GPS結合全站儀在礦山地表控制測量中的應用

廖小康，謝海濤，孟中華

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012;2.湖南辰州礦業股份有限公司， 湖南 懷化市 419607)

GPS結合全站儀在礦山地表控制測量中的應用

廖小康1，謝海濤2，孟中華1

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012;2.湖南辰州礦業股份有限公司， 湖南 懷化市 419607)

介紹了目前礦山地表巖層移動監測的集中常用方法及其優缺點，提出利用GPS測量的高精度特點和全站儀相結合來提高控制測量精度和效率，并且在某大型地下開采金屬礦山的地表巖層移動測量中使用，取得了好的效果。

GPS測量；巖層移動監測；控制測量；測量精度

地下礦山開采會導致巖層移動，在地表形成塌陷區、裂隙區等，甚至出現巨大的塌陷坑，對于地表不允許塌陷的礦山，需要嚴密監測巖層移動情況，對移動趨勢進行分析計算，結合現場測量數據，調整和優化采礦方法來控制巖層移動的發展，對可能出現的塌陷等災害進行預報預警，從而確保礦山安全生產。

1 巖層移動監測常用方法及其優缺點

目前礦山地表巖層移動的監測手段主要包括水準測量、全站儀測量、位移計測量裂隙、導線測量和GPS測量等。

水準儀測量地表巖層移動的測量速度快、精度高，但只能測量測點的豎直方向移動量，而不能測出其在水平方向的移動情況。

全站儀是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統，目前在礦山廣泛使用。全站儀操作較簡單方便，使用三角控制測量方法時，有很高的精度。

位移計測量裂縫的變形量，其原理簡單，使用比較方便，目前已經可以實現在線實時監測。缺點是只能測單條裂縫的發展情況，而不能測量整個地表的移動巖層趨勢，在地表土層上固定位移計有一定難度，不好操作，工作量較大。

GPS控制測量是一種較新的礦山巖層移動控制測量方式，相比于傳統控制測量，有非常明顯的優點：①靜態測量定位精度高；②測站間無須通視，只需測點上空開闊沒有遮擋即可，在布置測點時，可省去經典大地網中的傳遞點、過渡點的測量工作，減少工作量；③操作簡便；④全天候作業，不受到氣候條件的影響。其缺點主要有：①GPS接收機接收信號的時候易受到變電站和高壓線周圍的電磁場的影響，其與變電站的距離應大于100 m，與高壓線和無線電傳輸線路的距離應大于50 m，且附近不應有強烈反射衛星信號的物件(如大型建筑物和水塘等)；②測點周圍應便于安置接收設備和操作，視野開闊，視場內障礙物的高度角不宜超過15°；③GPS靜態控制測量時每個點的測量時間較長，需要40～60 min，測量效率較低。

2 GPS與全站儀相結合控制測量

大多數礦山地形復雜，地表植被較多，且經常有高壓線路通過，給GPS測點布置帶來了一定困難，為解決以上問題，采用GPS與全站儀相結合的測量方式，利用GPS精度高測量范圍大的優點，建立整個礦區的控制測量骨架，對于局部區域的變形則利用全站儀測量，同時定期用GPS校核全站儀測量基點坐標是否移動，以保證測量的準確性。

利用GPS控制測量從礦區外圍高等級控制點引入坐標，在礦區的巖層移動范圍之外布置6～8個控制測量點，同時埋設標石。在需要小范圍采用全站儀測量的地方，布設全站儀測量基點，每個樁中均埋設強制對中器，從而減少由于擺放儀器時引起的誤差，GPS接收機與測量樁如圖1所示。

在測點位置選擇時，即要考慮礦山巖層移動測量需要，布置數條測線，又要考慮每個測量周圍是否有遮擋或者高壓線路的電磁場的干擾，綜合各方面因素和影響，合理布置網型，對提高控制測量的精度非常重要。

為保證GPS靜態控制測量時的精度，除控制網和監測點的布置要求外，在測量時測量工作人員應嚴格遵守下列規定：①GPS接收機在開始觀測前，應進行靜置和預熱；②觀測應嚴格按照規定的時間進行作業，經檢查接收機電源電纜和天線等各項連接無誤，方可開機；③觀測員要細心操作，觀測期間防止接收設備震動，更不得移動，要防止人員和其他物體碰到天線或阻擋信號；④禁止在天線附近50 m以內使用電臺，10 m以內使用對講機和手機等通信工具。

圖1 GPS接收機與測量樁

3 GPS測量精度校驗

GPS測量儀器廠家提供的精度為水平3 mm+1 ppm，垂直5 mm+1 ppm，為驗證GPS控制網的測量精度，設計一個全站儀三角測量來監測GPS測量結果，全站儀在較短距離內具有較高的測量精度，故選擇GPS控制網中的基點7、基點4和9-4#點三個相互通視點，各點間距離約為400 m，構成一個三角形，具體位置如圖2所示。

圖2 全站儀控制測量三點位置

全站儀分別在基點4、基點7和9-4#點測量，同時用三棱鏡作為反射棱鏡，相比于單反射棱鏡，能較大提高測量精度，三棱鏡和強制對中器如圖3所示。

通過GPS靜態控制測量三點間水平距離和垂直高差，與全站儀三角控制測量結果相比較，如表1所示。

由表1可以得出水平距離最大相差為0.005 m，平均相差0.003 m，高差最大相差為0.007 m，平均相差0.005 m，由上可知GPS控制測量和全站儀三角控制測量均有較高的精度，能滿足礦山地表巖層移動測量的精度要求。

圖3 強制對中器和三反射棱鏡

表1 GPS測量與全站儀測量結果比較

測點距離比較/m全站儀測量GPS測量相差量高程比較/m全站儀測量GPS測量相差量9-4#至基點4291．485291．4790．00430．21130．2140．003基點4至基點7387．623387．6180．00510．79410．8010．007基點7至9-4#421．596421．5940．002-41．006-41．0110．005

4 結 論

分析了目前礦山常用的幾種巖層移動監測方法的優缺點，結合實際在某地表有眾多塌陷坑的大型地下金屬礦山建立了GPS大范圍控制測量與全站儀相結合的巖層移動監測控制網，設計一個三角形網，采用GPS和全站儀三角測量方法分別測，通過對兩個測量結果的比較，其水平距離最大相差0.005 m，平均相差0.003 m，垂直距離最大相差為0.007 m，平均相差0.005 m，證明GPS靜態測量和全站儀三角測量均有較高的精度，能滿足礦山巖層移動控制測量的要求。

[1]顧孝烈，鮑 峰，程效軍.測量學[M].上海：同濟大學出版社，2011.

[2]蔡美峰,李長洪,李軍財,等.GPS在深凹露天礦高陡邊坡位移動態監測中的應用[J].中國礦業,2004,13(9):60-64.

[3]黃道欽，李 明，廖小康，等.多層開采復雜條件下巖層移動監測與分析[J].采礦技術：2013,13(6):27-29.

[4]王勇智. GPS測量技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5]毛建華,楊偉忠,黃道欽，等.金屬礦山巖層與地表移動研究現狀及發展趨勢[J].采礦技術,2009,9(6):13-14,35.

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

2014-09-17)

廖小康(1986-)，男，采礦工程師，主要從事礦山科研工作,Email:liaoxiaokang@126.com。