張清山

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)天安公司盈盛煤業(yè)，山西 晉城 048006）

隨著煤礦開采的不斷進(jìn)行，在煤礦附近均會形成煤矸石山或者各類型的邊坡，當(dāng)邊坡高度過大或者在特殊情況下將導(dǎo)致滑坡，嚴(yán)重影響了煤礦的生產(chǎn)安全，因此需要對礦山邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對邊坡變化情況進(jìn)行跟蹤測量，當(dāng)出現(xiàn)過大變化時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。目前對煤礦邊坡變化情況的監(jiān)測主要是利用經(jīng)緯儀再配合其他計(jì)量儀器對其進(jìn)行變形觀測，但在過程中需要布設(shè)大量的基準(zhǔn)點(diǎn)，對測點(diǎn)設(shè)置和觀測方法要求極為嚴(yán)格，不僅測試效率低而且精度差，嚴(yán)重依賴人員的技術(shù)熟練程度，同時(shí)該測量模式也無法實(shí)現(xiàn)低邊坡變化情況的直接監(jiān)測和報(bào)警，難以滿足監(jiān)測安全性的需求。

本文結(jié)合煤礦邊坡測量的實(shí)際需求，提出了一種新的煤礦邊坡測量技術(shù)，該技術(shù)以全站儀為核心，對全站儀特性。智能控制結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)差分監(jiān)測方案等進(jìn)行了分析，利用改善測點(diǎn)分布、改善測量流程的方式對全站儀邊坡測量、智能報(bào)警，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新的測控技術(shù)將邊坡測量精度提升了4.6 倍，實(shí)現(xiàn)了對邊坡變形的自動(dòng)報(bào)警，對提升煤礦生產(chǎn)安全具有十分重要的意義。

1 全站儀自動(dòng)監(jiān)測原理

對礦山邊坡監(jiān)測的核心是能夠?qū)崿F(xiàn)對變頻變化情況的自動(dòng)監(jiān)測，因此在實(shí)際使用中需要選好監(jiān)測點(diǎn)并設(shè)置全站儀，全站儀依靠自身的傳感器和測控軟件，對邊坡的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，對其進(jìn)行邏輯運(yùn)算，解算出監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)的邊坡變形數(shù)據(jù)，將該變形數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)定的邊坡極限變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，當(dāng)變形量超出系統(tǒng)設(shè)定值后，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，便于煤礦人員的及時(shí)跟進(jìn)處理。

該全站儀自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警和核心，是要建立邊坡監(jiān)測報(bào)警控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對邊坡變形狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和精確分析，從而實(shí)現(xiàn)對邊坡變形狀況的精確測量分析，在監(jiān)測過程中系統(tǒng)需要能夠根據(jù)外界環(huán)境溫度情況自動(dòng)調(diào)整修正數(shù)據(jù)，從而確保在不同時(shí)間段的監(jiān)測準(zhǔn)確性，全站儀自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖1 所示[1]。

圖1 全站儀自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)工作流程示意圖

由圖1 可知，該全站儀自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及預(yù)警幾個(gè)部分，數(shù)據(jù)分析處理完成后自動(dòng)將監(jiān)測結(jié)果顯示到數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)上，便于各監(jiān)測人員及時(shí)掌握變頻變化情況，提高系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性。

2 全站儀邊坡測量方法研究

在測量時(shí)需要在地質(zhì)條件穩(wěn)定且平整的地方建立觀測的站點(diǎn)和參考基準(zhǔn)點(diǎn)，在測量的時(shí)候均按照極坐標(biāo)原理，對基準(zhǔn)點(diǎn)、觀測點(diǎn)之間的傾角、斜距、高程進(jìn)行觀測，將測量值和基準(zhǔn)值進(jìn)行對比，然后將差異值疊加到變形點(diǎn)的觀測值上，并通過系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正即可測量出觀測點(diǎn)的實(shí)際數(shù)值，該邊坡測量方法如下頁圖2 所示[2]。

圖2 全站儀邊坡測量方法示意圖

在整個(gè)監(jiān)測過程中為了確保監(jiān)測的精確性，在變形監(jiān)測的過程中在邊坡附近將設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)、參考點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)，將全站儀架設(shè)在監(jiān)測點(diǎn)的位置，通過對監(jiān)測點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的觀測值來確定變形體的變化情況，然后通過設(shè)置在變形點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)上的棱鏡來實(shí)現(xiàn)對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)觀測結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，實(shí)現(xiàn)對邊坡變形情況的持續(xù)跟蹤。

3 邊坡變形監(jiān)測流程

對邊坡變形情況的監(jiān)測，主要分為工作基點(diǎn)網(wǎng)建立、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分[3]?；c(diǎn)網(wǎng)建立，一般是在比較穩(wěn)定的區(qū)域建設(shè)三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，形成一個(gè)穩(wěn)定的監(jiān)測三角區(qū)域，在基準(zhǔn)點(diǎn)選擇時(shí)應(yīng)設(shè)置在開闊位置，且三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間無障礙物擋，能夠直接進(jìn)行觀測，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)需要用混凝土進(jìn)行澆筑。一般來說要在變頻周圍布置不少于31 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)并對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行編號，在上高坡設(shè)置15 個(gè)觀測點(diǎn)，在中間高坡設(shè)置10 個(gè)觀測點(diǎn)，在下邊坡處設(shè)置6 個(gè)觀測點(diǎn)，通過觀測點(diǎn)加密布置的方式提高對變形監(jiān)測的可靠性。

數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到該監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。在監(jiān)測的過程中首先要對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行人工觀測，獲取各個(gè)觀測點(diǎn)的極坐標(biāo)系統(tǒng)，然后建立觀測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，用于對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。由于采用極坐標(biāo)分析的方法其測量精度和基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)、參考點(diǎn)之間的距離有很大的關(guān)系，因此在觀測的時(shí)候需要將離監(jiān)測點(diǎn)最近的基準(zhǔn)點(diǎn)作為基準(zhǔn)站和參考站，然后將全站儀設(shè)置在水泥基準(zhǔn)點(diǎn)上，然后設(shè)置好觀測順序及測回?cái)?shù)，使全站儀能夠根據(jù)測點(diǎn)情況進(jìn)行自動(dòng)測量，并將測量結(jié)果傳輸?shù)酱鎯ζ鲀?nèi)。由于全站儀為高精度的測量設(shè)備，因此其測量精度受外界的影響較大，需要根據(jù)不同的氣候條件對其進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。當(dāng)施工現(xiàn)場出現(xiàn)立體作業(yè)或者交叉作業(yè)等不利情況時(shí)，需要及時(shí)終止觀測，同時(shí)需要對測量設(shè)備進(jìn)行定期清洗，保證觀測的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)存儲中心中調(diào)出儲存數(shù)據(jù)然后通過差分改正方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在處理時(shí)將工作基點(diǎn)和參考基準(zhǔn)點(diǎn)間的水平距離經(jīng)過投影反算后，修改為以工作基準(zhǔn)點(diǎn)和參考基準(zhǔn)點(diǎn)上全站儀高為基準(zhǔn)的斜距，其可表達(dá)為[4]：

邊長改正系數(shù)可表示為[5]：

各監(jiān)測點(diǎn)修改后的斜距可表示為：

式中：S 為測量點(diǎn)的斜距，m；D 為測量點(diǎn)的水平距離，m；ΔH 表示為測量點(diǎn)位置的高度差，m；S'為測量點(diǎn)的斜距測量值，m。

4 邊坡監(jiān)測應(yīng)用

為了對使用全站儀對邊坡變形情況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測的效果進(jìn)行分析，以煤礦邊坡為實(shí)際觀測對象，在四周按要求設(shè)置31 個(gè)觀測點(diǎn)，利用GPS 定位儀對全站儀進(jìn)行精確定位，保證各測點(diǎn)的位置偏差不大于0.05 m，為了提高測量的準(zhǔn)確性，縮小全站儀和測點(diǎn)間的距離，將全站儀設(shè)置到邊坡的中心線上，距離邊坡不大于40 m。設(shè)置完成后利用全站儀再次對各測點(diǎn)的測量坐標(biāo)進(jìn)行校正，并設(shè)置自動(dòng)觀測的順序、自動(dòng)觀測的測回?cái)?shù)量，在測量時(shí)設(shè)置了粗測量和精測量相結(jié)合的模式[6]，每次測量的時(shí)候首先對其進(jìn)行粗測，待全站儀捕捉到測點(diǎn)后系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入精測模式，進(jìn)行精確性測量，該測量模式的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速進(jìn)行定位測量，比傳統(tǒng)精測方案相比，在測量精度不降低的情況下將測量速度提升了57%，部分測定點(diǎn)的測量結(jié)果如表1 所示。

表1 自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表

由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，該煤礦邊坡測量系統(tǒng)表現(xiàn)出了極高的測量精度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對測點(diǎn)變化情況的連續(xù)跟蹤觀測，當(dāng)邊坡的累積變形量超過0.2 m后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，該系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測精度約為0.12 m，比優(yōu)化前的0.5 m 提升了4.6 倍，顯著提升了邊坡監(jiān)測的安全性。

5 結(jié)論

為了解決煤礦邊坡測量精度低、測量效率低下的情況，提出了一種新的煤礦邊坡測量技術(shù)，該技術(shù)以全站儀為核心，對邊坡測量原理、測量方案等進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了對煤礦邊坡的高效測量，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）全站儀自動(dòng)監(jiān)測報(bào)警和核心，是邊坡監(jiān)測報(bào)警控制邏輯，實(shí)現(xiàn)對邊坡變形狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和精確分析。

2）在變形監(jiān)測的過程中在邊坡附近將設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)、參考點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)，通過工作基點(diǎn)網(wǎng)建立、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理三個(gè)流程實(shí)現(xiàn)對邊坡變形量的自動(dòng)測量。

3）該自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測精度為0.12 m，比優(yōu)化前提高了4.6 被倍，能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡的自動(dòng)監(jiān)測和跟蹤，極大的提升了邊坡監(jiān)測精度和應(yīng)用效果。