韓浩（陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西延安 719013）

礦山測(cè)量數(shù)字化應(yīng)用研究

韓浩（陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西延安 719013）

礦山測(cè)量是礦山建設(shè)和生產(chǎn)過程中重要的基礎(chǔ)性工作，數(shù)字化測(cè)量技術(shù)能夠全面提升礦山測(cè)量質(zhì)量和效率，不僅使礦山施工更加科學(xué)合理，而且使礦山生產(chǎn)安全更有保障，因此本文對(duì)礦山測(cè)量數(shù)字化技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)行了探討。

礦山測(cè)量；數(shù)字化；應(yīng)用

礦山測(cè)量在礦山建設(shè)和開采過程中發(fā)揮著非常重要的作用，從礦床勘探、礦山設(shè)計(jì)、礦山建設(shè)、礦山生產(chǎn)直至礦山報(bào)廢都離不開礦山測(cè)量服務(wù)。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)周期長(zhǎng)、效率低、精度差、質(zhì)控難，因而不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代礦山對(duì)測(cè)量工作的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器、自動(dòng)化的成圖軟件和方便靈活的定位方法也應(yīng)運(yùn)而生，使得低效的白紙測(cè)圖法逐步被數(shù)字化測(cè)量法所取代。數(shù)字化測(cè)量分為成圖數(shù)字化和測(cè)量數(shù)字化兩個(gè)部分。成圖數(shù)字化是指地圖以數(shù)字信息的形式輸出，早期數(shù)字化限于資金和時(shí)間等因素，直接利用數(shù)字化工具將白紙測(cè)圖成果轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)，這種方法精度低，現(xiàn)勢(shì)性也不好，但通過修測(cè)、補(bǔ)測(cè)一些精確地物坐標(biāo)，可在一定程度上彌補(bǔ)原圖精度的不足［1］，而隨著航天遙感測(cè)量、攝影測(cè)量、三維激光掃描測(cè)量、地面數(shù)字化測(cè)量等技術(shù)的應(yīng)用，成圖精度、效率獲得極大提升，白紙成圖數(shù)字化逐步淘汰。測(cè)量數(shù)字化是利用全站儀、GPS（+RTK）、三維激光掃描測(cè)量等測(cè)量技術(shù)及相關(guān)測(cè)量軟件所開展的測(cè)量活動(dòng)。為了構(gòu)建“數(shù)字礦山”，在礦山建設(shè)和開采過程中要努力實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、可視化、智能化及至無人化［2，3］，因而開展數(shù)字化測(cè)量勢(shì)在必行，并應(yīng)引起礦企和測(cè)量人員的高度重視。

1 礦山測(cè)量數(shù)字化需求分析

1.1 建立礦區(qū)控制網(wǎng)

在礦床勘探階段，就要建立勘探區(qū)域的平面控制網(wǎng)，并且要與國(guó)家高等級(jí)控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)；同時(shí)建立礦區(qū)水準(zhǔn)基點(diǎn)網(wǎng)，并且應(yīng)與國(guó)家高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。平面控制測(cè)量可采用GPS測(cè)量、導(dǎo)線測(cè)量、三角測(cè)量、邊角結(jié)合測(cè)量等方法，利用全站儀、GPSRTK等先進(jìn)測(cè)量技術(shù)不僅作業(yè)效率高、精度好，而且操作智能化、輸出數(shù)字化。高程控制測(cè)量可采用GPS測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量和三角高程測(cè)量等方法，并利用數(shù)字水準(zhǔn)儀、光電測(cè)距儀和全站儀等進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。隨著GPS精密高程測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，其測(cè)量精度已大大提高，所以可以用于高程控制測(cè)量。

1.2 測(cè)繪地形圖

礦山設(shè)計(jì)需要大比例尺的地形圖，并標(biāo)定鉆孔、探槽、探井、探巷等勘探要素，還要進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算等。地形圖測(cè)繪采用數(shù)字化技術(shù)不僅減小外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度和內(nèi)業(yè)工作量，而且成圖周期短，便于圖紙管理，還是建立礦區(qū)資源環(huán)境信息系統(tǒng)（MRRIS，即礦山的地理信息系統(tǒng)）的基礎(chǔ)［4］。為了直觀地再現(xiàn)礦藏分布以及展示礦體與斷層結(jié)構(gòu)，建立三維礦區(qū)系統(tǒng)是非常必要的，這對(duì)于數(shù)字化測(cè)量技術(shù)來說并不是很難的事情，但對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)則困難得多，尤其儲(chǔ)量計(jì)算的準(zhǔn)確性差距就更大了。數(shù)字化測(cè)圖方法前面已經(jīng)介紹，航天遙感（RS）、數(shù)碼攝影測(cè)量成果本身都是數(shù)字圖像，經(jīng)過處理可建立三維礦區(qū)系統(tǒng)［5］。

1.3 礦山施工放樣

在礦山建設(shè)階段，要開展一系列施工測(cè)量，以便根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行機(jī)電設(shè)備安裝、管線埋設(shè)、土方施工、建（構(gòu)）筑物放樣、鑿井開巷等測(cè)量工作。利用已建立的測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，無非就是把數(shù)字化設(shè)計(jì)圖再放樣到施工現(xiàn)場(chǎng)，由于設(shè)計(jì)與測(cè)量基于同一信息系統(tǒng)（MRRIS），不僅精度有保障，而且效率高。

1.4 礦山生產(chǎn)管理與監(jiān)督

礦山生產(chǎn)時(shí)，需要標(biāo)定和測(cè)繪巷道，進(jìn)行儲(chǔ)量管理、開采監(jiān)督、“三量統(tǒng)計(jì)”，還要校核施工準(zhǔn)確性、工程進(jìn)度及編制采礦計(jì)劃，測(cè)繪各種采掘工程圖、礦山專用圖、礦體幾何圖等。利用礦山數(shù)字化成果與MRRIS平臺(tái)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中礦山生產(chǎn)所需的各類數(shù)據(jù)（采掘量、坐標(biāo)、高程等）放線到實(shí)際工作面，可全面科學(xué)地指導(dǎo)礦山生產(chǎn)和管理，并提高生產(chǎn)決策的準(zhǔn)確性與合理性，能有效控制生產(chǎn)成本和提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

1.5 礦山安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

安全生產(chǎn)需要準(zhǔn)確的測(cè)量依據(jù)，如巖層與地表移動(dòng)規(guī)律分析，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析，開展“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）開采研究，實(shí)施礦柱留設(shè)方案，進(jìn)行礦山安全事故預(yù)防、預(yù)警、救護(hù)及礦山環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、礦區(qū)土地復(fù)墾與采礦沉陷綜合治理等。礦山數(shù)字化測(cè)量成果及MRRIS平臺(tái)是獲取所需數(shù)據(jù)的可靠途徑。MRRIS集數(shù)據(jù)采集、處理、分析、管理和輸出于一體，自動(dòng)化、智能化程度高，為礦山安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐，而建立MRRIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是礦山數(shù)字化測(cè)量。

2 礦山測(cè)量數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用

2.1 免棱鏡全站儀在礦井測(cè)量中的應(yīng)用

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

井下采場(chǎng)測(cè)量作業(yè)只需2人，1人負(fù)責(zé)操作儀器，另1人負(fù)責(zé)采集記錄和其他輔助性工作。測(cè)量時(shí)在評(píng)估安全的位置設(shè)站，全站儀可以無接觸地采集巷道頂板窿形數(shù)據(jù)，再自動(dòng)計(jì)算采集點(diǎn)坐標(biāo)，從而準(zhǔn)確算出采場(chǎng)空高，并繪出頂板剖面圖。采集400個(gè)目標(biāo)點(diǎn)用時(shí)僅為2h。

井下控制測(cè)量可采用導(dǎo)線測(cè)量法，吊掛360°旋轉(zhuǎn)棱鏡，結(jié)合照明電筒，以可見激光粗瞄，利用旋轉(zhuǎn)棱鏡的折射可實(shí)現(xiàn)全視角全方位連續(xù)觀測(cè)，測(cè)距精度能達(dá)到4mm，可滿足Ⅱ級(jí)導(dǎo)線測(cè)距精度要求。實(shí)踐證明，利用360°旋轉(zhuǎn)棱鏡和激光測(cè)距全站儀也只需2人就能完成井下控制測(cè)量任務(wù)，并且在進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量的同時(shí)，還可利用上述免棱鏡測(cè)量技術(shù)完成井下巷道碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集工作。

免棱鏡全站儀同樣可以進(jìn)行井下采掘工程的施工放樣，利用視準(zhǔn)軸激光投射到作業(yè)面上標(biāo)定頂板、邊幫特征線、方向點(diǎn)，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(biāo)定。

全站儀采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，通過成圖軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)成圖，再進(jìn)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(cè)量和三維激光掃描逼真，但也較好地滿足了井下測(cè)量服務(wù)所需。

2.2 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)

三維激光掃描測(cè)量是基于激光發(fā)射、掃描并利用高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)體積計(jì)算的非接觸測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)點(diǎn)密集、測(cè)量精度高、成本低、安全性高、管理方便等優(yōu)勢(shì)［3］。目前，該技術(shù)已廣泛用于礦山儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)、土石方量測(cè)量等場(chǎng)合，對(duì)于維護(hù)國(guó)家礦產(chǎn)資源所有權(quán)益、礦業(yè)權(quán)人權(quán)益、礦業(yè)權(quán)市場(chǎng)健康發(fā)展等具有重要的意義。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)由激光掃描儀（內(nèi)含激光發(fā)射器、激光反射鏡、CCD技術(shù)、激光控制與光機(jī)電自動(dòng)傳感器等部件）、外置數(shù)碼全景相機(jī)、便攜計(jì)算機(jī)控制裝置等組成。測(cè)量原理是利用激光束發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出掃描點(diǎn)的相對(duì)位置，激光掃描儀自建極坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，再根據(jù)掃描儀所處位置就能計(jì)算出掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)?，F(xiàn)以某礦山為例說明該測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。該礦地面工程土石方施工，測(cè)量區(qū)域地勢(shì)起伏較大，部分區(qū)域比較零碎，采樣布點(diǎn)十分不方便，為了評(píng)估土石方施工量，在相鄰兩個(gè)月同一時(shí)點(diǎn)進(jìn)行兩次了激光掃描測(cè)量，據(jù)此可推算出一個(gè)月的土石方施工量。在掃描視野較好的區(qū)域邊緣設(shè)置5個(gè)測(cè)站，并在其周圍布設(shè)定向靶標(biāo)和校核靶標(biāo)。掃描面積約1.2km2，每站掃描用時(shí)約15min。為了比較測(cè)量精度，同時(shí)采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比。測(cè)量完畢，利用掃描儀自身軟件對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行三維建模并生成三角網(wǎng)，再經(jīng)平滑、補(bǔ)洞、細(xì)分、曲面擬合等處理得到了測(cè)量區(qū)域的數(shù)字高程模型（DEM）。根據(jù)相鄰兩個(gè)月的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)模型疊加即可計(jì)算出一個(gè)月的土石方施工量，經(jīng)過與常規(guī)測(cè)量比較，其相對(duì)誤差不超過1%，但測(cè)量效率比常規(guī)測(cè)量提高了近4倍，并且作業(yè)安全、不影響施工，能夠獲得三維實(shí)景模型和正射圖像，這些是常規(guī)測(cè)量無法比擬的。

2.3 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在礦山爆破工程中的應(yīng)用

爆破全過程都涉及測(cè)量工作，爆破效果直接取決于爆破參數(shù)是否合理，而爆破參數(shù)的確定依賴測(cè)量的精度和效率。以某礦山臺(tái)階爆破為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。首先，利用免棱鏡全站儀技術(shù)采集爆破區(qū)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成平面圖繪制。然后將設(shè)計(jì)孔位放樣到施工現(xiàn)場(chǎng)，穿孔后采集孔口坐標(biāo)及孔深數(shù)據(jù)。接著實(shí)施爆破并采集爆堆數(shù)據(jù)，將爆堆碎部點(diǎn)三維坐標(biāo)離散化，再經(jīng)多邊形算法、高程插值等處理，構(gòu)造出不規(guī)則三角形格網(wǎng)，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(xù)操作可獲得剖面圖、等高線、土石方量等結(jié)果。通過對(duì)這些圖形的分析可評(píng)估爆破質(zhì)量和檢驗(yàn)爆破效果。

3 結(jié)語

礦山測(cè)量貫穿于礦山建設(shè)、生產(chǎn)直至礦井報(bào)廢的整個(gè)過程，數(shù)字化測(cè)量是礦山生產(chǎn)和管理信息化發(fā)展的必然要求和途徑，企業(yè)不僅應(yīng)重視數(shù)字化設(shè)備的購(gòu)置和MRRIS系統(tǒng)的構(gòu)建工作，還應(yīng)加強(qiáng)測(cè)量人員數(shù)字化技術(shù)的培訓(xùn)，這樣才能使礦山測(cè)量的質(zhì)量和效率不斷得到提升。

［1］劉賀明.探討數(shù)字化地形測(cè)量方法及步驟［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2011，34（2）：42-43.

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

［3］符建豪.數(shù)字化礦山測(cè)量與優(yōu)化實(shí)施［J］.北京測(cè)繪，2014（4）：80-83.

［4］賀繼光，沈碧薇.測(cè)繪與地理信息新技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用及展望［J］.礦山測(cè)量，2013（3）：49-51.

［5］宗蔚晨，潘磊.攝影測(cè)量數(shù)字化系統(tǒng)在礦山動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)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(cè)距全站儀在板石礦井下測(cè)量中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2013，11（3）：33-35.