矿山测量数字化应用研究

2015-03-23韩浩陕西延长石油巴拉素煤业有限公司陕西延安719013

化工管理 2015年9期

关键词：棱镜全站仪矿山

韩浩（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西延安 719013）

矿山测量数字化应用研究

韩浩（陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西延安 719013）

矿山测量是矿山建设和生产过程中重要的基础性工作，数字化测量技术能够全面提升矿山测量质量和效率，不仅使矿山施工更加科学合理，而且使矿山生产安全更有保障，因此本文对矿山测量数字化技术与应用进行了探讨。

矿山测量；数字化；应用

矿山测量在矿山建设和开采过程中发挥着非常重要的作用，从矿床勘探、矿山设计、矿山建设、矿山生产直至矿山报废都离不开矿山测量服务。传统测量技术周期长、效率低、精度差、质控难，因而不能很好地适应现代矿山对测量工作的需要。随着计算机技术、现代通信技术、网络技术和微电子技术的发展和应用，先进的测量仪器、自动化的成图软件和方便灵活的定位方法也应运而生，使得低效的白纸测图法逐步被数字化测量法所取代。数字化测量分为成图数字化和测量数字化两个部分。成图数字化是指地图以数字信息的形式输出，早期数字化限于资金和时间等因素，直接利用数字化工具将白纸测图成果转化为电子数据，这种方法精度低，现势性也不好，但通过修测、补测一些精确地物坐标，可在一定程度上弥补原图精度的不足［1］，而随着航天遥感测量、摄影测量、三维激光扫描测量、地面数字化测量等技术的应用，成图精度、效率获得极大提升，白纸成图数字化逐步淘汰。测量数字化是利用全站仪、GPS（+RTK）、三维激光扫描测量等测量技术及相关测量软件所开展的测量活动。为了构建“数字矿山”，在矿山建设和开采过程中要努力实现信息化、自动化、可视化、智能化及至无人化［2，3］，因而开展数字化测量势在必行，并应引起矿企和测量人员的高度重视。

1 矿山测量数字化需求分析

1.1 建立矿区控制网

在矿床勘探阶段，就要建立勘探区域的平面控制网，并且要与国家高等级控制网联测；同时建立矿区水准基点网，并且应与国家高等级水准点联网。平面控制测量可采用GPS测量、导线测量、三角测量、边角结合测量等方法，利用全站仪、GPSRTK等先进测量技术不仅作业效率高、精度好，而且操作智能化、输出数字化。高程控制测量可采用GPS测量、水准测量和三角高程测量等方法，并利用数字水准仪、光电测距仪和全站仪等进行数字化测量。随着GPS精密高程测量技术的发展，其测量精度已大大提高，所以可以用于高程控制测量。

1.2 测绘地形图

矿山设计需要大比例尺的地形图，并标定钻孔、探槽、探井、探巷等勘探要素，还要进行储量计算等。地形图测绘采用数字化技术不仅减小外业劳动强度和内业工作量，而且成图周期短，便于图纸管理，还是建立矿区资源环境信息系统（MRRIS，即矿山的地理信息系统）的基础［4］。为了直观地再现矿藏分布以及展示矿体与断层结构，建立三维矿区系统是非常必要的，这对于数字化测量技术来说并不是很难的事情，但对于传统测量技术则困难得多，尤其储量计算的准确性差距就更大了。数字化测图方法前面已经介绍，航天遥感（RS）、数码摄影测量成果本身都是数字图像，经过处理可建立三维矿区系统［5］。

1.3 矿山施工放样

在矿山建设阶段，要开展一系列施工测量，以便根据设计要求进行机电设备安装、管线埋设、土方施工、建（构）筑物放样、凿井开巷等测量工作。利用已建立的测量数据库，结合数字化测量仪器，无非就是把数字化设计图再放样到施工现场，由于设计与测量基于同一信息系统（MRRIS），不仅精度有保障，而且效率高。

1.4 矿山生产管理与监督

矿山生产时，需要标定和测绘巷道，进行储量管理、开采监督、“三量统计”，还要校核施工准确性、工程进度及编制采矿计划，测绘各种采掘工程图、矿山专用图、矿体几何图等。利用矿山数字化成果与MRRIS平台，将数据库中矿山生产所需的各类数据（采掘量、坐标、高程等）放线到实际工作面，可全面科学地指导矿山生产和管理，并提高生产决策的准确性与合理性，能有效控制生产成本和提升劳动生产效率。

1.5 矿山安全生产、环境保护及地质灾害监测

安全生产需要准确的测量依据，如岩层与地表移动规律分析，露天矿边坡稳定性分析，开展“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）开采研究，实施矿柱留设方案，进行矿山安全事故预防、预警、救护及矿山环境保护监测、矿区土地复垦与采矿沉陷综合治理等。矿山数字化测量成果及MRRIS平台是获取所需数据的可靠途径。MRRIS集数据采集、处理、分析、管理和输出于一体，自动化、智能化程度高，为矿山安全生产和可持续发展提供强有力的支撑，而建立MRRIS系统的基础就是矿山数字化测量。

2 矿山测量数字化技术应用

2.1 免棱镜全站仪在矿井测量中的应用

矿井下测量GPS定位技术发挥不了作用，全站仪带棱镜作业也比较繁琐，所以井下测量效率和数字化水平一直上不去，很多情况下采场测图、巷道窿形测量要仍要沿用普通经纬仪定向、钢尺量变、皮尺支距这样的作业方式，免棱镜全站仪应用于井下测量不仅效率大幅提高（至少30%），更重要的是可以实现井下测量数字化的目标。免棱镜全站仪采用了红外和激光同轴的测距头，红外测距用于常规测量，而激光测距则利用了相位测量原理，通过接收被测目标的漫反射信号就能精确测量目标点的坐标，可实现测距精度3mm+2ppm/1km［6］。

井下采场测量作业只需2人，1人负责操作仪器，另1人负责采集记录和其他辅助性工作。测量时在评估安全的位置设站，全站仪可以无接触地采集巷道顶板窿形数据，再自动计算采集点坐标，从而准确算出采场空高，并绘出顶板剖面图。采集400个目标点用时仅为2h。

井下控制测量可采用导线测量法，吊挂360°旋转棱镜，结合照明电筒，以可见激光粗瞄，利用旋转棱镜的折射可实现全视角全方位连续观测，测距精度能达到4mm，可满足Ⅱ级导线测距精度要求。实践证明，利用360°旋转棱镜和激光测距全站仪也只需2人就能完成井下控制测量任务，并且在进行导线测量的同时，还可利用上述免棱镜测量技术完成井下巷道碎部点数据的采集工作。

免棱镜全站仪同样可以进行井下采掘工程的施工放样，利用视准轴激光投射到作业面上标定顶板、边帮特征线、方向点，斜坡道也能利用伪倾角放样法在平坡段完成两分段间斜坡道的腰线标定。

全站仪采集数据并传输到计算机上，利用软件进行数据格式转换，通过成图软件可实现数字化自动成图，再进行3D建模，可以显示井下巷道三维模型，效果虽比不上摄影测量和三维激光扫描逼真，但也较好地满足了井下测量服务所需。

2.2 三维激光扫描测量技术

三维激光扫描测量是基于激光发射、扫描并利用高密度点云数据体积计算的非接触测量技术，具有测量速度快、实时性强、数据点密集、测量精度高、成本低、安全性高、管理方便等优势［3］。目前，该技术已广泛用于矿山储量监测、土石方量测量等场合，对于维护国家矿产资源所有权益、矿业权人权益、矿业权市场健康发展等具有重要的意义。三维激光扫描测量系统由激光扫描仪（内含激光发射器、激光反射镜、CCD技术、激光控制与光机电自动传感器等部件）、外置数码全景相机、便携计算机控制装置等组成。测量原理是利用激光束发射和接收的时间差计算出扫描点的相对位置，激光扫描仪自建极坐标测量系统，再根据扫描仪所处位置就能计算出扫描点的三维坐标。现以某矿山为例说明该测量技术的应用。该矿地面工程土石方施工，测量区域地势起伏较大，部分区域比较零碎，采样布点十分不方便，为了评估土石方施工量，在相邻两个月同一时点进行两次了激光扫描测量，据此可推算出一个月的土石方施工量。在扫描视野较好的区域边缘设置5个测站，并在其周围布设定向靶标和校核靶标。扫描面积约1.2km2，每站扫描用时约15min。为了比较测量精度，同时采用常规测量方法进行对比。测量完毕，利用扫描仪自身软件对云数据进行拼接和坐标转换，然后进行三维建模并生成三角网，再经平滑、补洞、细分、曲面拟合等处理得到了测量区域的数字高程模型（DEM）。根据相邻两个月的两个时间点模型叠加即可计算出一个月的土石方施工量，经过与常规测量比较，其相对误差不超过1%，但测量效率比常规测量提高了近4倍，并且作业安全、不影响施工，能够获得三维实景模型和正射图像，这些是常规测量无法比拟的。

2.3 数字化测量技术在矿山爆破工程中的应用

爆破全过程都涉及测量工作，爆破效果直接取决于爆破参数是否合理，而爆破参数的确定依赖测量的精度和效率。以某矿山台阶爆破为例进行简要说明。首先，利用免棱镜全站仪技术采集爆破区现状数据，在计算机内完成平面图绘制。然后将设计孔位放样到施工现场，穿孔后采集孔口坐标及孔深数据。接着实施爆破并采集爆堆数据，将爆堆碎部点三维坐标离散化，再经多边形算法、高程插值等处理，构造出不规则三角形格网，剔除其中异常的三角形后建立DEM。从DEM可获得爆堆三维可视图，继续操作可获得剖面图、等高线、土石方量等结果。通过对这些图形的分析可评估爆破质量和检验爆破效果。