基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統

何艷超

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 036700）

引言

為了減小底邊測量工作人員的工作壓力，將煤礦地表移動觀測的傳統技術與GNSS技術相結合，通過建立地表移動監測站，不斷簡化地表移動監測工作的工作任務，進一步提升工作人員的工作質量[1]。因此，基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統成為現今較熱的話題，如何對其進行應用分析，成為了相關人員應該考慮的問題。

1 系統構成

1.1 GNSS

是一種利用全球所有的衛星導航建立起來的，能夠覆蓋全世界的無線、全天候的電子導航系統。當前能夠利用的系統主要有美國的GPS、中國的BDS、俄羅斯的CLONASS和歐洲的Galileo。影響GNSS的因素較多，主要為衛星自身的影響，包括星歷、鐘誤差；信號在傳播中電離層、對流層的誤差；和接受設備部中的位置、天線的誤差；還會受到地球自身的潮汐誤差等，如圖1所示[2]。

1.1.1 GNSS靜態定位

目前GNSS定位就是利用多個觀測站進行同時觀測，直到確定GNSS的直接相對位置。GNSS靜態定位經常采用全球性或者國家級別的網絡進行大規模的觀測，這樣的觀測范圍能夠建立一個世界性的或者是國家性的地殼運動檢測網、建立長距離的檢校基線、對島嶼和大陸進行觀測，對鉆井定位以及精密的工程進行控制，建立地表綜合觀測站等。尤其是建立地表觀測站內監控網絡，能夠對煤礦礦井附近的井點進行連接，保證井下的檢測系統處于同一坐標之上。

圖1 地表移動觀測系統構成

1.1.2 實時動態測量

實時動態測量中主要應用的技術叫做real time kimematic，簡稱為RTK技術。他是與全球衛星定位系統技術與數據分析通訊技術的結合，能夠進行載波相位實時動態差分定位，為測量站提供一個三維的測量結果。這項技術的發明與應用主要是通過基準站的接收機、數據鏈、接收站的接收機三個部分來共同完成工作的。通過應用，在對地表移動觀測站項目進行觀察時，RTK無法滿足較高程的水準，只能用于日常檢測點的平面測量。

1.1.3 GNSS實時監測系統

GNSS實時監測系統是一項集多種技術為一體的綜合系統。如圖2所示，GNSS實時監測系統的基站設立在一個相對較為安全的非變形區，一般來說這樣的基站都要建立在礦區附近的廣場上，監測點要設置在需要檢測的地面上方。該系統主要有接收器、接線、通訊、計算機、數據分析等幾部分組成在監測工作中，將原始數據發送到基站以及監測站，通過專業的監測軟件將對原始數據進行處理，得出最精準的結果。這個系統也存在著一定的缺陷，就是投入的成本過高，且監測站的使用程度不高，一旦在建設中出現監測站點設計的不合理問題，就會導致在日后非工作中該監測點被荒廢，浪費了人力、物力和財力。但是這種技術能夠對地表塌陷的監測起到重要作用[3]。

圖2 GNSS實時監測系統

1.2 數字水準儀

數字水平儀是集光學技術、編碼技術、圖像處理技術、電子技術等多種技術為一體的高精密儀器。主要的特性就是精準度較高、速度較快、在操作上易于上手且工作強度較低。在使用中這種儀器能夠通過設定限差、測站數據質量評定、計算等功能，為測量工作提供普通光學水準儀不能夠提供的功能，在優越性上大大超越了光學水平儀。另外這兩種技術的區別還體現在編碼水準標尺的寬度與刻度上，在處理圖片識別時也有著精細化的差別。

數字水準儀能夠在每公里往返工作中保證誤差在0.3 mm/km左右，已經符合一等標準。工作流程為：首先要根據作業情況進行設定作業的技術指標，然后進行水準線路的測量，在觀測時有多種測量模式。例如，BBFF、BFFB等。在測量中瞄準水準尺，如果測量的誤差超過設定的標準誤差，就要立即提醒測量人員，進行重新測量。

2 工程實例

以某礦區2017年的地表觀測站工作為例，進行GNSS的煤礦地表移動觀測系統的分析。

2.1 觀測站的布設

根據當地的地質條件、地形地貌進行分析，選擇采用傾斜式的觀測站和半條走向觀測線作為觀測的布設，走向為852 m，從Z1到Z37，傾向的半條長度為600m，從A1到A40，各觀測站之間的間距為23m。此外布設7個觀測點包括3個走向點和4個傾向點。走向點號分別為KZ1、KZ2、KZ3；傾向點號分別為 KAQ1、KAQ2、KAQ3、KAQ4。將 Z37 設定為兩條線之間的交叉點，形成“1+3”的一個基準站+三個監測站的模式。具體的布設情況如圖3所示。

2.2 觀測站的觀測

地表移動觀測是一項周期較長的觀測工作，只有將地表活動的初期、活躍期、衰退期、穩定期都進行觀測，才能夠結束地表移動的觀測工作（如表1所示）。

2.3 成果

通過對原始數據的準確分析，設計符合工程的需求，在為期半年的觀察中（2016年12月—2017年6月）可以發現，地表一定的走向最大下沉量為2 300 mm，傾向最大下沉量為2 000 mm。

圖3 觀測站布設圖

表1 觀測站的觀測周期及觀測的工作內容

3 系統特點

充分繼承了GNSS高精度、高效率、多功能、便捷操作、全天候作戰等特點，形成了自身以下四種特點：其一，記錄數據的無紙化，在系統中采用了數字化的技術，保障了數據在儲存其質無需用實質紙張進行記錄，在工作中確保數據能夠被長久的保留，以便于數據的查找。其二，可靠性，通過系統中多項功能的應用，各個檢測功能之間的相互驗證，避免出現工作的重復進行，保證工作能夠高質量的完成。其三，信息化，在檢測中一旦出現地表不可控制的下陷情況，信息化的預警系統將會立即展開工作，保證施工人員的生命安全，最大程度地提高煤礦開采工作的安全性。其四，施工簡單，在工作中主要就是要保證數據的質量，在工程造價中尋求一個平衡點。

4 結語

基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統的分析在增強煤礦礦區的煤礦地表移動觀測能力、促進地表移動觀測系統的技術革新上有著積極的作用，對于我國煤礦企業的發展也至關重要。在此過程中，GNSS中的GNSS靜態定位、實時動態測量、GNSS實時監測系統與數字水準儀等技術的分析能夠提升該領域發展的活力，不斷促進GNSS的煤礦地表移動觀測系統的發展，使煤礦挖掘工作變得更加智能化、信息化、便捷化和安全化。

[1] 楊旭，孟磊，朱亞洲，等.基于GNSS/MobileGIS煤礦開采沉陷監測數據采集終端系統設計[J].北京測繪，2015（3）：75-78.

[2] 姚佩超，杭玉付，余學祥，等.煤礦開采地表移動自動化監測系統軟件設計與實現[J].內蒙古煤炭經濟，2015（7）：24-25.

[3] 楊旭，汪洋，汪澤，等.煤礦開采地表移動變形自動化采集終端系統設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2015（6）：94-97.