基于全站仪的矿山沉降测绘方案优化研究

李雄飞

冀中能源股份有限公司邢台矿地质测量科 河北邢台 054001

为了提高矿山生产质量及其安全性，需要定期监测矿山地表沉降情况，并按照监测结果制定控制方案，以满足综采需求。当前矿山区域沉降测绘通过水准仪监测地表监测点的水平和竖直位移量，这种测量方案尽管精确度较高，但是可监测范围比较小，无法全面检测整个矿区沉降情况，难以满足当前矿山的高效、精确监测需求，由此提出了全站仪测绘方案，通过点云数据处理方案建立三维模型，对比不同测量方案测绘数据，对矿山沉降测绘精度、测量偏差进行精确，提高测绘效率，以满足矿山对测绘的高精度需求。本研究方案可以提高矿山沉降测量效率、精度，其应用具有经济价值和安全保障作用。

1 全站仪概述

全站仪在测量时，使用测距仪测量距离，使用经纬仪测量角度，使用计算机处理系统对测量所得的精确数据进行分析处理。全站仪主要包括手机测点数据、工程放样和记录传输坐标数据等功能。全站仪的测距模式包括精测、粗侧以及跟踪测量三种模式，需要根据具体测量要求进行科学选择测量模式。随着全站仪的发展，测距模式增加了棱镜、免棱镜这两种测量功能，同时也具有红外可见光测量功能，被广泛应用在矿山测量中。

2 全站仪矿山沉降测绘分析

为提高矿山沉降测量精确度，测量时需要选择新型三维激光扫描全站仪，其融合了自动定位测量以及激光云扫描，不仅能够根据传统方案先修正存储测量数据，并利用互联网处理拼接数据，同时也能够直接将数据传输到云系统中进行自动处理[1]。这种传感器扫描范围可以扩大到2km范围内，扫描速度也能够达到妹妹1200点，扫描距离、速度、精度可以达到有机统一，见图1为激光扫描仪结构。

图1 结构图

基于煤矿沉降监测要求，在测量范围内设置三个控制基准点，其中，第一个基准点位于矿山和运输道路交叉路口，以便实现联测控制，其余两个基准点设置在林基恩测量区域的未沉降山体处，以便架设设备，开展测量工作[2]。三个测量点间都设置了矿山沉降监测线，其上每个20m分别设置了一个监测点，顺着工作面沿路监测点设置共有10个，从H1到H10，顺着沉降的倾斜方向共有监测点为12个，从Z1到Z12，为了能够统一矿山沉降测绘精度，提高测量效率，分分别设计了两种测量方案，分别为区域内和区域外两种扫描测量方案。

3 全站仪矿山沉降测绘方案优化

为提高全站仪的测量精度，需要对其测量方案进行优化。首先，针对复杂的测量环境、不同人员的专业差异等导致的测量结果差异，测量部门需要对测量方案进行科学规范，测量时要先设置高级导线，再设置低级导线，通过高级导线调整低级导线，并采取多网交叉方式布设导线网，缩小横向测量偏差[3]。其次，根据矿山情况使用全站仪设置基准点，进而对井下作业环境进行测量。最后，测量时需要尽量减少人员影响测量结果，通过计算多次测量平均值和盘左、盘右测量平均值，根据其测量结果尽量减少测量人员的影响。

3.1 区域扫描测量

（1）区域内扫描测量。该测量方案是通过在矿山沉降区域利用全站仪来布设自由测量点，之后对基准点1、2、3分别进行测量。扫描测量时同时使用水准仪来测量检测区各测点水准情况，使用全站仪补充测量数据。该方案应用时，每次测量都能够在沉降量明显区域设置测点，同时能够增加测量设置密度，使各测点测绘距离能够处于200m范围内，以保证沉降区更加精确[4]。例如对P1、K1和K2这三个测点间的距离测量，各点测线标志为S1、S2、S3，测量得到，区域内扫描测量可以满足测量江都处于10mm范围内测量精度要求，测量的精确度较高，所得结果也更比较稳定。

（2）区域外扫描测量。该测量方案是根据沉降区外控制点进行扫描测量。激光扫描全站仪根据设置的第二个和第三个基准点，通过后视定向，之后从外侧沉降变形扫描区域内[5]。通过该方案可以扫描监测相对全面的沉降区域，并通过云联网进行数据整合处理。因为扫描范围较大，间距较远，因此实际测量的精度也会被影响。第一个基准点和第二个基准点间设置的沉降监测点有12个，第一个基准点与沉降监测点间距最短是210m，最大是390m，第二个基准点与沉降监测点间距最短是270m，最大是397m。这几个点上均布设了激光靶标，以便采用激光扫描仪来实行扫描测量。见表1。

表1 对比扫描结果

根据测量结果得到，激光扫描仪测量江都和距离呈反比例关系，也就是距离越近，扫描的精度也就更高[6]。在扫描距离达到210m时，测量精度可以达到11mm，二者偏差过大不满足矿山沉降测量精确要求。总之，区域外扫描测方案不适合本矿山沉降精确测量中。

3.2 数据修正处理

全站仪扫描完成之后，利用网络将数据点传给云系统实行滤波降噪处理，之后根据数字模拟建模和分析软件了对比分析各点位测量数据。对比分析数据时，按照矿山所在地情况来修正处理数据，尽量降低测量区域内受到植被覆盖的影响。测量数据在三维云数据处理之后转化成叠加分析云图[7]。通过分析矿山全站仪沉降测绘方案，测试时的偏差最大是-16.2mm，最小是3.4mm，整体偏差在±7.1mm，以保证矿山测量精度。

该方案相对于水准仪测量矿山沉降效率高出50%，同时可以确保测量精确度能够满足要求，对煤矿测绘信息和水平提高具有重要作用。当前，通过该方案在矿山进行反复沉降测量，保障了矿山灾害预防以及沉降处理水平。

4 全站仪矿山沉降测绘具体应用

以某矿区工程为例，通过地表埋桩法监测该矿山边坡垂直位移，并在影响区域外布设固定贯彻点，利用高精度测量仪对边坡烟气位移情况进行监测，经过长期周期贯彻了解沉降变化，判断矿山稳定度。

首先，构建基准网。根据影响因素、矿山沉降需求在稳定地层上监理监测基点，按照精度要求设计基准网，通过GPS控制器符合C级网要求。

其次，通过三角高程测量来检测测点垂直位移，根据当前矿山地形情况使用单向观测法来进行沉降测量，也就是在已知高程点上安装仪器，测站与沉降测点间距、垂直角和仪器高、舰高，计算彼此高差[8]。通过三角高程单向观测法来监测矿山沉降现象，需要尽量降低误差。因此，实际测量时，利用全站仪尽可能的减少测量距离，缩小测距误差，并严格遵循三角高程测量对各测点进行观测，降低大气折射误差。根据上述误差因素，采用全站仪的精确要求进行测量，测量误差在规定范围内。全站仪测量机器人实行全自动观测，当前两侧站在同时段测量同一点，缩小点位高程误差，多各点进行精度测量，按照精度指标的规范要求控制好测量误差。总之，监测点与基准点间距最好处于900m范围内，垂直角的范围处于25°范围内，在此基础上选择监测点。

最后，建设监测点，同时监测监测点。在建设监测点时，本矿山边坡地表位移监测点在设计平面位置时，先要对监测范围以及可能的滑动方向进行测量，按照开采过程中的采控破坏情况来监测预警，按照当前的矿山地形情况和观测方式进行布设，根据主滑动方向和滑动面范围对测线进行确定，设置测线，之后再设置监测点，通过误差分析计算得到测量基线不超过900m，垂直角不可超过25°，尤其需要加强监测滑动带等重点部位。监测桩是根据GPS-RTK放样，同时按照限制条件来调整监测点，监测桩的尺寸和基准点是一样的。在测量测量点的垂直位移时，基于监测点以及基准点点位浇筑之后的20天后开展首次监测，在稳定监测点后再监测。监测过程中，先要观测基准点高程，通过二等水准测量使用外围高级水准点引测至基准点构成闭合水准路线，通过平差可得监测点高程[9]。首次测量数据为后续监测提供了标准值，因此首次检测时需要开展两次独立测量，每次得到的监测点标准高程为后续监测提供了高程标准。后续的每次监测中，分别从四个边角对监测点高程进行测量。

此外，基于同等观测情况计算误差。按照变形测量时垂直位移的测量等级和精度，所得四等变形监测点点位中误差在-2.0mm到2.0m之间，只要符合扫描范围内的测量数据就是合格。每次测量之后，及时制定监测报表，其中提供了相应的高程，并对比每期监测数据以及首次测量结果，对监测点的高程变化进行可续分析，同时用表格形式和折现图形式表现出来，同时对其进行阐述说明。

5 结语

综上所述，当前矿山沉降测量的效率、精度和工作强度等与不断提高的测绘精度以及效率要求不符，要想提高矿山沉降测绘精度和效率，提出了新型测绘方案，本文采用全站仪进行矿山沉降测绘，通过点云数据建立三维数据模型，在实际应用时提出两种方案，方案一的测试灵活，能够随意确定测点，可以按照矿山地质实际情况来测量，可以满足测量精度在10mm范围内精度需求，测量质量好，且更加稳定。而方案二的测量比较简单，速度快，但是会产生较大偏差，不满足精确测量要求。采用全站仪测量方案后，矿山沉降测量效率大大提高，同时可以确保测量精度符合要求，以便预防矿山地质灾害，有效处理矿山沉降。