淺談GPS-RTK技術在垂直救援中的應用

閆彩虹 段鵬飛

礦山事故發生后,搶救被困礦工是首要任務,目前普遍還是沿用從坑口向搶險點推進的救援辦法。這種方法用時長、困難大、風險高。隨著礦山救援裝備和GPS-RTK測繪技術的快速發展,使得垂直救援工作越來越具有可操作性。在王家嶺礦“3?28”事故搶險救援中,山西省煤炭地質局采用GPS-RTK技術對1號、2號鉆井進行準確定位,其中2號鉆井真正起到了信息通道、通風通道和生命通道的重要作用。下面是對GPS-RTK技術在垂直救援中使用的心得及體會,供大家參考。

1 GPS-RTK技術和測量原理

談起GPS-RTK技術 ,先介紹一下GPS技術 。GPS(Global Positioning System)即“全球定位系統”,20世紀 70年代在美國開始研制,歷時20年,耗資200億美元,于 1994年全面建成。該系統是以衛星為基礎的無線電導航定位系統,具有全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時功能,能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。

GPS由空間部分、地面支撐系統及用戶設備三個部分組成。空間部分即進行定位的衛星,包括21顆工作衛星和3顆備用衛星。地面支撐系統由主控站、注入站和監測站構成。用戶設備則是用來接收GPS衛星發射信號,以獲得必要的導航和定位信息。采用多臺靜態GPS接收機對已知點、未知點進行同步連續觀測,通過GPS平差軟件對數據進行解算,由已知點解算出未知點坐標。

RTK(Real Time Kinematic,簡稱 RTK)即“實時動態測量技術”,是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術,是GPS測量技術發展中的一個新突破。RTK技術系統用戶主要包括三個部分:基準站、流動站和數據鏈。在RTK作業模式下,基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據,還要采集GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結果,歷時不到1 s。流動站可處于靜止狀態,也可處于運動狀態;可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業,也可在動態條件下直接開機,并在動態環境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后,只要能保持4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形,流動站就可隨時給出厘米級定位結果。

因為GPS-RTK測量技術能夠實時地提供測量點在指定坐標系中的三維坐標(x,y,z),并能夠達到厘米級的定位精度。這就為GPS-RTK測量工作的可靠性和高效率提供了保障,這對GPSRTK測量技術的發展和普及,具有重要的現實意義。

2 垂直救援及鉆孔定位

所謂垂直救援,是指在礦山搶險中,迅速鎖定“井下被困職工”的具體位置,利用先進的鉆井技術,從地面向具體定位點快速鉆井,通過井筒輸送氧氣、給養品、建立聯絡通訊等,甚至直接將被困職工從危險區救出地面。由于采用垂直救援技術使得救援時間大大縮短,可以有效保證被困職工生命安全。礦山事故發生后,采用井下水平救援與垂直救援相結合的辦法,可以確保救援工作及時、有效地展開。

同樣地,在垂直救援中,鉆孔位置的選擇也非常重要。根據災情性質、救援重點,參考采掘工程平面圖、井上下實測對照圖以及相關地質資料,合理設計鉆孔點位,并從相應圖件中解析出井下鉆孔坐標,從而返算出地面上對應坐標,同時通過實地測量再對解析坐標進行校核,以保證鉆孔坐標準確無誤。在王家嶺礦“3?28”事故搶險救援中,專家組在分析井下巷道資料的基礎上,經過實地踏勘,最終確定了兩個鉆孔位置:其中1號孔為漏水孔,在積水巷道最低處對應的地面上往下垂直打井,通過鉆井,使巷道內的積水自動流入到距巷道80 m以下的奧陶系含水層內。2號孔為救生孔,從輔助運輸巷內距巷道北頭1 400 m處對應的地面上往下垂直鉆井,起通信、通風、給養投送作用。

3 采用GPS-RTK技術對鉆孔坐標進行放樣測量

為方便表述,我們把救援范圍稱為測區,首先在測區范圍內收集可以利用的控制點,如近井點等。如果有三個以上的控制點保存完好,經檢核后,可以直接使用。如果測區內沒有足夠的控制點,可以根據地形地貌,在測區內合理布設E級GPS點,然后采用4臺以上的靜態GPS接收機同測區外的高精度坐標點進行同步聯測,進而用GPS平差軟件對接收數據進行解算,從而求出測區內新布設的E級GPS點的坐標。在測區內有足夠的控制點后,首先,將基準站架設在一個已知坐標的控制點上,以另外兩個已知坐標的控制點為校正點。校正完成后,將電子手簿里存儲好的鉆孔坐標調出,手持移動站、手簿及對中桿對鉆孔坐標進行放樣,也就是把空間坐標落實到具體位置上。在放樣過程中,考慮到測量的精度要求,要保持PDOP值在2.5以下。GPS手簿界面會實時提示測量員離鉆孔點位的距離及方位,從而引導測量員對鉆孔坐標進行精確定位。王家嶺礦“3?28”事故搶險救援中,救援人員在分析井下巷道資料的基礎上,采用GPS-RTK測量技術對鉆孔進行精確定位,并用傳統測量方法進行校驗,使定位誤差保持在±10 cm之內,完全滿足了鉆井施工的精度要求。

4 GPS-RTK技術在垂直救援測繪中的優勢

首先,采用GPS-RTK技術可以測繪大比例尺地形圖。在搶險救援過程中,需要現勢性強的大比例尺地形圖供救援指揮部進行決策指揮。由于搶險救援工作事態嚴重,時間緊迫,必須在短時間內高精度地完成數據采集工作。采用GPS-RTK技術測圖時,僅需一人背著GPS移動站在要測的地形地貌碎部點上待一兩秒鐘,同時輸入特征編碼,在手簿界面點位精度的提示下,迅速完成該點的數據采集工作。把一個區域測完后回到室內,由專業的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖,這樣就大大提高了工作效率。

第二,對鉆孔點位進行放樣測量。在垂直救援過程中布設鉆井孔位是一項重要的工作。根據災情性質、救援重點,鉆孔有滅火、漏水、堵水、通風、通訊、給養投送等作用,因而在短時間內精確定位鉆孔位置,對垂直救援的順利進行起重要支撐作用。在采用GPS-RTK技術放樣時,先把設計好的鉆孔坐標輸入到電子手簿中,然后手持移動站、手簿及對中桿對鉆孔坐標進行放樣測量,手簿界面會實時提示測量員離鉆孔點的方位及距離,從而引導測量員對鉆孔坐標進行精確定位。這樣操作既迅速又方便,完全滿足了垂直救援對測繪工作高效率、高精度的要求。

5 結語

垂直救援技術是近幾年來興起的礦山事故救災新技術,在我國、美國、澳大利亞等國家都有成功案例。希望更多的專家學者對礦山搶險垂直救援技術以及測繪技術在垂直救援中的應用進行研究和探討,以促進垂直救援技術的發展和進步。

[1] 徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢大學出版社,2008.

[2] 王利鋒.GPS-RTK技術在界線點放樣工程中的應用[J].山西建筑,2009,35(3):357-359.