花崗巖礦儲量變化監(jiān)測研究

盧 偉

（廣東省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊，廣東江門529000）

1 概述

隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的飛速發(fā)展，工程建造的原料需求量也不斷增大。其中的砂石料，作為各地方高速路、高鐵、建構(gòu)筑物等基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的物料，其需求量也在急劇增大。在如此大的市場需求環(huán)境下，石料的出廠價相比往年出現(xiàn)了大幅上漲，其利潤空間之大，導(dǎo)致各地開設(shè)了許多采石場，由此進(jìn)入采石賺錢的時代。當(dāng)然，為了貫徹資源開采的合理化與可持續(xù)化發(fā)展，政府定期要對采石場進(jìn)行資源儲量核實(shí)工作，同時遞交儲量核實(shí)報告，其目的是調(diào)查礦山開采現(xiàn)狀，估算礦山保有資源量，為下步開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。在這樣的發(fā)展背景下，如何運(yùn)用新的測量技術(shù)來快速有效地對儲量變化總量進(jìn)行計算，成為目前一個研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。為此，本文依托于廣東省成熟的CORS系統(tǒng)、無人機(jī)成像系統(tǒng)、免棱鏡全站儀系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的計算土石方量，為政府決策與部署提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 圖根控制測量

廣東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（簡稱GD?CORS）于2006年11月開始試運(yùn)行，至今已有十三年多，實(shí)時坐標(biāo)定位服務(wù)高效穩(wěn)定，能夠提供平面毫米級定位精度，高程厘米級精度。廣東省似大地水準(zhǔn)面精化模型的外符合精度為±0.048m，完全符合1∶2000地形圖測量對高程精度的要求。基于成熟的GDCORS數(shù)據(jù)以及傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要收集礦區(qū)附近的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，架設(shè)基準(zhǔn)站并進(jìn)行參數(shù)計算，攜帶設(shè)備多，花費(fèi)很多時間與精力的缺點(diǎn)，甚至有些礦區(qū)及周邊無法收集到控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，這就給實(shí)地采集測量數(shù)據(jù)帶來很多麻煩。因此完全可以基于GDCORS的GNSS-RTK（型號為中海達(dá)TS7）直接采集測站點(diǎn)和后視點(diǎn)坐標(biāo)及高程。為檢驗(yàn)GDCORS網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度，選取江門市某區(qū)8個D級GPS控制點(diǎn)及四等水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行精度統(tǒng)計（每個點(diǎn)均利用腳架對中采用平滑觀測），GPS網(wǎng)圖如圖1所示，統(tǒng)計精度如表1、表2所示。

圖1 GPS網(wǎng)圖

由表1數(shù)據(jù)可知，點(diǎn)位精度較差均小于3cm，完全滿足圖根控制點(diǎn)測圖的要求。較差均值1.67cm說明該GDCORS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。由表格2數(shù)據(jù)可知，8個點(diǎn)位較差均小于5cm說明GDCORS提供高程數(shù)據(jù)滿足大比例尺測圖要求。綜上證明了基于GD?CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK測量可以達(dá)到厘米級精度，符合礦山動態(tài)監(jiān)測精度要求。為了使礦山石方量計算工作能更加高效、經(jīng)濟(jì)，充分利用GDCORS是相當(dāng)有必要的。

表1 D級GPS控制點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)RTK平面成果比對表

2.2 確定地形修測范圍

表2 D等水準(zhǔn)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)RTK高程比對

由于大部分采石場開采量大，一般分臺階開采，很難確定監(jiān)測周期間地形變化范圍。為此，本項(xiàng)目采用大疆精靈4無人機(jī)進(jìn)行拍照，每次在固定地點(diǎn)起飛至固定高度，同角度拍攝照片與上一次監(jiān)測照片進(jìn)行對比可以很輕松地確定需要修測的范圍。表格3為該無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。

2.3 全站儀采集地形數(shù)據(jù)

表3 大疆精靈4無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本項(xiàng)目采用中緯ZOOM 35 PRO全站儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，測角精度為2″，免棱鏡測量模式標(biāo)稱為1000m(在礦山觀測背景下親測可達(dá)到500～700m)，測距精度為3mm+2ppm。由于礦山按照開發(fā)利用方案分臺階開采，人工立標(biāo)尺不僅效率低下而且安全隱患特別大。因此找好有利測站點(diǎn)，利用全站儀免棱鏡測量功能可以做到一個測站搞定全部修測。如表4所示為全站儀主要技術(shù)參數(shù)。

表4 全站儀主要技術(shù)指標(biāo)

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

廣東省江門市露天花崗巖礦山數(shù)量多，本單位承接該市兩區(qū)共計18個露天礦山的動態(tài)監(jiān)測工作。這就務(wù)必有一套高效率、低成本且安全行之有效的解決方案。本次項(xiàng)目選擇了監(jiān)測項(xiàng)目里礦區(qū)面積最大、年開采量最多并且是該省知名花崗巖礦山的泰盛石場有限公司建筑用花崗巖礦區(qū)（以下簡稱泰盛石場）作為研究對象，討論礦山動態(tài)監(jiān)測的工作方法。研究區(qū)概況敘述如下。泰盛石場行政隸屬該市該區(qū)某鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)面積0.4519km2，開采標(biāo)高：+360～+35m，開采礦種：建筑用花崗巖，開采方式：露天開采，生產(chǎn)規(guī)模：200×104m3/a。

3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)整理成圖及當(dāng)期開采儲量計算

3.2.1 確地監(jiān)測范圍

該花崗巖礦山作為露天礦每月采掘量很大，初步估計有幾十萬立方米。本文選擇一年的時間差為基準(zhǔn)，計算該礦區(qū)石方量的變化。確定計算范圍根據(jù)大疆無人機(jī)航飛確定，如圖2所示范圍確定。

3.2.2 計算石方變化量

本次的處理過程是以該花崗巖礦山的地形地質(zhì)圖為例，該地形地質(zhì)圖的比例尺為1∶2000，數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是1980年西安坐標(biāo)系，基準(zhǔn)面采用1985國家高程基準(zhǔn)。用南方CASS 10.1打開2019年1月3日和2020年1月5日該礦的地形地質(zhì)圖進(jìn)行比較。對一年內(nèi)有所變化的區(qū)域進(jìn)行初步的判斷，并用多段線進(jìn)行框選，通過CASS工具欄中的工具進(jìn)行數(shù)據(jù)批量刪減，刪減掉指定區(qū)域外多余的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)開采范圍的初步選取。通過CASS工具欄里的“建立DTM”功能，進(jìn)行DTM的創(chuàng)建，在生成DTM時可由圖面高程點(diǎn)生成，并且考慮在構(gòu)建三角網(wǎng)過程中陡坎與地性線的影響，之后對得到了三角網(wǎng)進(jìn)行細(xì)部修改，將不合理三角網(wǎng)點(diǎn)刪除，進(jìn)行局部構(gòu)建成網(wǎng)。三角網(wǎng)如圖3所示。最后采用南方CASS 10.1自動生成剖面圖，利用平行斷面法計算。計算挖方量如圖4所示。

圖2 確定監(jiān)測范圍

圖3 點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS中顯示

3.2.3 數(shù)據(jù)比較與分析

數(shù)據(jù)a：通過采石場提供真實(shí)出貨量，該數(shù)值作為真值。

數(shù)據(jù)b：它的兩期數(shù)據(jù)均以地形地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，是通過本文提出的快速監(jiān)測方法計算得到的儲量變化總量。

數(shù)據(jù)c：它是以傳統(tǒng)RTK外業(yè)采集模式，利用CASS計算石方量變化值。

由圖5所示數(shù)據(jù)分析可知，數(shù)據(jù)b是采用本文提出的方法快速計算的石方量變化值與真值之間差距微小。數(shù)據(jù)c的獲取是按照傳統(tǒng)外業(yè)RTK模式，外業(yè)采集高程通過CASS軟件計算而來。實(shí)際作業(yè)中有一定的危險性。數(shù)據(jù)b數(shù)值為610.79×104m3；數(shù)據(jù)c數(shù)值為661.91×104m3，由(c-b)/b=8.34%，可以看出數(shù)據(jù)b與數(shù)據(jù)c的值之間相差較大，基于本文提出的方法計算的數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)要少了8%，并且數(shù)據(jù)b數(shù)值更接近真值。該組數(shù)據(jù)證明基于本文提出的方法計算的石方儲量變化結(jié)果要比傳統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果更為全面，更能夠反映出采石場的真實(shí)開采量。

圖4 石方變化量

圖5 數(shù)據(jù)比較圖

4 結(jié)語

本文通過使用廣東省CORS系統(tǒng)實(shí)時提供平面坐標(biāo)及高程，且在該地區(qū)信號穩(wěn)定，固定速度快，精度可行，能省時省成本省人力。利用拍照型無人機(jī)快速確定修測范圍，可避免重復(fù)測繪，節(jié)省時間，并獲得直觀的礦山俯視圖給礦山主管部門參考。長距離免棱鏡全站儀的使用，在外業(yè)觀測中節(jié)省人力物力，提高工作效率。綜合以上三種設(shè)備融合一套計算土方量變化的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時計算出石方儲量變化數(shù)值。通過某礦的實(shí)測數(shù)據(jù)計算結(jié)果與采石場提供真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了該系統(tǒng)的可靠性與可行性。本文研究是基于露天采礦領(lǐng)域的嘗試，希望這種監(jiān)測方式可以逐漸走向成熟，并在不久的將來被生產(chǎn)監(jiān)測單位所認(rèn)可。