利用全站仪和Cass软件测矸石山体积的方法与应用

利用全站仪和CASS软件测量矸石山体积的方法与应用李兴建摘要：随着矸石充填开采技术的不断发展和应用，矸石山作为充填原料的储备库，它的体积容量将成为矿井下一步生产决策的一项重要参考依据。本文结合实例，阐明了利用全站仪和南方CASS软件的测量矸石山的体积的方法。实例表明此方法具有测量速度快、效率高、灵活方便等诸多优点。关键词：矸石山；矸石山体积；全站仪；CASS软件；三角网；土方量1引言在绝大数矿区，矸石山已成为其最明显的标志之一。然而，矸石山压占土地、污染环境、影响景观，也是困扰煤矿企业仅次于“安全”的一大难题。随着采煤工艺和科技的进步，特别是矸石充填技术的广泛性应用，目前大多数矿区正努力把矸石山作为经济效益增长的新突破点，变废为宝，综合利用。然而矸石山形状极不规则，周围障碍物繁多，凹凸不平，传统的测量计算方法如经纬仪小平板仪测图、方格网测量定位、等高线绘图等，测量效率低、计算量大、、精度低，很难达到预期的要求。采用目前较新的GPSRTK测量方法，操作比较简捷省事，但在大多数中小煤矿企业没有GPS设备和相关技术人员。因此，如何通过一种简单适用的测量方法，精确测出矸石山的体积，为矿山的合理规划提供可靠的决策依据，将成为影响矿山科学发展、合理发展、绿色发展的重要因素。本文结合利用全站仪和Cass软件精确测得花园煤矿矸石山体积的实例，阐述了此方法的实用性和可靠性。2全站仪和Cass软件测量矸石山体积的基本原理矸石山体积测量其实就是一项地形测绘工作，首先利用全站仪进行数字测图做控制和碎部测量，可随便假设两个点，假设一个高程，把整个矸石山的地形特征点统一测下来，记录下各点的三维坐标，然后利用南方CASS软件展绘这些测量点，再利用南方CASS软件中DTM土方量计算方法最终获得矸石山的体积。由DTM模型来计算土方量是根据实地测定的地面点坐标（X，Y，H）和设计高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。3矸石山体积测量实例3.1工程概况花园煤矿隶属于济宁能源发展集团，矿井设计生产能力45Mt/a。2005年7月开始筹建，2009年7月正式投产。矿井位于金乡县城西约1km，北距济宁48km，南至徐州100km。矿井地质储量5822.5万吨，可采储量2520万吨，主采煤层3煤，平均厚度2.48米，埋深-500～-1000米；煤层赋存较稳定，煤质优良，属特低灰、特低硫、低磷、高发热量的肥煤及1/3焦煤；开采3煤时地质条件复杂，水文地质类型中等，为低瓦斯矿井。煤尘具有爆炸性，煤层为自燃煤层。目前，花园煤矿现有矸石充填工作面2个，即1316工作面、2302工作面，回采结束充填工作面1个，即1312工作面，下一步，充填矸石的供给将成为影响生产接续的重要一环。花园煤矿要求地测科人员测出地表矸石山的体积，以为下一步决策提供依据。2011年8月中旬，花园煤矿地测科利用现有人员和仪器设备独立完成了对矸石山的体积测量工作，即用全站仪和CASS软件测量出了矸石山的体积，且精度达到要求。3.2测量技术标准及坐标系统《煤矿测量规程》原能源部颁《工程测量规范》GB50026-93平面坐标系统为1954年北京坐标系高程系统为1956年黄海高程基准实际测量中，采用全站仪自由设站法，建立独立坐标系和假设坐标及高程。3.3地形测量在矸石山下方的水泥路面上选择一点作为设站点A，在A点上架设好NikonDTM-352c型全站仪，然后在矸石山的另一角对应的水泥路面上找一通视点B，测得A-B间平距为143.216m，高差为-0.062m,设定A点坐标为（0，0，0），B点坐标为（0，143.216，-0.062），以此建立一独立坐标系，最后利用全站仪自由设站法进行矸石山地形观测（见图1）。图1：花园煤矿矸石山BA表1：花园煤矿矸石山地形测量成果表2011年8月20日点号纵坐标（x）横坐标（y）高程（H）A0.0000.0000.000B0.000143.217-0.0631-0.001143.216-0.0622-7.821122.6860.6613-55.4575.3302.1304-53.021-5.8212.8265-93.090-10.4716.6966-100.636-5.1277.0177-130.218-10.3098.179………………………………………………………………90-100.06477.28724.83491-96.18595.06725.47192-94.10399.52325.24593-83.75483.14424.6294-84.28485.54525.65295-3.01552.811-0.18496-9.53365.1930.56797-19.70760.1250.78998-33.96754.6520.15499-41.16948.5500.2713.4内业成图与计算将外业观测的特征点坐标传输到CASS5.1软件里，根据其由DTM计算土方量的计算方法最终求得矸石山的体积。用来计算花园矸石山体积的方法就是依据DTM土方计算的方法，利用其中完全计算方法，重新建立三角网后，根据坐标计算获得矸石山的实测体积，此方法操作如下：(1).用复合线画出所要计算土方的区域，一定要闭和，但是不要拟合。(2).用鼠标点取“计算与应用”菜单下的“由DTM计算土方量”子菜单中的“根据坐标文件”。提示：选择边界线用鼠标点取所画的闭和复合线。(3).请输入边界插值间隔(米):边界插值间隔设定的默认值为20米。(4).屏幕上将弹出选择高程坐标文件的对话框，在对话框中选择所需坐标文件。提示：平场面积=21181.6平方米平场标高(米):键入设计高程在屏幕上则显示填挖方的提示框，中间的白线为填挖方的分界线。如图2所示。图2花园煤矿矸石山填挖方计算图最后经处理，计算得出花园煤矿矸石山的体积（即挖方量）为226974.7m³。4.精度评定4.1矸石山特征点平面位置精度分析使用NikonDTM-352c型全站仪（2″，3+2ppm）采集矸石山特征点，参照观测20个明显地形点的坐标差值，其平面位置中误差Mp可按如下公式计算：0.0093930.0152220xxxMmn0.0066760.0132220yyyMmn220.02pxyMMMm利用全站仪观测矸石山是按极坐标法直接测定待定点坐标的实质是在已知点同时采集角度和距离经机载电脑实时处理的结果，数据处理的数学模型为：00cos()YYcos()pApAXXSASA（1）对（1）式微分并转化为中误差形式，则有：222222002222222002cos()sin()sin()cos()ppxsysmmAmSAmmAmSA(2)即：122222222pseesmmmmm（3）式中：sm—测距中误差；m—测角中误差；S—距离。实际采集矸石山特征点时，照准的目标不是觇牌而是带有对中杆的棱镜，由于棱镜晃动、宽度的影响，照准误差是测角的主要误差来源，一般一测回测角中误差可达±12″，考虑到全站仪采样时半测回测角的模式，m可取±17″。而测距误差可取其标称精度即sm=（3+2ppm），仪器对中误差1em可取±3mm，而目标偏心误差由于棱镜的影响可达±1.5～2cm，将以上数据带入式（3）可计算出距离为100米时，采样点平面位置的中误差为2.21cm，和按实测数据分析的基本一致，证明观测精度可靠。4.2矸石山特征点高程精度分析此次利用全站仪进行矸石山体积测量，虽采用假设高程基准，但实际上都是EDM三角高程测量原理，三角高程计算高差的公式如下：hStgiv（4）对上式微分并转化为中误差公式，则有：222222222sechsivmmtgmsmm一般很小，可近似地认为2sec1则22222222hsivmmtgmsmm（5）当用棱镜作观测目标时，式（5）中的垂直角观测误差m可取与水平角同样地观测误差，即17m″，仪器高和觇标高量取误差im和vm具有相同的误差性质，可取±3mm，取垂直角为±10°，将上诉数据带入式（5）同样可得出距离100米条件下的高程中误差为±0.93cm，规程规定为±5.0cm，证明全站仪采集特征点高程精度可靠。5.结论此次利用全站仪和CASS软件完成对花园煤矿矸石山体积测量实例，充分体现出了数字测图的效率高、成图精度高、使用方便，成果易于保存、保管和调用的特点，是可靠的和具有推广价值的，对于矿山企业怎样合理开发与利用矸石山，如何确定矸石山的体积（土方量），具有较深远的意义。实测过程中，该方法还存在以下几个方面待以改进：使用棱镜采集特征点时受外界影响大；需要采集特征点数量多；观测时可以考虑与大地网中的GPS控制点联测，测出矸石山的实际坐标和高程，为矿山提供出更高的实用价值。参考文献：[1]李青岳.工程测量学[M].北京：测量出版社，1984。[2]潘正风.数字化测图原理与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2004。[3]张国良.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001。[4]倪晓东.CASS5.1数字化地形地籍成图系统[J].2002，（7）：7~2。[5]张凤举.控制测量学M].北京：煤炭工业出版社，1987。[6]付韶平.基于DEM的三维地质建模方法描述与土方量的计算.中国新技术新产品[J].2008。作者简介：李兴建（1984-），男，山东济宁人，济宁能源发展集团有限公司花园煤矿助理工程师，2007年山东科技大学毕业。