礦區地質沉降觀測GPS定位的技術運用

【摘要】近年來，隨著GPS技術逐漸被廣泛應用到各個行業。煤礦開采過程中由地表沉降造成的經濟損失及人員生命安全問題，已經越來越為全社會所關注，各類大大小小的煤礦安全事故，究其原因，除開采過程安全意識薄弱之外，還缺乏相應的觀測手段保證，因此，本文即對GPS技術在礦區沉降觀測中的應用進行一點探討。

【關鍵詞】GPS技術；礦區沉降；觀測；應用探討

0.引言

隨著GPS定位技術的出現和不斷的發展完善，給測繪定位技術帶來了革命性的改變，為工程測量提供了嶄新的技術手段和方法。長期以來用測角、測距、側水準為主的常規地面定位技術正逐步被以一次性確定三維坐標、高效率、高精度的GPS技術所替代，定位方法從靜態擴展到動態，定位服務從導航和測繪領域擴展到國民經濟建設領域。

1.GPS的定位原理

我們假定在地球上方某一空間位置放置一顆能發射無線電信號的衛星，同時在地球表面三個不同位置分別安放可接收該衛星無線電信號的裝置，便可測出地面接收裝置的坐標，若把空間衛星納入統一坐標系中，根據接收裝置所接收到的信號也能很方便計算出所有接收裝置分別相對于衛星的幾何距離，然后再根據無線電測距交匯的原理，便可進一步計算出衛星的空間幾何坐標。更形象地說，在這個空間中，如果以三個接收裝置為圓心，以它們到衛星的距離為半徑畫圓，那么三圓軌道的交匯點即是衛星的空間坐標。GPS的定位原理恰好就是上述的一個逆向過程，也就是說，我們可以通過地面的接收裝置同時接收3顆或3顆以上衛星發射的信號，同時在已知所有衛星的臨時空間坐標的情況下，同樣可以通過無線電測距交匯的原理計算出地面裝置的三維坐標，此即為GPS的定位原理。

2.礦區開采沉陷觀測指標

由于井下開采而形成采空區，巖體移動和被破壞逐步會波及到地表，從而致使采空區上方地表從原有的標高產生下降，形成一個比采空區更大的沉降區域，改變地形地貌的同時，引起地表標高、水平位置的變化。定量的表述指標包括下沉，即地面點的沉降，為垂直分量常用w表示；水平位移，即地表下沉盆地中某一點在水平方向上的位移，常用u表示；傾斜，即相鄰兩點在豎直方向的下沉與其水平距離的比值；曲率，即相鄰兩線段的傾斜差與兩線段中點水平距離的比值；水平位移，是指相鄰兩點之間的水平移動差與兩點之間的水平距離的比值，一般表示為ξ。

通過測量工作可以計算出測點在垂直面內的移動向量W及在平面上的移動向量U，還有測點的下沉和下沉速度w和v，測點的水平移動u和點間的水平變形ξ以及空間的移動向量和坐標方位角a；并且可以得到觀測點水平移動以水平變形曲線、觀測點垂直下沉曲線、觀測區域地形及觀測線地質斷面和觀測點在垂直面內的移動向量等。通過掌握這些建立在測量數據準確性基礎上來預測沉陷，能夠更好的預測和估計沉降規律。

3.GPS監測網點的布設及觀測

3.1布網的基本思路

監測點布網時應當選擇地面水系發達、地下流沙層較薄、礦區沉降變形嚴重、持續性長的環境；監測網要便于長期保存，易于恢復和維護，監測精度要高。整個網分級布設，應分為框架網、基準網和監測網。框架網用于支撐基準網和監測網，網點可長期保存，基準網建立于框架網，網點在較長的時間段內穩定不變形，便于直接形變監測，可借助與基準網進行維護和恢復。此外網型結構盡量堅強，內符合精度小于5mm。

3.2網型的設計與選點

在網型設計及選點時應使GPS網采用整體設計、分級布網的原則，鑒于便于保存、檢測和維護的要求，在基本遵循D級網技術的基礎上，網中相鄰點的距離可適當方框，應滿足下表要求。

此外，框架網點間可以不通視，基準網點間盡量通視，監測網點間必須通視；GPS點采用二位數字編號，也可以根據測點的地理位置特征進行命名；為確保網型堅強，網型布置盡量采用網連式，特殊時可采用邊連式；網點選在易于安置接收設備、交通便捷、視野開闊、便于保存、地勢較高的地方；各級網間便于聯測與擴展，基準點應盡量設置再工業廠房、煤倉等建筑屋頂上，以利于長期保存和通視。

根據礦區地面建立的控制網，按測量要求相沉陷區域引觀測站測量點，通視測定觀測線交點或某一個控制點的平面坐標和高程。觀測點與地面控制網聯測后，應對觀測站的各測點進行開采前的最初兩次全面觀測。在塌陷區內設各觀測點，以計算各種移動變形值，這些點可根據需要靈活的進行布置，無需考慮點位通視，因此觀測線可穿過建、構筑物或其他障礙區，從而為“三下”采煤提供最直接的地表移動變形數據。由于對采動前和采動穩定后觀測的基礎數據有較高的要求，可采用雙基準快速靜態的測量模式進行觀測，每點觀測時間視衛星狀況而定。采動過程中的觀測可采用走走停停的觀測模式進行，每次觀測數據經基線軟件處理后，以監測點位坐標固定點，進行三維約束平差，將求得的坐標和采動前觀測數據聯合，進行兩次觀測和系統誤差模擬和改正，消除不同時間內觀測的系統誤差影響，據此計算個點的下沉水平移動和其他各種變形值。

4.GPS數據的處理

GPS數據處理要從原始的觀測值出發，得到最終的定位成果。可分為GPS基線向量和GPS網平差兩個階段。處理流程為：數據采集—數據傳輸—預處理—基線解算—GPS網平差四個步驟。其中數據處理工作主要是進行原始的數據粗差檢測，將原始的數據文件標準化，基線向量的解算是一個比較復雜的過程，主要是對觀測值殘差的分析和基線長度的解算和精度分析，最后對基線向量閉合差進行計算和檢核。GPS網平差包括GPS基線向量的無約束平差、約束平差以及GPS網與地面網聯和平差等。

對于監測網的基線解算，采用GAMIT軟件和IGS精密星歷，在基線解算過程中，基線解的精度是保證監測成果可靠性的基礎，因此在GAMIT精密求解軟件進行基線解算時采取一些必要的技術措施，其中，衛星鐘差的模型改正使用國際IGS提供的衛星精密星歷；根據偽距觀測值計算出接受機鐘差進行鐘差的模型改正；電離層折射延遲用LC觀測值消除；利用實測干濕溫和氣壓數據作為依據，改善對流層模型；接受機天線相應中心改正采用GAMIT軟件中的設定值；參考框架為ITRF00框架，慣性框架采用J2000；解算模式為基線解。

5.開采沉陷與變形分析

對GPS移動觀測線上的點，應根據各期觀測數據計算下沉量，按照開采沉陷定量評估指標參數解算相應的量，并繪制下沉與時間的關系圖，通過相鄰點下沉量計算地表傾斜、曲率及水平位移。在針對性區域的沉降與變形監測，可在監測網提供的基準點基礎上設置專門的監測工作點實施加密監測，在工作點監測數據基礎上計算沉陷與變形參數，并在變形參數的基礎上對沉陷與變形進程、變形當前狀態、是否已達到臨界變形值等沉陷與變形結果進行分析、判斷，作出沉陷及變形的預測。

6.結語

煤礦企業通過GPS技術的運用，能夠對礦區地表進行全面、準確、高效的觀測，并且能合理對礦區地面沉降進行預測，從（下轉第181頁）（上接第297頁）一定程度上能夠起到提前預防安全隱患的作用，有利于煤礦企業的穩定發展。 [科]

【參考文獻】

［１］張帝，高雅萍，許雙安.GPS技術在礦區沉降監測中的應用[J].測繪信息與工程，2012.

［２］張國良.礦山測量學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.

［３］黃健.GPS.RTK技術在礦區開采沉陷觀測中的應用探討[J].水力采煤與管道運輸，2012.

［４］徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2002.