王進(jìn) 楊增平

摘 要：本文主要對(duì)GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)方面可開展的工作進(jìn)行詳細(xì)闡述，并且對(duì)如何處理獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，論證了GPS技術(shù)應(yīng)用于觀測(cè)礦區(qū)地表移動(dòng)、沉降的可行性。礦區(qū)地表GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立能為后期建立整個(gè)礦區(qū)的GPS地表觀測(cè)網(wǎng)奠定相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù)；礦區(qū)；移動(dòng)觀測(cè)

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）22-0092-03

Application of GPS Technology in Observation of

Surface Movement in Mining Area

WANG Jin1 YANG Zengping2

（1.Chenghe Mining Company，Weinan Shaanxi 715200；2.Chenghe Mining Company Dong Mine Branch， Weinan Shaanxi 715200）

Abstract： This paper mainly expounded the work that can be carried out by GPS technology in the observation of surface movement in mining area， and analyzed how to process the data obtained， demonstrated the feasibility of applying GPS technology to the observation of surface movement and subsidence after mining. The establishment of the surface GPS mobile monitoring network in the mining area could lay the corresponding technical foundation for the later establishment of the whole GPS surface observation network in the mining area.

Keywords： GPS technology；mining area；mobile observation

1 GPS應(yīng)用于煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

GPS技術(shù)能對(duì)物體進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便測(cè)量人員進(jìn)行作業(yè)，其在煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)中具有極強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.1 可操作性強(qiáng)

渭北澄合礦區(qū)地表環(huán)境復(fù)雜，黃土沖溝發(fā)育，外業(yè)觀測(cè)作業(yè)極為困難。但是，GPS技術(shù)只要滿足其電磁波條件就可以進(jìn)行作業(yè)，可見，GPS技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境礦區(qū)受到的限制條件較少，對(duì)工作環(huán)境及氣候的適應(yīng)性較強(qiáng)。因此，在復(fù)雜多變的礦區(qū)環(huán)境中應(yīng)用GPS技術(shù)能起到較大作用，能極大提高整個(gè)礦區(qū)的安全[1]。

1.2 測(cè)量效率較高

雖然礦區(qū)地形條件較為復(fù)雜，但是GPS技術(shù)能一次性測(cè)量10km以內(nèi)的定點(diǎn)作業(yè)，因此GPS技術(shù)能有效降低測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且使礦區(qū)測(cè)繪工作效果得到極大提升。GPS技術(shù)也能減少人員測(cè)量時(shí)移動(dòng)的頻率，在一個(gè)定點(diǎn)區(qū)域就可以達(dá)到較大的測(cè)量范圍，大大提高工作效率。

1.3 實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)化及集成化

GPS技術(shù)能實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)化及集成化，因此測(cè)量技術(shù)人員可以將其測(cè)繪得到的坐標(biāo)進(jìn)行直接繪制，不需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，提高了測(cè)量精度。由此，GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

1.4 定位功能較高

只要保障GPS儀器設(shè)備的基本操作環(huán)境，那么其就能對(duì)方圓10km之內(nèi)所有平面進(jìn)行平面定位，且誤差精度極小。此外，GPS技術(shù)在礦區(qū)內(nèi)攜帶也十分方便，可操作性很強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理也展現(xiàn)出極大的智能性。

2 GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)中的理論應(yīng)用

2.1 選擇合適的坐標(biāo)系

在進(jìn)行礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)時(shí)，一定要選擇好坐標(biāo)，這樣才能確定位移的相關(guān)參數(shù)變化。可以利用GPS技術(shù)直接定點(diǎn)，然后再與地表位移的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，這樣就能確定地表位移的相關(guān)參數(shù)。相關(guān)坐標(biāo)不能直接轉(zhuǎn)化，因?yàn)榫葻o法達(dá)到要求。因此，在實(shí)際觀察中，需要和精度較高的地表位移進(jìn)行比較，這樣才能有效降低測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度性。

2.2 基準(zhǔn)不自檢的要求

為了準(zhǔn)確測(cè)量地表移動(dòng)量，必須要設(shè)置合理的基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)。設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和觀察點(diǎn)需要滿足以下幾方面的要求：第一，基準(zhǔn)點(diǎn)距離定位觀測(cè)點(diǎn)距離要適中；第二，基準(zhǔn)點(diǎn)必須確立在穩(wěn)定地表區(qū)，這樣才能真實(shí)反映其位移情況；第三，礦區(qū)選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)周圍不能有較高的建筑物，否則會(huì)降低測(cè)量精度；第四，設(shè)置強(qiáng)制歸心的標(biāo)志；第五，測(cè)量周圍不能有強(qiáng)電磁物質(zhì)干擾[3]。

3 GPS技術(shù)在礦區(qū)地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

為了取得開采時(shí)地表位移的相關(guān)數(shù)據(jù)，渭北澄合礦區(qū)利用GPS技術(shù)在開采工作面上部建立比較具有代表性的觀測(cè)點(diǎn)，以進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用于探究地表沉降時(shí)間與空間的關(guān)系，利用數(shù)據(jù)關(guān)系來確定整個(gè)開采面上部地表變形及位移的相關(guān)特征。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法是利用經(jīng)緯儀對(duì)觀測(cè)點(diǎn)之間的水平距離及高程進(jìn)行測(cè)量，但其工作效率較低，測(cè)量人員工作量較大，并且在復(fù)雜多變的礦區(qū)具有一定的限制條件。GPS定位技術(shù)測(cè)網(wǎng)周期較短，并且具有集中化及自動(dòng)化的特點(diǎn)，能使得測(cè)量點(diǎn)之間保持通視條件，并且在惡劣環(huán)境下也能保持全天候的觀測(cè)，也能實(shí)行三維定點(diǎn)測(cè)量操作。因此，利用GPS技術(shù)對(duì)煤礦礦區(qū)地表位移進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，直接確定該煤礦的位移形變，為后期煤礦工程建設(shè)奠定良好的基礎(chǔ)。

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立

3.1.1 坐標(biāo)網(wǎng)的選擇。GPS技術(shù)所得到的測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)屬于WGS-84全球協(xié)議地心坐標(biāo)系統(tǒng)，能用精度較高的地表位移及變形觀測(cè)，這種觀測(cè)技術(shù)能利用相鄰兩次觀測(cè)點(diǎn)相較WGS-84坐標(biāo)之間的差值定位其相關(guān)參數(shù)當(dāng)量。如果將用GPS技術(shù)測(cè)得的坐標(biāo)與其他方法得到的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，必然會(huì)帶來極大的誤差，降低測(cè)量精度。因此，在礦區(qū)地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)中，其觀測(cè)網(wǎng)的建立需要采用基于WGS-84的高斯平面直角坐標(biāo)系系統(tǒng)，并且對(duì)同一觀測(cè)區(qū)在高程上采用GPS大地測(cè)量高差。

3.1.2 基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置要求。該煤礦的生產(chǎn)作業(yè)面為近井點(diǎn)工作面，工作面的近井點(diǎn)位置位于礦區(qū)辦公樓的樓頂，距離首采工作面的上部地表約1 000m。為了方便對(duì)問題進(jìn)行闡述，首先建立相應(yīng)的GPS連續(xù)地表觀測(cè)，模型構(gòu)造如圖1所示。

在圖1中，移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)采用的是礦區(qū)近井點(diǎn)，并且進(jìn)行分別編號(hào)，分別作為基1標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，基2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)及基3標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。這些標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)均位于該礦區(qū)辦公樓的頂部。測(cè)量技術(shù)人員還要將基1標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)與基2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)作為主要的基準(zhǔn)點(diǎn)，將基3基準(zhǔn)點(diǎn)作為附屬的移動(dòng)觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。在移動(dòng)觀測(cè)建立的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)模型中，點(diǎn)1、點(diǎn)2標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)是在整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)內(nèi)部移動(dòng)的觀測(cè)區(qū)所設(shè)置的能夠代表礦區(qū)特點(diǎn)的代表性觀測(cè)點(diǎn)。根據(jù)3個(gè)基本點(diǎn)的位置及2個(gè)代表觀測(cè)點(diǎn)的位置建立該觀測(cè)點(diǎn)的礦區(qū)地表位移及其他形變的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置的基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)和其他基準(zhǔn)點(diǎn)的位置應(yīng)該滿足GPS技術(shù)的基本要求。第一，3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位置應(yīng)與位移觀測(cè)區(qū)保持一定的距離，但距離不能過遠(yuǎn)，使地表位移觀測(cè)區(qū)最遠(yuǎn)的位置也在GPS有效測(cè)量范圍之內(nèi)。在進(jìn)行該礦井的地表連續(xù)測(cè)量過程中，選用近井點(diǎn)作為基準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)，距離整個(gè)觀測(cè)區(qū)的區(qū)域距離約為2 000m，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。第二，在選擇基準(zhǔn)點(diǎn)的位置時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)選在地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的礦區(qū)巖石上，這樣能防止測(cè)量儀器遭到不穩(wěn)定的破壞，有效反映實(shí)際發(fā)生的相對(duì)位移及地形的相對(duì)形變，測(cè)量的固定性可以使測(cè)量儀器與周圍地面緊密連接。所測(cè)量煤礦的近井點(diǎn)位于辦公樓內(nèi)，并且為框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較穩(wěn)定，該建筑物采用混凝土與整個(gè)樓頂進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)造性上滿足實(shí)際測(cè)量的需求。第三，基準(zhǔn)點(diǎn)不能有高度角超10°的障礙物；第四，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該設(shè)置強(qiáng)制歸心標(biāo)志；第五，基準(zhǔn)點(diǎn)周圍不能有強(qiáng)電磁干擾物質(zhì)或者是具有其他GPS信號(hào)的反射體，以免對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的信息接收造成干擾。在地表移動(dòng)的觀測(cè)區(qū)，觀測(cè)點(diǎn)需要滿足以下要求：第一，能全面反映地表的位移及變形情況，觀測(cè)點(diǎn)分布要均勻，要具有代表性，能代表整個(gè)區(qū)域的變化特征；第二，觀測(cè)點(diǎn)要設(shè)置強(qiáng)制的歸心標(biāo)準(zhǔn)；第三，觀測(cè)點(diǎn)能接收到完整的GPS信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)采集

在實(shí)際定位礦區(qū)測(cè)量過程中，需要配備3臺(tái)GPS定位系統(tǒng)。同時(shí)，GPS定位系統(tǒng)選擇靜態(tài)測(cè)量模式，分別為A、B、C三機(jī)。GPS接收機(jī)的天線中心要足夠穩(wěn)定，對(duì)GPS接收機(jī)進(jìn)行相位中心及穩(wěn)定性檢測(cè)。此外，GPS接收機(jī)要卸掉基座進(jìn)行強(qiáng)制歸心。

為了在測(cè)量中得到精度較高的垂直方向的沉降量，GPS接收機(jī)的天線可采用同等規(guī)格的連接螺桿與觀測(cè)螺桿進(jìn)行連接，這樣才能減小由于天線高度而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，減小對(duì)沉降高度垂直方向的數(shù)據(jù)影響。

3.3 監(jiān)測(cè)整個(gè)過程

由于GPS地表位移連續(xù)監(jiān)測(cè)過程基本相同，因此這里只介紹第一次進(jìn)行觀測(cè)的整個(gè)過程。首先，要保證主機(jī)準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定。分別將3臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)定位于基準(zhǔn)點(diǎn)上。其次，進(jìn)行相對(duì)狀態(tài)的定位靜態(tài)測(cè)量，靜態(tài)測(cè)量的時(shí)間為2h，以獲得3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)系及大地直角坐標(biāo)系。最后，測(cè)量人員對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，以此來推斷數(shù)據(jù)是否具有相對(duì)的穩(wěn)定性。只有確認(rèn)主機(jī)具有相對(duì)穩(wěn)定性，才能繼續(xù)進(jìn)行礦區(qū)地表移動(dòng)的連續(xù)觀測(cè)，如果認(rèn)為不具有穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)主機(jī)內(nèi)的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行有效修正。

在觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要將A與B接收機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制歸心，同時(shí)，將C信號(hào)接收機(jī)安裝于垂直桿之上，將觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流動(dòng)定向，并進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。然后設(shè)置基1（X1，Y1，Z1）、基2的三維坐標(biāo)（X2，Y2，Z2），并且通過已知基1及基2的坐標(biāo)能得到觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)為（Xn，Yn，Zn）。同時(shí)，測(cè)量技術(shù)人員能計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)變化，結(jié)合實(shí)際煤礦作業(yè)面的范圍及采掘的實(shí)際位置和采集時(shí)間關(guān)系，制作相應(yīng)的影響關(guān)系曲線，利用影響關(guān)系曲線就能判斷出在實(shí)際采掘過程中，整個(gè)地表工作面受到采掘影響范圍所發(fā)生的地表位移的變化/地表的沉降變化以及地表變形的原因，從而為制定相對(duì)應(yīng)的解決措施提供依據(jù)。

4 GPS數(shù)據(jù)處理工作

在首次測(cè)量任務(wù)結(jié)束之后，應(yīng)該對(duì)所獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。進(jìn)行質(zhì)量分析的方法是基線解算?；€解算需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效剔除，數(shù)據(jù)剔除率應(yīng)小于2%。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算之后，需要對(duì)整個(gè)外業(yè)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，目的主要有兩個(gè)：第一，進(jìn)行閉合差的檢驗(yàn)；第二，進(jìn)行復(fù)測(cè)基線，剔除較差的數(shù)據(jù)。

GPS網(wǎng)平差時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量中固定條件的不同選擇不同的平差方法。平差方法主要分為2種，即最小約束平差和約束平差。最小約束平差采用固定網(wǎng)絡(luò)中的一點(diǎn)加以平差，利用這點(diǎn)的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)整個(gè)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)際質(zhì)量；約束平差法要先選用實(shí)際的固定位置，然后對(duì)該固定位置賦予相應(yīng)的加權(quán)之后進(jìn)行后期平差。平差作業(yè)能有效控制觀測(cè)點(diǎn)的方向和位置，能在滿足條件的情況下盡可能減少固定的點(diǎn)位，能降低固定點(diǎn)位誤差對(duì)整個(gè)工程測(cè)量帶來的消極影響。同時(shí)，工程技術(shù)測(cè)量人員需要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及此次測(cè)量所得到的解算結(jié)果，利用數(shù)據(jù)確定在定位過程中精度較高的三維空間形變，提高整個(gè)空間變形監(jiān)測(cè)的精度，其平面位移的監(jiān)測(cè)精度應(yīng)達(dá)到±1mm，同時(shí)，垂直方向的監(jiān)測(cè)精度應(yīng)該達(dá)到±1mm，這樣才能充分滿足渭北澄合礦區(qū)首采作業(yè)面進(jìn)行地表位移觀測(cè)及沉降觀測(cè)的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語

在礦區(qū)地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)中，由于GPS定位技術(shù)受周圍環(huán)境影響較小，通視條件的距離限制較小，加之自身具備自動(dòng)化及智能測(cè)量工作模式，在地表位移變形以及沉降的觀測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。借助GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦區(qū)的地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)，與傳統(tǒng)觀測(cè)方法相比，GPS定位觀測(cè)技術(shù)能大大提高測(cè)繪人員的工作效率，解放測(cè)繪人員的勞動(dòng)。GPS定位觀測(cè)技術(shù)所得到的地表移動(dòng)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)觀測(cè)方法所得數(shù)據(jù)符合程度較高，其精度也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，在實(shí)際礦區(qū)地表移動(dòng)連續(xù)觀測(cè)中，其能代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)量。

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