基于VRS技術的煤礦地表變形監測實踐研究

馬麗娜

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤集團晉華宮礦的頂板管理以垮落法為主，當前隨著該礦不斷向深度進行開采，高強度的采掘活動引起了地面沉降、開裂、塌陷、建構筑物裂縫等問題，對公路、鐵路等構成威脅，同時給將來的高速鐵路建設帶來了技術難題。因此針對該礦深部開采導致的地表沉降移動規律進行研究是非常有意義的事情，可以減少該礦地表沉降危害。

當前煤礦地表沉降的觀測主要是采用人工經緯儀、全站儀測量技術、室內GPS技術等，各有優缺點，但是都無法滿足晉華宮礦地表沉降移動觀測的需求。網絡通信技術的飛速發展促使了VRS技術的出現，該技術通過高精度的差分定位功能實現數據的校驗與傳輸，同時可以建立一個局部地區修正量的數據庫，來實現對煤礦地表沉降觀測。該技術的應用實現了地表沉降移動觀測的需求，在提高測量精準度的同時，降低了測量人員的勞動強度。

2 VRS技術

2.1 VRS技術的原理

VRS（Virtual Refcrence Station）技術全稱虛擬參考站技術。虛擬參考站由于參考站R和流動站K之間的距離通常很遠，流動站端的解算系統并不清楚接收到的觀測值中是否已經經過空間相關誤差改正，若系統再次使用模型對其進行改正，很有可能引入較大誤差。為了避免這種情況的發生，20世紀90年代末產生了虛擬參考站技術。在VRS/RTK定位中，當數據處理中心接收到流動站發來的流動站概略坐標后，就可在此坐標處生成一個虛擬參考站V，根據已知坐標和觀測數據進行建模處理，生成VRS的虛擬觀測值。

其中，下標為參考站標識，V表示虛擬參考站，上標為衛星標識，r為參考衛星，當i為參考衛星時，新觀測值φ=φ'R+Δρ'RV/λ。新的碼偽距觀測值構成與式（1）相似，需要把相位換成偽距，同時對電離層項反號。將上式的虛擬觀測值和虛擬參考站坐標發送到流動站，當流動站接收到虛擬參考站的這些信息時，認為其與虛擬參考站構成超短基線，因此避免了再使用空間相關誤差模型進行改正。用該觀測值與流動站觀測值建立雙差方程即可形成觀測模型。處理中心建立虛擬觀測值后，對虛擬觀測值進行RTCM編碼（如：RTCM TYPE3/18/19，RTCM v2.3； RTCM TYPE1004/1005，RTCM v3.1），并在RTCM互聯網傳輸協議（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRP）的基礎上，通過Internet網絡發送到流動站端。如流動站接收到差分信息，則可按常規RTK的方法進行解算。基于虛擬參考站和流動站基本無誤差，所以模糊度易于求解，流動站即可實現RTK定位，如圖1所示。

圖1 VRS技術示意圖

2.2 VRS技術的特點分析

對比于以往的觀測技術，虛擬參考站技術主要特點是：（1）流動站將本站概略位置傳遞給數據處理中心；（2）數據處理中心實時生成并發送虛擬觀測值及差分改正數；（3）流動站僅要求支持常規RTK功能的接收機，流動站上基線解算與常規RTK采用同套軟件，具有較強的兼容性；（4） 數據處理中心和流動站間采用雙向數據傳輸，用戶數量的增加取決于數據處理中心的寬帶容量和設備硬件條件。總的說來，相對于其他地表沉降觀測技術，VRS技術具有測量精度高等優勢，發展非常快，應用最為廣泛。

3 VRS技術在晉華宮礦地表沉降觀測中的實踐

3.1 工程地質概況

晉華宮礦位于大同市西12.5km處，是同煤集團唯一的多井口高瓦斯礦井，礦井全部實現機械化采煤。該礦301擴區上方有4個村莊，村莊建筑物分布密集，排列沒有規律，造成了嚴重的壓煤現象。該礦8103工作面應布置在村莊的外圍區域，地面無村莊住宅及其他建筑。工作面走向長度654m（切眼中～停采線），工作面傾斜長度179m。8103工作面地表有零星分散的公路、荒地等，工作面走向從切眼到停采線長度654 m，傾斜長度179 m。工作面煤層厚度為2.4～4.7m，平均厚度3.5m，工作面煤層傾角3～8°，平均傾角6°，地面標高+1229.5～+1310m，煤層平均埋深621m。

3.2 監測方案設計

根據8218綜采工作面開采的情況及該礦地表沉降的特點，觀測點設置方案如下：地表沉降區域的中心線做為觀測點的設置線，傾向中心線與走向中心線每間隔30m設置1觀測點，共設置30個觀測點，從起點開始編號為A1、A2……A30；走向中心線與工作面走向垂直方向，間隔距離為70m左右布置觀測線，同樣以每間隔距離30m設置1觀測點。在監測方案當中布置160個測點。參考站設置在該礦地表移動影響區域外界，共設置3個參考站，兩兩相聯呈正三角型，兩參考站距離為30 km。方案設計如圖2所示。

圖2 監測方案初步設計

3.3 作業前準備

煤礦地表變形監測系統建立并設置完成后，需要提前完成作業前的起算點可靠性校驗分析。可靠性校驗方法與步驟：（1）藍牙端口一次設置好后，先開流動站主機，確保手簿與主機藍牙連通；（2）取B1、B2、B3、B4、B5共5個非觀測點，輸入WGS84坐標將其與當地坐標進行參數轉換。起算點的可靠性檢驗結果如表1所示。

從表1數據可知，執行完點校正計算后的平面坐標轉換殘差均小于±2cm，高程收斂精度均小于3cm ，起算點的可靠性理想，可以對現有控制點進行檢校進而進行地表測量作業。

表1 起算點的可靠性檢驗結果表

3.4 沉降觀測

該礦從2018年5月采用SW EPOS-HEBEI系統。在各觀測點上采用VRS測量形式以地形點的測量方式進行地表沉降觀測，測量頻率為1次/min。從2018年5月～2019年2月之間，系統每15d時間啟動進行全面測量，共進行了20次的測量。

3.5 數據及效果分析

圖3 不同時期沉降變化曲線

對10個月共20次的地表沉降觀測數量進行處理，繪制了不同時期地表沉降的變化曲線圖，如圖3所示。從圖3中可知，隨著8218綜采工作面的推進，該區域地表沉降范圍進一步擴大，從整體結果來看，沉降范圍可控，在檢測方案的監測范圍之內，邊界等值線基本上保持一致，無變化。不同時期沉降變化曲線結果表明，采用VRS技術對晉華宮礦8218綜采工作面進行地表沉降觀測所得數據全面可靠，準確度高。

4 結語

VRS技術的出現與應用有效地提高了煤礦地表沉降監測的精準度，同時測量范圍大，操作簡便，技術人員工作強度低。通過VRS技術在晉華宮礦8218綜采工作面的實踐應用表明，該監測技術精準度達到厘米級別，滿足四等水準測量要求，該監測測量能作為晉華宮礦進行制定地表沉降變形治理方案的可靠依據。