数字化技术在露天矿采剥场验收测量中的应用.pdf

E 医要夏丑 露天采矿技术2 0 1 0 - f f - - 第3 期 3 3 数字化技术在露天矿采剥场验收测量中的应用 宋福升 内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司。内蒙古霍林邦勒0 2 9 2 0 0 摘要介绍数字化技术在露天矿采剥场验收测量中的应用，并对测量精度进行分析。结果袁明数字化 技术具有直观快捷、实时性强、点位误差不积累等优点，大大降低测量人员的劳动强度，提高工作效率和测绘 成果的质量。 关键词数字化；坡顶线；坡底线；平面线 中图分类号T D1 7 6 文献标识码B 文章编号1 6 7 1 9 8 1 6 2 0 1 0 0 3 0 0 3 3 0 4 1 引言 露天矿采剥场验收测量是露天矿生产测量的主 要部分。随着数字化技术飞速发展，露天矿采剥场验 收测量的每一步被数字化变成可能，彻底摈弃传统 的测量手段和设备，既可提高精度又可提高效率，为 数字化矿山建立奠定了坚实基础。下面结合霍林河 露天煤业股份公司的实践，浅谈数字化技术在露天 矿采剥场验收测量中的应用。 2 采剥场验收测量概述 2 ．1 采剥场验收测量 露天矿在剥离、采矿工作中，必须及时测量采、 剥工作面的位置，验收采、剥工作面规格质量，计算 岩土的剥离量和矿物的采出量，这些测量工作称为 采剥场验收测量。其主要任务是测量采剥工作面的 位置并绘制采剥工程平面图、断面图；按区域、标段、 阶段平盘、工程项目、电铲号等计算实际采剥工程 量；在验收测量图纸上量取实际工程技术指标，如工 作线长度、阶段平盘宽度、剥离进度、采宽、采高、工 作帮坡度、阶段高程等。 2 ．2 主要对象 采剥阶段的段肩、段脚、平盘 或称工作面 是采 剥场验收测量的主要对象 如图1 。这些对象都是 些空间直线和平面，要将它们反映到图纸上。需要按 一定密度采集碎步点，及准确的特征位置点。 2 ．2 ．1 碎步点分类 1 坡顶点代表采场阶段段肩的点位。 收稿日期2 0 0 9 1 2 0 8 作者简介宋福升 1 9 6 ．5 一 ，男，辽宁丹东人。高级工程师． 毕业于阜新矿业学院地质测量系。现任内蒙古霍抹河露天煤业 股份有限公司地质勘探公司测量三部主任。 图1 采剥阶段的段肩、段脚、平盘 2 坡底点代表采场阶段段脚的点位。 3 平面点代表采场平盘表面现状的点位。 4 尖点同阶段中坡顶线与坡底线交点。 5 并掌点不同阶段的坡顶线与坡底线交点。 6 地质点代表地质构造及煤岩交界的点位。 7 机械位置点代表验收时主要机械所处位置 的点位。 2 ．2 ．2 验收测量平面图主要要素 1 坡顶线同阶段的坡顶点顺次连接的线。 2 坡底线同阶段的坡底点顺次连接的线。 3 平面线同平盘的平面点按一定的走向连接 的线。 以上的点和线的作用与地形图中碎步点和等高 线作用一样，将采剥场现状按一定精度用图的形式 反映出来。 2 ．3 采剥场验收测量平面图 外业采集的碎步点展绘到图上后，顺次按其性 质连线，采场各阶段坡顶点、坡底点、平面点、地质 点、坡顶线、坡底线、平面线、等高线、机械位置点等 要素的集合，经编辑分幅整饰形成采剥场验收测量 平面图 如图2 。 2 ．4 验收量计算 验收量 采剥工程量 计算，可采用垂直断面法 或水平断面法。下面介绍垂直断面法算量。 万方数据 ．3 4 ． 露天采矿技术 2 0 l o 制；3 期E 区要夏盈 | ；吣歹一＼．娲 ；| 、 乞弧 h 嗵bI 百声黼泌 魂 夥， ／’f ，，j rL 一 { 【 ● _ J 、 f 郴 ／ l l - - ● l 2 疵二／俄弋；b ● I I I h、、＼ 实线一坡顶线虚线一坡底线 图2 霍林河X X 采场验收测量平面图 如图3 ，A 。、岛、C 。、D ，和A 2 、岛、c 2 、D 2 分别为上 期和本期的采剥工作面在分阶段平面图上的位置。 I I 、Ⅱ一Ⅱ和Ⅲ一Ⅲ等为相互平行、间距相等且为某 一定值的断面线。在I I 断面线上按A 。、C ．、A 、c 2 点的平面位置及其高程 如断面线上没有测点，则根 据附近两个测点的高程用内插法求得 转绘于与其 对应的采剥工程断面图上，并计算面积S ， 图4 。这 样依次计算，直到算出第厅个断面的断面积 。 IⅡⅢⅣ c ．G D l l曰I c 2现 J ‘2历 IⅡⅢⅣ 图3 两期工作平面图 Gc I 图4 两期工作断面图 一个区间的采剥总体积按下式计算 y S l L ’4 - 【 S l s I ，2 S 2 岛 ⋯ 1 1 厶 S I r 式中S ．、 、s 3 、⋯、s - 一相应断面的断面积； L 7 一采掘起点至第一个断面距离； U - - 第n 个断面至采掘终点的距离； ￡一断面间距。 3R T K 技术及中继站 3 ．1R T K 技术 砌瞰 R e a lT i m eK i n e m a t i c 技术是G P S 实时载 波相位差分技术的简称。其原理是基准站实时将测 量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用 无线电传送给运动中的流动站，流动站通过无线电 接收基准站发射的信息，将载波相位观测值实时进 行差分处理，得到基准站和流动站基线向量 △X ， △y ，△Z ；基线向量加上基准站坐标得到流动站 w G S 一8 4 坐标，通过坐标转换参数转换出流动站的 当地坐标系的平面坐标 茹，’， 和高程 。 3 ．2 中继站 由于工作环境的复杂性，基准站和流动站之间 往往无法避免障碍物对电台通讯的影响，这时中继 站电台可以起到比较好作用一可以接收来自基准站 的信号，又可以将其发送出去供流动站使用；二中继 站电台只转发信号，所以不必安置在已知点上，可以 按需要随意安置。中继站就是一部能收能发的电台。 1 中继站电台位置。一般将中继站电台设置在 基准站和流动站之间地势较高处，尽可能覆盖作业 区的地方。中继站电台所处位置应保证其既能收到 基准站发射的信号，又能使本身发出的信号被流动 站接收。 2 中继站电台数量。信号传播过程中会因损耗 使信号强度变弱，所以在基准站和流动站之间使用 中继站电台数一般不超过2 台。 4 数字化过程 4 ．1 仪器设备 美国天宝仪器公司生产的嘣n I b l e 5 7 0 0 G P S 基准 站双频接收机1 台，T r i m b I e 5 7 0 0 流动站双频接收机 2 台，P D L 电台3 台，全站仪1 台，反射棱镜若干，地 测采绘图软件 辽宁工程技术大学与霍林河露天煤 业股份公司联合开发 1 套，台式电脑1 台及相关通 讯设备。G P S 接收机在作业前均通过检测，性能和精 度均达到技术要求。 4 ．2 外业 1 基准站位置。基准站架设在便于安置接受设 备，视野开阔，远离大功率无线电发射源和高压输电 线路，附近不得有强烈干扰接受卫星信号的物体等 部位。还要考虑基准站电台的功率和覆盖能力，尽量 布设在相对较高的位置，以获得最大的数据通讯有 效半径。根据这些要求将基准站选在南矿办公楼顶。 2 基准站工作。架设好G P S 接收机和天线，连 好连接线，打开接收机，输入基准站天线高，点h e r e 启动基准站，记下此时基准站启动所用w G S 一8 4 系 统坐标 以备以后启动基准站时使用 。待电台指示 灯显示发射通讯信号，流动站即可工作。 3 中继站工作。根据霍林河露天矿分布分散， 采场四周被高高的排土场和丘岭遮挡，采场内不能 处处接收到基准站的信号，为此分别在西南区办公 楼、北矿采区办公楼顶架设中继站，接收基准站信 号，同时以各自的频率发射基准站信号。 4 实地点校正。流动站外业工作之前，须进行 万方数据 E 医兰至盈 露天采矿技术2 0 l o 年第3 期 3 5 点校正，其目的是求解w G S 一8 4 坐标系统转换为用 户使用坐标系统参数。在霍林河井田范围，选择能控 制整个作业区的4 个已知国家四等点 平面是5 4 北 京坐标系，高程是黄海高程系 ，分别是1 0 0 9 、7 3 0 3 、 7 3 3 2 、3 1 。启动基准站和中继站，连接好流动站，分 别到4 个已知点上实测每点的w G S 一8 4 坐标，利用 实测数据和4 个点的北京5 4 坐标和黄海高程，进行 点校正，形成点校正文件，保存到T S C l 手簿中，完 成点校正工作。 5 流动站工作。在T S C l 手簿中建立项目，设 置流动站参数，该参数必须与基准站电台或中继站 电台相匹配，然后将点校正文件复制到当前项目中。 流动站在接收到G P S 卫星信号的同时，也接收到基 准站数据通讯电台发来的伪距差分改正数和载波相 位测量数据，这个过程所需时间为1m i n 左右。流动 站只要接收到5 颗卫星和基准站信息，即可在短时 间内获取所测点位当地坐标系下的三维坐标。测量 人员将流动站测杆立在能反映采剥场验收测量主要 对象的点 点间隔2 5m 上，输入点编码，保存数据， ～个点位数据就采集完毕。依此类推可连续完成其 它点位采集。 6 全站仪联合流动站作业。利用流动站测定工 作控制点，在工作控制点上架设全站仪，然后进行碎 步数据采集。流动站完成工作控制点测量后，可独立 采集碎步数据。在需要时，可随时测设工作控制点， 这种方式彻底取代传统测量手段和方法。 4 ．3内业 1 数据传输与转换。将外业采集数据通过 T r i m b l eC , e o m a t i c sO f f i c e 和全站仪专用传输软件导 人计算机。为了实现坐标数据与绘图软件展点数据 格式统一，进行如下处理①应用T r i m b l eG e o m a t i e s O f f i c e 软件进行输出数据格式自定义，具体格式是 “点号，代码，东坐标，北坐标，高程”。②编辑后将数 据存为牛．d a t 格式 绘图软件要求格式 ，实现下载数 据与绘图软件数据格式统一，为内业成图做好准备。 2 绘制算量平面图及计算剥离工程量。 ①展点。用地测采软件打开上期算量平面图，启 用展点命令，将上述数据点位展到图上。 ②图形编辑，绘制算量平面图。利用绘图软件各 种菜单命令，修改测量点位，添加节点，删除节点，连 线，标注台阶，合并台阶线，属性转换，台阶转多段 线，按层删除实体，方格网分幅，斜格网分幅，增加坡 底平盘号，检查台阶高程等功能，完成算量平面图绘 制。 3 算量。 ①启用绘图软件“选择算量范围多边形”命令， 即从算量平面图上选择一个范围线 事先人为在图 上圈定范围线 ，作为算量剖面的范围。复制该范围 线到上期算量平面图上，以便两期剖面在同一位置 闭合。 ②启用软件“建立剖面”命令，手动建立首尾剖 面线，并复制到上期算量平面图上，自动建立上期剖 面图和本期剖面图，修正当前剖面，形成范围内闭合 台阶多边形，自动计算所有剖面两期间面积，自动计 算剥离工程量。 4 ．4 精度分析 煤矿测量规程规定在相邻两测站上进行经纬 仪视距测量时，必须有卜2 个测量校核点。两测 站上测得同一校核点的点位偏差，在图上不得大 于1 ．5m m ，按l 5 0 0 比例尺算量平面图换算成实 地点位误差为7 5c m ；高程之差不得大于0 ．3m 。流 动站采集的点位中误差为1 ．5e m 。2c m ，高程中 误差3e m ，全站仪采集的点位精度高于二级工作控 制点的精度要求，大大满足露天矿采剥场验收测量 要求。流动站采集的点位精度是相对于露天矿首级 控制点的，误差传递小。R T K 技术不需通视条件 能 接收到基准站信号就可以 ，可以由首级控制点直接 到碎步点测量，摈弃传统的逐级控制原则，降低误差 累积传递。所有工作控制点都是不相关，不存在误差 累计传递，成果可靠。 5 结语 通过数字化技术在露天矿采剥场验收测量中推 广应用的实践，得出如下结论 1 效率明显提高。外业采集数据时，采用全站 仪联合流动站作业，每个碎步点的观测时间近5s 左右，通常一台流动站每工作日可采集3 5 0 个数据。 过去4 人一组，用传统方法一般每工作日采集数据 4 0 0 个左右。露天矿采场现状复杂，全站仪作业时需 经常搬站，每站的工作控制点，用流动站可随时测 定。传统方法在采集碎步数据前，必须用导线等方法 测工作控制点，耗费大量时间和人力、物力，而现在 随时可做到。 内业操作时，一个人操作软件用lh 左右的时 间即可完成传统手工算量方法4 人一组一周左右才 下转第3 8 页 万方数据 3 8 露天采矿技术 2 0 1 0 年第3 期 3 应用自动调压调容综合控制应注意的问题 3 ．1 分区优化控制 在某一个控制区内，在电压和无功两者不能同 时兼顾时，作为煤矿电网一般是优先考虑电压合格， 保障设备安全运行，首先是调节变压器的分接开关， 但也可以先投退电容器。 3 ．2 规定动作时间间隔 为避免变压器分接头和电容器组投切过于频 繁，加大检修量，造成电容器爆炸等后果，规定变压器 分接头两次动作之间或变压器1d 内有载调压分接 头的次数，电容器组两次动作之间必须有一定的时间 间隔，该时间可以根据实际情况设置，一般为3m i n 。 3 ．3 设定动作门坎值 为避免电压波动，引起电压、无功控制装置误 动，保证系统控制的稳定性，电压、无功综合控制中 常设定电压和无功动作的门坎值，当实测电压 或无 功 在其控制上 下 限一定幅度内变化时，综合控制 应不响应。 3 ．4 锁定事故条件 锁定事故是指在系统异常或变电所发生异常情 况下，电压、无功综合控制系统能及时停止自动调 上接第3 5 页 能完成的工作，作业效率明显提高。 2 需用人员少。流动站在外业采集数据时仅需 一人即可。内业也仅需一人操作软件，即可完成工 作，缓解当前测量技术人员短缺局面。 3 精度提高。外业观测时，只要保证基准站卫 星接收天线位置具有相当于露天矿首级控制点精度 时，流动站采集数据精度完全达到一级工作控制点 精度，全站仪采集数据也能达到二级工作控制点精 度，整个采集数据精度相应提高一个等级。传统手段 和方法很难做到。 内业工作，从展点到连线。编辑成图几乎是无误 差操作，成图前几乎不存在误差累计。地测采软件设 计思路是按照原有手工算量的流程，采用垂直断面 法进行开发的。特点一是实现任意方向剖断面，打破 以往编程人员平面法算量的编程思路，操作流程与 手工算量的流程是完全一致的，可以对计算机的每 节，以避免事故扩大。锁定事故的要求除了可靠性 外，还应具备快速性，一旦锁定条件产生，电压、无功 控制装置应能立即响应，否则将对变电所的安全运 行带来严重的威胁。例如当电容器保护动作开关跳 闸，若综合控制装置未及时锁定，指挥电容器在跳开 后很短的时间内又投入，则可能造成电容器由于带 电荷合闸而发生爆炸等，后果不堪设想，所以，必须 具备一些锁定条件。其中包括主变和电容器的部分 保护动作，电压回路断线，电压过高过低，主变分接 头遥控失灵，主变并列错档等。 4 应用效果及结论 旗山煤矿6k V 供电系统无功补偿采用在3 5 ／6 k V 变电所进行自动调容调压综合控制后，使变压 器、电容器动态工作在最佳状态，稳定了矿井电压， 保证供电系统设备安全运行要求，同时使功率因数 在0 ．9 6 0 ．9 8 较高范围，有效提高功率因数，减小无 功损耗，收到了良好安全经济效益。 参考文献 [ 1 ] 李珊珊，杨玲．电压无功综合控制及实施方案[ J ] ．中 国高新技术企业，2 0 0 8 ， 2 2 ． 一工作过程进行检查，也可以看到每一个新生成的 剖面，比较直观。特点二是可以任意设置剖面间隔， 消除由于剖面间隔大产生的各种误差。传统方法的 剖面间隔为2 5m ，存在着大小断面问题、阶段走向 与剖面线平行等较难解决的问题。现在可以采用垂 直于阶段走向建剖面和减小剖面间距的方法解决。 当剖面间隔减小时，算量精度会提高。 参考文献 [ 1 ] 能源部．煤矿测量规程[ M ] ．北京煤炭工业出版社。1 9 8 9 ． [ 2 ] 中国统配煤矿总公司生产局．煤矿测量手册[ M ] ．北京 煤炭工业出版社，1 9 9 0 ． [ 3 ] 魏二虎，黄劲松．G P S 测量操作与数据处理[ M ] ．武汉 武汉大学出版社，2 0 0 4 ． [ 4 ] 张国良，朱家钰，顾和和．矿山测量学E M ] ．徐州中国矿 业大学出版社，2 0 0 1 ． [ 5 ] 宋福升．R T K 技术在露天矿采剥场验收测量中的应用E J 3 ． 北京工业职业技术学院学报，2 0 0 8 ， 1 ． 万方数据