基于GPS-RTK 技術的煤礦開采沉陷監測的研究

靳云全

（山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司， 山西 離石 033000）

隨著礦井采掘范圍以及強度增加，采空區影響范圍呈增大趨勢，掌握采空區地表沉陷規律對實現三下采煤、留設保護煤柱等均有顯著的促進意義[1-2]。在地面構建移動監測站時實現采空區塌陷監測的較為可靠的技術方法[3]。同時隨著全球定位技術發展，地表塌陷測量技術方法也逐漸豐富，開始從傳統的靜態定位測量向差分動態測量（GPS-RTK）發展[4-5]。差分動態測量（GPS-RTK）是GPS 測量的重要分支，具有測量精度高、效率高、操作簡單、功能齊全、全天候以及適用范圍廣泛等優點，在礦山測量中有較為廣泛應用[6-8]。當礦井開采區位于山區時，受到礦區地面條件復雜影響，GPS-RTK 在礦井采空區地面沉陷監測中應用較少。為此，文中就在前人相關研究基礎上，提出采用GPS-RTK 對礦井開采地表沉陷進行監測，并對GPS-RTK 在礦區采空區地表沉陷監測應用可靠性進行綜合分析，以期能更好地促進礦區采空區地表沉陷監測工作開展。

1 工程概況

1.1 地質概況

山西某礦為設計產能300 萬t/年的礦井，累積開采時間超過70 年，現階段南翼采區3 號煤層。礦井開采范圍內地表為丘陵地形，溝谷縱橫發育，地形較為復雜，在溝谷區多呈現V 字形。30305 綜采工作面回采3 號煤層，煤層厚度平均3.8 m，采面設計走向、傾向長度分別為690 m、198 m，頂底板巖性以泥巖、粉砂巖以及砂質泥巖等為主。在采面對應地表以荒地為主，采面底板標高+750～+805 m，對應地表標高為+1 125～+1 359 m。

1.2 地表沉陷區監測特殊性分析

1）礦井在山區內開采，對應地表為丘陵。井下采煤工作面回采后采空區頂板垮落會導致地表出現一定沉陷，在沉陷影響區范圍內可能會引發地表出現滑移或者滑坡等安全風險。

2）地表沉陷區監測范圍內條件惡劣、地形復雜、地表塌陷測量環境惡劣、監測設備架設難度大且通視困難。

3）地表沉陷區地形起伏較大，地球曲率以及大氣折光等均會給觀測結果帶來一定誤差；測線難以實現直線布置，觀測難度高且受到通視條件影響，需要布置多個轉站點。

4）地表高差較大，各個測點高程值存在明顯差異，導致各個測點基準高程不同，不僅增加測量誤差而且影響測量結果顯示；山區道路崎嶇、難以行走，監測是不宜采用笨重、難以攜帶或者精密設備。

2 GPS-RTK 技術現場應用

2.1 技術原理及技術優勢

2.1.1 技術原理

GPS-RTK 測量系統結構主要由測量軟件、GPS接收設備以及數據傳輸系統等構成，監測原理為載波相位實時差分，即將1 臺GPS 接收機固定到已知點作為基準站，將若干臺接收機置于載體上作為移動站，基準站以及移動站接收同一時間段內GPS 信號，具體見圖1 所示。基準站會接收GPS 衛星信號并數據進行編碼、調試后通過電臺數據鏈發射，移動站接收GPS 衛星以及基準站信電臺信號，并經內部專業軟件處理，得到基準站與移動站間基線向量。專業測量軟件依據基站站已知坐標數據以及基線向量即可求得各個移動站點坐標，按照給定轉換參數即可實現移動站點坐標系統轉換。

圖1 GPS-RTK 測量示意圖

2.1.2 技術優勢

GPS-RTK 測量在山區采空塌陷區地表沉陷監測中具有測量作業限制條件少、測量效率高、功能強大、精度高以及測量便捷等優點。采用GPS-RTK 測量時不需要有光學通道，滿足電磁波通視條件即可，塌陷區沉陷監測是受氣候、能見度、季節等因素影響較小；GPS-RTK 可一次性實現10 km 范圍內點位測量，不僅可減少控制點數量而且測量迅速，可明顯降低作業人員勞動強度并提高測量效率；RTK 可實現山區地表監測工作，監測期間自動獲取坐標并自動完成坐標轉換，保證作業精度；GPS-RTK 獲取到的平面、高程精度均可達到厘米級，可滿足采空區沉陷監測需要；測量使用的設備輕便、數據處理能力強以及操作便捷。

2.2 測量分析

2.2.1 RTK 測量分析

為了掌握礦井開采地表沉陷區塌陷規律，在30305 綜采工作面對應地表布置測線，測線上按照15 m 間隔布置測點，現場共計施工66 個測點。對測點變形量進行監測，具體GPS-RTK監測結果見圖2 所示。

圖2 GPS-RTK 監測結果

從圖2 中看出，0～25 測點地表沉陷量塵不斷增加趨勢，其中在25 測點附近沉陷量達到1 780 mm；從21～51 測點沉陷量轉降低，51 號測點之后的測點沉陷量值均為0。采用RTK 監測獲取到的塌陷區沉陷規律復合開采引起的地表沉陷規律，在采動充分區域即25 測點位置地表沉陷量最大，開采引起的沉陷盆地中心向邊緣位置沉陷呈減少趨勢；監測獲取到的沉陷變形量監測曲線呈對稱分布；在監測期間采面在不斷回采，在滯后回采工作面約380 m 位置時地表沉陷基本穩定且達到最大值。

2.2.2 GPS 靜態監測分析

GPS 靜態監測具備有監測精度高特點，根據已有研究成果顯示當現場測量條件較好時GPS 靜態監測獲取到的高程精度可滿足四等測量精度需要。為檢查GPS-RTK 測量精度，取5、15、25、35 等4 個測量點進行GPS測量并對比分析，具體對比測量結果見表1所示。

表1 測量對比結果 mm

從表1 看出，GPS-RTK 與GPS 測量結果基本一致，兩側之間測量偏差較小，最大偏差控制在16.72 mm 以內，表明現場采用的GPS-RTK 測量結果精準度較高。

2.2.3 監測數據修正分析

為了提高GPS-RTK 監測精度，取表1 中GPS、GPS-RTK 測量值差平均值作為監測修正值并對GPS-RTK 監測值進行修正，具體修正后GPS-RTK 測量監測曲線見圖3 所示。

圖3 修正后GPS-RTK 測量監測曲線

從圖3 中修正后的GPS-RTK 監測曲線與未修正的GPS-RTK 監測曲線變化趨勢一致，測量結果基本吻合。在后續的GPS-RTK 監測中，在測點中布置適當數量的GPS 靜態監測點不僅可實現GPS-RTK 監測結果精準度分析而且有助于后續監測數據處理、修正，從而提高GPS-RTK 監測應用效果。

3 結論

1）GPS-RTK 具有測量效率高、監測便捷、自動化程度高以及監測勞動強度小等優勢。在礦井采空塌陷區地表沉陷監測中采用GPS-RTK 獲取到的監測數據變化趨勢復合開采沉陷規律變化。

2）在GPS-RTK 測量中，可結合GPS 靜態監測結果對RTK 監測數據進行修正，從而達到進一步提升RTK 監測精度，提高現場監測效果。