彭志偉

（山西晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 046605）

晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，核定生產(chǎn)能力800 萬t/a，2005 年建礦，水文地質(zhì)類型中等。為了確保礦區(qū)的安全性，需要定期對(duì)礦山地表的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的控制方案，滿足綜采安全性的需求。目前對(duì)礦山區(qū)域地表沉降的監(jiān)測(cè)主要是采用水準(zhǔn)儀對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平和豎直位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該方案雖然精度較高，但有效監(jiān)測(cè)范圍過小，無法對(duì)整個(gè)礦山區(qū)域的地表沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法滿足日益提高的礦山測(cè)繪精度和高效率的需求，因此提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測(cè)繪方案。通過利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方案，構(gòu)建了三維模型數(shù)據(jù)模型，對(duì)兩種不同測(cè)量方案下的礦山沉降綜合測(cè)繪情況進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)實(shí)際分析表明，新的礦山沉降測(cè)繪精度小于10 mm，測(cè)量的偏差中誤差約為±7.1 mm，測(cè)繪效率比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀測(cè)量方案提升50%以上，完全滿足礦山測(cè)繪精度需求。同時(shí)該測(cè)試方案能夠?qū)⒌V山沉降測(cè)試效率提升47.2%以上，極大地提升了礦山測(cè)繪效率和精度。目前該方案已經(jīng)得到了全面的推廣，具有極大經(jīng)濟(jì)和安全效益。

1 測(cè)量方案分析

為了確保對(duì)礦山區(qū)域地表沉降效果測(cè)量的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，選擇了一款全新的三維激光掃描全站儀。該全站儀實(shí)現(xiàn)了將自動(dòng)定位測(cè)量和激光云掃描進(jìn)行有機(jī)融合，既能夠按照傳統(tǒng)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)先進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)修正存儲(chǔ)然后聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理拼接，又能夠?qū)崿F(xiàn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳云系統(tǒng)自動(dòng)處理。該類型傳感器的激光掃描范圍可達(dá)2 km，掃描速度可以達(dá)到1200 點(diǎn)/s，實(shí)現(xiàn)了掃描距離、掃描速度和掃描精度的有機(jī)統(tǒng)一。該激光掃描儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

根據(jù)煤礦四周的沉降監(jiān)測(cè)控制要求，在需要測(cè)量的區(qū)域設(shè)定了三個(gè)控制基準(zhǔn)點(diǎn)。第一基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置到礦山與運(yùn)輸公路交叉口處，方便進(jìn)行聯(lián)測(cè)控制；將第二個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和第三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分別設(shè)置到與測(cè)量區(qū)域緊鄰的未沉降的山體上，方便進(jìn)行設(shè)備架設(shè)和測(cè)量。在三個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間分別設(shè)置礦山地表沉降監(jiān)測(cè)線，在監(jiān)測(cè)線上平均每20 m 設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，沿著工作面走向設(shè)置10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為H1～H10，沿著沉降傾向方向設(shè)置12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Z1～Z12。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山沉降測(cè)繪精度、測(cè)量效率的統(tǒng)一，設(shè)計(jì)了區(qū)域外掃描測(cè)量和區(qū)域內(nèi)掃描測(cè)量兩種方案。

圖1 三維激光掃描全站儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 區(qū)域外掃描測(cè)量

區(qū)域外掃描測(cè)量是指以沉降區(qū)域外的控制點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行的掃描測(cè)量。將激光掃描全站儀分別設(shè)置在第二和第三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上并對(duì)全站儀進(jìn)行后視定向，然后從外側(cè)向掃描區(qū)域內(nèi)進(jìn)行沉降變形掃描。利用該測(cè)量方案能夠?qū)崿F(xiàn)比較全面的沉降區(qū)域掃描監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以利用云聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)整合處理。由于掃描距離較遠(yuǎn)，因此其實(shí)際測(cè)量精度會(huì)受到一定的影響。由于基準(zhǔn)1 和基準(zhǔn)2 之間共設(shè)置了12 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)1 和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的最近距離為210 m，最遠(yuǎn)距離為390 m，基準(zhǔn)點(diǎn)2 和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的最近距離為270 m，最遠(yuǎn)距離為397 m。在這四個(gè)點(diǎn)上設(shè)置激光靶標(biāo)，便于激光掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)量。實(shí)際測(cè)量情況如表1 所示。

表1 掃描精度對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析可知，激光掃描儀的測(cè)量精度和掃描測(cè)量距離成反比，距離越近掃描精度越高，距離越遠(yuǎn)掃描精度越低。當(dāng)距離為210 m 時(shí)的掃描精度可達(dá)11 mm，當(dāng)距離為397 m 時(shí)的掃描精度達(dá)到了89 mm。測(cè)量偏差極大，無法滿足礦山沉降區(qū)域的精確測(cè)繪需求，因此該方案不適應(yīng)于本礦的精確測(cè)繪。

3 區(qū)域內(nèi)掃描測(cè)量

區(qū)域內(nèi)的掃描測(cè)量主要是指利用全站儀在礦山沉降區(qū)域內(nèi)設(shè)置自由測(cè)量點(diǎn)，然后分別以基準(zhǔn)1、基準(zhǔn)2 和基準(zhǔn)3 為控制點(diǎn)進(jìn)行掃描測(cè)量。在進(jìn)行掃描時(shí)同步采用水準(zhǔn)儀對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水準(zhǔn)變化情況進(jìn)行測(cè)量，用于對(duì)全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。該方案的優(yōu)點(diǎn)就在于每次測(cè)量的時(shí)候均可以將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在沉降量較為明顯的位置，而且可以增加測(cè)量的布點(diǎn)密度，將不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)繪距離確保到200 m以內(nèi)，滿足沉降區(qū)域監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的需求。以測(cè)量范圍內(nèi)的三個(gè)測(cè)點(diǎn)P1（自由設(shè)點(diǎn)）、K1、K2三點(diǎn)之間的測(cè)量為例，其測(cè)量模式如圖2 所示，各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的測(cè)線分別為S1、S2、S3。

圖2 區(qū)域內(nèi)掃描模式示意圖

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析可知，采用區(qū)域內(nèi)掃描測(cè)量的方案能夠滿足將測(cè)量精度保證在10 mm 以內(nèi)的精確測(cè)量需求，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。

4 全站儀三維云數(shù)據(jù)處理

全站儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描完成后，將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)進(jìn)行濾波降噪處理，然后再利用數(shù)字模擬建模及分析軟件對(duì)各個(gè)點(diǎn)位的測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)需要根據(jù)礦山所在地的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)修正處理，最大限度地降低測(cè)量區(qū)域植被覆蓋所造成的影響。通過三維云數(shù)據(jù)處理后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)疊加分析云圖，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 三維地質(zhì)測(cè)量云圖

通過對(duì)礦山區(qū)域全站儀沉降測(cè)繪方案的分析，測(cè)試過程中最大偏差約為-16.2 mm，最小偏差約為3.4 mm，整個(gè)測(cè)量的偏差中誤差約為±7.1 mm，完全能夠滿足礦山測(cè)繪精確性的需求。通過該方案對(duì)礦山沉降測(cè)量的效率比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測(cè)量過程中測(cè)量精度滿足測(cè)繪要求，對(duì)于提升煤礦測(cè)繪的信息化程度具有十分重要的意義。目前利用該方案已經(jīng)在煤礦完成了7 次沉降觀測(cè)，為礦山災(zāi)害預(yù)防和沉降處理奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

針對(duì)目前礦山沉降測(cè)量效率低、精度差、工作強(qiáng)度大，無法滿足日益提高的礦山測(cè)繪精度和效率需求的現(xiàn)狀，提出了一種新的基于全站儀的礦山沉降測(cè)繪方案，通過利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方案，構(gòu)建了三維模型數(shù)據(jù)模型，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）區(qū)域外掃描，測(cè)量方案簡單，測(cè)量速度快，但測(cè)量偏差極大，無法滿足礦山沉降區(qū)域的精確測(cè)繪需求；

（2）區(qū)域內(nèi)掃描，測(cè)量方法靈活性高，可以隨意選擇測(cè)點(diǎn)，能夠根據(jù)礦山實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)量，能夠滿足將測(cè)量精度保證在10 mm 以內(nèi)的精確測(cè)量需求，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好；

（3）全站儀測(cè)繪方案，對(duì)礦山沉降測(cè)量的效率比傳統(tǒng)水準(zhǔn)儀方案提升了50%以上，而且能夠保證在測(cè)量過程中測(cè)量精度滿足測(cè)繪要求，為礦山災(zāi)害預(yù)防和沉降處理奠定了基礎(chǔ)。