煤矿边坡测量技术的优化研究

张清山

（晋能控股煤业集团天安公司盈盛煤业，山西 晋城 048006）

随着煤矿开采的不断进行，在煤矿附近均会形成煤矸石山或者各类型的边坡，当边坡高度过大或者在特殊情况下将导致滑坡，严重影响了煤矿的生产安全，因此需要对矿山边坡进行实时监测，对边坡变化情况进行跟踪测量，当出现过大变化时及时进行报警。目前对煤矿边坡变化情况的监测主要是利用经纬仪再配合其他计量仪器对其进行变形观测，但在过程中需要布设大量的基准点，对测点设置和观测方法要求极为严格，不仅测试效率低而且精度差，严重依赖人员的技术熟练程度，同时该测量模式也无法实现低边坡变化情况的直接监测和报警，难以满足监测安全性的需求。

本文结合煤矿边坡测量的实际需求，提出了一种新的煤矿边坡测量技术，该技术以全站仪为核心，对全站仪特性。智能控制结构、极坐标差分监测方案等进行了分析，利用改善测点分布、改善测量流程的方式对全站仪边坡测量、智能报警，根据实际应用表明，新的测控技术将边坡测量精度提升了4.6 倍，实现了对边坡变形的自动报警，对提升煤矿生产安全具有十分重要的意义。

1 全站仪自动监测原理

对矿山边坡监测的核心是能够实现对变频变化情况的自动监测，因此在实际使用中需要选好监测点并设置全站仪，全站仪依靠自身的传感器和测控软件，对边坡的变化情况进行实时数据的采集，然后将监测数据传输到控制中心，对其进行逻辑运算，解算出监测时间点的边坡变形数据，将该变形数据和数据库内设定的边坡极限变形数据进行对比分析，当变形量超出系统设定值后，自动进行报警，便于煤矿人员的及时跟进处理。

该全站仪自动监测报警和核心，是要建立边坡监测报警控制逻辑，实现对边坡变形状态的实时监测和精确分析，从而实现对边坡变形状况的精确测量分析，在监测过程中系统需要能够根据外界环境温度情况自动调整修正数据，从而确保在不同时间段的监测准确性，全站仪自动监测系统工作原理如图1 所示[1]。

图1 全站仪自动监测系统工作流程示意图

由图1 可知，该全站仪自动监测系统主要包括了数据采集、数据处理、数据存储及预警几个部分，数据分析处理完成后自动将监测结果显示到数据显示系统上，便于各监测人员及时掌握变频变化情况，提高系统监测的可靠性。

2 全站仪边坡测量方法研究

在测量时需要在地质条件稳定且平整的地方建立观测的站点和参考基准点，在测量的时候均按照极坐标原理，对基准点、观测点之间的倾角、斜距、高程进行观测，将测量值和基准值进行对比，然后将差异值叠加到变形点的观测值上，并通过系统进行数据修正即可测量出观测点的实际数值，该边坡测量方法如下页图2 所示[2]。

图2 全站仪边坡测量方法示意图

在整个监测过程中为了确保监测的精确性，在变形监测的过程中在边坡附近将设置监测点、参考点及目标点，将全站仪架设在监测点的位置，通过对监测点和目标点的观测值来确定变形体的变化情况，然后通过设置在变形点和基准点上的棱镜来实现对各个监测点观测结果的实时监测和分析，实现对边坡变形情况的持续跟踪。

3 边坡变形监测流程

对边坡变形情况的监测，主要分为工作基点网建立、数据采集及数据处理三个部分[3]。基点网建立，一般是在比较稳定的区域建设三个基准点，形成一个稳定的监测三角区域，在基准点选择时应设置在开阔位置，且三个基准点之间无障碍物挡，能够直接进行观测，每个基准点需要用混凝土进行浇筑。一般来说要在变频周围布置不少于31 个监测点并对各个监测点进行编号，在上高坡设置15 个观测点，在中间高坡设置10 个观测点，在下边坡处设置6 个观测点，通过观测点加密布置的方式提高对变形监测的可靠性。

数据采集。数据采集的准确性直接关系到该监测系统的应用可靠性。在监测的过程中首先要对各个监测点进行人工观测，获取各个观测点的极坐标系统，然后建立观测点坐标数据库，用于对监测点进行数据校正。由于采用极坐标分析的方法其测量精度和基准点、监测点、参考点之间的距离有很大的关系，因此在观测的时候需要将离监测点最近的基准点作为基准站和参考站，然后将全站仪设置在水泥基准点上，然后设置好观测顺序及测回数，使全站仪能够根据测点情况进行自动测量，并将测量结果传输到存储器内。由于全站仪为高精度的测量设备，因此其测量精度受外界的影响较大，需要根据不同的气候条件对其进行数据修正，提高监测的准确性。当施工现场出现立体作业或者交叉作业等不利情况时，需要及时终止观测，同时需要对测量设备进行定期清洗，保证观测的准确性。

数据处理。数据采集完成后，系统从数据存储中心中调出储存数据然后通过差分改正方法进行数据处理，在处理时将工作基点和参考基准点间的水平距离经过投影反算后，修改为以工作基准点和参考基准点上全站仪高为基准的斜距，其可表达为[4]：

边长改正系数可表示为[5]：

各监测点修改后的斜距可表示为：

式中：S 为测量点的斜距，m；D 为测量点的水平距离，m；ΔH 表示为测量点位置的高度差，m；S'为测量点的斜距测量值，m。

4 边坡监测应用

为了对使用全站仪对边坡变形情况进行自动监测的效果进行分析，以煤矿边坡为实际观测对象，在四周按要求设置31 个观测点，利用GPS 定位仪对全站仪进行精确定位，保证各测点的位置偏差不大于0.05 m，为了提高测量的准确性，缩小全站仪和测点间的距离，将全站仪设置到边坡的中心线上，距离边坡不大于40 m。设置完成后利用全站仪再次对各测点的测量坐标进行校正，并设置自动观测的顺序、自动观测的测回数量，在测量时设置了粗测量和精测量相结合的模式[6]，每次测量的时候首先对其进行粗测，待全站仪捕捉到测点后系统自动转入精测模式，进行精确性测量，该测量模式的优点是能够快速进行定位测量，比传统精测方案相比，在测量精度不降低的情况下将测量速度提升了57%，部分测定点的测量结果如表1 所示。

表1 自动监测数据汇总表

由实际监测结果可知，该煤矿边坡测量系统表现出了极高的测量精度，并且能够实现对测点变化情况的连续跟踪观测，当边坡的累积变形量超过0.2 m后系统自动进行报警，该系统的实际监测精度约为0.12 m，比优化前的0.5 m 提升了4.6 倍，显著提升了边坡监测的安全性。

5 结论

为了解决煤矿边坡测量精度低、测量效率低下的情况，提出了一种新的煤矿边坡测量技术，该技术以全站仪为核心，对边坡测量原理、测量方案等进行了分析，实现了对煤矿边坡的高效测量，根据实际应用表明：

1）全站仪自动监测报警和核心，是边坡监测报警控制逻辑，实现对边坡变形状态的实时监测和精确分析。

2）在变形监测的过程中在边坡附近将设置监测点、参考点及目标点，通过工作基点网建立、数据采集及数据处理三个流程实现对边坡变形量的自动测量。

3）该自动监测系统，监测精度为0.12 m，比优化前提高了4.6 被倍，能够实现边坡的自动监测和跟踪，极大的提升了边坡监测精度和应用效果。