礦山測量數(shù)字化應(yīng)用研究

韓浩（陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西延安 719013）

礦山測量數(shù)字化應(yīng)用研究

韓浩（陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西延安 719013）

礦山測量是礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中重要的基礎(chǔ)性工作，數(shù)字化測量技術(shù)能夠全面提升礦山測量質(zhì)量和效率，不僅使礦山施工更加科學(xué)合理，而且使礦山生產(chǎn)安全更有保障，因此本文對礦山測量數(shù)字化技術(shù)與應(yīng)用進行了探討。

礦山測量；數(shù)字化；應(yīng)用

礦山測量在礦山建設(shè)和開采過程中發(fā)揮著非常重要的作用，從礦床勘探、礦山設(shè)計、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)直至礦山報廢都離不開礦山測量服務(wù)。傳統(tǒng)測量技術(shù)周期長、效率低、精度差、質(zhì)控難，因而不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代礦山對測量工作的需要。隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，先進的測量儀器、自動化的成圖軟件和方便靈活的定位方法也應(yīng)運而生，使得低效的白紙測圖法逐步被數(shù)字化測量法所取代。數(shù)字化測量分為成圖數(shù)字化和測量數(shù)字化兩個部分。成圖數(shù)字化是指地圖以數(shù)字信息的形式輸出，早期數(shù)字化限于資金和時間等因素，直接利用數(shù)字化工具將白紙測圖成果轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)，這種方法精度低，現(xiàn)勢性也不好，但通過修測、補測一些精確地物坐標，可在一定程度上彌補原圖精度的不足［1］，而隨著航天遙感測量、攝影測量、三維激光掃描測量、地面數(shù)字化測量等技術(shù)的應(yīng)用，成圖精度、效率獲得極大提升，白紙成圖數(shù)字化逐步淘汰。測量數(shù)字化是利用全站儀、GPS（+RTK）、三維激光掃描測量等測量技術(shù)及相關(guān)測量軟件所開展的測量活動。為了構(gòu)建“數(shù)字礦山”，在礦山建設(shè)和開采過程中要努力實現(xiàn)信息化、自動化、可視化、智能化及至無人化［2，3］，因而開展數(shù)字化測量勢在必行，并應(yīng)引起礦企和測量人員的高度重視。

1 礦山測量數(shù)字化需求分析

1.1 建立礦區(qū)控制網(wǎng)

在礦床勘探階段，就要建立勘探區(qū)域的平面控制網(wǎng)，并且要與國家高等級控制網(wǎng)聯(lián)測；同時建立礦區(qū)水準基點網(wǎng)，并且應(yīng)與國家高等級水準點聯(lián)網(wǎng)。平面控制測量可采用GPS測量、導(dǎo)線測量、三角測量、邊角結(jié)合測量等方法，利用全站儀、GPSRTK等先進測量技術(shù)不僅作業(yè)效率高、精度好，而且操作智能化、輸出數(shù)字化。高程控制測量可采用GPS測量、水準測量和三角高程測量等方法，并利用數(shù)字水準儀、光電測距儀和全站儀等進行數(shù)字化測量。隨著GPS精密高程測量技術(shù)的發(fā)展，其測量精度已大大提高，所以可以用于高程控制測量。

1.2 測繪地形圖

礦山設(shè)計需要大比例尺的地形圖，并標定鉆孔、探槽、探井、探巷等勘探要素，還要進行儲量計算等。地形圖測繪采用數(shù)字化技術(shù)不僅減小外業(yè)勞動強度和內(nèi)業(yè)工作量，而且成圖周期短，便于圖紙管理，還是建立礦區(qū)資源環(huán)境信息系統(tǒng)（MRRIS，即礦山的地理信息系統(tǒng)）的基礎(chǔ)［4］。為了直觀地再現(xiàn)礦藏分布以及展示礦體與斷層結(jié)構(gòu)，建立三維礦區(qū)系統(tǒng)是非常必要的，這對于數(shù)字化測量技術(shù)來說并不是很難的事情，但對于傳統(tǒng)測量技術(shù)則困難得多，尤其儲量計算的準確性差距就更大了。數(shù)字化測圖方法前面已經(jīng)介紹，航天遙感（RS）、數(shù)碼攝影測量成果本身都是數(shù)字圖像，經(jīng)過處理可建立三維礦區(qū)系統(tǒng)［5］。

1.3 礦山施工放樣

在礦山建設(shè)階段，要開展一系列施工測量，以便根據(jù)設(shè)計要求進行機電設(shè)備安裝、管線埋設(shè)、土方施工、建（構(gòu)）筑物放樣、鑿井開巷等測量工作。利用已建立的測量數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)字化測量儀器，無非就是把數(shù)字化設(shè)計圖再放樣到施工現(xiàn)場，由于設(shè)計與測量基于同一信息系統(tǒng)（MRRIS），不僅精度有保障，而且效率高。

1.4 礦山生產(chǎn)管理與監(jiān)督

礦山生產(chǎn)時，需要標定和測繪巷道，進行儲量管理、開采監(jiān)督、“三量統(tǒng)計”，還要校核施工準確性、工程進度及編制采礦計劃，測繪各種采掘工程圖、礦山專用圖、礦體幾何圖等。利用礦山數(shù)字化成果與MRRIS平臺，將數(shù)據(jù)庫中礦山生產(chǎn)所需的各類數(shù)據(jù)（采掘量、坐標、高程等）放線到實際工作面，可全面科學(xué)地指導(dǎo)礦山生產(chǎn)和管理，并提高生產(chǎn)決策的準確性與合理性，能有效控制生產(chǎn)成本和提升勞動生產(chǎn)效率。

1.5 礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

安全生產(chǎn)需要準確的測量依據(jù)，如巖層與地表移動規(guī)律分析，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析，開展“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）開采研究，實施礦柱留設(shè)方案，進行礦山安全事故預(yù)防、預(yù)警、救護及礦山環(huán)境保護監(jiān)測、礦區(qū)土地復(fù)墾與采礦沉陷綜合治理等。礦山數(shù)字化測量成果及MRRIS平臺是獲取所需數(shù)據(jù)的可靠途徑。MRRIS集數(shù)據(jù)采集、處理、分析、管理和輸出于一體，自動化、智能化程度高，為礦山安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供強有力的支撐，而建立MRRIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是礦山數(shù)字化測量。

2 礦山測量數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

2.1 免棱鏡全站儀在礦井測量中的應(yīng)用

礦井下測量GPS定位技術(shù)發(fā)揮不了作用，全站儀帶棱鏡作業(yè)也比較繁瑣，所以井下測量效率和數(shù)字化水平一直上不去，很多情況下采場測圖、巷道窿形測量要仍要沿用普通經(jīng)緯儀定向、鋼尺量變、皮尺支距這樣的作業(yè)方式，免棱鏡全站儀應(yīng)用于井下測量不僅效率大幅提高（至少30%），更重要的是可以實現(xiàn)井下測量數(shù)字化的目標。免棱鏡全站儀采用了紅外和激光同軸的測距頭，紅外測距用于常規(guī)測量，而激光測距則利用了相位測量原理，通過接收被測目標的漫反射信號就能精確測量目標點的坐標，可實現(xiàn)測距精度3mm+2ppm/1km［6］。

井下采場測量作業(yè)只需2人，1人負責(zé)操作儀器，另1人負責(zé)采集記錄和其他輔助性工作。測量時在評估安全的位置設(shè)站，全站儀可以無接觸地采集巷道頂板窿形數(shù)據(jù)，再自動計算采集點坐標，從而準確算出采場空高，并繪出頂板剖面圖。采集400個目標點用時僅為2h。

井下控制測量可采用導(dǎo)線測量法，吊掛360°旋轉(zhuǎn)棱鏡，結(jié)合照明電筒，以可見激光粗瞄，利用旋轉(zhuǎn)棱鏡的折射可實現(xiàn)全視角全方位連續(xù)觀測，測距精度能達到4mm，可滿足Ⅱ級導(dǎo)線測距精度要求。實踐證明，利用360°旋轉(zhuǎn)棱鏡和激光測距全站儀也只需2人就能完成井下控制測量任務(wù)，并且在進行導(dǎo)線測量的同時，還可利用上述免棱鏡測量技術(shù)完成井下巷道碎部點數(shù)據(jù)的采集工作。

免棱鏡全站儀同樣可以進行井下采掘工程的施工放樣，利用視準軸激光投射到作業(yè)面上標定頂板、邊幫特征線、方向點，斜坡道也能利用偽傾角放樣法在平坡段完成兩分段間斜坡道的腰線標定。

全站儀采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接嬎銠C上，利用軟件進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，通過成圖軟件可實現(xiàn)數(shù)字化自動成圖，再進行3D建模，可以顯示井下巷道三維模型，效果雖比不上攝影測量和三維激光掃描逼真，但也較好地滿足了井下測量服務(wù)所需。

2.2 三維激光掃描測量技術(shù)

三維激光掃描測量是基于激光發(fā)射、掃描并利用高密度點云數(shù)據(jù)體積計算的非接觸測量技術(shù)，具有測量速度快、實時性強、數(shù)據(jù)點密集、測量精度高、成本低、安全性高、管理方便等優(yōu)勢［3］。目前，該技術(shù)已廣泛用于礦山儲量監(jiān)測、土石方量測量等場合，對于維護國家礦產(chǎn)資源所有權(quán)益、礦業(yè)權(quán)人權(quán)益、礦業(yè)權(quán)市場健康發(fā)展等具有重要的意義。三維激光掃描測量系統(tǒng)由激光掃描儀（內(nèi)含激光發(fā)射器、激光反射鏡、CCD技術(shù)、激光控制與光機電自動傳感器等部件）、外置數(shù)碼全景相機、便攜計算機控制裝置等組成。測量原理是利用激光束發(fā)射和接收的時間差計算出掃描點的相對位置，激光掃描儀自建極坐標測量系統(tǒng)，再根據(jù)掃描儀所處位置就能計算出掃描點的三維坐標?，F(xiàn)以某礦山為例說明該測量技術(shù)的應(yīng)用。該礦地面工程土石方施工，測量區(qū)域地勢起伏較大，部分區(qū)域比較零碎，采樣布點十分不方便，為了評估土石方施工量，在相鄰兩個月同一時點進行兩次了激光掃描測量，據(jù)此可推算出一個月的土石方施工量。在掃描視野較好的區(qū)域邊緣設(shè)置5個測站，并在其周圍布設(shè)定向靶標和校核靶標。掃描面積約1.2km2，每站掃描用時約15min。為了比較測量精度，同時采用常規(guī)測量方法進行對比。測量完畢，利用掃描儀自身軟件對云數(shù)據(jù)進行拼接和坐標轉(zhuǎn)換，然后進行三維建模并生成三角網(wǎng)，再經(jīng)平滑、補洞、細分、曲面擬合等處理得到了測量區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）。根據(jù)相鄰兩個月的兩個時間點模型疊加即可計算出一個月的土石方施工量，經(jīng)過與常規(guī)測量比較，其相對誤差不超過1%，但測量效率比常規(guī)測量提高了近4倍，并且作業(yè)安全、不影響施工，能夠獲得三維實景模型和正射圖像，這些是常規(guī)測量無法比擬的。

2.3 數(shù)字化測量技術(shù)在礦山爆破工程中的應(yīng)用

爆破全過程都涉及測量工作，爆破效果直接取決于爆破參數(shù)是否合理，而爆破參數(shù)的確定依賴測量的精度和效率。以某礦山臺階爆破為例進行簡要說明。首先，利用免棱鏡全站儀技術(shù)采集爆破區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，在計算機內(nèi)完成平面圖繪制。然后將設(shè)計孔位放樣到施工現(xiàn)場，穿孔后采集孔口坐標及孔深數(shù)據(jù)。接著實施爆破并采集爆堆數(shù)據(jù)，將爆堆碎部點三維坐標離散化，再經(jīng)多邊形算法、高程插值等處理，構(gòu)造出不規(guī)則三角形格網(wǎng)，剔除其中異常的三角形后建立DEM。從DEM可獲得爆堆三維可視圖，繼續(xù)操作可獲得剖面圖、等高線、土石方量等結(jié)果。通過對這些圖形的分析可評估爆破質(zhì)量和檢驗爆破效果。

3 結(jié)語

礦山測量貫穿于礦山建設(shè)、生產(chǎn)直至礦井報廢的整個過程，數(shù)字化測量是礦山生產(chǎn)和管理信息化發(fā)展的必然要求和途徑，企業(yè)不僅應(yīng)重視數(shù)字化設(shè)備的購置和MRRIS系統(tǒng)的構(gòu)建工作，還應(yīng)加強測量人員數(shù)字化技術(shù)的培訓(xùn)，這樣才能使礦山測量的質(zhì)量和效率不斷得到提升。

［1］劉賀明.探討數(shù)字化地形測量方法及步驟［J］.現(xiàn)代測繪，2011，34（2）：42-43.

［2］程新桃.三維數(shù)字化礦山建模測量研究應(yīng)用［J］.工程與建設(shè)，2013，27（1）：55-57.

［3］符建豪.數(shù)字化礦山測量與優(yōu)化實施［J］.北京測繪，2014（4）：80-83.

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［5］宗蔚晨，潘磊.攝影測量數(shù)字化系統(tǒng)在礦山動態(tài)測量中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2012（5）：134-136.

［6］田祖帥，任懷全，李鋼劍.無棱鏡測距全站儀在板石礦井下測量中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2013，11（3）：33-35.