基于GPS技術(shù)的礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)研究

苗 雨

（山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)瑞龍煤業(yè)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045499）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求，煤炭產(chǎn)量也逐年增加。煤炭資源大規(guī)模采出后必然會(huì)對(duì)礦區(qū)及周邊地表造成移動(dòng)變形，而常規(guī)的測(cè)量?jī)x器設(shè)備無法快速且高精度的得到地表變形信息。因此，采取科學(xué)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制地表下沉，有效的避免礦區(qū)安全及災(zāi)害防治問題至關(guān)重要。

目前，針對(duì)礦區(qū)地表變形數(shù)據(jù)測(cè)量的方法有很多，如：GPS、INSAR、數(shù)字近景攝影測(cè)量、三維激光掃描等技術(shù)[1,2]。其中GPS技術(shù)具有高精度、快速及全方位全天候的特點(diǎn)，已經(jīng)在工程勘察、變形監(jiān)測(cè)等方面取得了較大的應(yīng)用。但由于存在監(jiān)測(cè)不連續(xù)、數(shù)據(jù)處理落后導(dǎo)致錯(cuò)過最佳預(yù)警時(shí)機(jī)等缺點(diǎn)，現(xiàn)將GPS與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)結(jié)合在一起組成GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地表變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1 GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

GPS具有高效性、全天候、實(shí)時(shí)性、高精度等特點(diǎn)，但對(duì)于礦區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)，不僅僅只注重于結(jié)果數(shù)據(jù)，更需要快速的分析其產(chǎn)生變形的原因及變形趨勢(shì)，實(shí)時(shí)的制定出相應(yīng)的決策措施控制地表變形[3]。

因此，GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)預(yù)警等4個(gè)部分。

1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集包括GPS參考站與變形監(jiān)測(cè)站。參考站是作為一參照標(biāo)準(zhǔn)，與常規(guī)監(jiān)測(cè)中的基準(zhǔn)點(diǎn)具有相同的作用。GPS參考站設(shè)置點(diǎn)需地質(zhì)條件好，且處于穩(wěn)定狀態(tài)，便于穩(wěn)定性分析，并無顯著多路徑效應(yīng)，適合常規(guī)的GPS觀測(cè)條件，而變形監(jiān)測(cè)站設(shè)置于需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的位置點(diǎn)上，需能夠有效地反應(yīng)整個(gè)礦區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種變形特征，典型的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)需設(shè)置為連續(xù)運(yùn)行的觀測(cè)站。

2）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳遞到處理中心進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括有線傳輸和無線傳輸兩部分。礦區(qū)信號(hào)良好時(shí)，可以直接通過無線傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，信號(hào)較差時(shí)為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，可以選擇采用有線傳輸進(jìn)行快速傳遞數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括通信設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、顯示設(shè)備、輸出設(shè)備等。數(shù)據(jù)由GPS采集系統(tǒng)采集后通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，處理中心會(huì)針對(duì)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，針對(duì)關(guān)鍵的地表變形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析原因，并給出其下一步預(yù)測(cè)趨勢(shì)，提供重要數(shù)據(jù)給相關(guān)部門進(jìn)行處理，給出相應(yīng)的控制措施，從而控制礦區(qū)地表變形，有效地避免地質(zhì)災(zāi)害。

4）監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過處理中心得到的分析結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，將典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過處理程序得到其位移量，并繪制變形曲線圖，再根據(jù)安全控制防范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)警指標(biāo)，及時(shí)顯示預(yù)警信息[4]。

2 GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將GPS技術(shù)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等結(jié)合在一起組成了礦區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如下：

1）礦區(qū)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)賦存情況結(jié)合需要監(jiān)測(cè)的位置點(diǎn)，合理的提出監(jiān)測(cè)要求，進(jìn)一步規(guī)劃，確定礦區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)方案，并選取合適的檢測(cè)設(shè)備，負(fù)責(zé)檢測(cè)整個(gè)礦區(qū)典型區(qū)域的移動(dòng)變形。

2）建立GPS監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)。根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，對(duì)GPS基線網(wǎng)進(jìn)行勘測(cè)和設(shè)計(jì)，獲取基線解，并根據(jù)不同的參數(shù)估計(jì)理論進(jìn)行基線網(wǎng)和坐標(biāo)系統(tǒng)的迅速轉(zhuǎn)換。

3）建立似大地水準(zhǔn)面模型。根據(jù)地球重力場(chǎng)建立重力大地水準(zhǔn)面模型，然后結(jié)合GPS技術(shù)進(jìn)行擬合，從而建立礦區(qū)似大地水準(zhǔn)面模型。模型建立完成后要通過典型數(shù)據(jù)對(duì)模型的可靠性及精度進(jìn)行檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)后才可以投入使用。

4）GPS數(shù)據(jù)采集與處理分析。根據(jù)采集系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，用圖表的形式輸出GPS采集得到的數(shù)據(jù)，并預(yù)測(cè)下一步趨勢(shì)，超出規(guī)范范圍時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

3 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理

本節(jié)重點(diǎn)介紹采集得到數(shù)據(jù)后，如何進(jìn)行計(jì)算分析，得到礦區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)變形。

3.1 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)基線向量處理

采用載波相位觀測(cè)的雙差模型進(jìn)行對(duì)GPS檢測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)基線向量的處理，以初始整周模糊度改正數(shù)WN以及基線向量改正數(shù)Wx，Wy，Wz為參數(shù)，進(jìn)行監(jiān)理得到到誤差方程式模型表達(dá)式[5]為：

式中：a,b,c為方程系數(shù)，W為常數(shù)項(xiàng)，1,2表示觀測(cè)歷元測(cè)站，則可以確定ti得到的誤差方程組矩陣為：

則可以得到某個(gè)固定時(shí)段時(shí)，礦區(qū)全監(jiān)測(cè)網(wǎng)的誤差表達(dá)式為：

式中：A為總的系數(shù)矩陣；V為向量（v1,v2…vn）T；Wx為初始整周模糊度和基線向量改正數(shù)的修正值矩陣。然后引入位置基準(zhǔn)值針對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的變形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，位置基準(zhǔn)點(diǎn)采用誤差較小的WGS-84點(diǎn)，以保證位置基準(zhǔn)點(diǎn)不會(huì)引起監(jiān)測(cè)網(wǎng)中觀測(cè)值的變形，既可以得到監(jiān)測(cè)網(wǎng)中任何位置基準(zhǔn)點(diǎn)絕對(duì)誤差不大于10m，最后建立基準(zhǔn)方程：

即可以得到監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的觀測(cè)值為：

最后根據(jù)觀測(cè)值及可以計(jì)算得到該點(diǎn)的坐標(biāo)值。

3.2 檢驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定性

假設(shè)某觀測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的位移向量為：m=X-X（ti），根據(jù)F分布檢驗(yàn)法計(jì)算可以得到m的單位權(quán)方差，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量F=em2/e2，選取合適的置信度T，進(jìn)行比較：當(dāng)F＜FT時(shí)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，否則，監(jiān)測(cè)點(diǎn)有顯著移動(dòng)，不穩(wěn)定。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為保證在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中不降低數(shù)據(jù)結(jié)果的精度，可以進(jìn)行兩種坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行比較取合適值。第一種轉(zhuǎn)換是將礦區(qū)原有生產(chǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定點(diǎn)聯(lián)立求得轉(zhuǎn)換參數(shù)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為礦區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)坐標(biāo)。第二種轉(zhuǎn)換方法為選取中央子午線建立平面坐標(biāo)系，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為此平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形計(jì)算分析

通過穩(wěn)定性檢驗(yàn)的點(diǎn)可以作為基準(zhǔn)點(diǎn)使用，進(jìn)而得到監(jiān)測(cè)網(wǎng)中發(fā)生移動(dòng)的點(diǎn)的變形量、變形趨勢(shì)，判斷該點(diǎn)的變形是否達(dá)到了臨界值，并進(jìn)行預(yù)警。

4 工程實(shí)例

某礦采用了基于GPS技術(shù)的礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在礦區(qū)建立GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，根據(jù)地質(zhì)賦存條件特征，在礦區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置25個(gè)典型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)位兼顧生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)兩用，如圖1所示。

針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)6期，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，按前面所述方法進(jìn)行檢驗(yàn)，得到其中GS02、GS10、GS13、GS15、GS23 共計(jì) 5 個(gè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可作為基準(zhǔn)點(diǎn)使用。并進(jìn)一步計(jì)算可以得到最小下沉量Wmin=7.2mmm，最大下沉量Wmax=53mm，最小水平位移量Xmin=2.5mm，最大水平位移量Xmax=8.9mm，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以得到礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境處于緩慢變形的不穩(wěn)定狀態(tài)，需要進(jìn)一步采取控制措施。

圖1 某礦區(qū)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

5 結(jié)束語

GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一定程度上實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，可以提供礦區(qū)范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)精確的坐標(biāo)信息，并作出相關(guān)變形趨勢(shì)預(yù)測(cè)及預(yù)警。相較于傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更為精確、并有著連續(xù)性、自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，在煤礦地表監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)有著廣闊的應(yīng)用前景。