現(xiàn)代測量技術(shù)在礦山的實際應(yīng)用

李進(jìn)，王永軍，蔣光軍（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局407隊，湖南 懷化418000）

現(xiàn)代測量技術(shù)在礦山的實際應(yīng)用

李進(jìn)，王永軍，蔣光軍（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局407隊，湖南 懷化418000）

礦山測量技術(shù)旨在確保礦山的生產(chǎn)運(yùn)營正常，準(zhǔn)確、全面地對礦山的實際情況進(jìn)行測量，保證礦山開采以最優(yōu)方案運(yùn)行，達(dá)到高效率、低成本的運(yùn)營模式。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，礦山的測量技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，礦山對測量的時效性、礦山整體的直觀性、控制的精準(zhǔn)性越來越高。本文就礦山開采的控制測量、坑道測量、采掘面測量的方法及相關(guān)軟硬件配備展開研究，提出一套比較適合當(dāng)前礦山開采比較實用的理論技術(shù)方法。主要從控制測量、坑道及其采空區(qū)測量、軟件應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理三大方面闡述礦山測量的技術(shù)，主要軟硬件以徠卡智能全站儀（帶ATR和紅外對中、免棱鏡、編程），surpac軟件。

礦山測量；后方交會；surpac；三維建模

前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測繪科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，礦山的測量技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。各類新型礦山測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山測量工作中，為礦山測量的精確性與全面性提供更好的技術(shù)支持，比如GPS RTK技術(shù)、數(shù)字測圖技術(shù)等，為礦山生產(chǎn)安全提供保障，提高測量的工作效率，在傳統(tǒng)的礦山測量領(lǐng)域中，礦山測量使用的水準(zhǔn)儀、光學(xué)經(jīng)緯儀等儀器在精度上、觀測方法和數(shù)據(jù)記錄等出現(xiàn)較大誤差，無法滿足現(xiàn)代礦山開采需要，確保安全生產(chǎn)，降低開采成本。

1 控制測量

1.1 地表控制測量

地表控制測量同常規(guī)地表控制測量一致，布設(shè)均勻覆蓋整個礦區(qū)的GPS點，選點埋石符合GPS控制點以下要求：①遠(yuǎn)離發(fā)射功率強(qiáng)大的無線電發(fā)射源、微波通道、高壓線（高于20萬V）等，距離不小于200m；②避開多路徑效應(yīng)（高大建筑、水域等），高度角控制在15°；③避開建筑規(guī)劃易破壞地帶；④避開坑道開挖采掘易導(dǎo)致振動甚至塌陷地帶；⑤埋石為一般標(biāo)石即可。GPS點觀測等級一般為D級即可，當(dāng)?shù)V區(qū)范圍太大時，需要布設(shè)二、三等水準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)高程控制，聯(lián)測各GPS點。

1.2 井下控制測量

井下控制測量是礦山開采至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到礦山開采的貫通、礦床找尋、開采面定位等，直接影響整個礦山的整體運(yùn)營。國內(nèi)傳統(tǒng)的測量歷經(jīng)羅盤加皮尺、經(jīng)緯儀配合陀螺儀加鋼尺或者測距儀，到現(xiàn)在主流的全站儀，測量的精度隨著測量儀器的升級逐步提高。傳統(tǒng)巷道測量一般將控制點布設(shè)在巷道底板或者頂板，但這就有相當(dāng)大的不足之處，布設(shè)在底板上的控制點容易被來往工人或者礦車振動移位甚至破壞；布設(shè)在頂板的控制點在測量時一般都用鉛垂將其引點至地面，這樣應(yīng)用起來時效性就相當(dāng)差，而且難以保證測量的精度。在大型的礦山這樣的控制點難以確保其準(zhǔn)確性，一旦出現(xiàn)控制偏差，造成的損失是不可估量的。

（1）做點原理及方法：配備徠卡專用棱鏡及加長桿（長20cm，連接棱鏡的另一端直徑10mm）和略大于連接桿直徑的鋁制套筒（長5cm）。在側(cè)壁用10mm電鉆鉆深度5cm孔，然后將鋁管敲進(jìn)孔，即完成一控制點制作。控制點制作及應(yīng)用方法如圖1。

（2）待控制點做好后，觀測時主要應(yīng)用后方交會法，在控制點間設(shè)任意站，設(shè)站位置考慮后方交會相鄰角度盡量對等以減小計算誤差，設(shè)站用紅外對中，觀測用ATR自動瞄準(zhǔn)，任意站需測量3個已知控制點及以上，然后用全站儀內(nèi)置后方交會計算程序計算設(shè)站的坐標(biāo)，并檢查其計算精度是否符合要求（其精度要求可以在編程時自行根據(jù)需要設(shè)定，一般XYZ需小于2cm），合格后便設(shè)站成功。其后便可以測量后續(xù)的控制點?？刂泣c間的距離控制在20m內(nèi)，以縮小差。

（3）當(dāng)?shù)V山的控制范圍不需要考慮地球橢球度的影響時）中的后方交會一般足以。當(dāng)需要考慮橢球度時，考慮在巷道中心線布設(shè)一次臨時的導(dǎo)線附帶高程水準(zhǔn)用以檢核校正并平差側(cè)壁上的控制點。

（4）該方法的優(yōu)點顯而易見：易于保存，應(yīng)用方便快捷，誤差平均出現(xiàn)偶然誤差的幾率小。但有一定的缺陷：儀器配備要求較高，后方交會時長短邊造成的誤差累計，但控制范圍大時可以通過臨時導(dǎo)線和水準(zhǔn)予以檢核矯正。

圖1 控制點制作及應(yīng)用方法

2 巷道及采空區(qū)測量

在傳統(tǒng)的測量中，通常巷道測量只以導(dǎo)線形式測量其中線，然后用皮尺量距標(biāo)定其地質(zhì)編錄。這種模式的測量圖上顯示不直觀，不全面，顯然逐漸跟不上現(xiàn)在的采礦要求。為了順應(yīng)社會的進(jìn)步和開礦的更高要求，本文探討測量三維巷道并繪制三維立體模型的方法，這樣能將井下情況在電腦里一目了然，如同身臨其境。測量的方法如下：

設(shè)站：在需要測量的巷道或者采空區(qū)、采掘面附近設(shè)站，需采集三個及以上控制點，觀測時需選擇ATR有棱鏡模式。

設(shè)站成功后，開始采集巷道和采空區(qū)碎部點。

采集巷道碎部點時，將儀器調(diào)整為無棱鏡模式，為了能更逼真的顯示出巷道的三維實際模型，每一巷道切面需采集5個點（頂部1點、肩部2點、底2點）。且在巷道有形狀變化處就選一斷面測量。這樣眾多的斷面各對應(yīng)點相連，便構(gòu)成整個巷道的簡易DTM，封閉建模就可以生成出巷道的模型。

采集采空區(qū)時，依據(jù)點云密布原則，選擇有變形拐點的地方就用無棱鏡模式一圈一圈地采集碎部點，然后內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)建立DTM并建模，生成采空區(qū)的實體模型。

將采空區(qū)和巷道綜合起來就能得到整個礦山的三維立體模型，導(dǎo)入礦床礦體的模型，然后非常直觀的設(shè)計出開挖巷道直達(dá)礦體。

3 數(shù)據(jù)處理及三維建模

三維軟件的開發(fā)利用，將礦山的開采可視化，再不像傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)，靠一定的空間想象去構(gòu)象立體模型。本文以surpac軟件為例，介紹三維建模的應(yīng)用及其優(yōu)越性。

Surpac全名Geovia Surpac，是達(dá)索Geovia品牌推出的一款全面集成地質(zhì)勘探信息管理、礦體資源模型建立、礦山生產(chǎn)規(guī)劃及設(shè)計、礦山測量及工程量驗算、生產(chǎn)進(jìn)度計劃編制等功能的大型三維數(shù)字化礦山軟件。具有強(qiáng)大的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)和礦體資源模型三維顯示和編輯功能，并具有數(shù)據(jù)庫編輯功能。

用徠卡全站儀測量的控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)出到surpac軟件中，在軟件中可以自定義控制點數(shù)據(jù)庫，在礦山測量中，一般定義如surfac、underg2數(shù)據(jù)庫。分別將地表控制點及井下控制點導(dǎo)入到相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，以便有條理的調(diào)用查找相關(guān)數(shù)據(jù)。

如圖2，巷道測量及采空區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入線文件至surpac中，將每個斷面的對應(yīng)部位的點連接起來構(gòu)成如圖2的簡易線模型。

將上一步驟中每個斷面點所連線段封閉，然后每個斷面之間就能構(gòu)造環(huán)形連續(xù)的面，然后就構(gòu)成了立體的模型如圖3。

圖2 簡易線模型

圖3 立體的模型

測量的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入后，一個直觀的三維視圖隨時都能呈現(xiàn)在眼前，旋轉(zhuǎn)三維視圖，可以從不同的視角對礦山進(jìn)行觀察分析，這樣對整個礦山的情況能有一清晰的認(rèn)識，通過專業(yè)的分析就可以對于礦脈開采設(shè)計、巷道設(shè)計、貫通等都具有一目了然的效果如圖4。而且對于設(shè)計的數(shù)據(jù)在視圖中都能直接進(jìn)行丈量，如方位角、坡度、長度等。

圖4 旋轉(zhuǎn)三維視

另外，應(yīng)用該軟件還可用于驗收方量等，如地面開挖的兩期土方的計算，只需要均勻準(zhǔn)確測量出開挖前后的地表數(shù)據(jù)，然后分別構(gòu)建出DTM模型，通過兩期模型疊加，即可計算出兩期土方之差。其原理等同于常規(guī)測量軟件（如CASS）中的兩期土方計算。

由此可以發(fā)現(xiàn)，用這種三維軟件進(jìn)行分析、設(shè)計等，有著傳統(tǒng)二維CAD應(yīng)用軟件無可比擬的優(yōu)越性，它將高程也體現(xiàn)在我們的視角里，無需去抽象構(gòu)建虛擬模型。對于各種設(shè)計的巷道路徑等只需直接丈量即可得到極為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，再也不需要通過計算其長度、角度等元素。

4 結(jié)束語

為加快我國礦山數(shù)字化建設(shè)，確保礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)及整體效益、市場競爭力和適應(yīng)能力，為加強(qiáng)國家對礦山的有效監(jiān)管，一套成熟完整的高時效、高技術(shù)含量的礦山數(shù)字化測量技術(shù)的研制迫在眉睫，只有將先進(jìn)的測量儀器和測量理論不斷試驗于礦山開采中，將不斷試驗總結(jié)的先進(jìn)技術(shù)方法推廣出去，這樣才能讓礦山安全生產(chǎn)，效率不斷提高，同時政府才能有效監(jiān)管，統(tǒng)籌規(guī)劃開采我國的礦產(chǎn)資源。

TD17

A

2095-2066（2016）22-0052-02

2016-7-15

李 進(jìn)（1982-），男，工程師，注冊測繪師，本科，主要從事礦山測量、地籍測量、工程測量、控制測量等工作。