高艷蕓(山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司,山西 晉城048019)

1 前言

隨著礦井生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升,現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)在礦井測(cè)量中逐漸廣泛[1]?，F(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)階段快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)等密切相關(guān)[2]。GPS、全站儀以及慣性測(cè)量系統(tǒng)等較為先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)、測(cè)量設(shè)備涌現(xiàn)并在礦井中大范圍推廣應(yīng)用,為礦井測(cè)量工作高效開(kāi)展創(chuàng)造了良好條件[3-4]。為了更好的促進(jìn)現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在礦井測(cè)繪中應(yīng)用,文中就對(duì)以全站儀、空間信息技術(shù)、慣性測(cè)量技術(shù)以及懸掛羅盤(pán)測(cè)量技術(shù)為代表的現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在礦井中應(yīng)用情況進(jìn)行歸納總結(jié)。

2 現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)概述

礦井測(cè)繪技術(shù)是一項(xiàng)包含勘探學(xué)、地質(zhì)學(xué)、測(cè)量等學(xué)科的綜合性技術(shù),礦井測(cè)繪工作是礦井煤炭資源開(kāi)采的必備前提條件及重要環(huán)節(jié),測(cè)繪結(jié)果為煤炭資源探測(cè)、礦井持續(xù)運(yùn)營(yíng)、采區(qū)及巷道布置等工作開(kāi)展提供資料支撐[5]?，F(xiàn)階段礦井測(cè)繪工作主要對(duì)礦區(qū)地貌、采掘工作開(kāi)展、井下采掘環(huán)境地質(zhì)參數(shù)以及煤炭資源賦存規(guī)模等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制采掘工作平面圖、地形圖等圖件。測(cè)繪工作高效開(kāi)展可提升礦井煤炭資源開(kāi)采效率,并降低煤炭開(kāi)采成本,對(duì)提升礦井經(jīng)濟(jì)效益有顯著的促進(jìn)作用。隨著礦井測(cè)繪技術(shù)不斷發(fā)展現(xiàn)階段已基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集,數(shù)據(jù)傳輸方式也向多樣化方向發(fā)展?，F(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)由于具備較強(qiáng)的抗干擾能力及適應(yīng)性,在礦井中應(yīng)用、推廣速度加快,從而大幅度提升礦井測(cè)繪精度及測(cè)繪效率[6-8]。

3 現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)在礦井的應(yīng)用

3.1 全站儀在礦井測(cè)繪中應(yīng)用

1)全站儀測(cè)繪技術(shù)概述

全站儀集電學(xué)技術(shù)以及光學(xué)技術(shù),是現(xiàn)階段礦井測(cè)量工作中應(yīng)用最為廣泛的測(cè)繪設(shè)備,具體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。全站儀主要通過(guò)光電掃描度盤(pán)自動(dòng)對(duì)記錄、存儲(chǔ)、顯示測(cè)繪結(jié)果,整個(gè)測(cè)量工作較為簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高。在全站儀內(nèi)部嵌入有測(cè)量軟件,通過(guò)簡(jiǎn)化測(cè)量程序即可有效提升測(cè)量效率及精度。在礦井實(shí)際測(cè)量過(guò)程中通過(guò)布置全站儀即可獲取垂直角、水平角、高差、距離(平距、斜距)等參數(shù)。

圖1 全站儀結(jié)構(gòu)示意圖

2)全站儀在礦井應(yīng)用情況

通過(guò)布置全站儀即可獲取眾多測(cè)量參數(shù)且可將測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字形式顯示,通過(guò)內(nèi)部嵌入的軟件即可分析、處理測(cè)量獲取到的參數(shù),具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定以及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在礦井測(cè)繪中通過(guò)全站儀可構(gòu)建覆蓋全礦的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理系統(tǒng)。全站儀不僅可適應(yīng)井下煤巖采掘測(cè)量工作而且可對(duì)礦區(qū)采空區(qū)地表變形、地形進(jìn)行測(cè)量。礦井通過(guò)采用全站儀可大幅降低測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度及數(shù)據(jù)處理工作量,在礦井測(cè)量工作中具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)賀清清、張杰等對(duì)礦井連續(xù)搬運(yùn)條件下全站儀誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,為了提高全站儀測(cè)量精度建立井下陀螺定向中誤差與搬運(yùn)距離高相關(guān)性擬合方程,預(yù)測(cè)該陀螺全站儀連續(xù)搬運(yùn)距離限制,研究成果可在一定程度上豐富全站儀在礦井中應(yīng)用。

3.2 空間信息測(cè)量技術(shù)

空間信息技術(shù)是融合RS 技術(shù)(遙感技術(shù)/空間集成技術(shù))、GPS 技術(shù)(全球定位技術(shù))以及GIS 技術(shù)(地理信息技術(shù))等一種綜合測(cè)繪技術(shù),該技術(shù)是現(xiàn)代化礦井測(cè)繪主要發(fā)展方向。RS 技術(shù)包括衛(wèi)星遙感以及航空遙感兩大部分,采用遙感技術(shù)后可對(duì)獲取到的表面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理;GPS 技術(shù)在礦井測(cè)繪中可實(shí)現(xiàn)24 h 不間斷測(cè)量,具有測(cè)量靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn),GPS 技術(shù)在礦井測(cè)繪、工程測(cè)量以及導(dǎo)航等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù),GPS 可對(duì)礦山任意點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量,且可進(jìn)行三維定位,對(duì)礦井測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及提升測(cè)繪精度等均有一定的促進(jìn)作用。GIS 可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間地理數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算及分析,將GIS 技術(shù)與GPS 技術(shù)相融合可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井開(kāi)采時(shí)出現(xiàn)的測(cè)量工作進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)開(kāi)采引起的地表巖層滑移角、地表沉陷等數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,根據(jù)已有測(cè)量成果并結(jié)合GPS 測(cè)量精度,利用GIS 構(gòu)建分析模型即可對(duì)測(cè)量獲取到的空間地理信息進(jìn)行高效處理、整合,從而大幅簡(jiǎn)化測(cè)量工作并提升測(cè)量精度。例如,同煤集團(tuán)張麗霞等采用GPS-RTK 技術(shù)對(duì)馬脊梁礦礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與全站儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)上述兩種方式測(cè)量結(jié)果間存在高度的一致性,GPS-RTK 技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。具體測(cè)量誤差見(jiàn)表1。

表1 GPS 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差表

3.3 慣性測(cè)量技術(shù)

慣性測(cè)量技術(shù)是采用導(dǎo)向定位技術(shù)獲取礦井測(cè)量數(shù)據(jù),該技術(shù)具有多樣性、自主性等特點(diǎn),為礦井測(cè)量工作開(kāi)展提供全性能、自動(dòng)化技術(shù)支撐。礦井采用的慣性測(cè)量技術(shù)涉及到的系統(tǒng)主要有便捷式系統(tǒng)以及平臺(tái)式系統(tǒng),將慣性測(cè)量技術(shù)與GPS 技術(shù)相結(jié)合可形成新的測(cè)量系統(tǒng),充分發(fā)揮兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)高度精度測(cè)繪以及定位,高效對(duì)獲取到的礦井測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。慣性測(cè)量技術(shù)在礦井實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中主要用以井下測(cè)量工作。例如,山東科技大學(xué)提出綜合使用慣性測(cè)量和三維激光技術(shù)對(duì)深部開(kāi)采礦井井筒變形情況進(jìn)行測(cè)定、評(píng)價(jià);山東理工大學(xué)王瑋等獎(jiǎng)慣性測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下移動(dòng)車(chē)輛定位中并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明,利用慣性測(cè)量技術(shù)能夠?qū)σ苿?dòng)車(chē)輛姿態(tài)進(jìn)行有效跟蹤,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)輔助下能有效降低煤礦移動(dòng)車(chē)輛累計(jì)位置誤差。上述應(yīng)用實(shí)例為其他礦井慣性測(cè)量技術(shù)推廣應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒,并在一定程度上豐富了慣性測(cè)量技術(shù)應(yīng)用范圍。

3.4 懸掛羅盤(pán)測(cè)量技術(shù)

懸掛羅盤(pán)測(cè)量技術(shù)由于采用的測(cè)量設(shè)備體積小、攜帶方便且便于操作等特點(diǎn),同時(shí)相互鄰近的各個(gè)測(cè)點(diǎn)間無(wú)聯(lián)系,因此在狹小空間測(cè)量環(huán)境中具有較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。懸掛羅盤(pán)測(cè)量技術(shù)特別適應(yīng)井下空間狹小環(huán)境,是現(xiàn)階段礦井測(cè)量工作中常用測(cè)量技術(shù)。懸掛羅盤(pán)在礦井測(cè)量工作應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)守測(cè)量作業(yè)要求,從而提升測(cè)量精度。在礦井測(cè)量是可采用下述操作提升測(cè)量效果。

1)基本數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算分析

通過(guò)綜合懸掛羅盤(pán)測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)可對(duì)礦井井下傾斜長(zhǎng)度、傾斜角度以及方位角等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,從而計(jì)算出測(cè)量所需的坐標(biāo)值、高程等參數(shù)。

2)轉(zhuǎn)化測(cè)量坐標(biāo)

為了便于測(cè)量數(shù)據(jù)分析計(jì)算,應(yīng)采用測(cè)量坐標(biāo)換算公式將懸掛羅盤(pán)測(cè)量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的平面坐標(biāo)。

3)最初磁方位角測(cè)量

礦井測(cè)繪時(shí)可通過(guò)“磁方位角=坐標(biāo)方位角+改正角”這一計(jì)算公式,獲取最初磁方位角。

3.5 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)采用遙控遠(yuǎn)程控制即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作,與常規(guī)的測(cè)量技術(shù)最大區(qū)別在于不需要測(cè)量人員去測(cè)量點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)是采用激光發(fā)射點(diǎn)對(duì)礦井測(cè)量區(qū)域進(jìn)行掃描,根據(jù)激光反饋結(jié)果構(gòu)建三維測(cè)量模型,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量工作。三維激光掃描技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、抗干擾能力、操作便捷以及測(cè)量精度高等提點(diǎn)。在礦井采用三維激光掃描工作可大幅提升測(cè)量效率,極大的降低測(cè)量成本以及測(cè)量人員勞動(dòng)強(qiáng)度,三維激光掃描技術(shù)已成為礦井測(cè)量發(fā)展中重要的測(cè)量技術(shù)。例如,冬瓜山銅礦采用三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建礦井采空區(qū)、溜井三維地質(zhì)測(cè)量模型,為礦井安全生產(chǎn)工作開(kāi)展提供了可靠數(shù)據(jù)支撐;部分礦井采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)采空塌陷區(qū)變形、回采巷道變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè),有效提升了測(cè)量精度以及測(cè)量效率。

3.6 其他測(cè)繪新技術(shù)

在礦井測(cè)繪工作開(kāi)展中其他的測(cè)繪新技術(shù)以及新設(shè)備包括有激光指向儀、陀螺經(jīng)緯儀、數(shù)字式水準(zhǔn)儀等。上述新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用單獨(dú)或者綜合運(yùn)用均可在一定程度上提升礦井測(cè)繪效率以及精度。同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,更為便捷的測(cè)繪技術(shù)在不斷涌現(xiàn),將現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)在礦井測(cè)繪中應(yīng)用勢(shì)必會(huì)在提升礦井現(xiàn)代化水平,為智慧礦井建設(shè)提供可靠測(cè)繪數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

隨著礦井自動(dòng)化以及智能化建設(shè)的不斷推進(jìn),傳統(tǒng)的礦井測(cè)繪技術(shù)已經(jīng)不能滿足煤炭資源探測(cè)、礦井建設(shè)以及煤炭回采需要。將現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用到礦井生產(chǎn)中,為礦井生產(chǎn)提供可靠、便捷的測(cè)繪成果,可在一定程度上提升礦井現(xiàn)代化建設(shè)水平以及礦井生產(chǎn)效率。

在礦井測(cè)繪中通過(guò)采用空間信息技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪獲取到的空間地質(zhì)信息進(jìn)行更為便捷的處理、分析,有助于促進(jìn)礦井測(cè)繪工作效率;依據(jù)全站儀工作特點(diǎn),并結(jié)合空間信息技術(shù)構(gòu)建礦井三維地質(zhì)模型,且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸以及分析,為構(gòu)建新型的礦井測(cè)繪系統(tǒng)提供支撐。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到礦井測(cè)繪中,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控測(cè)量,大幅降低測(cè)繪人員勞動(dòng)強(qiáng)度、測(cè)繪成本以及顯著提升礦井測(cè)繪效率。

在礦井測(cè)繪中通過(guò)采用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)勢(shì)必會(huì)改善礦井測(cè)繪工作現(xiàn)狀,為構(gòu)建智能化礦井提供可靠支撐。