常用煤矿测量方法其测量精度

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【摘 要】测绘工作贯穿于煤矿勘查、设计、建设、生产经营的全过程,一般包括地面测量和井下测量两部分.地面测量常用GNSS控制测量、全野外数字化测图、地面三维激光扫描测量、高精度水准测量等方法,井下测量常用全站仪导线测量、陀螺定向等方法.分别对以上测量方法的工作流程进行分析,并结合工程实践,研究了测量的精度.研究表明,在煤矿测量中,对于不同的工作,需要有针对性的采用不同的测量方法,在满足测量精度要求的情况下,可以提高工作效率,节省人力物力.

【关 键 词】煤矿测量；地面测量；井下测量；工作流程；测量精度

煤矿测量的主要任务是在煤矿勘探、设计、开发和生产运营的各个阶段进行测量,对矿区地表面的地形进行测绘,对地下的巷道布置和采掘方向测量定向,为煤矿设计、生产运营提供依据.煤矿测量包括地面测量和井下测量两部分.煤矿地面测量与常规测量方法相同,控制测量一般使用静态GNSS测量或GPS（CORS）RTK方法；地形图碎部测量多使用全野外数字化测图方法,使用GPSRTK结合全站仪进行测量；由于免棱镜全站仪或地面三维激光扫描仪可以进行远距离非接触测量,对于测量人员难及区域及危险区域有较大的优势；矿区地面沉降监测一般使用S05型号的高精度电子水准仪按照二等水准精度要求测量.受观测环境影响,GNSS技术无法在井下测量中应用,井下控制测量一般采用全站仪导线方法；受到累积误差影响,很多时候需要加测陀螺边.可以看出,在煤矿测量中,对于不同的工作,需要有针对性的采用不同的测量方法,在满足测量精度要求的情况下,选用合适的测量方法,可以提高测量工作效率,节省大量的人力物力.

1煤矿地面测量工作

1.1控制测量

1.1.1平面控制网布设要求

煤矿地面控制网是煤矿测量的基础和依据,要统一规划、综合考虑：从当前需要和长远要求两方面决定控制点的精度和点的密度；充分顾及煤矿的地质和开采情况,使主要控制点尽可能长期保存.由于采用国家坐标系很多时候无法满足投影长度变形值不大于2.5cm/km（即1/40000）的要求,需要建立独立坐标系.独立坐标系的建立方法如下：

（1）采用选取矿区子午线的方法,建立独立坐标系；

（2）采用选取矿区抵偿高程面的方法,建立独立坐标系；

（3）以上方法无法满足投影变形要求时,采用综合选取矿区子午线和抵偿高程面的方法,建立独立坐标系.

1.1.2工程实例

某煤矿测区范围约10平方千米,工期紧任务重,使用静态GNSS测量方法布设E级控制网作为首级控制网.

（1）设计依据：

设计主要依据《工程测量规范》（GB500262007）、《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2009）.

（2）控制网网型布设及测量精度

控制网共28个点使用边连式方法布网（如图1所示）,其中联测已知控制点3个,采用5台GNSS接收机、按照E级GNSS控制网要求观测,控制网的平均边长、点位中误差、最弱边相对中误差应满足相关规范及技术设计的要求.

（3）控制网选点、埋石

GPS点位选择方便,图形结构灵活,但考虑GPS测量的特殊性,并顾及后续测量,选点时应着重考虑以下几个方面：

①站点之间最好通视；

②点周围高度角15°以上不要有障碍物；

③点位尽量避开高压电线、大功率无线电发射源；

④点位应选在交通方便、视野开阔、易于保存、有利扩展的地方；

⑤选点结束后,现场浇注混凝土桩作标石,并认真记录.

（4）GNSS控制网外业观测方法及要求

根据GNSS作业调度表采取静态相对定位法进行观测.观测时严格执行相关规范要求,各项技术参数见表1.

图1E级GPS控制网控制点分布及网型布设图

表1GPS测量外业观测技术参数

技术参数项目要求技术参数项目要求

几何图形强度因子≤6卫星高度角/°≥15

数据采样率/s20平均设站率≥1.6

有效卫星观测数/颗≥4时间段长度/min≥40

（5）GNSS测量的内业数据处理

GNSS网数据处理为基线解算和网平差2个阶段.解算前对原始观测数据进行预处理,剔除观测质量不好的数据,对不理想的解算成果采用改变卫星高度角、删除观测值残差比较大的时段、选取不同的参考卫星等方法进行干预,并重新解算.三维无约束平差的目的是检查基线向量的内符合精度、系统误差和粗差,评定GPS控制网的内符合精度,选择控制网中间区域控制点的WGS84坐标为起算数据,进行三维无约束平差,并进行精度统计.最后使用3个已知控制点进行约束平差,经统计,最弱边相对精度为1/108000,最弱点位中误差为±0.8cm,均满足《工程测量规范》、《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求.

1.2全野外数字化测图

在煤矿的勘查设计阶段需要大比例尺地形图.目前大面积大比例尺地形图可采用航空摄影测量,该方法测量效率高,成本低；但大部分煤矿范围较小,对于小范围区域,一般使用作业时间更加灵活、作业方式多样的全野外数字测图方法.

目前全野外数字化测图一般使用GPSRTK与全站仪结合的方法.对于满足GPSRTK的区域,可以直接使用GPSRTK进行测量；不能满足GPSRTK测量要求的区域,可以使用GPSRTK布设图根点,使用全站仪进行测量,为了便于全站仪测量,RTK布设的图根点一般以控制点对的形式出现；经过内业成图,质量检查后最终得到大比例尺地形图.

使用GPSRTK进行测量时,由于测量精度随着流动站到基准站距离的增大而降低,需要控制RTK的作业半径.另外由于RTK的置信度达不到100%,可能存在粗差,需要测量已知点,进行精度检核,保证成果可靠,满足精度要求.

使用全站仪进行碎部点数据采集时,应严格注意输入测站点与后视点.外业测量时,应详细记清测点点号、点的属性、连线关系.全站仪测距精度较高,但在野外测量时,不能盲目扩大测程及测站的覆盖范围,由于测角误差不可避免,因此应严格注意仪器的对中、整平、后视瞄准的精度.数字化测图等高线的勾绘完全取决于野外的测点,在地貌测绘时,立尺员应合理选择地貌特征点,并认真观察地形,复杂地区应简单绘制地形草图,以便勾绘的等高线更加符合测区情况.

工程实践表明,只要采取严格的质量控制,GPSRTK可以达到厘米级精度,平面精度可以优于±2cm,高程精度可以优于±5cm；作为传统测绘仪器,全站仪精度稳定可靠.GPSRTK与全站仪结合,满足全野外数字化测图精度要求.

1.3地面三维激光扫描测量

地面三维激光扫描技术的工作原理,即由三维激光扫描仪内部的一个发射体发射激光脉冲,再通过两块反光镜有序快速旋转,把由发射体发射的窄束激光脉冲按一定次序扫过目标区域.通过测量每束激光从发射到物体表面反射回仪器的时间计算相关距离,并且编码器还会测量脉冲的相关角度,最终得到目标的真实三维坐标.

地面三维激光扫描的主要工作流程包括：前期规划设计、野外扫描工作、内业数据处理、质量检查等步骤.前期规划设计主要完成现场踏勘、控制点及扫描站点布设等工作；根据地形特点,确定扫描分辨率,保证获取的数据既不缺失,又不过度冗余,每测站扫描结束后现场检查数据,判断是否有遗漏扫描区域,检查标靶的采样率是否符合要求,检查无误后对每一测站的扫描数据进行命名,包括测站名称、扫描顺序等,然后保存；内业数据处理包括点云数据滤波、平滑、不同站点间数据的配准及融合及地形地物提取绘制工作；完成后,需要使用传统测量方法对扫描结果进行精度检查.

使用全站仪等常规测量方法检查,以全站仪测量数据为真值,计算地面三维激光扫描的测量精度,平面中误差为±4.2cm,高程中误差为±6.1cm.地面三维激光扫描仪采用“面式”测量方法,精度较高,且测量速度快,劳动强度低,无需接触即可进行测量,在难及区域及地形复杂区域的地形测量项目中,具有明显的优势.

1.4高精度水准测量

在进行煤矿矿区采煤塌陷监测时,一般使用高精度电子水准仪（S05）按照二等水准测量要求进行观测.基准点需要布设在变形范围以外的区域；为了测量方便,工作基点一般布设在测区附近；监测点一般垂直于工作面或巷道布设.测量时需要严格执行《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-2006）.进行二等水准测量时需要注意检查i角.项目开始前、测量中、结束后均需检查电子水准仪的i角,并尽量控制前后视距相等,减弱仪器i角对水准测量精度的影响,保证成果的可靠性.

进行高等级水准测量时,应注意以下问题：

（1）观测前30min,应将仪器置于露天阴影下,使仪器与外界气温趋于一致,设站时,应用测伞遮蔽阳光.

（2）每一测段的往测与返测,其测站数均应为偶数.由往测转向返测时,两支标尺应互换位置,并应重新整置仪器.

（3）对于数字水准仪,应避免望远镜直接对着太阳；尽量避免视线被遮挡,遮挡不要超过标尺在望远镜中截长的20％；仪器只能在厂方规定的温度范围工作；确信震动源造成的震动消失后,才能启动测量键.

众所周知,S05型电子水准仪测量精度高,观测结果稳定可靠,完全可以满足煤矿矿区塌陷监测精度要求.

2煤矿井下测量工作

2.1全站仪井下导线测量

煤矿井下贯通测量多使用全站仪导线的方法.以某煤矿巷道贯通为例,介绍全站仪导线的精度及质量控制方法.

2.1.1煤矿井下贯通测量方案介绍

巷道贯通工程属一井贯通,巷道沿煤层底板掘进,井下控制测量按15″级导线的精度要求施测,测量仪器选用尼康452防爆全站仪.其中角度测回差不大于12″,边长一测回内读数较差不大于10mm,单程测回间较差不大于15mm,往测和返测边长水平距离的互差不大于边长的1/6000.

2.1.2全站仪贯通测量误差预计

井下导线测角中误差为±15″,全站仪测距标称精度为±(2mm+2ppm)mm,全站仪测角中误差为±2″.本贯通误差预计重点考虑贯通点K在水平重要方向X′轴上的误差预计.根据误差传播定律,水平方向上的误差主要由导线的测角误差和测距误差引起的.由误差预计结果得出:贯通点K在水平重要方向上的预计误差为0.158m,小于规定的允许偏差0.3m；由此可见,根据±15″精度井下导线网,使用测角精度2″、测距精度±(2mm+2ppm)mm的全站仪可以满足贯通测量要求.

2.1.3贯通测量的精度

本开拓工程成功实现了贯通,经实测纵坐标闭合差为0.105m,横坐标闭合差为0.176m,远小于相关规范及技术设计要求,精度可靠.

2.2陀螺仪全站仪定向

陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起的仪器,采用陀螺寻北本体与全站仪共同配合来测定任意测线的陀螺方位角.陀螺仪可以通过惯性技术测量敏感地球自转角速度的水平分量获得地球的北向信息.

陀螺全站仪定向采用中天法进行观测,定向程序为：（1）先在地面任意点上测定仪器当地的比例常数C值.观测6个测回,计算出3个C值,取平均值作为当地本仪器C值,在一定时期内,50km范围内可以使用同一C值；（2）在地面已知边上观测3个测回,计算仪器常数△；（3）在井下待定边上用2测回测量陀螺方位角；（4）返回地面后,在原已知边上采用3测回测量陀螺方位角,再求得三个仪器常数△.根据以上测量成果来检验仪器的稳定性和测量的精度,确保陀螺定向成果的可靠性和精度.

目前陀螺仪精度较高,精度可以优于20″,在井下测量中加测陀螺边,可以提高井下导线测量的可靠程度.

3结束语

煤矿测量工作涉及地面测量及井下测量两部分.其中地面测量常用GNSS控制测量、全野外数字化测图、地面三维激光扫描测量、高精度水准测量等方法,井下测量常用全站仪导线测量、陀螺定向等方法.井上测量项目中,在国家坐标系无法满足精度要求情况下,可以建立独立坐标系,选点、埋石及网型设计必须遵循《工程测量规范》及《全球定位系统（GPS）测量规范》的要求,平差后需要进行进度统计,检查能否满足技术设计及相关规范的要求；全野外数字化测图一般使用GPSRTK与全站仪相结合

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