利用全站儀和Cass軟件測矸石山體積的方法與應(yīng)用

1、利用全站儀和CASS軟件測量矸石山體積的方法與應(yīng)用李興建摘要： 隨著矸石充填開采技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，矸石山作為充填原料的儲備庫，它的體積容量將成為礦井下一步生產(chǎn)決策的一項(xiàng)重要參考依據(jù)。本文結(jié)合實(shí)例，闡明了利用全站儀和南方CASS軟件的測量矸石山的體積的方法。實(shí)例表明此方法具有測量速度快、效率高、靈活方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：矸石山；矸石山體積；全站儀；CASS軟件；三角網(wǎng)；土方量1 引言在絕大數(shù)礦區(qū)，矸石山已成為其最明顯的標(biāo)志之一。然而，矸石山壓占土地、污染環(huán)境、影響景觀，也是困擾煤礦企業(yè)僅次于“安全”的一大難題。隨著采煤工藝和科技的進(jìn)步，特別是矸石充填技術(shù)的廣泛性應(yīng)用，目前大多數(shù)礦區(qū)正努力把

2、矸石山作為經(jīng)濟(jì)效益增長的新突破點(diǎn)，變廢為寶，綜合利用。然而矸石山形狀極不規(guī)則，周圍障礙物繁多，凹凸不平，傳統(tǒng)的測量計算方法如經(jīng)緯儀小平板儀測圖、方格網(wǎng)測量定位、等高線繪圖等，測量效率低、計算量大、精度低，很難達(dá)到預(yù)期的要求。采用目前較新的GPS RTK測量方法，操作比較簡捷省事，但在大多數(shù)中小煤礦企業(yè)沒有GPS設(shè)備和相關(guān)技術(shù)人員。因此，如何通過一種簡單適用的測量方法，精確測出矸石山的體積，為礦山的合理規(guī)劃提供可靠的決策依據(jù)，將成為影響礦山科學(xué)發(fā)展、合理發(fā)展、綠色發(fā)展的重要因素。本文結(jié)合利用全站儀和Cass軟件精確測得花園煤礦矸石山體積的實(shí)例，闡述了此方法的實(shí)用性和可靠性。2 全站儀和Cass軟

3、件測量矸石山體積的基本原理矸石山體積測量其實(shí)就是一項(xiàng)地形測繪工作，首先利用全站儀進(jìn)行數(shù)字測圖做控制和碎部測量，可隨便假設(shè)兩個點(diǎn)，假設(shè)一個高程，把整個矸石山的地形特征點(diǎn)統(tǒng)一測下來，記錄下各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后利用南方CASS軟件展繪這些測量點(diǎn)，再利用南方CASS軟件中DTM土方量計算方法最終獲得矸石山的體積。由DTM模型來計算土方量是根據(jù)實(shí)地測定的地面點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，H）和設(shè)計高程，通過生成三角網(wǎng)來計算每一個三棱錐的填挖方量，最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，并繪出填挖方分界線。3 矸石山體積測量實(shí)例3.1 工程概況花園煤礦隸屬于濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力45Mt/a。2005年7

4、月開始籌建，2009年7月正式投產(chǎn)。礦井位于金鄉(xiāng)縣城西約1km，北距濟(jì)寧48km，南至徐州100km。礦井地質(zhì)儲量5822.5萬噸，可采儲量2520萬噸，主采煤層3煤，平均厚度2.48米，埋深-500-1000米；煤層賦存較穩(wěn)定，煤質(zhì)優(yōu)良，屬特低灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量的肥煤及1/3焦煤；開采3煤時地質(zhì)條件復(fù)雜，水文地質(zhì)類型中等，為低瓦斯礦井。煤塵具有爆炸性，煤層為自燃煤層。目前，花園煤礦現(xiàn)有矸石充填工作面2個，即1316工作面、2302工作面，回采結(jié)束充填工作面1個，即1312工作面，下一步，充填矸石的供給將成為影響生產(chǎn)接續(xù)的重要一環(huán)?；▓@煤礦要求地測科人員測出地表矸石山的體積，以為下一步

5、決策提供依據(jù)。2011年8月中旬，花園煤礦地測科利用現(xiàn)有人員和儀器設(shè)備獨(dú)立完成了對矸石山的體積測量工作，即用全站儀和CASS軟件測量出了矸石山的體積，且精度達(dá)到要求。3.2 測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及坐標(biāo)系統(tǒng)煤礦測量規(guī)程原能源部頒工程測量規(guī)范GB50026-93平面坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系高程系統(tǒng)為1956年黃海高程基準(zhǔn)實(shí)際測量中，采用全站儀自由設(shè)站法，建立獨(dú)立坐標(biāo)系和假設(shè)坐標(biāo)及高程。3.3 地形測量在矸石山下方的水泥路面上選擇一點(diǎn)作為設(shè)站點(diǎn)A，在A點(diǎn)上架設(shè)好NikonDTM-352c型全站儀，然后在矸石山的另一角對應(yīng)的水泥路面上找一通視點(diǎn)B，測得A-B間平距為143.216m，高差為-0.062m

6、,設(shè)定A點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，0），B點(diǎn)坐標(biāo)為（0，143.216，-0.062），以此建立一獨(dú)立坐標(biāo)系，最后利用全站儀自由設(shè)站法進(jìn)行矸石山地形觀測（見圖1）。圖1：花園煤礦矸石山BA表1：花園煤礦矸石山地形測量成果表 2011年8月20日點(diǎn)號縱坐標(biāo)（x）橫坐標(biāo)（y） 高程（H） A 0.000 0.000 0.000 B0.000 143.217 -0.0631-0.001143.216-0.0622-7.821122.6860.6613-55.4575.330 2.130 4-53.021-5.8212.8265-93.090 -10.4716.6966-100.636-5.1277.0177

7、-130.218-10.3098.17990-100.06477.28724.83491-96.18595.06725.47192-94.10399.52325.24593-83.75483.14424.6294-84.28485.54525.65295-3.01552.811-0.18496-9.53365.1930.56797-19.70760.1250.78998-33.96754.6520.15499-41.16948.550 0.2713.4 內(nèi)業(yè)成圖與計算將外業(yè)觀測的特征點(diǎn)坐標(biāo)傳輸?shù)紺ASS5.1軟件里，根據(jù)其由DTM計算土方量的計算方法最終求得矸石山的體積。用來計算花園矸石山體積

8、的方法就是依據(jù)DTM土方計算的方法，利用其中完全計算方法，重新建立三角網(wǎng)后，根據(jù)坐標(biāo)計算獲得矸石山的實(shí)測體積，此方法操作如下：(1).用復(fù)合線畫出所要計算土方的區(qū)域，一定要閉和，但是不要擬合。(2).用鼠標(biāo)點(diǎn)取“計算與應(yīng)用”菜單下的“由DTM計算土方量”子菜單中的“根據(jù)坐標(biāo)文件”。提示：選擇邊界線用鼠標(biāo)點(diǎn)取所畫的閉和復(fù)合線。(3).請輸入邊界插值間隔(米):邊界插值間隔設(shè)定的默認(rèn)值為20米。(4).屏幕上將彈出選擇高程坐標(biāo)文件的對話框，在對話框中選擇所需坐標(biāo)文件。提示： 平場面積=21181.6平方米平場標(biāo)高(米):鍵入設(shè)計高程在屏幕上則顯示填挖方的提示框，中間的白線為填挖方的分界線。如圖2所

9、示。圖2 花園煤礦矸石山填挖方計算圖最后經(jīng)處理，計算得出花園煤礦矸石山的體積（即挖方量）為.7m。4.精度評定4.1矸石山特征點(diǎn)平面位置精度分析使用Nikon DTM-352c型全站儀（2，3+2ppm）采集矸石山特征點(diǎn)，參照觀測20個明顯地形點(diǎn)的坐標(biāo)差值，其平面位置中誤差Mp可按如下公式計算：利用全站儀觀測矸石山是按極坐標(biāo)法直接測定待定點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)質(zhì)是在已知點(diǎn)同時采集角度和距離經(jīng)機(jī)載電腦實(shí)時處理的結(jié)果，數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型為： （1）對（1）式微分并轉(zhuǎn)化為中誤差形式，則有： (2)即： （3）式中：測距中誤差；測角中誤差；距離。實(shí)際采集矸石山特征點(diǎn)時，照準(zhǔn)的目標(biāo)不是覘牌而是帶有對中桿的棱鏡，由于

10、棱鏡晃動、寬度的影響，照準(zhǔn)誤差是測角的主要誤差來源，一般一測回測角中誤差可達(dá)12，考慮到全站儀采樣時半測回測角的模式，可取17。而測距誤差可取其標(biāo)稱精度即=（3+2ppm），儀器對中誤差可取3mm，而目標(biāo)偏心誤差由于棱鏡的影響可達(dá)1.52cm，將以上數(shù)據(jù)帶入式（3）可計算出距離為100米時，采樣點(diǎn)平面位置的中誤差為2.21cm，和按實(shí)測數(shù)據(jù)分析的基本一致，證明觀測精度可靠。4.2矸石山特征點(diǎn)高程精度分析此次利用全站儀進(jìn)行矸石山體積測量，雖采用假設(shè)高程基準(zhǔn)，但實(shí)際上都是EDM三角高程測量原理，三角高程計算高差的公式如下： （4）對上式微分并轉(zhuǎn)化為中誤差公式，則有：一般很小，可近似地認(rèn)為則 （5）

11、當(dāng)用棱鏡作觀測目標(biāo)時，式（5）中的垂直角觀測誤差可取與水平角同樣地觀測誤差，即，儀器高和覘標(biāo)高量取誤差和具有相同的誤差性質(zhì)，可取3mm，取垂直角為10，將上訴數(shù)據(jù)帶入式（5）同樣可得出距離100米條件下的高程中誤差為0.93cm，規(guī)程規(guī)定為5.0cm，證明全站儀采集特征點(diǎn)高程精度可靠。5.結(jié)論此次利用全站儀和CASS軟件完成對花園煤礦矸石山體積測量實(shí)例，充分體現(xiàn)出了數(shù)字測圖的效率高、成圖精度高、使用方便，成果易于保存、保管和調(diào)用的特點(diǎn)，是可靠的和具有推廣價值的，對于礦山企業(yè)怎樣合理開發(fā)與利用矸石山，如何確定矸石山的體積（土方量），具有較深遠(yuǎn)的意義。實(shí)測過程中，該方法還存在以下幾個方面待以改進(jìn)：使用棱鏡采集特征點(diǎn)時受外界影響大；需要采集特征點(diǎn)數(shù)量多；觀測時可以考慮與大地網(wǎng)中的GPS控制點(diǎn)聯(lián)測，測出矸石山的實(shí)際坐標(biāo)和高程，為礦山提供出更高的實(shí)用價值。參考文獻(xiàn)：1李青岳.工程測量學(xué)M. 北京：測量出版社，1984。2潘正風(fēng).數(shù)字化測圖原理與方法M. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2004。3張國良.礦山測量學(xué)M.徐州：中國礦業(yè)大