礦山測量數字化應用研究

韓浩（陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西延安 719013）

礦山測量數字化應用研究

韓浩（陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西延安 719013）

礦山測量是礦山建設和生產過程中重要的基礎性工作，數字化測量技術能夠全面提升礦山測量質量和效率，不僅使礦山施工更加科學合理，而且使礦山生產安全更有保障，因此本文對礦山測量數字化技術與應用進行了探討。

礦山測量；數字化；應用

礦山測量在礦山建設和開采過程中發揮著非常重要的作用，從礦床勘探、礦山設計、礦山建設、礦山生產直至礦山報廢都離不開礦山測量服務。傳統測量技術周期長、效率低、精度差、質控難，因而不能很好地適應現代礦山對測量工作的需要。隨著計算機技術、現代通信技術、網絡技術和微電子技術的發展和應用，先進的測量儀器、自動化的成圖軟件和方便靈活的定位方法也應運而生，使得低效的白紙測圖法逐步被數字化測量法所取代。數字化測量分為成圖數字化和測量數字化兩個部分。成圖數字化是指地圖以數字信息的形式輸出，早期數字化限于資金和時間等因素，直接利用數字化工具將白紙測圖成果轉化為電子數據，這種方法精度低，現勢性也不好，但通過修測、補測一些精確地物坐標，可在一定程度上彌補原圖精度的不足［1］，而隨著航天遙感測量、攝影測量、三維激光掃描測量、地面數字化測量等技術的應用，成圖精度、效率獲得極大提升，白紙成圖數字化逐步淘汰。測量數字化是利用全站儀、GPS（+RTK）、三維激光掃描測量等測量技術及相關測量軟件所開展的測量活動。為了構建“數字礦山”，在礦山建設和開采過程中要努力實現信息化、自動化、可視化、智能化及至無人化［2，3］，因而開展數字化測量勢在必行，并應引起礦企和測量人員的高度重視。

1 礦山測量數字化需求分析

1.1 建立礦區控制網

在礦床勘探階段，就要建立勘探區域的平面控制網，并且要與國家高等級控制網聯測；同時建立礦區水準基點網，并且應與國家高等級水準點聯網。平面控制測量可采用GPS測量、導線測量、三角測量、邊角結合測量等方法，利用全站儀、GPSRTK等先進測量技術不僅作業效率高、精度好，而且操作智能化、輸出數字化。高程控制測量可采用GPS測量、水準測量和三角高程測量等方法，并利用數字水準儀、光電測距儀和全站儀等進行數字化測量。隨著GPS精密高程測量技術的發展，其測量精度已大大提高，所以可以用于高程控制測量。

1.2 測繪地形圖

礦山設計需要大比例尺的地形圖，并標定鉆孔、探槽、探井、探巷等勘探要素，還要進行儲量計算等。地形圖測繪采用數字化技術不僅減小外業勞動強度和內業工作量，而且成圖周期短，便于圖紙管理，還是建立礦區資源環境信息系統（MRRIS，即礦山的地理信息系統）的基礎［4］。為了直觀地再現礦藏分布以及展示礦體與斷層結構，建立三維礦區系統是非常必要的，這對于數字化測量技術來說并不是很難的事情，但對于傳統測量技術則困難得多，尤其儲量計算的準確性差距就更大了。數字化測圖方法前面已經介紹，航天遙感（RS）、數碼攝影測量成果本身都是數字圖像，經過處理可建立三維礦區系統［5］。

1.3 礦山施工放樣

在礦山建設階段，要開展一系列施工測量，以便根據設計要求進行機電設備安裝、管線埋設、土方施工、建（構）筑物放樣、鑿井開巷等測量工作。利用已建立的測量數據庫，結合數字化測量儀器，無非就是把數字化設計圖再放樣到施工現場，由于設計與測量基于同一信息系統（MRRIS），不僅精度有保障，而且效率高。

1.4 礦山生產管理與監督

礦山生產時，需要標定和測繪巷道，進行儲量管理、開采監督、“三量統計”，還要校核施工準確性、工程進度及編制采礦計劃，測繪各種采掘工程圖、礦山專用圖、礦體幾何圖等。利用礦山數字化成果與MRRIS平臺，將數據庫中礦山生產所需的各類數據（采掘量、坐標、高程等）放線到實際工作面，可全面科學地指導礦山生產和管理，并提高生產決策的準確性與合理性，能有效控制生產成本和提升勞動生產效率。

1.5 礦山安全生產、環境保護及地質災害監測

安全生產需要準確的測量依據，如巖層與地表移動規律分析，露天礦邊坡穩定性分析，開展“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）開采研究，實施礦柱留設方案，進行礦山安全事故預防、預警、救護及礦山環境保護監測、礦區土地復墾與采礦沉陷綜合治理等。礦山數字化測量成果及MRRIS平臺是獲取所需數據的可靠途徑。MRRIS集數據采集、處理、分析、管理和輸出于一體，自動化、智能化程度高，為礦山安全生產和可持續發展提供強有力的支撐，而建立MRRIS系統的基礎就是礦山數字化測量。

2 礦山測量數字化技術應用

2.1 免棱鏡全站儀在礦井測量中的應用

礦井下測量GPS定位技術發揮不了作用，全站儀帶棱鏡作業也比較繁瑣，所以井下測量效率和數字化水平一直上不去，很多情況下采場測圖、巷道窿形測量要仍要沿用普通經緯儀定向、鋼尺量變、皮尺支距這樣的作業方式，免棱鏡全站儀應用于井下測量不僅效率大幅提高（至少30%），更重要的是可以實現井下測量數字化的目標。免棱鏡全站儀采用了紅外和激光同軸的測距頭，紅外測距用于常規測量，而激光測距則利用了相位測量原理，通過接收被測目標的漫反射信號就能精確測量目標點的坐標，可實現測距精度3mm+2ppm/1km［6］。

井下采場測量作業只需2人，1人負責操作儀器，另1人負責采集記錄和其他輔助性工作。測量時在評估安全的位置設站，全站儀可以無接觸地采集巷道頂板窿形數據，再自動計算采集點坐標，從而準確算出采場空高，并繪出頂板剖面圖。采集400個目標點用時僅為2h。

井下控制測量可采用導線測量法，吊掛360°旋轉棱鏡，結合照明電筒，以可見激光粗瞄，利用旋轉棱鏡的折射可實現全視角全方位連續觀測，測距精度能達到4mm，可滿足Ⅱ級導線測距精度要求。實踐證明，利用360°旋轉棱鏡和激光測距全站儀也只需2人就能完成井下控制測量任務，并且在進行導線測量的同時，還可利用上述免棱鏡測量技術完成井下巷道碎部點數據的采集工作。

免棱鏡全站儀同樣可以進行井下采掘工程的施工放樣，利用視準軸激光投射到作業面上標定頂板、邊幫特征線、方向點，斜坡道也能利用偽傾角放樣法在平坡段完成兩分段間斜坡道的腰線標定。

全站儀采集數據并傳輸到計算機上，利用軟件進行數據格式轉換，通過成圖軟件可實現數字化自動成圖，再進行3D建模，可以顯示井下巷道三維模型，效果雖比不上攝影測量和三維激光掃描逼真，但也較好地滿足了井下測量服務所需。

2.2 三維激光掃描測量技術

三維激光掃描測量是基于激光發射、掃描并利用高密度點云數據體積計算的非接觸測量技術，具有測量速度快、實時性強、數據點密集、測量精度高、成本低、安全性高、管理方便等優勢［3］。目前，該技術已廣泛用于礦山儲量監測、土石方量測量等場合，對于維護國家礦產資源所有權益、礦業權人權益、礦業權市場健康發展等具有重要的意義。三維激光掃描測量系統由激光掃描儀（內含激光發射器、激光反射鏡、CCD技術、激光控制與光機電自動傳感器等部件）、外置數碼全景相機、便攜計算機控制裝置等組成。測量原理是利用激光束發射和接收的時間差計算出掃描點的相對位置，激光掃描儀自建極坐標測量系統，再根據掃描儀所處位置就能計算出掃描點的三維坐標?，F以某礦山為例說明該測量技術的應用。該礦地面工程土石方施工，測量區域地勢起伏較大，部分區域比較零碎，采樣布點十分不方便，為了評估土石方施工量，在相鄰兩個月同一時點進行兩次了激光掃描測量，據此可推算出一個月的土石方施工量。在掃描視野較好的區域邊緣設置5個測站，并在其周圍布設定向靶標和校核靶標。掃描面積約1.2km2，每站掃描用時約15min。為了比較測量精度，同時采用常規測量方法進行對比。測量完畢，利用掃描儀自身軟件對云數據進行拼接和坐標轉換，然后進行三維建模并生成三角網，再經平滑、補洞、細分、曲面擬合等處理得到了測量區域的數字高程模型（DEM）。根據相鄰兩個月的兩個時間點模型疊加即可計算出一個月的土石方施工量，經過與常規測量比較，其相對誤差不超過1%，但測量效率比常規測量提高了近4倍，并且作業安全、不影響施工，能夠獲得三維實景模型和正射圖像，這些是常規測量無法比擬的。

2.3 數字化測量技術在礦山爆破工程中的應用

爆破全過程都涉及測量工作，爆破效果直接取決于爆破參數是否合理，而爆破參數的確定依賴測量的精度和效率。以某礦山臺階爆破為例進行簡要說明。首先，利用免棱鏡全站儀技術采集爆破區現狀數據，在計算機內完成平面圖繪制。然后將設計孔位放樣到施工現場，穿孔后采集孔口坐標及孔深數據。接著實施爆破并采集爆堆數據，將爆堆碎部點三維坐標離散化，再經多邊形算法、高程插值等處理，構造出不規則三角形格網，剔除其中異常的三角形后建立DEM。從DEM可獲得爆堆三維可視圖，繼續操作可獲得剖面圖、等高線、土石方量等結果。通過對這些圖形的分析可評估爆破質量和檢驗爆破效果。

3 結語

礦山測量貫穿于礦山建設、生產直至礦井報廢的整個過程，數字化測量是礦山生產和管理信息化發展的必然要求和途徑，企業不僅應重視數字化設備的購置和MRRIS系統的構建工作，還應加強測量人員數字化技術的培訓，這樣才能使礦山測量的質量和效率不斷得到提升。

［1］劉賀明.探討數字化地形測量方法及步驟［J］.現代測繪，2011，34（2）：42-43.

［2］程新桃.三維數字化礦山建模測量研究應用［J］.工程與建設，2013，27（1）：55-57.

［3］符建豪.數字化礦山測量與優化實施［J］.北京測繪，2014（4）：80-83.

［4］賀繼光，沈碧薇.測繪與地理信息新技術在礦山測量中的應用及展望［J］.礦山測量，2013（3）：49-51.

［5］宗蔚晨，潘磊.攝影測量數字化系統在礦山動態測量中的應用［J］.西部探礦工程，2012（5）：134-136.

［6］田祖帥，任懷全，李鋼劍.無棱鏡測距全站儀在板石礦井下測量中的應用［J］.礦業工程，2013，11（3）：33-35.