二等水准测量在矿区沉降形变监测中的应用

魏迎国

二等水准测量具备非常高的精度，并且应用简单，能够适用于各种控制测量场景。即便在现阶段有相关测量方法能够代替二等水准测量，但是其仅作用于某些特定范围之内，并且在精度及稳定性方面仍有待提升，因此在当下二等水准测量，仍具备极广的应用范围和良好的应用基础。除了常规的控制测量外，在垂直位移监测方面也有着极好的适用性，比如铁路线路建沉降监测、深基坑施工监测等等。虽然二等水准测量在沉降观测中的效率与当下先进代替方法相比相对较低，但是由于其的稳定性及精度优势，在当下大型以及大范围沉降监测中仍得到了广泛应用。特别是在现阶段矿业开采中，由于矿山开采会对地层山体结构等造成破坏，进而引发上覆岩层弯曲、边坡滑塌破碎等等问题，所以就需要通过二等水准测量来动态监测矿区内容易出现形变、沉降的区域，及时掌握沉降形变程度，进而采取有效的防护和处理措施，确保矿山开采的安全稳定，降低各种安全事故风险。因此，做好二等水准测量技术的研究和应用，不断提高测量精度，降低测量误差，对于矿区开采和矿业发展有着非常重要的意义和作用。

1 矿区精密二等水准测量的主要方式

精密二等水准测量是经过国家测绘信息局确认的，适用于矿区测量测绘的标准测量技术。通过精密二等水准测量能够全方位的测量矿区以及周边范围的地形地壳信息数据，作为矿区开采生产提供参考和依据。在具体测量中常用工具为精密水准测量仪，测量人员需要将数字水准仪设置在相应的测绘地点，在经阳光照射后，编码标尺经阳光反射就可以成像，然后就能够呈现在望远镜分划板上，测绘人员就可以直接观察相应的数据和信息。同时还有部分光束会在分光镜的作用下将光速传输到CCD传感器中，经过进一步的光电转换及整形，就可以将光信号转换为数字信号，得到了数字信号在经过微处理器处理后，就可以保存在储存端。最后通过与数字水准仪中相关标准参数的比对、转换就可以得到具体的测量数据，准确掌握测量区域的高度和水平距离。

2 二等水准测量在矿区沉降变形监测中的具体应用

2.1 研究区概况

某矿区整体属于丘陵地貌，整个矿区地势地形变化复杂，东北方地势相对较高，西南方地势相对较低，同时在矿区内还存在一条自北向南的河流。在长期开采过程中，矿区内的开采空洞非常多，对地面地层结构造成了严重破坏，沉降形变问题较为严重。为了有效掌握矿区沉降情况，更好指导矿山开采工作的开展，确保生产安全，以二等水准测量来作为沉降监测方法。

2.2 监测方法概述

以1985国家高程基准为本次测量的高程基准，主要设备为数位数字水准仪。矿区内共设置了42个水准点，经过常年检测积累了大量高程数据，通过对比这些数据来掌握矿区各个区域的沉降规律及沉降量等相关信息。为了确保数据的准确度，数字水准仪在使用前必须按照既定的流程进行校对检核，并验证测量当天的气候等相关条件，只有符合测量测绘标准才可进行观测测量，如果存在超差监测情况，则需要及时开展重测或补测。水准仪在测量前需要先通过仪器自带i角程序自测，并进行储存。如果测得的i角结果和上一次结果间的误差超过3″，则需要重测校对，只有i角误差在既定范围内才可开展正式测量。

2.3 监测点位选择

二等水准测量结果的准确性与水准点位置直接相关，从稳定性要求考虑水准点所处于的位置地基必须足够稳定，存在沉降的区域一般不设置水准点，以免沉降过大而造成监测误差。与此同时，水准点所处区域还需要具有足够开阔的视野，并且便于保存。比如对于基岩水准点，一般需要设置在基岩路头或者高架桥墩等位置。监测点必须均匀设置在待测量区域范围内，这样才能够对整个沉降区域的相关数据进行全面准确的检测，进而得到相应的沉降形变规律。在具体测量点和监测点的设置中，起始点和检核点需要从已知的高程点中进行选择，在本次项目中综合考虑整个矿区的地质地貌和植被情况，水准点和监测点分别有16个和26个。

2.4 外业观测

本次测量方法为往返观测，对于同一地区必须采用同样的仪器设备进行往返测。长测量段则需要合力对其进行分段，每段约在20km～30km之间，然后再有序进行区段往返测绘。结合具体的路线和地质情况，转点尺承必须设置超过4个以上的尺桩，同时对于特殊地段，则需要采用大帽钉为尺承。往、返测奇数站和偶数站的照准标尺顺序是不同的，前者为后、前、前、后者为：前、后、后、前。

观测间隙需要结束在水准点，如果无法实现，则需要在最后一站选择两个固定点为间歇点，固定点的要求为稳定、光滑，能够满足标尺放置要求。在间歇结束后，再检测间歇点，对任意两尺承点间歇前后高差进行测量比对。同时在观测中对于其他相关要求也必须进行规范执行，以此来获得准确的测量结果，比如成果取舍、观测时段、限差等方面的要求和标准。

2.5 数据处理

数字水准仪在完成测量后会自动进行相关数据的录入，然后再通过处理软件自动生成相应的测量报表。在数据处理中按照公示仪来计算水准，测量的偶然误差，Δ为测段往返测高差不符值，单位mm；R为测段长度，单位km；n为测段数。

在本项目中经计算可知东西和南北两个方向闭合水准路线的测量偶然误差分别为±0.59mm和±0.5mm。

2.6 数据处理与分析

2.6.1 监测结果

本次研究主要将2017年～2020年间的监测数据进行了汇总，由于整体数据量较大，所以仅选择了其中部分数据，2017年～2020年各监测点的数据分别为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则代表了已知点和监测点。

2.6.2 研究区沉降规律分析

由于本次研究的时间跨度较长，并且个别监测点也出现了损坏问题，为了确保监测精度，提高监测数据的质量，并未统计出现损坏的监测点数据，只统计了正常监测点，共有38个监测点，以此为基础来开展沉降规律的分析研究。将T1和T2两个点作为起始值开展坐标换算，将自定义的坐标按照相应既定流程换算为统一坐标，分析各年中的监测数据，然后分析各个时间段内地表沉降的规律。

通过分析研究可知在2017年～2020年之间，中东区域的沉降存款最为严重，并且部分区域出现了漏斗状，说明该区域的岩层应力变化非常大，该区域在2017年前已经有着较大面积的开采空洞，但是每年的沉降速率变化并不大，分析其原因可能是原有被打破的应力平衡在经过自然变化后，又重新形成了平衡；但是在此之后所产生的开采空洞区，虽然沉降量小，但是与以往的产业速率相比，却有了较大的提升，表明该区域被打破的应力平衡正在逐渐向新的平衡状况发展。综合统计整个区域沉降量，最大和最小沉降量分别为52mm和3mm，经过统计沉降量具体分为4个层级，＞50mm、30mm～50mm、10mm～30mm和0mm～10mm，上述各个层级在总沉降面积中的比例为1.20%、10.80%、20.70%和67.30%。由上可知，整个矿区的沉降形变情况相对较小，地层结构稳定性较高，但是在部分区域也存在严重沉降风险，所以在日常矿山开采中，需要加强对塌陷预防等情况的分析处理，及时回填巷道和采空区，避免冒顶等安全问题的出现。

3 二等水准测量在应用中的误差分析

3.1 水准仪误差分析

测量工作必须建立在相应测量仪器设备的基础之上，尤其在二等水准测量中测量精度要求极高。如果测量仪器存在运行异常必然会导致测量结果失真或者准确度降低。其中，最为关键的就是水准仪，在测量前如果没有做好水准仪i角的校对，与既定误差范围要求不相符，必然会导致测量结果失真。水准仪i角指的是在测量中仪器视准与水准在不同水平面的夹角。即便在测量公司开始前，提前校正水准仪i角，也会引起误差。测量仪器误差的出现会降低测量工作的效率，直接影响矿山沉降监测工作的开展，所以在二等水准测量中，必须充分重视对水准仪误差的分析和消除。

3.2 水准尺误差分析

水准尺在测量工作中主要负责检测仪器的水平面，其在二等水准测量中也极其关键，水准尺误差必然会降低二等水准测量工作的质量。而导致水准尺误差的原因多数由于在制作水准尺时存在工艺问题，水准尺读数在使用中无法准确归零，该误差也就被称之为零点差。零点差对二等水准测量的影响是非常大的，零点差过大会导致测量结果严重失真，精度显著降低。

3.3 调焦误差分析

仪器加工误差也是影响二等水准测量结果精度的主要误差因素之一，其中最为常见的就为调焦误差，该误差会降低光螺旋调焦二道的精度。因为在该误差的影响下，光透镜中光的运动难以保持直线，这就会导致视准轴出现变化，进而就会影响水准尺读数的准确性。

3.4 外界环境误差

二等水准测量受环境因素的影响也相对较大，如果环境条件无法满足相关测量仪器及技术的要求，就会造成测量误差。一方面，随着海拔高度的提升，大气密度会出现明显的梯度变化，如果空气密度梯度不相同，就会导致光在空气的折射率变化，在不同的折射率中所得到的结果也会不尽相同。另一方面，视线和地面间的距离设置不合理也会对光的折射率也会造成一定影响，进而导致测量结果出现较大误差。

3.5 测量观测误差

观测误差多数是由于在二等水准测量中存在测量不规范、仪器设备操作不当等问题所引起的。比如在水准尺使用过程中，水准尺控制气泡没有做到完全居中，这就说明水准尺没有完全水平，在此状态下使用水准尺测量必然难以得到准确的数据。再或者立尺使用中，没有按照规定要求进行铅直处理，在此状态下所得到的读数会超过水准尺的读数，致使测量中测量人员视距提高，进而导致误差加大。除此以外，如果下行测量所处于的地面坡度较大，也会引发误差。

4 精密二等水准测量质量的控制策略

4.1 仪器误差消除策略

经过长期发展，矿用数字水准仪设备的精确度和自动化程度在不断提升，能够完全满足当下精准二等水准测量的要求。但是在具体测量应用中，为了有效控制误差，提高测量精度，数字水准仪在应用前必须做好i角的调试校正，确保其误差在既定精度范围内。同时在正式测量中，各个测量站都需要做好距离差值的限定，对于同一测站前后视距差值累计值必须控制在明确的限度范围内，同时在对同一测站前、后视距距离照准时，尽量避免调焦。同时在太阳光照较强或者直射的区域进行仪器设备操作时，还需要做好对水准仪的遮盖，避免光线向过强而影响水准仪的正常测量，尽可能降低i角误差。

4.2 水准尺误差消除策略

水准尺误差的根本在于零点差，所以要想尽可能降低水准出误差，必须从零点差消除方面入手，选择偶数测量点来结束测量，这样才可以尽可能达到二等水准测量的精度要求。同时在具体测量中，也可以通过调整前后水准尺位置的方式来消除误差，提高测量精度。

4.3 调焦误差消除策略

调焦误差多数都是由于加工误差所引起的，所以在当下需要做好对测量仪器加工制造技术的改进和创新，提高加工制造质量，这样才能够将此类误差的影响降至最低。并且在具体二等水准测量中，前视距测量必须在后视距测量，彻底完成后才可开展，这样就可以避免调整焦距，使前后视距焦距相同，减少了焦距误差的影响，有效促进测量结果精度的提高。

4.4 外界环境误差消除策略

为了尽可能降低环境误差的影响，在具体矿山二等水准测量中，必须做好对各方面环境影响因素的分析研究，然后有针对性地开展控制策略和处理措施尽可能降低各类环境因素的影响。第一，在矿区测量中，测量人员需要对整个测量区域的环境进行勘察分析，尽可能采集各方面的地质环境资料，然后再结合具体勘测要求进行测量方案方法的确定，并加强对测量中光学水准设备、电子水准设备等于地面的距离，尽可能降低光线折射率方面的误差影响。第二，对于视线和地面间的距离设置不合理所引起的光线折射率误差，比如山体、大型坡道等，在测量中为了将该方法的误差降至最低，需要尽可能地减小前视距长度，加强视距高度管控，以此来尽可能缩减坑洞测量中的水平视距误相，有效降低水平误差。第三，提高测量环境的稳定性。空气振动一方面会导致地面发生震动，然后传输到测量仪器设备中，影响测量设备的正常运行，另一方面在振动时所产生的波动会对空气造成影响，就造成空气折射率的变化。并且由于矿山在开采过程中经常需要进行爆破、大型机械设备的操作使用以及车辆运输等都会产生明显的振动情况，所以在具体测量时，一方面需要选择矿山作业闲时来开展测量观测，并且尽可能确保测量站或者观测点所在位置地基的平稳，为测量工作提供一个稳定安静的环境；另一方面在不影响测量工作正常开展的同时，通过相应的隔音措施来尽可能降低震动影响。

4.5 测量观测误差消除策略

由于测量观测误差多数是由于操作规范性等方面的问题所引起的，因此对于测量观测误差，首先需要从技术交底和专业培训方面入手，明确各仪器设备的操作规范要求。并加强对相关测量人员的培训教育，以此来增强其对于各种仪器设备以及技术流程的掌握，不断提高测量测绘能力。其次，则需要加强测量中的细节控制，明确各关键点的要求并加强控制管理。对于水准尺在使用时，必须确保气泡在其中央位置；对于立尺必须按照要求进行铅直处理，并且还需要利用扶尺做好对立尺垂直角度的校正，这样才能进一步提升整个二等水准测量过程的规范性和科学性，确保测量精度，为矿山沉降形变监测工作做出有效帮助。

5 结语

综上所述，本文结合具体矿区沉降监测项目探究了二等水准测量的应用，研究表明二等水准测量能够准确完成对矿区内各沉降形变情况的准确测量，这就为矿山开采和安全防护工作的开展提供了有效的数据信息支撑，充分说明了二等水准测量在矿区沉降形变监测中的适用性和精确度。但是在二等水准测量中还存在的各种误差，为了进一步提升二等水准测量的精确度，在矿区二等水准测量工作中，需要从仪器、水准尺、环境、测量观测过程等多方面入手加强误差的控制和消除，从而为矿山安全开采奠定良好基础。