地表移動觀測站數據處理新方法研究＊

王 剛 郭廣禮 王 磊

(1)國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室(中國礦業大學),徐州 221116 2)江蘇省資源環境信息工程重點實驗室 (中國礦業大學),徐州 221116)

地表移動觀測站數據處理新方法研究＊

王 剛1,2)郭廣禮1,2)王 磊1,2)

(1)國土環境與災害監測國家測繪局重點實驗室(中國礦業大學),徐州 221116 2)江蘇省資源環境信息工程重點實驗室 (中國礦業大學),徐州 221116)

建立地表移動觀測站是研究開采沉陷和建筑物破壞規律的最可靠手段。目前,實地觀測數據在后期的處理過程中大多都是采用傳統的支距法等方法,將觀測值改正到工作面的走向和傾向方向上,使得觀測站布設與數據處理具有較大的局限性,地表移動和變形計算精度也受到較大的影響。針對傳統的地表移動觀測站數據處理存在的問題,結合工程實例介紹一種地表移動觀測站數據處理新方法。

地表移動;觀測站;數據處理;坐標轉換;精度

1 引言

研究開采引起地表移動變形的方法很多,如實地觀測法、理論模擬法和相似材料模型法等。但目前公認最可靠最有效的認識巖層與地表移動規律的方法還是實地觀測法,即按一定要求在受開采影響的地表、巖層內部、建筑物上設置一系列的觀測點,在采動過程中,定期獲取這些點的坐標,以確定各觀測點位置的變化和觀測點間的相對移動,從而找出地表和巖層移動變形的規律。因此,除了觀測站的設計方案必須合理外,實測資料數據處理的準確性也十分重要,其結果準確與否直接關系到所得規律的可信度。如果處理方法恰當,所得結論就能正確反映某種地質采礦條件下的地表移動和變形規律;反之,如果處理方法不當或者出現錯誤,研究就會失去意義。

因此,在地表移動觀測站的布設過程中,其正確的設計方案和合理的數據處理模式是保證研究意義能夠實現的關鍵所在。鑒于此,本文結合具體的工程實例,研究了一種地表移動觀測站的數據處理新方法。

2 傳統觀測站布置及數據處理存在的問題

地表移動觀測站可分為網狀觀測站和斷面線狀觀測站。但有時限于地形條件,在布設斷面線狀觀測站不便時,在山區也可以布置網狀觀測站[1],一般情況下主要還是布設為斷面線狀觀測站。傳統的地表移動觀測站要求設計的觀測線必須嚴格位于地表下沉盆地主斷面線上,利用經緯儀、水準儀、鋼尺和支距尺等進行測量,其優點是所用儀器價格低廉,使用也較方便,一般能滿足測量精度的要求。但由于水平移動觀測數據只有各測點沿觀測線方向的水平移動值,垂直觀測線方向的水平移動值一般不進行觀測,從而造成了以下問題：

1)外業作業勞動強度大,內業計算復雜,精度較低。特別對于水平移動測量,由于鋼尺量邊的誤差隨著邊長的增大而逐漸積累,在測線較長時,水平移動測量的精度就會很低,甚至達不到要求的精度。

2)由于受各種因素的干擾,地表移動觀測站不可能按理論上布置成一條直線而是沿某一直線左右擺動[2,3],從而使得水平移動值存在一定誤差 (圖1)。

圖1 傳統觀測站布置Fig.1 Layout of traditional observatory

各觀測點的水平移動值一般是按以下方法求出的：假設A為控制點,其末次觀測與首次觀測相比, AB伸長量為ΔLAB,BC伸長量為ΔLBC,CD伸長量為ΔLCD等。則 B、C、D3點沿傾斜方向的水平移動值分別為ΔLAB、ΔLAB+ΔLBC、ΔLAB+ΔLBC+ΔLCD。

這樣求出的水平移動值存在以下誤差：

首先,ΔLAB、ΔLBC、ΔLCD是 3個不同方向的矢量,不能求代數和,相鄰線段方向變化越大其代數和的準確性越差,而且觀測點距離控制點越遠,求出的位移值累計誤差值越大。

其次,不在主斷面線的各點的實際位移值與主斷面線方向存在一個夾角,因此實際位移必須分解為沿主斷面線方向的一個分量和垂直主斷面線方向的一個分量,而在計算時經常把非主斷面線方向的位移看作沿主斷面線方向的位移。

3)由于地形、地貌等原因,觀測線可能無法沿走向和傾向布置,而必須布置成折線 (圖 2)。在傳統觀測方法中,對于AB線上的各觀測點,只觀測順著AB方向位移,而不觀測垂直于 AB方向的位移,對于BC線上的各觀測點同樣如此。即在實際數據的處理過程中,常把沿觀測線方向的值當作總位移,從而無法知曉沿斷面線方向的實際位移值。由于AB線上的觀測點與 BC線上的觀測點的觀測值方向不同,并且無法分解,而傳統的求參程序是采用主斷面的移動進行擬合的,因此,無論按哪個方向擬合都會產生誤差。

圖2 特殊情況下觀測站的布置Fig.2 Layout of observatory under special circumstance

4)測量工作量大,數據處理復雜,尤其在進行支距測量和支距改正時更是如此。支距改正的目的是將相鄰觀測點間的距離改正到成觀測線方向上,如圖 3,A、B、C為觀測線上相鄰的 3個點,點間距分別為 L1、L2,設 3個點在觀測線方向的距離為 L11、L22,支距改正ΔL按式 (1)計算：

圖3 支距改正Fig.3 Distance correct

3 地表移動觀測數據處理新方法

為了克服傳統觀測站數據在處理過程中的缺陷,許多學者曾進行了大量的研究。李春意等[4]改進了觀測站的數據處理方法：先求出各觀測點的坐標變化量,再將坐標變化量投影到觀測線上(圖 4)。周萬茂[5]提出兩種方法來改進數據處理的復雜程度：一是將傳統的相鄰觀測點間距的觀測法改為按大坐標或礦區坐標或其他相對坐標觀測各觀測點坐標的變化,二是把沿觀測線方向的位移改為沿兩個坐標方向的位移。

圖4 觀測點數據處理Fig.4 Data processing of observation point

但這種模式對于地表移動觀測站的數據處理計算量較大。為此,本文試圖在實際應用中探索出另一種較為簡潔方便的數據處理方法。

觀測數據經過整理改正后,便可計算觀測線上各測點和各測點間的移動和變形。移動和變形計算主要包括：各測點的下沉和水平移動,相鄰兩側點間的傾斜和水平變形,相鄰兩線段 (或相鄰 3點)的曲率變形,觀測點的下沉速度等。在計算之前,先將用GPS測得各點的WGS84坐標轉換為BJ54坐標系坐標,再將BJ54坐標系坐標轉換為礦區工作面坐標系統坐標。具體轉換過程如下(圖 5)。

圖5 BJ54坐標系和礦區工作面坐標系的轉換Fig.5 Conversion bet ween BJ54 coordinate system and mining face coordinate system

用 GPS和全站儀分別精確測出控制點A、B、C、D的WGS84坐標和高斯坐標,利用坐標轉換工具求出兩套坐標系統的轉換參數,進而實現其他各點的坐標轉換。在圖上量出控制點 A、B、C、D的礦區工作面坐標系統坐標,利用坐標轉換工具求出BJ54坐標系和礦區工作面坐標系的轉換參數,進而將其他各點的坐標轉換為礦區工作面坐標系統坐標。最后進行各移動和變形的計算,公式如下：

1)m次觀測時 n點的下沉值：

式中,hn0、hnm為首次和m次觀測時 n點的高程。

也可用下列公式計算m次觀測時 n點的下沉：

式中,zn0、znm為首次和 m次觀測時 n點在礦區坐標系下的 z坐標。

2)相鄰兩點的傾斜

x軸(傾向)方向傾斜分量：

y軸 (走向)方向傾斜分量：

總的傾斜量：

式中,Δxn～n+1為 n號點和 n+1號點的 x坐標差, Δyn～n+1為 n號點和 n+1號點的 y坐標差,wn+1、wn為分別表示 n+1號點和 n號點的下沉值。

3)n號點附近的曲率

式中,in+1～n、in～n-1為 n+1號點至 n號點和 n號點至 n-1號點的傾斜;Δxn+1～n、Δxn～n-1為 n+1號點至n號點和 n號點至 n-1號點的 x坐標差; Δyn+1～n、Δyn～n-1為 n+1號點至 n號點和 n號點至 n -1號點的 y坐標差。

4)n號點的水平移動

x軸方向水平移動量：

y軸方向水平移動量：

總的水平移動量：

式中,xnm、xn0為 m次觀測時和首次觀測時 n號點的x坐標;ynm、yn0為 m次觀測時和首次觀測時 n號點的y坐標。

5)n號點至 n+1號點間的水平變形

x軸方向水平變形量：

y軸方向水平變形量：

總的水平變形量：

式中,(xn+1～n)m、(xn+1～n)0為 n+1號點和 n號點在m次觀測時和首次觀測時的 x坐標;(yn+1～n)m、 (yn+1～n)0為 n+1號點和 n號點在m次觀測時和首次觀測時的 y坐標。

4 工程實例

4.1 礦區概況

濟寧三號煤礦位于山東省西南部濟寧市南郊,距濟寧市 14 km。礦井設計年產量 500萬噸,是我國特大型現代化礦井。井田范圍內地表面以農田和村莊為主。63下 04矸石充填試采區位于濟三礦工業廣場西北部,辛店村以東,南陽湖堤從工作面南部穿過,地表大部分為農田,工作面開采南陽湖堤和辛店村的保護煤柱。地面標高 +33.0～+33.3 m,平均 33.14 m,工作面標高 -639.0～-663.0 m,平均-650 m。該面東臨 63下 03工作面采空區,西臨尚未回采 63下 05工作面,北臨 63下 04工作面采空區,初步設計停采線向南距六采區輔助運巷巷中107.0 m。

矸石充填試采區域煤巖層總體趨勢呈現南高北低的單斜構造,局部伴生寬緩的波狀起伏。共發育斷層 10條,落差大于 3.0 m的斷層兩條,最大落差6.5 m,斷層在采區內延展長度 8.0～523.0 m。根據井巷工程揭露情況,走向以南北為主,延展長度一般較長,落差變化較小,以張性正斷層為主。

矸石充填試采區域位于辛店村保護煤柱東北部,其正上方地表為辛店村農田和積水塌陷區,西距辛店村主體建筑群約 480 m。

4.2 應用成果及分析

為了使 GPS的測量成果轉換為礦區坐標系統,必須先計算出坐標轉換參數,而求取坐標轉換參數必須己知至少 3個高精度控制點的礦區坐標值 x、y、h。根據已知控制點均勻分布在測區的原則,本次工程中礦區內選擇 4個己知的靜態 GPS控制點,分別為A、B、C、D(圖 6)。

圖6 濟三煤礦地表移動觀測站沉降觀測點布設圖Fig.6 Layout of subsidence observation spots at surface movement observation station in Jisan mine

利用隨機軟件求出坐標轉換參數為：比例系數S=-1 000 016,旋轉度 JR=-0.101 449,高程參數a= -0.000 047 331,b = 0.000 023 634,c= 1.373 809 179;然后利用此參數將礦區其他測點轉換至BJ54坐標系;最后利用控制點 A、B、C、D求出BJ54坐標系和該礦區新建坐標系的轉換參數 (表1),進而將其他測點的 BJ54坐標轉換為礦區坐標。最后利用式(1)～(12)分別求出各測點的移動變形值。該礦區坐標系以 83201工作面上順槽上一點 o為坐標原點,傾向方向為 x軸,走向方向為 y軸 (圖7)。

圖7 礦區坐標系Fig.7 Coordinate system ofmining area

限于篇幅,在此只隨機抽取其中的 3個觀測點進行驗算。表 1表示控制點A、B、C、D4點的 BJ54坐標系坐標和礦區坐標系坐標以及通過坐標轉換參數軟件利用四參數法計算出來的兩坐標系統的轉換參數,四參數法的轉換模型如式(14)所示。

為了研究開采后觀測點 a、b、c的實測變化和用本文所述新方法計算所得變化間的關系,將二者進行了對比。表 3表示地表觀測點 a、b、c受開采影響后的BJ54坐標和由表 1中轉換參數計算得到的相應礦區坐標,表 4表示由實測所得各觀測點的位移和由本文所述新方法計算所得各觀測點的位移,實測位移值由圖7量得。

表1 控制點的 BJ54坐標和礦區坐標(單位:m)Tab.1 BJ54 coordinates and m ine surface coordinates of control poi nts(un it:m)

表2 開采前各觀測點的 BJ54坐標和礦區坐標(單位:m)Tab.2 BJ54 coordinates and m ine surface coordinates of observation points before m in i ng(un it:m)

表3 開采后各觀測點的 BJ54坐標和礦區坐標(單位:m)Tab.3 BJ54 coordinates and m ine surface coordi nates of observation points after m i n ing(un it:m)

表4 實測變化值和計算變化值(單位:m)Tab 4 M easured and calculated changes(un it:m)

5 結論

1)該新方法不需支距測量、鋼尺量邊,克服了傳統地表移動觀測站數據處理過程中存在的弊端,便于用計算機進行數據處理,從而可大大提高數據處理的精度和工作效率。

2)GPS的測量成果只需要進行兩次坐標轉換即可直接計算出地表各移動變形指標,過程簡單。

3)雖然在兩次坐標轉化中精度會有所降低,但從實例分析可知,坐標轉換中精度損失很少,計算精度達到毫米級,完全可以滿足對開采沉陷分析的精度要求。

4)由于觀測手段和計算手段的局限性,傳統地表移動觀測站在數據處理方法上存在種種問題,但隨著先進觀測儀器的使用和計算機的普及,本文提出的方法將具有可推廣性。

1 原東方.山區地表移動觀測站數據處理方法[J].焦作工學院學報,1996,15(2)：14-19.(Yuan Dongfang.Resarch on data processingmethod ofmountain surfacemovementobservation[J].Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),1996,15(2)：14-19)

2 李萬武.地表移動觀測站的建立 [J].煤炭技術,2002 (6)：69-70.(LiWanwu.Building of the surface migrating observation station[J].Coal Technology,2002(6)：67-70)

3 趙立武,等.非正規地表移動觀測站數據處理的一種新方法[J].煤炭科技,1999,(2)：29-30.(Zhao Liwu,et al. A new kind ofmethod of infor mal surface movement observatory data processing[J].Coal Technology,1999,(2)：29-30)

4 李春意,郭增長,楊福芹.地表移動觀測站數據處理方法探討[J].河南理工大學學報,2006,25(6)：481-483.(Li Chunyi,Guo Zengchang and Yang Fuqin.Data procession methods discussion of land surfacemovementobservation station[J].Journal of Henan Polytechnic University,2006,25 (6)：481-483)

5 周萬茂.地表移動觀測站布設及數據處理方法簡析[J].煤礦開采,2000,1.(Zhou Wanmao.A kind new method of surface movement observatory arrangement and data processing[J].Coal Mining Technology,2006,25(6)：481-483.)

A NEW M ETHOD FOR DATA PROCESSING OF LAND SURFACE MOVEM ENT OBSERVATI ON STATI ON

Wang Gang1,2),Guo Guangli1,2)andWangLei1,2)

(1)Key Laboratory for Resources Environm ent and D isasterM onitoring of SBSM(CUM T),Xuzhou 221116 2)M ain Laboratory of Resource Environm ent Infor m ation of Jiangsu(CUM T),Xuzhou 221116)

Establishingmobile stations is the most reliable way for researching surface subsidence and building damage.At present,the processing in later stage of field observations is mostly with offset method or other traditionalmethods to converse the observations to the strike direction and tendency direction,thus station’s layout and data processing are subject to greater li mitations,the calculation accuraciesofmovement and deformation of the surface are significantly affected.For the Shortcomings of traditional data processing of observation station,a new method of data processing of observation station is introduced with practical engineering example.

land surface movement;observation station;data processing;coordinate transformation;accuracy

1671-5942(2011)04-0127-05

2010-11-23

國家自然科學基金重點項目(50834004);國家公益性行業基金(200811050)

王剛,男,1986年生,碩士研究生,主要研究方向為開采沉陷與“三下采煤”.E-mail：wanggangcumt@163.com

P207

A