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        GPS-RTK 在礦山測量中的應(yīng)用

        2012-12-29 09:06:04王家吉龍澤偉鐘銀富
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年12期
        關(guān)鍵詞:控制點(diǎn)注漿觀測

        張 林 王家吉 龍澤偉 鐘銀富

        (湖北三鑫金銅股份有限公司,湖北 黃石 435100)

        1 礦山開發(fā)簡況

        湖北三鑫金銅股份有限公司現(xiàn)有資產(chǎn)總額12 億元,員工近1600人,其中專業(yè)技術(shù)人員近400人。年采選規(guī)模100 萬噸,年產(chǎn)金1.4 噸,產(chǎn)銅1.2 萬噸,采礦方式為地下開采,主副豎井開拓,采礦方法是分段中深孔嗣后階段膠結(jié)充填法和上向水平分層膠結(jié)充填法,選礦工藝為混合浮選銅硫分離,尾礦回收硫和鐵,尾砂主要用于井下充填,余下部分壓濾干堆。

        2 GPS原理

        2.1 GPS-RTK 定位技術(shù)簡介

        實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量 (RTK)Real Time Kinematic 定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS定位技術(shù),它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破,它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級精度。在RTK 作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài),也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

        2.2 GPS-RTK 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

        與常規(guī)的測量方法比較,GPS-RTK 測量具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):

        (1)工作效率高:對一般的地形進(jìn)行碎步測量,傳統(tǒng)測量儀器(如全站儀)要在通視的情況下布設(shè)比較多的控制點(diǎn),而且要不停的"搬站",做控制點(diǎn)和搬站作業(yè)至少需要3人,也比較浪費(fèi)作業(yè)時(shí)間。而RTK 作業(yè)范圍比較大,一般的RTK 可以覆蓋3-4km 半徑的測區(qū),質(zhì)量好的RTK 可以覆蓋5-10km 半徑的測區(qū),一般只要1-2人,在一般的電磁波環(huán)境下5秒鐘就可獲得限差內(nèi)的固定坐標(biāo),作業(yè)速度快,勞動(dòng)強(qiáng)度低,提高了勞動(dòng)效率,節(jié)省了外業(yè)費(fèi)用。

        (2)定位精度高,數(shù)據(jù)安全可靠,沒有誤差積累:只要滿足RTK的基本工作條件,在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi),RTK的平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級。RTK 技術(shù)當(dāng)前的測量精度:RTK 動(dòng)態(tài)精度水平:10mm+1ppm(rms),垂直:20mm+1ppm(rms);靜態(tài)后處理精度水平:5mm+0.5ppm(rms),垂直:10mm+0.5ppm(rms)。

        (3)降低了作業(yè)條件要求:RTK 技術(shù)不要求兩點(diǎn)間滿足光學(xué)通視,只要求滿足"電磁波通視"。因此,和傳統(tǒng)測量相比,RTK 技術(shù)受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小,在傳統(tǒng)測量看來由于地形復(fù)雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū),只要滿足RTK的基本工作條件,它也能輕松地進(jìn)行快速的高精度定位作業(yè)。

        (4)RTK 操作簡便,測繪功能強(qiáng)大:目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化,觀測人員只需將天線對中、整平,量取天線高打開電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測,利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測點(diǎn)三維坐標(biāo)。而且RTK 手簿提供了非常多的應(yīng)用軟件,且功能強(qiáng)大,使測量工作遠(yuǎn)離以前復(fù)雜的計(jì)算作業(yè),減少了測量內(nèi)業(yè)工作量。

        3 GPS-RTK的應(yīng)用

        3.1 尾礦庫征地、大壩增高、壩體沉降觀測

        GPS-RTK 在信號強(qiáng)度比較好的地方,精度可達(dá)到mm 級,完全可以適用于尾礦庫大壩的沉降觀測。以前做一次沉降觀測是一件很費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情,通常耗費(fèi)3-5人,要兩三天才能完成,一季度才計(jì)劃做一次觀測?,F(xiàn)在用GPS進(jìn)行沉降觀測就比較方便。通常一個(gè)上午,兩個(gè)人就可以完成,而且內(nèi)業(yè)也比較省力,所有數(shù)據(jù)通過南方Cass 直接展圖,與原來的數(shù)據(jù)對比就知道變化情況,現(xiàn)在的觀測頻率達(dá)到一月一次。

        2010年尾礦庫大壩加高擴(kuò)容,涉及到征地范圍。按照設(shè)計(jì)的標(biāo)高,用GPS-RTK 將涉及的區(qū)域圈定下來。壩體坡度比設(shè)計(jì)1:2,中間有兩個(gè)緩沖平臺,GPS手簿擁有強(qiáng)大的計(jì)算功能,利用坡度比計(jì)算程序,可以非??斓臋z核大壩的坡度是否符合設(shè)計(jì)。應(yīng)用GPSRTK 非常優(yōu)質(zhì)高效的完成了此次任務(wù)。

        3.2 地表地形圖測量

        公司經(jīng)過了三期的擴(kuò)建發(fā)展,地表變化比較大,地域面積大,要經(jīng)常更新地形圖.過去一般用全站儀測地形圖,先要在測區(qū)范圍建立控制點(diǎn),如果附近沒有控制點(diǎn),就必須花費(fèi)大量人力和時(shí)間做控制點(diǎn)。在測站上測四周的地物地貌等碎部點(diǎn)時(shí),要求碎部點(diǎn)都必須與測站通視,如果不通視就需要"搬站",比較浪費(fèi)時(shí)間,而且至少要求3-4人操作?,F(xiàn)在采用RTK,在一般的地形地勢下,設(shè)站一次就可測完以5公里(中海達(dá)GPS)為半徑的測區(qū),將基站放置在公司高樓頂部,外出作業(yè)僅需1-2人拿著移動(dòng)站和手簿操作,在地形地貌碎部點(diǎn)上待5s 左右,獲得限差內(nèi)的固定解后,就得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,同時(shí)輸入地物編碼,在測量過程中實(shí)時(shí)知道點(diǎn)位精度,這樣使作業(yè)速度加快,節(jié)省了人力,也提高了勞動(dòng)效率。RTK的平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級,并且誤差沒有累加,數(shù)據(jù)安全可靠。當(dāng)一個(gè)測區(qū)測完后獲得的數(shù)據(jù)通過Cass 成圖軟件就可以繪制輸出所需求的地形圖。

        3.3 土方量計(jì)算

        三鑫公司的不斷發(fā)展,地表基建工作比較多,涉及填挖土方量的計(jì)算。在工程施工前,用GPS-RTK 測繪工程區(qū)域內(nèi)的地形圖,在工程完成后再測繪一次施工區(qū)域的地形圖,將兩次的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到南方Cass 軟件中,利用軟件中的DTM 法、斷面法、方格網(wǎng)法等功能來計(jì)算體積,既節(jié)省大量人力,也比較準(zhǔn)確。

        3.4 雞籠山控制測量

        兄弟單位雞籠山礦業(yè)公司井下保有儲量面臨枯竭,開始國家危機(jī)礦山接替項(xiàng)目,進(jìn)行周邊外圍探礦。而外圍的探礦區(qū)域都是山高林密,荊棘密布,用全鉆儀將礦區(qū)內(nèi)的控制點(diǎn)導(dǎo)到探礦區(qū)域,幾乎是不可能的事情。我公司測量技術(shù)人員利用GPS-RTK的靜態(tài)模式進(jìn)行控制測量,花費(fèi)三天時(shí)間,在探礦區(qū)域共施放了8個(gè)控制測量點(diǎn),數(shù)據(jù)采集時(shí)PDOP 值小于等于6,并且持續(xù)顯示為固定解.為保證采集數(shù)據(jù)的可靠性,每點(diǎn)獨(dú)立初始化二次,采集數(shù)據(jù)點(diǎn)位較差小于2 厘米,其相對誤差均小于1/4000 規(guī)范要求。

        3.5 尋找老鉆孔、井下采空區(qū)注漿封堵

        2010年3月的雨季,井下-160m 出現(xiàn)重大突水事故,并且攜帶大量泥沙,表明地表水與井下間隙水聯(lián)通。為保證安全生產(chǎn),杜絕井下突水隱患,首先尋找塌陷區(qū)附近的鉆孔封閉情況,對封閉不良的鉆孔要重新封堵,然后對井下老采空區(qū)進(jìn)行注漿封堵。

        將設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位標(biāo)定出來,常規(guī)的放樣方法如經(jīng)緯儀交會(huì)放樣、全站儀的邊角放樣等,放樣時(shí)要來回移動(dòng)目標(biāo),反復(fù)測設(shè)水平角和距離,而且要2-3人操作,存在一定人為誤差,同時(shí)在放樣過程中還要求點(diǎn)間通視情況良好,有時(shí)放樣過程遇到困難的情況要借助于很多方法才能放樣,如距離較遠(yuǎn)時(shí)還必須支測點(diǎn),從而使誤差累加影響放樣點(diǎn)的精度。而利用GPS-RTK的點(diǎn)放樣功能很容易實(shí)現(xiàn),在手簿中輸入設(shè)計(jì)坐標(biāo),根據(jù)手簿指示就可找到封閉不良鉆孔位置和找到井下采空區(qū)對應(yīng)地表的范圍,放樣精度比較高,僅需1-2人操作。整個(gè)工程分為副斜井注漿止水工程、桃源民采區(qū)注漿帷幕堵水工程、淺部老空區(qū)和井巷充填及注漿工程。工程歷時(shí)13個(gè)月,完成鉆孔46個(gè),累計(jì)完成鉆孔深度4230米,充填量(水泥配比尾砂)28000 立方米,注漿量(水泥)4172 立方米注漿量。

        3.6 地表物探

        2009年與北京科技大學(xué)合作研究探測礦區(qū)-300m以上溶洞和民采空區(qū)的分布情況。歷時(shí)約40天的時(shí)間,協(xié)助北京科技大學(xué)物探研究隊(duì)進(jìn)行物探工作,利用GPS-RTK的點(diǎn)放樣、線放樣和碎步測量功能,施放23、22b、22……16b、16線等15條勘探線和5條臨時(shí)線,共計(jì)20條線,累計(jì)采集測點(diǎn)坐標(biāo)近500個(gè),極大的推動(dòng)了工作進(jìn)度。

        4 GPS-RTK的不足與改進(jìn)

        4.1 受衛(wèi)星狀況限制

        當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時(shí)候,世界上有些國家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋,容易產(chǎn)生假值。另外,在林區(qū)、居民區(qū)、山地等復(fù)雜地區(qū),衛(wèi)星信號被遮擋時(shí)間較長,使一天中可作業(yè)時(shí)間受限制。為解決此問題可以選用GPS+GLONASS的雙星雙頻系統(tǒng),在不久的將來還可以選用我們的北斗定位系統(tǒng)。

        4.2 數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制

        RTK 數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號源的干擾,在傳輸過程中衰減嚴(yán)重,嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外,當(dāng)RTK 作業(yè)半徑超過一定距離 (電臺一般為幾公里,GPRS作業(yè)半徑可達(dá)10公里)時(shí),測量結(jié)果誤差超限,所以RTK的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱半徑要小。解決這類問題的有效辦法是把基準(zhǔn)站布設(shè)在測區(qū)中央的最高點(diǎn)上,或者結(jié)合全站儀,用RTK將控制點(diǎn)施放在附近信號比較好的地方,再用全站儀測設(shè)受信號干擾嚴(yán)重的區(qū)域。

        4.3 初始化能力和所需時(shí)間問題

        在山區(qū)、一般林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時(shí),GPS衛(wèi)星信號被阻擋機(jī)會(huì)較多,容易造成失鎖,采用RTK 作業(yè)時(shí)有時(shí)需要經(jīng)常重新初始化。這樣測量的精度和效率都受影響。解決這類問題的辦法主要是選用初始化能力強(qiáng)、所需時(shí)間短的RTK 機(jī)型。

        4.4 電量不足問題

        使用內(nèi)置GPRS傳遞數(shù)據(jù)鏈,電池可以工作十小時(shí)左右,但如果使用電臺傳遞數(shù)據(jù)鏈,RTK 耗電量較大,需要大容量電池才能保證連續(xù)作業(yè),一般選用汽車用電瓶。

        4.5 精度和穩(wěn)定性問題

        RTK 測量的精度較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響。不同質(zhì)量的RTK 機(jī)型,其精度和穩(wěn)定性差別較大。要解決此類問題,首先要選用精度和穩(wěn)定性都較好的高質(zhì)量機(jī)種,然后要在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)多布置一些“多余”控制點(diǎn)作為RTK 測量成果質(zhì)量控制的檢核點(diǎn)。我公司就布設(shè)了"多余"控制點(diǎn),每次外出作業(yè)都要檢核精度。

        結(jié)語

        2月25日凌晨0時(shí)12分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運(yùn)載火箭,將第十一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功送入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。按照北斗衛(wèi)星,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)"三步走"的發(fā)展戰(zhàn)略,2012年中國還將會(huì)陸續(xù)發(fā)射多顆北斗導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星,不斷地?cái)U(kuò)大覆蓋區(qū)域,提升系統(tǒng)服務(wù)性能。2020年左右,將會(huì)建成由30 多顆衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。在不久的將來,可以用上我們自己的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。屆時(shí),筆者認(rèn)為GPS會(huì)有更加廣闊的使用前景。

        [1] 郭達(dá)志.礦山測量的昨天、今天和明天[A],第七屆全國礦山測量學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2007.

        [2] 陳俊勇、胡建國.GPS技術(shù)的新進(jìn)展[J].測繪工程,1996.

        [3] 胡伍生等.GPS測量原理及其應(yīng)用 [M].北京:人民交通出版社,2004.

        [4] 張正祿等.工程測量學(xué)[M].武,武漢大學(xué)出版社,2006.

        [5] 王強(qiáng).RTK 技術(shù)及其應(yīng)用 [J].新疆測繪,2002(2).

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