基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統(tǒng)

何艷超

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)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(tǒng)技術(shù)與GNSS技術(shù)相結(jié)合，通過建立地表移動監(jiān)測站，不斷簡化地表移動監(jiān)測工作的工作任務(wù)，進(jìn)一步提升工作人員的工作質(zhì)量[1]。因此，基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統(tǒng)成為現(xiàn)今較熱的話題，如何對其進(jìn)行應(yīng)用分析，成為了相關(guān)人員應(yīng)該考慮的問題。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 GNSS

是一種利用全球所有的衛(wèi)星導(dǎo)航建立起來的，能夠覆蓋全世界的無線、全天候的電子導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前能夠利用的系統(tǒng)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(wèi)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(shè)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(tài)定位

目前GNSS定位就是利用多個觀測站進(jìn)行同時觀測，直到確定GNSS的直接相對位置。GNSS靜態(tài)定位經(jīng)常采用全球性或者國家級別的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)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(yùn)動檢測網(wǎng)、建立長距離的檢?；€、對島嶼和大陸進(jìn)行觀測，對鉆井定位以及精密的工程進(jìn)行控制，建立地表綜合觀測站等。尤其是建立地表觀測站內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)γ旱V礦井附近的井點(diǎn)進(jìn)行連接，保證井下的檢測系統(tǒng)處于同一坐標(biāo)之上。

圖1 地表移動觀測系統(tǒng)構(gòu)成

1.1.2 實(shí)時動態(tài)測量

實(shí)時動態(tài)測量中主要應(yīng)用的技術(shù)叫做real time kimematic，簡稱為RTK技術(shù)。他是與全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析通訊技術(shù)的結(jié)合，能夠進(jìn)行載波相位實(shí)時動態(tài)差分定位，為測量站提供一個三維的測量結(jié)果。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用主要是通過基準(zhǔn)站的接收機(jī)、數(shù)據(jù)鏈、接收站的接收機(jī)三個部分來共同完成工作的。通過應(yīng)用，在對地表移動觀測站項(xiàng)目進(jìn)行觀察時，RTK無法滿足較高程的水準(zhǔn)，只能用于日常檢測點(diǎn)的平面測量。

1.1.3 GNSS實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)是一項(xiàng)集多種技術(shù)為一體的綜合系統(tǒng)。如圖2所示，GNSS實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的基站設(shè)立在一個相對較為安全的非變形區(qū)，一般來說這樣的基站都要建立在礦區(qū)附近的廣場上，監(jiān)測點(diǎn)要設(shè)置在需要檢測的地面上方。該系統(tǒng)主要有接收器、接線、通訊、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)分析等幾部分組成在監(jiān)測工作中，將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到基站以及監(jiān)測站，通過專業(yè)的監(jiān)測軟件將對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出最精準(zhǔn)的結(jié)果。這個系統(tǒng)也存在著一定的缺陷，就是投入的成本過高，且監(jiān)測站的使用程度不高，一旦在建設(shè)中出現(xiàn)監(jiān)測站點(diǎn)設(shè)計(jì)的不合理問題，就會導(dǎo)致在日后非工作中該監(jiān)測點(diǎn)被荒廢，浪費(fèi)了人力、物力和財(cái)力。但是這種技術(shù)能夠?qū)Φ乇硭莸谋O(jiān)測起到重要作用[3]。

圖2 GNSS實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

1.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀

數(shù)字水平儀是集光學(xué)技術(shù)、編碼技術(shù)、圖像處理技術(shù)、電子技術(shù)等多種技術(shù)為一體的高精密儀器。主要的特性就是精準(zhǔn)度較高、速度較快、在操作上易于上手且工作強(qiáng)度較低。在使用中這種儀器能夠通過設(shè)定限差、測站數(shù)據(jù)質(zhì)量評定、計(jì)算等功能，為測量工作提供普通光學(xué)水準(zhǔn)儀不能夠提供的功能，在優(yōu)越性上大大超越了光學(xué)水平儀。另外這兩種技術(shù)的區(qū)別還體現(xiàn)在編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺的寬度與刻度上，在處理圖片識別時也有著精細(xì)化的差別。

數(shù)字水準(zhǔn)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(jīng)符合一等標(biāo)準(zhǔn)。工作流程為：首先要根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行設(shè)定作業(yè)的技術(shù)指標(biāo)，然后進(jìn)行水準(zhǔn)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(zhǔn)水準(zhǔn)尺，如果測量的誤差超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)誤差，就要立即提醒測量人員，進(jìn)行重新測量。

2 工程實(shí)例

以某礦區(qū)2017年的地表觀測站工作為例，進(jìn)行GNSS的煤礦地表移動觀測系統(tǒng)的分析。

2.1 觀測站的布設(shè)

根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地形地貌進(jìn)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(shè)，走向?yàn)?52 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(shè)7個觀測點(diǎn)包括3個走向點(diǎn)和4個傾向點(diǎn)。走向點(diǎn)號分別為KZ1、KZ2、KZ3；傾向點(diǎn)號分別為 KAQ1、KAQ2、KAQ3、KAQ4。將 Z37 設(shè)定為兩條線之間的交叉點(diǎn)，形成“1+3”的一個基準(zhǔn)站+三個監(jiān)測站的模式。具體的布設(shè)情況如圖3所示。

2.2 觀測站的觀測

地表移動觀測是一項(xiàng)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(wěn)定期都進(jìn)行觀測，才能夠結(jié)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析，設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)，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(shè)圖

表1 觀測站的觀測周期及觀測的工作內(nèi)容

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

充分繼承了GNSS高精度、高效率、多功能、便捷操作、全天候作戰(zhàn)等特點(diǎn)，形成了自身以下四種特點(diǎn)：其一，記錄數(shù)據(jù)的無紙化，在系統(tǒng)中采用了數(shù)字化的技術(shù)，保障了數(shù)據(jù)在儲存其質(zhì)無需用實(shí)質(zhì)紙張進(jìn)行記錄，在工作中確保數(shù)據(jù)能夠被長久的保留，以便于數(shù)據(jù)的查找。其二，可靠性，通過系統(tǒng)中多項(xiàng)功能的應(yīng)用，各個檢測功能之間的相互驗(yàn)證，避免出現(xiàn)工作的重復(fù)進(jìn)行，保證工作能夠高質(zhì)量的完成。其三，信息化，在檢測中一旦出現(xiàn)地表不可控制的下陷情況，信息化的預(yù)警系統(tǒng)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(shù)據(jù)的質(zhì)量，在工程造價中尋求一個平衡點(diǎn)。

4 結(jié)語

基于GNSS的煤礦地表移動觀測系統(tǒng)的分析在增強(qiáng)煤礦礦區(qū)的煤礦地表移動觀測能力、促進(jìn)地表移動觀測系統(tǒng)的技術(shù)革新上有著積極的作用，對于我國煤礦企業(yè)的發(fā)展也至關(guān)重要。在此過程中，GNSS中的GNSS靜態(tài)定位、實(shí)時動態(tài)測量、GNSS實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)與數(shù)字水準(zhǔn)儀等技術(shù)的分析能夠提升該領(lǐng)域發(fā)展的活力，不斷促進(jìn)GNSS的煤礦地表移動觀測系統(tǒng)的發(fā)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(jiān)測數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京測繪，2015（3）：75-78.

[2] 姚佩超，杭玉付，余學(xué)祥，等.煤礦開采地表移動自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，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(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪與空間地理信息，2015（6）：94-97.