简易地表移动观测站建站及测量方法探讨.doc

简易地表移动观测站建站及测量方法探讨丁万根1，徐剑锋2，赵刚刚1，屈国栋1（1.河南能源化工集团耿村煤矿 河南 渑池 472431；2.河南陕县观音堂煤业有限公司 河南 陕县 472123）摘 要:耿村煤矿现开采地区属于冲击地压危险区域，为了解地表沉降和冲击地压的相关性，需建立简易的地表移动观测站。传统的建站及观测方法要求严格，观测周期长，费用大，本文提出用手持GPS配合全站仪建站，用全站仪三角高程代替水准测量进行日常测量，能直接获得观测点的三维坐标，实现建站的目的，并且节约了费用。通过建站实例总结了该种方法的优缺点及操作中的注意事项。关键词: 简易观测站；全站仪；地表移动变形；三维坐标；冲击地压1 问题的提出河南能源耿村煤矿于1975年12月开始建井，1982年12月投产，1992年12月技改成功，生产能力为2.4Mt/a。经过30多年的开采，目前开采深度已达500m以上，且煤层上覆有巨厚砾岩层。近年来，耿村煤矿冲击地压事件频发，给矿井的安全生产带来很大的隐患。为了掌握冲击地压事件与地表沉降的相关性，需建立专门地表移动观测站。然而传统的建站方法比较复杂，需要用GPS等级点或全站仪按照5导线的精度进行闭合导线测量，由于矿区地表变化较大，原有的地面控制点多已遭到不同程度的破坏，导致控制测量的工程量过大。对于地表为丘陵山区的地区来说，日常观测方法采用水准测量，按照四等精度的技术要求进行，工作量很大，测站多，测量精度也会受到一定的影响。传统的建站方法要求在主断面上建立观测线的方式，水平移动采用支距法和用钢尺测量观测点间距获得变形数据，精度不高。观测点布置有一定的局限性，不能完全反映地表的变形情况。基于以上原因，本文以耿村煤矿13180工作面地表移动观测站为例，对简易地表移动观测站建站和测量方法进行了探讨，提出用手持GPS配合全站仪进行建站，用全站仪进行日常测量的构想。2 13180工作面概况该工作面地表上方沿走向方向距切眼190m为上东村，东北侧为骆驼脖村，东南为康洼村。地表地形呈北高南低、东高西低的缓坡状地形，大部分为农田、丘陵地区，地面标高为621656m。开采煤层为2-3煤，煤厚11.818.4m，平均煤厚15.81m，含煤系数98%，属较稳定普遍可采特厚煤层，普遍可采。该工作面位于东三采区西翼，2-3煤轨道下山西侧，北部为已回采的13160工作面，西至采区边界，南部为未开采的2-3煤实体，东部为已回采结束的13210工作面。该面地质构造情况简单，煤层整体呈一向南东倾斜的单斜构造。工作面走向长898m，倾向宽186m，煤层倾角913，开采深度540617m，第四纪松散层厚度为78m。该工作面煤层上覆岩层从下到上依次为：泥岩、细砂岩、中粒砂岩、砾岩、泥岩、第四系黄土。其中砾岩层厚度在240300m之间，硬度大，强度高，回采过程中不易弯曲垮落，是造成冲击地压事件的主要原因。3 13180工作面建站3.1 观测点的布置根据煤矿测量规程的要求，采用观测线法，观测线应设在移动主断面上，观测点间距应在3035m之间。根据该工作面的实际情况，布设一条走向观测线和两条倾向观测线。但该工作面的建站目的简单，仅是研究地表沉降和冲击地压事件的相关性，故采用了较为灵活的布点方式，根据该区地形，将观测点布设在易于观测的田埂上或道路边，尽量不布置在农田里，解决了工农关系的问题。观测点具体布置见图1，基准控制点布置见图2。图1: 13180观测点布置图图2: 基准控制点布置图3.2 控制点及观测点的埋设首先在井上下对照图(cad图)上量取设计的控制点及观测点的坐标，做好记录，现场用手持GPS进行定位、埋点。为不影响田地耕作，减少不必要的工农关系发生，可根据现场情况做适当调整。需要注意的是：手持GPS必须按照说明进行正确的参数设置，现场定位应与地形图相比较，看是否存在错误，GPS的定位坐标要分不同时段进行，卫星信号必须良好，尤其是控制基点的坐标必须准确。4 测量方法4.1 控制点及全面观测因现场没有原始的等级控制点，手持GPS的高程精度低等原因，采用两个控制基准点的GPS坐标进行定位，高程系统以一个基准点的地形图上的高程作为基准高程，采用相对独立的控制系统。全站仪的测角精度应不低于2级，测距精度不低于2mm+2Dppm，我们采用的是Nikon DTM-532的全站仪，观测点照准标志采用苏一光生产的D-04对中杆脚架。具体步骤如下：1、控制点埋设在工作面南侧受采动影响范围之外且视野开阔的地点，将全站仪安设在基2点，建站，以GPS测得的平面坐标和地形高程作为测站点的三维坐标，后视基1点，用基1点的GPS坐标作为后视点的坐标。2、全站仪测量模式两测回测定基1的三维坐标，记录存储于全站仪内，取其平均值作为基1的三维坐标，然后照准远处的不少于三个固定目标作为检查方向，也是以后测量观测点的基准方向。 3、依次两个测回测量基3点和基4点的三维坐标，作为观测点的基准点。 4、将仪器安设在基准点上，依次测量各观测点两个测回，测得各观测点的三维坐标，存储于全站仪内，备用。取平均值作为各观测点的初始值。4.2 日常周期测量因该观测站属于专门观测站，因此具有观测周期短、精度相对要求不高的特点。根据文献2的结论，用全站仪三角高程可以代替四等水准测量，所以可以用全站仪来进行日常测量观测点的变形情况。具体步骤如下：1、将全站仪安置在基准控制点上，建站，后视照准方向，首先检查基准点是否变动，如果没有变动时方可进行下一步测量工作。2、将对中杆脚架依次架设在各观测点上，精确整平，棱镜置于架头固定孔内锁紧棱镜，精确读出观测点视高，报给仪器测量员，测量员以两个测回测出观测点的三维坐标，存储于仪器内，备用。3、重复第二步，直至完成一个测站的全部观测工作。4、重复以上三步，完成所有观测点的观测工作，一次日常测量工作结束。4.3 测量中的注意事项地表移动观测是一项要求较高的测量工作，如果不注意测量的细节，可能达不到目的，造成返工。因此必须注意以下事项：1、每次观测前都要对全站仪和对中杆进行全面检校，确保仪器满足仪器参数本身的要求，合格的仪器是完成测量作业的基础。2、要坚持“四定”原则。即定人、定仪器、定时间、定测量路线。3、照准目标要精准。测量点的平面坐标和方向关系很大，因此每次观测要用同一个后视方向，确保后视方向的基准一致。对中脚架一定要精确整平，确保棱镜中心和测量点在一个竖直面上。三角高程测量影响最大的竖直角测量误差，所以照准目标时一定要照准棱镜中心。仪器高和视高的量取一定准确，测前测后分别量取一次，其互差不大于3mm，取其平均值。4、测量过程中，一定要按照5级导线的测量规范进行，超限时必须重测，一个测站测量过程中，要经常检查后视方向的正确性，以免造成错误。5、每个观测点的结果都要和上次测量的结果对比，确保没有错误时再存储，出现较大误差时，必须立即重测。5 数据处理每次观测外业结束后，立即将存储在全站仪内的数据导出，将每个测点两个测回的四个三维坐标进行简单的数据分析，取算术平均值作为本次测量的最终值。然后利用Excel强大的计算功能获得各观测点的本次变形量和累计变形量。根据工作面的推进位置和冲击地压事件的发生情况，综合分析冲击地压事件和地表移动变形的相关性，指导矿井的安全生产。6 结论 通过以上的分析，可以得出这种简易地表移动观测站建站和测量方法具有以下优点：1、布点灵活。不必拘泥于传统的观测线法必须布置在一条线上的缺点，可以根据实际需要和现场情况灵活布点。2、获取数据信息多。一次测量可以获取观测点的三维坐标，传统方法中需要水准测量、支距测量和边长测量分别进行，数据整理工作量大。3、全站仪三角高程代替四等水准测量，节约了大量的外业工作量。4、节省费用。通过灵活布点，节约了工农关系的费用；用手持GPS建站初期建站费用少；周期测量中外业工作量大大减少。和同类观测站传统方法市场价比较，节约费用50%以上。5、实用性强。此类简易移动观测站可以根据建站目的不同，建立各种专门的观测站，具有较强的实用和推广价值。参考文献:1 中华人民共和国能源部.