基于全站儀的煤礦邊坡自動測量方案研究

陳培東

（晉能控股煤業(yè)集團公司晉城煤炭事業(yè)部趙莊煤業(yè)有限公司，山西 晉城 046600）

山晉能控股煤業(yè)集團公司趙莊煤業(yè)有限公司于2007 年5 月投產(chǎn)，目前在區(qū)域內(nèi)形成了一個面積約2.4 km2的礦堆，平均邊坡高度約為54.7 m。隨著煤礦開采的進行，邊坡寬度和高度不斷增加，對其變形監(jiān)測和預警提出了更高的要求。目前趙莊礦的變形監(jiān)測主要采用經(jīng)緯儀測量+人工觀察預警的方式，測量的精度僅能達到0.78 m，每次監(jiān)測耗時約2 h，監(jiān)測的精度和效率均無法滿足監(jiān)測安全性需求。

經(jīng)過多種測量方案的分析，提出了一種以TCA 2003型全站儀為核心的煤礦邊坡自動測量方案[1-4]，通過優(yōu)化測點分布和測量方案提高了測量精度，當變形量出現(xiàn)變化時系統(tǒng)自動發(fā)出預警，提醒人員及時調整和控制。

1 自動測量系統(tǒng)組成

煤礦邊坡自動測量系統(tǒng)主要由TCA 2003 型智能全站儀、監(jiān)控中心和監(jiān)測點構成。在測量的過程中首先在煤礦邊坡附近設置監(jiān)測點和參考基準點，全站儀通過實時對各監(jiān)測點、參考基準點的位置坐標進行監(jiān)測，將監(jiān)測結果傳遞到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對坐標數(shù)據(jù)進行對比分析，當位置數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化后自動顯示在監(jiān)控界面上并進行報警。該系統(tǒng)的監(jiān)控原理如圖1。

TCA 2003 型智能全站儀是一種具有自動識別搜索、自動測距、自動測角的綜合型全站儀，其測角精度達到了0.4°，測距精度達到了±2 mm，能夠根據(jù)控制需求實現(xiàn)對測點的自動識別、監(jiān)測及數(shù)據(jù)記錄。

在測量過程中，監(jiān)測點和參考基準點的選擇直接決定了測量結果的準確性。根據(jù)趙莊礦的實際地理位置，在礦坑邊坡一側設置了11 個監(jiān)測點（E21、E22……E31），平均間隔約為22 m。各個監(jiān)測點設置的原則是能夠讓全站儀進行直接掃描和觀測。選擇3 個測量參考基準點（參考基準點1、參考基準點2、參考基準點3），分別分布在邊坡的兩側及中間，為了確保監(jiān)測基準點的穩(wěn)定性，選定好監(jiān)測基準點位置后，在該處用水泥澆灌出一個永久定位點，避免受礦坑塌方等影響。參考基準點1 和監(jiān)測點1 之間的距離不超過30 m，參考基準點3 和監(jiān)測點11 之間的距離不超過30 m，將參考基準點3設置到監(jiān)測點6 和監(jiān)測點7 之間，居中設置。

圖1 趙莊礦自動監(jiān)控系結構示意圖

2 邊坡變形測量流程

在測量過程中首先由人工對各個監(jiān)測點和參考點的位置坐標進行測量。為了確保測量的準確性，采用全站儀和GPS 定位儀進行聯(lián)合測定，保證各測定的位置坐標偏差不超過0.1 m。由于全站儀的自動監(jiān)測結果和測點到基站的距離成反比，因此全站儀應該設置到邊坡中點的垂線上，距離邊坡中點的距離不超過50 m，安放全站儀的位置應選擇在地面平整、穩(wěn)定性高的永久觀測墩上，在觀測墩上設置全站儀安放基座，保證每次安放時位置的統(tǒng)一性。

全站儀設置完成后將各測定位置坐標輸入全站儀內(nèi)，并利用全站儀對各個測點坐標進行測量和校正，將自動觀測時的觀測順序、測回數(shù)設置到全站儀內(nèi)。全站儀根據(jù)設定的結果進行各測點的目標判斷、自動照準、自動測量，完成后將測量結果存儲到內(nèi)存卡內(nèi)，并通過數(shù)據(jù)總線傳遞到監(jiān)控中心內(nèi)。在監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)分析，對各個監(jiān)測點的坐標變化情況進行分析，將變化結果及時顯示在監(jiān)控系統(tǒng)上，便于相關人員及時處理。

為了確保在監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)的準確性，在控制系統(tǒng)中設置了粗測模式和精測模式。在每一個循環(huán)的測定中，對觀測點首先利用粗測模式進行觀測，先快速捕捉到觀測點然后轉入到精測模式對坐標點進行精確測定。該模式的優(yōu)點在于能夠快速地捕捉到對應的測點并定位，比直接采用精測模式能夠節(jié)約60%的定位時間，顯著提升測量速度。自動測量過程中的定位點捕捉如圖2。

圖2 觀測點定位示意圖

3 自動測量效果分析

該基于全站儀的煤礦邊坡自動測量系統(tǒng)自應用以來，表現(xiàn)出了極高的測量精度和穩(wěn)定性，監(jiān)測前后的數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 自動監(jiān)測結果匯總表

由表1 可知，該煤礦邊坡自動測量系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對邊坡坐標點的精確定位和跟蹤，實時輸出監(jiān)測控制結果。當邊坡變形量累計超過0.3 m 后系統(tǒng)自動進行報警，提醒相關人員對邊坡進行加固處理，防止出現(xiàn)塌方。根據(jù)實際應用結果判斷，該監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度達到了0.13 m，比優(yōu)化前提升了6 倍，能夠實現(xiàn)對變形情況的不間斷監(jiān)測。自該監(jiān)測系統(tǒng)應用以來，未出現(xiàn)過邊坡塌方情況，顯著提升了煤礦生產(chǎn)的安全性。

4 結論

為了解決趙莊煤礦邊坡測量效率低、精度差的問題，提出了一種基于全站儀的煤礦邊坡自動測量方案，該系統(tǒng)以TCA 2003 型全站儀為核心，通過優(yōu)化測點分布和測量方案實現(xiàn)了對煤礦邊坡變形情況的自動測量，根據(jù)實際應用表明：

（1）煤礦邊坡自動測量系統(tǒng)主要由TCA 2003型智能全站儀、監(jiān)控中心和監(jiān)測點構成，通過實時對各監(jiān)測點、參考基準點的位置坐標進行監(jiān)測，滿足自動監(jiān)控需求；

（2）測量參考基準點設置時，應分別分布在邊坡的兩側及中間，選定好監(jiān)測基準點位置后，在該處用水泥澆灌出一個永久定位點，提高監(jiān)測準確性；

（3）系統(tǒng)的監(jiān)測精度達到了0.13 m，當邊坡變形量累計超過0.3 m 后系統(tǒng)自動進行報警，應用以來，未出現(xiàn)過邊坡塌方情況，顯著提升了煤礦生產(chǎn)的安全性。