GPS结合全站仪在矿山地表控制测量中的应用

廖小康，谢海涛，孟中华

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012;2.湖南辰州矿业股份有限公司， 湖南 怀化市 419607)

GPS结合全站仪在矿山地表控制测量中的应用

廖小康1，谢海涛2，孟中华1

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012;2.湖南辰州矿业股份有限公司， 湖南 怀化市 419607)

介绍了目前矿山地表岩层移动监测的集中常用方法及其优缺点，提出利用GPS测量的高精度特点和全站仪相结合来提高控制测量精度和效率，并且在某大型地下开采金属矿山的地表岩层移动测量中使用，取得了好的效果。

GPS测量；岩层移动监测；控制测量；测量精度

地下矿山开采会导致岩层移动，在地表形成塌陷区、裂隙区等，甚至出现巨大的塌陷坑，对于地表不允许塌陷的矿山，需要严密监测岩层移动情况，对移动趋势进行分析计算，结合现场测量数据，调整和优化采矿方法来控制岩层移动的发展，对可能出现的塌陷等灾害进行预报预警，从而确保矿山安全生产。

1 岩层移动监测常用方法及其优缺点

目前矿山地表岩层移动的监测手段主要包括水准测量、全站仪测量、位移计测量裂隙、导线测量和GPS测量等。

水准仪测量地表岩层移动的测量速度快、精度高，但只能测量测点的竖直方向移动量，而不能测出其在水平方向的移动情况。

全站仪是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，目前在矿山广泛使用。全站仪操作较简单方便，使用三角控制测量方法时，有很高的精度。

位移计测量裂缝的变形量，其原理简单，使用比较方便，目前已经可以实现在线实时监测。缺点是只能测单条裂缝的发展情况，而不能测量整个地表的移动岩层趋势，在地表土层上固定位移计有一定难度，不好操作，工作量较大。

GPS控制测量是一种较新的矿山岩层移动控制测量方式，相比于传统控制测量，有非常明显的优点：①静态测量定位精度高；②测站间无须通视，只需测点上空开阔没有遮挡即可，在布置测点时，可省去经典大地网中的传递点、过渡点的测量工作，减少工作量；③操作简便；④全天候作业，不受到气候条件的影响。其缺点主要有：①GPS接收机接收信号的时候易受到变电站和高压线周围的电磁场的影响，其与变电站的距离应大于100 m，与高压线和无线电传输线路的距离应大于50 m，且附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物和水塘等)；②测点周围应便于安置接收设备和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°；③GPS静态控制测量时每个点的测量时间较长，需要40～60 min，测量效率较低。

2 GPS与全站仪相结合控制测量

大多数矿山地形复杂，地表植被较多，且经常有高压线路通过，给GPS测点布置带来了一定困难，为解决以上问题，采用GPS与全站仪相结合的测量方式，利用GPS精度高测量范围大的优点，建立整个矿区的控制测量骨架，对于局部区域的变形则利用全站仪测量，同时定期用GPS校核全站仪测量基点坐标是否移动，以保证测量的准确性。

利用GPS控制测量从矿区外围高等级控制点引入坐标，在矿区的岩层移动范围之外布置6～8个控制测量点，同时埋设标石。在需要小范围采用全站仪测量的地方，布设全站仪测量基点，每个桩中均埋设强制对中器，从而减少由于摆放仪器时引起的误差，GPS接收机与测量桩如图1所示。

在测点位置选择时，即要考虑矿山岩层移动测量需要，布置数条测线，又要考虑每个测量周围是否有遮挡或者高压线路的电磁场的干扰，综合各方面因素和影响，合理布置网型，对提高控制测量的精度非常重要。

为保证GPS静态控制测量时的精度，除控制网和监测点的布置要求外，在测量时测量工作人员应严格遵守下列规定：①GPS接收机在开始观测前，应进行静置和预热；②观测应严格按照规定的时间进行作业，经检查接收机电源电缆和天线等各项连接无误，方可开机；③观测员要细心操作，观测期间防止接收设备震动，更不得移动，要防止人员和其他物体碰到天线或阻挡信号；④禁止在天线附近50 m以内使用电台，10 m以内使用对讲机和手机等通信工具。

图1 GPS接收机与测量桩

3 GPS测量精度校验

GPS测量仪器厂家提供的精度为水平3 mm+1 ppm，垂直5 mm+1 ppm，为验证GPS控制网的测量精度，设计一个全站仪三角测量来监测GPS测量结果，全站仪在较短距离内具有较高的测量精度，故选择GPS控制网中的基点7、基点4和9-4#点三个相互通视点，各点间距离约为400 m，构成一个三角形，具体位置如图2所示。

图2 全站仪控制测量三点位置

全站仪分别在基点4、基点7和9-4#点测量，同时用三棱镜作为反射棱镜，相比于单反射棱镜，能较大提高测量精度，三棱镜和强制对中器如图3所示。

通过GPS静态控制测量三点间水平距离和垂直高差，与全站仪三角控制测量结果相比较，如表1所示。

由表1可以得出水平距离最大相差为0.005 m，平均相差0.003 m，高差最大相差为0.007 m，平均相差0.005 m，由上可知GPS控制测量和全站仪三角控制测量均有较高的精度，能满足矿山地表岩层移动测量的精度要求。

图3 强制对中器和三反射棱镜

表1 GPS测量与全站仪测量结果比较

测点距离比较/m全站仪测量GPS测量相差量高程比较/m全站仪测量GPS测量相差量9-4#至基点4291．485291．4790．00430．21130．2140．003基点4至基点7387．623387．6180．00510．79410．8010．007基点7至9-4#421．596421．5940．002-41．006-41．0110．005

4 结 论

分析了目前矿山常用的几种岩层移动监测方法的优缺点，结合实际在某地表有众多塌陷坑的大型地下金属矿山建立了GPS大范围控制测量与全站仪相结合的岩层移动监测控制网，设计一个三角形网，采用GPS和全站仪三角测量方法分别测，通过对两个测量结果的比较，其水平距离最大相差0.005 m，平均相差0.003 m，垂直距离最大相差为0.007 m，平均相差0.005 m，证明GPS静态测量和全站仪三角测量均有较高的精度，能满足矿山岩层移动控制测量的要求。

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2014-09-17)

廖小康(1986-)，男，采矿工程师，主要从事矿山科研工作,Email:liaoxiaokang@126.com。