嘉樂(lè)泉礦區(qū)GPS變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及可行性分析

崔鵬艷，楊宮印，王 婷

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

隨著礦區(qū)的不斷開(kāi)采，礦區(qū)地表出現(xiàn)變形、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，針對(duì)不同礦區(qū)采用不同的變形監(jiān)測(cè)方案。趙海軍等[1]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到了急傾斜礦體隨著開(kāi)采工作面掘進(jìn)的巖體移動(dòng)規(guī)律以及其變形原因。劉增輝等[2]通過(guò)光纖傳感器技術(shù)對(duì)礦井圍巖的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析。通過(guò)D-InSAR 遙感技術(shù)可以全天時(shí)、全天候的對(duì)開(kāi)采礦區(qū)的地表變形進(jìn)行不間斷的監(jiān)測(cè)[3-4]。馬鳳山等[5]利用GPS技術(shù)對(duì)地表巖石移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，研究了地表巖移特征及其產(chǎn)生的原因。GPS 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全天候連續(xù)性無(wú)人值守觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，能夠自動(dòng)化的進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、處理和管理[6-9]。 本研究以嘉樂(lè)泉礦區(qū)為例，通過(guò)對(duì)GPS變形監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)及可行性分析，得到適應(yīng)于該礦區(qū)的變形監(jiān)測(cè)方案，為其他礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

嘉樂(lè)泉礦區(qū)的地理位置為北緯37(°)58(′)45(″)～38(°)1(′)45(″)，東經(jīng)112(°)3(′)45(″)～112(°)7(′)30(″)，礦區(qū)南北長(zhǎng)4.7 km，東西寬1.5 km，總面積7.034 2 km2。礦區(qū)交通條件良好，本礦有通往太原的鐵路煤運(yùn)專線，礦區(qū)有條季節(jié)性獅子河，礦區(qū)地理位置分布見(jiàn)圖1。

2 變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

嘉樂(lè)泉煤礦礦區(qū)GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分3級(jí)布設(shè)，即GPS基準(zhǔn)網(wǎng)、GPS基點(diǎn)網(wǎng)和GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，依據(jù)有關(guān)資料對(duì)3種網(wǎng)的布設(shè)作出方案設(shè)計(jì)。

圖1 礦區(qū)地理位置分布

2.1 GPS基準(zhǔn)網(wǎng)

GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)是礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)，以基準(zhǔn)點(diǎn)為固定點(diǎn)，對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)的選取要遵循正確、穩(wěn)定、可靠的原則。在對(duì)GPS基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要確保能夠與研究區(qū)周圍的已知控制網(wǎng)點(diǎn)實(shí)施聯(lián)測(cè)，進(jìn)而對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的可靠性進(jìn)行分析?；鶞?zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)向量的中誤差σ≤1×10-6·D。當(dāng)基線長(zhǎng)度D<3 km時(shí)，基線分量絕對(duì)精度≤3 mm。

提前1個(gè)月對(duì)GPS基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)站，并對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行至少兩次的觀測(cè)，以檢測(cè)其穩(wěn)定性。后期的礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)實(shí)施階段，仍需定期對(duì)礦區(qū)的基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，保障礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)獲取數(shù)據(jù)的有效性。

在建立礦區(qū)基準(zhǔn)網(wǎng)的時(shí)候，應(yīng)該考慮基準(zhǔn)網(wǎng)的基準(zhǔn)選擇，在設(shè)計(jì)嘉樂(lè)泉礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)時(shí)建立獨(dú)立坐標(biāo)系，然后根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將獲取的獨(dú)立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)統(tǒng)一化。

GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位的選取依據(jù)以下5點(diǎn)要求：①點(diǎn)位的地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定性強(qiáng)、利于長(zhǎng)時(shí)期的保存，最好選取在基巖上；②點(diǎn)位周圍15(°)以上空間區(qū)域，無(wú)障礙物遮擋，便于接受GPS信號(hào)；③點(diǎn)位距離變壓器等干擾源要超過(guò)200 m，距離電視臺(tái)等一些強(qiáng)信號(hào)源要超過(guò)400 m；④點(diǎn)位周圍沒(méi)有建筑物、山坡、大片平靜的水面等信號(hào)反射物，以免引起多路徑效應(yīng)誤差；⑤能有效地解決生活、交通、供電等問(wèn)題。

基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位選取之后，依據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)繪規(guī)范》在實(shí)地繪制點(diǎn)。所有GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)都應(yīng)參考《GPS測(cè)量原理及應(yīng)用》建造GPS觀測(cè)墩。建立在基巖上的觀測(cè)墩應(yīng)使其穩(wěn)定1個(gè)月后才可以用于觀測(cè)，非基巖上的觀測(cè)墩至少經(jīng)過(guò)1個(gè)雨季才可以用于觀測(cè)。

2.2 GPS基點(diǎn)網(wǎng)

基點(diǎn)是用來(lái)連接基準(zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的過(guò)渡點(diǎn)。通過(guò)將基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，形成該礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的首級(jí)網(wǎng)，用來(lái)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形情況。將基點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)，形成該礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的次級(jí)網(wǎng)，最終得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于工作基點(diǎn)的變形情況。通常在實(shí)際工程中，根據(jù)情況一般將基準(zhǔn)網(wǎng)與基點(diǎn)網(wǎng)同時(shí)布設(shè)一個(gè)網(wǎng)作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)網(wǎng)。

GPS基點(diǎn)的點(diǎn)位選取依據(jù)以下要求：①點(diǎn)位的地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定性強(qiáng)、利于長(zhǎng)時(shí)期的保存，點(diǎn)位應(yīng)選擇在礦區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；②其他要求同GPS基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)。

基點(diǎn)位置一般選擇在研究區(qū)地勢(shì)較高的區(qū)域，以便利用GPS監(jiān)測(cè)時(shí)接收信號(hào)。研究區(qū)的地勢(shì)如圖2所示，礦區(qū)地勢(shì)變化較大，根據(jù)嘉樂(lè)泉礦區(qū)地形地貌的實(shí)際情況，選擇了A1～A6這6個(gè)基點(diǎn)來(lái)構(gòu)成基點(diǎn)網(wǎng)，設(shè)計(jì)的礦區(qū)基點(diǎn)網(wǎng)如圖3所示。將這6個(gè)點(diǎn)分布與研究區(qū)的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，檢測(cè)這6個(gè)基點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形情況。

圖2 觀測(cè)站黃土地貌

圖3 GPS基點(diǎn)網(wǎng)網(wǎng)形圖

利用GPS靜態(tài)測(cè)量的方法對(duì)礦區(qū)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，這種觀測(cè)方法的精度高，數(shù)據(jù)可靠性大。在對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，分別將6臺(tái)GPS接收機(jī)安置在選取的基準(zhǔn)點(diǎn)上，每次觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為1～2 h，至少進(jìn)行兩次同步觀測(cè)，利用GPS測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，通過(guò)數(shù)據(jù)平差的處理方法得到觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)。

2.3 GPS形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)是選取在變形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)與工作基點(diǎn)連接形成變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，作為整個(gè)變形監(jiān)測(cè)期間的觀測(cè)網(wǎng)。

GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位應(yīng)盡量選擇在比較穩(wěn)定的地方(如樓房的房頂)，并按一定的距離進(jìn)行設(shè)點(diǎn)。結(jié)合研究區(qū)的地形圖(見(jiàn)圖4)，根據(jù)GPS的布網(wǎng)原則，在礦區(qū)總共布設(shè)了24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

根據(jù)地形圖本次的選點(diǎn)主要選在地勢(shì)比較高的地方，有利于GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)。本次觀測(cè)選擇基準(zhǔn)點(diǎn)A2、A6作為基點(diǎn)，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)形如圖5所示。

圖4 礦區(qū)地形

圖5 GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

將精度和費(fèi)用作為主要考慮因素，本次測(cè)量工作采用的是快速靜態(tài)測(cè)量法。將兩臺(tái)GPS接收機(jī)安置在選好的基準(zhǔn)點(diǎn)A2和A6上固定不動(dòng)，進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，另外4臺(tái)GPS接收機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上有序移動(dòng)，并且與基準(zhǔn)點(diǎn)A2和A6點(diǎn)處的接收機(jī)構(gòu)成閉合環(huán)進(jìn)行觀測(cè)，每次觀測(cè)1～2 h(采樣間隔為5秒)，將監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)每次觀測(cè)處理得到的三維坐標(biāo)的變化量來(lái)研究監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律。

根據(jù)礦區(qū)的開(kāi)采情況，我們選擇以1個(gè)月為周期對(duì)礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，繪制出變形曲線圖，作為礦區(qū)開(kāi)采掘進(jìn)的參考依據(jù)，使礦區(qū)安全有效的進(jìn)行開(kāi)采工作。

3 可行性分析

3.1 效率指標(biāo)

在礦區(qū)，通過(guò)2個(gè)基點(diǎn)對(duì)24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)研究，其中設(shè)計(jì)的總觀測(cè)點(diǎn)數(shù)的個(gè)數(shù)n等于26個(gè)，同步觀測(cè)使用的GPS總個(gè)數(shù)為m等于6臺(tái)，則該礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的最小觀測(cè)期數(shù)如式(1)所示。以兩期變形監(jiān)測(cè)為例，則其變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重復(fù)設(shè)站率為R為2，最小觀測(cè)期數(shù)如式(2)所示。實(shí)際觀測(cè)期數(shù)為S為12，則礦區(qū)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的效率指標(biāo)中理論設(shè)計(jì)效率e1為式(3)，實(shí)際效率e2為式(4)，總效率e如式(5)所示。

Smin=INT(n-1)/(m-1)=INT(26-1)/

(6-1)=5

(1)

SR=INT(R·n/m)=INT(2·26/6)=8

(2)

e1=Smin/SR=5/8

(3)

e2=SR/S=Rn/Sm=8/12=2/3

(4)

e=e1×e2=5/8×2/3=5/12

(5)

由式(3)～(5)可知：e1是該礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的理論設(shè)計(jì)效率，e2為其實(shí)際設(shè)計(jì)效率，e2值為1時(shí)，效率最高，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要求e2最好大于0.9，其利用率才能滿足需求；e為變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的總效率，當(dāng)R=2時(shí)，總效率e通常在0.6附件。根據(jù)上述的計(jì)算可知該網(wǎng)的效率指標(biāo)偏低，其有待提高。

3.2 可靠性指標(biāo)

該礦區(qū)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)中總觀測(cè)點(diǎn)數(shù)n=26，其中必要觀測(cè)基線向量參數(shù)為n-1=25，觀測(cè)過(guò)程中同步使用m=6臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此研究區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的獨(dú)立觀測(cè)基線向量總數(shù)為式(6)所示，其進(jìn)行多余觀測(cè)基線向量的參數(shù)為式(7)所示，因此，研究區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的平均可靠性指標(biāo)為式(8)所示。

P=SR(m-1)=8×(6-1)=40

(6)

r=SR(m-1)-(n-1)=8×(6-1)-

(26-1)=15

(7)

η=r/P=1-(n-1)/SR(m-1)=1-

(26-1)/8(6-1)=3/8

(8)

由式(6)～(8)可知，研究區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重復(fù)設(shè)站率R值越大，則該網(wǎng)的平均可靠性η越高。當(dāng)設(shè)計(jì)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重復(fù)設(shè)站率R=2時(shí)，該網(wǎng)的平均可靠性指標(biāo)η應(yīng)大于0.33：當(dāng)R=2時(shí)，平均可靠性如果達(dá)到0.34以上，則表明該設(shè)計(jì)網(wǎng)形的可靠性較高。本礦區(qū)設(shè)計(jì)的網(wǎng)形中η=3/8=0.375>0.34，較高的可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 精度指標(biāo)

GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度指標(biāo)D可通過(guò)式(9)計(jì)算求得，計(jì)算結(jié)果中D值越小，則該監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度的平均增益越大。

D=(P-r)/P=1-r/P=1-η=1-3/8=5/8

(9)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，較高的精度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 經(jīng)費(fèi)指標(biāo)

每臺(tái)GPS接收機(jī)每觀測(cè)一期的平均費(fèi)用大約為200元，根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的總點(diǎn)數(shù)和重復(fù)設(shè)站率，利用式(10)計(jì)算該網(wǎng)形的總觀測(cè)費(fèi)用。

F=c·S·m=200×24×6=28 800(元)

(10)

4 結(jié) 語(yǔ)

1)根據(jù)礦區(qū)GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了嘉樂(lè)泉礦區(qū)GPS基準(zhǔn)網(wǎng)、GPS基點(diǎn)網(wǎng)和GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)規(guī)劃。

2)對(duì)該礦區(qū)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行了可行性分析，本次變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)具有較優(yōu)的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，較高的可靠性和精度以及較低的費(fèi)用，可用于該礦區(qū)的變形監(jiān)測(cè)。

3)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)際效率偏低，在之后的變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)合理地設(shè)置該礦區(qū)GPS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重復(fù)設(shè)站率來(lái)提高觀測(cè)網(wǎng)的效率指標(biāo)。