基于GPS-RTK 技術(shù)的煤礦開采沉陷監(jiān)測的研究

靳云全

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司， 山西 離石 033000）

隨著礦井采掘范圍以及強(qiáng)度增加，采空區(qū)影響范圍呈增大趨勢，掌握采空區(qū)地表沉陷規(guī)律對實(shí)現(xiàn)三下采煤、留設(shè)保護(hù)煤柱等均有顯著的促進(jìn)意義[1-2]。在地面構(gòu)建移動監(jiān)測站時實(shí)現(xiàn)采空區(qū)塌陷監(jiān)測的較為可靠的技術(shù)方法[3]。同時隨著全球定位技術(shù)發(fā)展，地表塌陷測量技術(shù)方法也逐漸豐富，開始從傳統(tǒng)的靜態(tài)定位測量向差分動態(tài)測量（GPS-RTK）發(fā)展[4-5]。差分動態(tài)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(yōu)點(diǎn)，在礦山測量中有較為廣泛應(yīng)用[6-8]。當(dāng)?shù)V井開采區(qū)位于山區(qū)時，受到礦區(qū)地面條件復(fù)雜影響，GPS-RTK 在礦井采空區(qū)地面沉陷監(jiān)測中應(yīng)用較少。為此，文中就在前人相關(guān)研究基礎(chǔ)上，提出采用GPS-RTK 對礦井開采地表沉陷進(jìn)行監(jiān)測，并對GPS-RTK 在礦區(qū)采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測應(yīng)用可靠性進(jìn)行綜合分析，以期能更好地促進(jìn)礦區(qū)采空區(qū)地表沉陷監(jiān)測工作開展。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦為設(shè)計(jì)產(chǎn)能300 萬t/年的礦井，累積開采時間超過70 年，現(xiàn)階段南翼采區(qū)3 號煤層。礦井開采范圍內(nèi)地表為丘陵地形，溝谷縱橫發(fā)育，地形較為復(fù)雜，在溝谷區(qū)多呈現(xiàn)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(shè)計(jì)走向、傾向長度分別為690 m、198 m，頂?shù)装鍘r性以泥巖、粉砂巖以及砂質(zhì)泥巖等為主。在采面對應(yīng)地表以荒地為主，采面底板標(biāo)高+750～+805 m，對應(yīng)地表標(biāo)高為+1 125～+1 359 m。

1.2 地表沉陷區(qū)監(jiān)測特殊性分析

1）礦井在山區(qū)內(nèi)開采，對應(yīng)地表為丘陵。井下采煤工作面回采后采空區(qū)頂板垮落會導(dǎo)致地表出現(xiàn)一定沉陷，在沉陷影響區(qū)范圍內(nèi)可能會引發(fā)地表出現(xiàn)滑移或者滑坡等安全風(fēng)險。

2）地表沉陷區(qū)監(jiān)測范圍內(nèi)條件惡劣、地形復(fù)雜、地表塌陷測量環(huán)境惡劣、監(jiān)測設(shè)備架設(shè)難度大且通視困難。

3）地表沉陷區(qū)地形起伏較大，地球曲率以及大氣折光等均會給觀測結(jié)果帶來一定誤差；測線難以實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)站點(diǎn)。

4）地表高差較大，各個測點(diǎn)高程值存在明顯差異，導(dǎo)致各個測點(diǎn)基準(zhǔn)高程不同，不僅增加測量誤差而且影響測量結(jié)果顯示；山區(qū)道路崎嶇、難以行走，監(jiān)測是不宜采用笨重、難以攜帶或者精密設(shè)備。

2 GPS-RTK 技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

2.1 技術(shù)原理及技術(shù)優(yōu)勢

2.1.1 技術(shù)原理

GPS-RTK 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由測量軟件、GPS接收設(shè)備以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等構(gòu)成，監(jiān)測原理為載波相位實(shí)時差分，即將1 臺GPS 接收機(jī)固定到已知點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，將若干臺接收機(jī)置于載體上作為移動站，基準(zhǔn)站以及移動站接收同一時間段內(nèi)GPS 信號，具體見圖1 所示?；鶞?zhǔn)站會接收GPS 衛(wèi)星信號并數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)試后通過電臺數(shù)據(jù)鏈發(fā)射，移動站接收GPS 衛(wèi)星以及基準(zhǔn)站信電臺信號，并經(jīng)內(nèi)部專業(yè)軟件處理，得到基準(zhǔn)站與移動站間基線向量。專業(yè)測量軟件依據(jù)基站站已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及基線向量即可求得各個移動站點(diǎn)坐標(biāo)，按照給定轉(zhuǎn)換參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)移動站點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。

圖1 GPS-RTK 測量示意圖

2.1.2 技術(shù)優(yōu)勢

GPS-RTK 測量在山區(qū)采空塌陷區(qū)地表沉陷監(jiān)測中具有測量作業(yè)限制條件少、測量效率高、功能強(qiáng)大、精度高以及測量便捷等優(yōu)點(diǎn)。采用GPS-RTK 測量時不需要有光學(xué)通道，滿足電磁波通視條件即可，塌陷區(qū)沉陷監(jiān)測是受氣候、能見度、季節(jié)等因素影響較?。籊PS-RTK 可一次性實(shí)現(xiàn)10 km 范圍內(nèi)點(diǎn)位測量，不僅可減少控制點(diǎn)數(shù)量而且測量迅速，可明顯降低作業(yè)人員勞動強(qiáng)度并提高測量效率；RTK 可實(shí)現(xiàn)山區(qū)地表監(jiān)測工作，監(jiān)測期間自動獲取坐標(biāo)并自動完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，保證作業(yè)精度；GPS-RTK 獲取到的平面、高程精度均可達(dá)到厘米級，可滿足采空區(qū)沉陷監(jiān)測需要；測量使用的設(shè)備輕便、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)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(qū)塌陷規(guī)律，在30305 綜采工作面對應(yīng)地表布置測線，測線上按照15 m 間隔布置測點(diǎn)，現(xiàn)場共計(jì)施工66 個測點(diǎn)。對測點(diǎn)變形量進(jìn)行監(jiān)測，具體GPS-RTK監(jiān)測結(jié)果見圖2 所示。

圖2 GPS-RTK 監(jiān)測結(jié)果

從圖2 中看出，0～25 測點(diǎn)地表沉陷量塵不斷增加趨勢，其中在25 測點(diǎn)附近沉陷量達(dá)到1 780 mm；從21～51 測點(diǎn)沉陷量轉(zhuǎn)降低，51 號測點(diǎn)之后的測點(diǎn)沉陷量值均為0。采用RTK 監(jiān)測獲取到的塌陷區(qū)沉陷規(guī)律復(fù)合開采引起的地表沉陷規(guī)律，在采動充分區(qū)域即25 測點(diǎn)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(jiān)測獲取到的沉陷變形量監(jiān)測曲線呈對稱分布；在監(jiān)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(wěn)定且達(dá)到最大值。

2.2.2 GPS 靜態(tài)監(jiān)測分析

GPS 靜態(tài)監(jiān)測具備有監(jiān)測精度高特點(diǎn)，根據(jù)已有研究成果顯示當(dāng)現(xiàn)場測量條件較好時GPS 靜態(tài)監(jiān)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(diǎn)進(jìn)行GPS測量并對比分析，具體對比測量結(jié)果見表1所示。

表1 測量對比結(jié)果 mm

從表1 看出，GPS-RTK 與GPS 測量結(jié)果基本一致，兩側(cè)之間測量偏差較小，最大偏差控制在16.72 mm 以內(nèi)，表明現(xiàn)場采用的GPS-RTK 測量結(jié)果精準(zhǔn)度較高。

2.2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)修正分析

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

圖3 修正后GPS-RTK 測量監(jiān)測曲線

從圖3 中修正后的GPS-RTK 監(jiān)測曲線與未修正的GPS-RTK 監(jiān)測曲線變化趨勢一致，測量結(jié)果基本吻合。在后續(xù)的GPS-RTK 監(jiān)測中，在測點(diǎn)中布置適當(dāng)數(shù)量的GPS 靜態(tài)監(jiān)測點(diǎn)不僅可實(shí)現(xiàn)GPS-RTK 監(jiān)測結(jié)果精準(zhǔn)度分析而且有助于后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理、修正，從而提高GPS-RTK 監(jiān)測應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

1）GPS-RTK 具有測量效率高、監(jiān)測便捷、自動化程度高以及監(jiān)測勞動強(qiáng)度小等優(yōu)勢。在礦井采空塌陷區(qū)地表沉陷監(jiān)測中采用GPS-RTK 獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢復(fù)合開采沉陷規(guī)律變化。

2）在GPS-RTK 測量中，可結(jié)合GPS 靜態(tài)監(jiān)測結(jié)果對RTK 監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而達(dá)到進(jìn)一步提升RTK 監(jiān)測精度，提高現(xiàn)場監(jiān)測效果。