零點差，所以要想盡可能降低水準出誤差，必須從零點差消除方面入手，選擇偶數測量點來結束測量，這樣才可以盡可能達到二等水準測量的精度要求。同時在具體測量中，也可以通過調整前后水準尺位置的方式來消除誤差，提高測量精度。

4.3 調焦誤差消除策略

調焦誤差多數都是由于加工誤差所引起的，所以在當下需要做好對測量儀器加工制造技術的改進和創新，提高加工制造質量，這樣才能夠將此類誤差的影響降至最低。并且在具體二等水準測量中，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，有效促進測量結果精度的提高。

4.4 外界環境誤差消除策略

為了盡可能降低環境誤差的影響，在具體礦山二等水準測量中，必須做好對各方面環境影響因素的分析研究，然后有針對性地開展控制策略和處理措施盡可能降低各類環境因素的影響。第一，在礦區測量中，測量人員需要對整個測量區域的環境進行勘察分析，盡可能采集各方面的地質環境資料，然后再結合具體勘測要求進行測量方案方法的確定，并加強對測量中光學水準設備、電子水準設備等于地面的距離，盡可能降低光線折射率方面的誤差影響。第二，對于視線和地面間的距離設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，提高測量環境的穩定性。空氣振動一方面會導致地面發生震動，然后傳輸到測量儀器設備中，影響測量設備的正常運行，另一方面在振動時所產生的波動會對空氣造成影響，就造成空氣折射率的變化。并且由于礦山在開采過程中經常需要進行爆破、大型機械設備的操作使用以及車輛運輸等都會產生明顯的振動情況，所以在具體測量時，一方面需要選擇礦山作業閑時來開展測量觀測，并且盡可能確保測量站或者觀測點所在位置地基的平穩，為測量工作提供一個穩定安靜的環境；另一方面在不影響測量工作正常開展的同時，通過相應的隔音措施來盡可能降低震動影響。

4.5 測量觀測誤差消除策略

由于測量觀測誤差多數是由于操作規范性等方面的問題所引起的，因此對于測量觀測誤差，首先需要從技術交底和專業培訓方面入手，明確各儀器設備的操作規范要求。并加強對相關測量人員的培訓教育，以此來增強其對于各種儀器設備以及技術流程的掌握，不斷提高測量測繪能力。其次，則需要加強測量中的細節控制，明確各關鍵點的要求并加強控制管理。對于水準尺在使用時，必須確保氣泡在其中央位置；對于立尺必須按照要求進行鉛直處理，并且還需要利用扶尺做好對立尺垂直角度的校正，這樣才能進一步提升整個二等水準測量過程的規范性和科學性，確保測量精度，為礦山沉降形變監測工作做出有效幫助。

5 結語

綜上所述，本文結合具體礦區沉降監測項目探究了二等水準測量的應用，研究表明二等水準測量能夠準確完成對礦區內各沉降形變情況的準確測量，這就為礦山開采和安全防護工作的開展提供了有效的數據信息支撐，充分說明了二等水準測量在礦區沉降形變監測中的適用性和精確度。但是在二等水準測量中還存在的各種誤差，為了進一步提升二等水準測量的精確度，在礦區二等水準測量工作中，需要從儀器、水準尺、環境、測量觀測過程等多方面入手加強誤差的控制和消除，從而為礦山安全開采奠定良好基礎。