基于GNSS的陽泉煤礦地表開采沉陷監測方法研究

耿睿智，耿智江，陳 真

（1.河南水文水資源局，河南 鄭州 450003；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

1 概 況

中國的山區占據了煤礦三分之一儲量，且開采較為嚴重。GNSS靜態測量模式是山區開采沉陷監測的首選方法，由于地表開采沉陷監測的特殊網絡類型，傳統的GNSS靜態監測方法需要更多的控制點[1]，浪費了人力、物力和財力。基于GNSS測量原理，提出了精密單點定位測量手段，討論了該方法的實際操作流程和數據處理方法，并進一步分析了該測量方法的優點。

如何有效監測山區地表沉陷，是研究山區地表沉陷的熱點和難點。大陽泉礦位于呂梁山脈中部的東部。它屬于中低山區，與河谷垂直和水平，主要呈“V”字形，切割十分劇烈。該地形西南高，東北低，最高點位于井場西南角的531孔附近，海拔1 305.35 m，最低點位于井場東北側的汾河河床。海拔1 000 m左右區域相對高度差通常為150～250 m，22618工作面走向長度2 092 m，傾角180 m，煤層厚度2.7～3.85 m，平均厚度3.4 m，煤層傾角平均4°，工作面高程為721～800 m，地表標高1 135—1 250 m，綜合機械化采礦方法。在工作面以上露天開采影響范圍內，興能電廠有一條粉煤灰皮帶運輸通道，并建有皮帶牽引機房。由于該礦區“三下采煤”資料嚴重缺乏，為有效評價該工作面開采沉陷的開采破壞程度，迫切需要開展地表開采沉陷監測工作。

2 GNSS精密單點定位

2.1 定位原理

GNSS精密點定位（PPP）是指根據觀測數據，利用全球多個IGS跟蹤站，計算出精密衛星軌道參數和衛星鐘差的GNSS，對單臺接收機（雙頻機）的載波相位或偽距數據進行處理，計算出所需相關參數和觀測結果，確定單點精密定位的精度主要有衛星觀測量與觀測值質量。精密星歷和精密鐘差精度是精密單點定位絕對定位精度的根本保證[2]。

單點定位是一種單點無聯測模式，根據一臺接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，也稱為“絕對定位”，還可用于檢測最終導航控制點的結果精度。其次，進入測區后，直接進行飛控點數據采集，各作業組按各自計劃獨立作業，互不通信，不同步觀測。

數據處理步驟如下。

（1）原始觀測數據轉換為RINEX格式數據。

（2）使用數據和數據質量檢測軟件對數據進行檢查，檢查MP1、MP2、可用率、可用衛星數是否符合相關規范要求。

（3）利用數據求解軟件對合格數據進行求解，得到已知點和飛行控制點的最終平面結果。

（4）利用擬大地水準面插值軟件對高層建筑進行轉換。PPP定位模型分為偽相位觀測和偽距觀測。測量距離是一個信號從衛星發射開始到有相應的設備收到這個期間，再與光速相乘計算出的數值。但是有各種不同的干擾因素存在，衛星到接收機計算出的結果與實際的距離會產生一定偏差，稱為偽距離。衛星信號的相位與接收機產生的參考信號存在的偏差，稱為相位觀測值。精密單點定位利用雙頻電離層對消技術可以消除電離層誤差。

2.2 優勢分析

傳統GPS單點定位技術采用偽距觀測值、衛星時鐘差和軌道參數進行定位。這樣可以簡化數據處理，但定位精度較低，一般為5～10 m。傳統的GPS單點定位由于電離層和對流層延遲等因素的作用，無法保證定位的準確性水平。即使對于電離層延遲這一影響因素可以實施相應措施來校正，也不能保證最終結果的準確度，只能滿足對精度水平要求較低的導航服務，卻無法做到對精度水平要求較高的測量、定軌。差分GPS對使用者來說操作便捷，該運算能夠在一定程度上降低誤差對準確性的影響，做到厘米級高精度定位。因此，導航定位行業的需求者一般都選擇差分GPS進行應用。不過，若想使用差分GPS進行工作，在工作區域一定范圍內要設立對應的基準站，由于這樣的距離限制，無法確保精度能夠平均分布，降低工作速度，加大了相關支出[3]。在采用精密單點定位技術的過程中，只需要一個接收信號裝置，不需要基站，測量站與基站的距離不受分離限制。同時，精密單點定位技術的定位精度較高，可以達到厘米級，甚至毫米級，具有廣闊的應用前景。

與傳統的GNSS控制測量相比，精確單點定位具有以下優點：①單接收機可以實現高精度定位，無累積誤差，經過兩年多的發展，在現有的硬件和軟件環境下，靜態精確單點定位精度可以達到厘米級甚至毫米級；②無需同步觀測和站間距離限制；③直接在ITRF框架下獲得三維坐標，解算點位置精度均勻；④最大限度地利用觀測值；⑤直接得到臺站坐標，觀測信息完整性好；⑥車站之間沒有距離限制；⑦不需要布設控制網，也不需要以國家高水平控制點的聯測為起點；⑧它具有數據采集簡單、效率高、降低生產成本等優點，能夠獲得全球一致的厘米級定位精度。

采用精密單點定位技術測量斷面基點，只需聯合測量幾個已知點即可進行坐標轉換和系統轉換。除截面基點外，沒有單獨的控制點，減少了平面控制點的數量。而且，由于精確的單點定位不需要同時觀測和多個GNSS，大幅提高了運行效率[7-8]。沉降監測試驗結果表明，精密單點定位觀測的定位精度在15 min內可達到20 cm，3 h內可達到4 cm，6 h內可達2 cm。PPP技術具有簡單的觀測要求，利用雙頻GNSS接收機進行靜態觀測就足夠了。觀測持續時間取決于所需的精度。數據處理需要專用軟件。在實際應用中，一般采用ITRF，觀測時間短。各站單點精密定位結果一般在同一參考系內，歷元時間跨度短。

3 在地表沉陷監測中的應用

3.1 觀測線布設

3.1.1 采煤沉陷角參數在觀測站設計中的選擇

此次研究地面移動觀測站的設計參數按照《西山礦區保護煤柱設計規程》(試行)確定。數值如下:

基巖運動角度:

煤礦松散層移動角:

修正的移動角（趨勢△δ，趨勢向上△γ，趨勢下△β）:

充分采挖角（方向Ψ）:

最大沉降角度:

3.1.2 觀測線位置、長度及觀測站布設

根據地表開采沉陷監測的需要和項目區的實際地形，在22618工作面上方布置3條觀測線。因其煤礦22618工作面開采的煤層屬于近水平煤層，擬在工作面上方地表中心布置走向觀測線。為確保傾斜觀測線位于礦區下沉盆地的主斷面上，傾斜觀測線和工作面邊界之間的距離關系見式（1）。

平均每個工作面開采深度是430 m，根據“煤礦調查規定”的要求，監控點之間的間距是30 m。在3條觀察線上共設置57個監測點，如圖1所示。

圖1 22618工作面地表開采沉陷監測點布設Fig.1 Layout of surface mining subsidence monitoring points in No.22618 Face

3.2 數據處理及分析

3.2.1 監測精度分析

根據本文提出的觀測方法，采取了GNSS精密單點定位的觀測方法來觀察22618工作面的地面沉降程度。但由于使用GNSS技術的限制，測量的平面精度高于高程精度[5]。因此，在此只研究高程測量精度，來探究本文提出的檢測方法是否能夠達到目的。本次實驗選取不同時間、不同地點采集數據樣本為觀測方法的可行性提供有力佐證。控制點及部分監測點解算高程中誤差見表1，控制點解算高程及相鄰兩期數據高差見表2。分析表1控制點及部分監測點解算高程中誤差控制點及部分監測點解算高程中誤差的數據可知，控制點與監測點的高程存在的最大誤差不超過5 mm，符合相關開采的標準要求。觀察表2控制點解算高程及相鄰兩期數據高差的數據，通過分析發現相關的偏差小于5 mm，在合理范圍內。側面證實了觀測數據可以直接使用，是有效的。

表1 控制點及部分監測點解算高程中誤差Table 1 Error in elevation solve of control points and some monitoring points

表2 控制點解算高程及相鄰兩期數據高差Table 2 Elevation difference of control points elevation solve and two adjacent data

3.2.2 地表觀測數據分析

按照相關煤礦行業章程中對于開采導致的后果中地表沉降的具體規定，從2016年4月開始在整個17個月里對于22618工作面，總計采取了10次觀測。通過圖2走向觀測線地表沉陷動態下沉可觀察到相關的走向趨勢。

（1）充分采動角。所謂的充分采動角是在完全開采條件下，地表移動盆地的末端，移動盆地的底部（在地面水平線上的投影點）和同一側采空區域的邊界層與煤層的夾角，從圖2可以看出，截止到2017年9月，地表的下沉不再有大幅度的變化，逐漸穩定下來。在工作面走向方向達到充分采動后，運動盆地平底兩側在地面的投影點，與同側開采工作面邊界的連線，在水平面上的投影為240 mm，開采深度430 mm可以推出，充分挖掘角為61°。

圖2 走向觀測線地表沉陷動態下沉Fig.2 Dynamic subsidence of surface subsidence on strike observation line

（2）超前影響角與超前影響距。根據走向監測數據可知，地表超前影響距為150 m，22618工作面平均采深為430 m，可計算得超前影響角。

（3）邊界角。在完全或幾乎完全開采的條件下，連接盆地極限點與采空區域極限的線與表層盆地主要部分的地平線之間的夾角稱為煤柱一邊的夾角。如果存在松散層，則邊界點必須沿松散層的運動角度趨勢投射到巖石表面。根據趨勢和趨勢觀測數據，趨勢方向上的邊界點與切口之間的長度為270 m，表面上的松散層稱之為黃土層，一般情況都是5 m的厚度。由于該層的移動角為45°，因此=arctan(425/265)=58°；在向上的方向上，地面下沉的邊界點在采空區的向上邊界之外210 m，因此，上山邊界角=arctan(425/205)=64°;在向下的方向上，地面的沉降點在采空區的下限之外300 m，因此下山邊界角=arctan（425/295）=55°。

（4）移動角。在完全或近距離開采的條件下，地表運動盆地主要部分的3個臨界變形值中最外面的是邊界到采空側面的連接線和水平線形成的角度稱為運動角度。如果還有疏松層，則最靠外的點應跟隨疏松層的位移角方向到巖石表面。

通過整理走向傾角觀測線的地表傾角、水平移動和水平的變形數據，可以看出，在走向上，地表傾角值為3 mm/m的點位于露天礦外91 m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點位于露天礦外約40 m處。地表水平變形為2 mm/m的點位于露天切口外75 m處。最外點在開闊地外91 m，地面標高364 m，基巖外露，故地面走向運動角度=arctan(364/91)=76°。在上坡方向，地表傾角為3 mm/m的點位于上坡邊界外80m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點位于工作面;地表水平變形為2mm/m的點位于上山邊界外100 m處。考慮松散層的影響，上坡移動角度=Arctan(425/95)=77°。在下坡方向，表面傾角為3 mm/m的點位于下坡邊界外110 m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點位于下坡邊界外約75 m處。地表水平變形為2 mm/m的點位于下坡邊界外139 m處。考慮松散層的影響，可以得到下坡移動角=arctan(425/134)=72.5°。由以上分析可知，該地質采礦條件下，地表開采沉陷移動角較大，這主要是受采深和地形的影響所致。

4 結 論

（1）分析了目前狀況下多種觀測山區地面沉降時常用的方法的優缺點。參考CORS測量時的相關理念與思考方向，提出了一種新的GNSS精密單點定位測量方法，并詳細闡述了該方法所需要的技術以及如何處理相關原始數據，并研究了該方法相比于其他方法的可取之處。

（2）以控制點和部分監測點的其中四期監測數據為例，分析了基于靜態GNSS雙基線山區測量方法的精度，結果顯示高程解算中誤差均未超過5 mm，證實了該方法的可靠性；通過對比分析控制點各期高程測量結果，表明2個控制點的數據高程相鄰2個周期的差值均小于3 mm，驗證了本文中提出的監測方法的有效性。

（3）以22618工作面開采為工程背景，設計了工作面地面沉降觀測路線。開展了基于GNSS精密單點定位測量方法相關應用研究，獲得了該地質采礦條件下的地表開采沉陷的部分角量參數，進一步驗證該技術的優越性。