耿睿智，耿智江，陳 真

（1.河南水文水資源局，河南 鄭州 450003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

1 概 況

中國(guó)的山區(qū)占據(jù)了煤礦三分之一儲(chǔ)量，且開(kāi)采較為嚴(yán)重。GNSS靜態(tài)測(cè)量模式是山區(qū)開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的首選方法，由于地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的特殊網(wǎng)絡(luò)類型，傳統(tǒng)的GNSS靜態(tài)監(jiān)測(cè)方法需要更多的控制點(diǎn)[1]，浪費(fèi)了人力、物力和財(cái)力?；贕NSS測(cè)量原理，提出了精密單點(diǎn)定位測(cè)量手段，討論了該方法的實(shí)際操作流程和數(shù)據(jù)處理方法，并進(jìn)一步分析了該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)。

如何有效監(jiān)測(cè)山區(qū)地表沉陷，是研究山區(qū)地表沉陷的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。大陽(yáng)泉礦位于呂梁山脈中部的東部。它屬于中低山區(qū)，與河谷垂直和水平，主要呈“V”字形，切割十分劇烈。該地形西南高，東北低，最高點(diǎn)位于井場(chǎng)西南角的531孔附近，海拔1 305.35 m，最低點(diǎn)位于井場(chǎng)東北側(cè)的汾河河床。海拔1 000 m左右區(qū)域相對(duì)高度差通常為150～250 m，22618工作面走向長(zhǎng)度2 092 m，傾角180 m，煤層厚度2.7～3.85 m，平均厚度3.4 m，煤層傾角平均4°，工作面高程為721～800 m，地表標(biāo)高1 135—1 250 m，綜合機(jī)械化采礦方法。在工作面以上露天開(kāi)采影響范圍內(nèi)，興能電廠有一條粉煤灰皮帶運(yùn)輸通道，并建有皮帶牽引機(jī)房。由于該礦區(qū)“三下采煤”資料嚴(yán)重缺乏，為有效評(píng)價(jià)該工作面開(kāi)采沉陷的開(kāi)采破壞程度，迫切需要開(kāi)展地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)工作。

2 GNSS精密單點(diǎn)定位

2.1 定位原理

GNSS精密點(diǎn)定位（PPP）是指根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用全球多個(gè)IGS跟蹤站，計(jì)算出精密衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差的GNSS，對(duì)單臺(tái)接收機(jī)（雙頻機(jī)）的載波相位或偽距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出所需相關(guān)參數(shù)和觀測(cè)結(jié)果，確定單點(diǎn)精密定位的精度主要有衛(wèi)星觀測(cè)量與觀測(cè)值質(zhì)量。精密星歷和精密鐘差精度是精密單點(diǎn)定位絕對(duì)定位精度的根本保證[2]。

單點(diǎn)定位是一種單點(diǎn)無(wú)聯(lián)測(cè)模式，根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，也稱為“絕對(duì)定位”，還可用于檢測(cè)最終導(dǎo)航控制點(diǎn)的結(jié)果精度。其次，進(jìn)入測(cè)區(qū)后，直接進(jìn)行飛控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，各作業(yè)組按各自計(jì)劃獨(dú)立作業(yè)，互不通信，不同步觀測(cè)。

數(shù)據(jù)處理步驟如下。

（1）原始觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式數(shù)據(jù)。

（2）使用數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，檢查MP1、MP2、可用率、可用衛(wèi)星數(shù)是否符合相關(guān)規(guī)范要求。

（3）利用數(shù)據(jù)求解軟件對(duì)合格數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，得到已知點(diǎn)和飛行控制點(diǎn)的最終平面結(jié)果。

（4）利用擬大地水準(zhǔn)面插值軟件對(duì)高層建筑進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PPP定位模型分為偽相位觀測(cè)和偽距觀測(cè)。測(cè)量距離是一個(gè)信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)射開(kāi)始到有相應(yīng)的設(shè)備收到這個(gè)期間，再與光速相乘計(jì)算出的數(shù)值。但是有各種不同的干擾因素存在，衛(wèi)星到接收機(jī)計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際的距離會(huì)產(chǎn)生一定偏差，稱為偽距離。衛(wèi)星信號(hào)的相位與接收機(jī)產(chǎn)生的參考信號(hào)存在的偏差，稱為相位觀測(cè)值。精密單點(diǎn)定位利用雙頻電離層對(duì)消技術(shù)可以消除電離層誤差。

2.2 優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)GPS單點(diǎn)定位技術(shù)采用偽距觀測(cè)值、衛(wèi)星時(shí)鐘差和軌道參數(shù)進(jìn)行定位。這樣可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理，但定位精度較低，一般為5～10 m。傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位由于電離層和對(duì)流層延遲等因素的作用，無(wú)法保證定位的準(zhǔn)確性水平。即使對(duì)于電離層延遲這一影響因素可以實(shí)施相應(yīng)措施來(lái)校正，也不能保證最終結(jié)果的準(zhǔn)確度，只能滿足對(duì)精度水平要求較低的導(dǎo)航服務(wù)，卻無(wú)法做到對(duì)精度水平要求較高的測(cè)量、定軌。差分GPS對(duì)使用者來(lái)說(shuō)操作便捷，該運(yùn)算能夠在一定程度上降低誤差對(duì)準(zhǔn)確性的影響，做到厘米級(jí)高精度定位。因此，導(dǎo)航定位行業(yè)的需求者一般都選擇差分GPS進(jìn)行應(yīng)用。不過(guò)，若想使用差分GPS進(jìn)行工作，在工作區(qū)域一定范圍內(nèi)要設(shè)立對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)站，由于這樣的距離限制，無(wú)法確保精度能夠平均分布，降低工作速度，加大了相關(guān)支出[3]。在采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)的過(guò)程中，只需要一個(gè)接收信號(hào)裝置，不需要基站，測(cè)量站與基站的距離不受分離限制。同時(shí)，精密單點(diǎn)定位技術(shù)的定位精度較高，可以達(dá)到厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

與傳統(tǒng)的GNSS控制測(cè)量相比，精確單點(diǎn)定位具有以下優(yōu)點(diǎn)：①單接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高精度定位，無(wú)累積誤差，經(jīng)過(guò)兩年多的發(fā)展，在現(xiàn)有的硬件和軟件環(huán)境下，靜態(tài)精確單點(diǎn)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)；②無(wú)需同步觀測(cè)和站間距離限制；③直接在ITRF框架下獲得三維坐標(biāo)，解算點(diǎn)位置精度均勻；④最大限度地利用觀測(cè)值；⑤直接得到臺(tái)站坐標(biāo)，觀測(cè)信息完整性好；⑥車站之間沒(méi)有距離限制；⑦不需要布設(shè)控制網(wǎng)，也不需要以國(guó)家高水平控制點(diǎn)的聯(lián)測(cè)為起點(diǎn)；⑧它具有數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單、效率高、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得全球一致的厘米級(jí)定位精度。

采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)測(cè)量斷面基點(diǎn)，只需聯(lián)合測(cè)量幾個(gè)已知點(diǎn)即可進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。除截面基點(diǎn)外，沒(méi)有單獨(dú)的控制點(diǎn)，減少了平面控制點(diǎn)的數(shù)量。而且，由于精確的單點(diǎn)定位不需要同時(shí)觀測(cè)和多個(gè)GNSS，大幅提高了運(yùn)行效率[7-8]。沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，精密單點(diǎn)定位觀測(cè)的定位精度在15 min內(nèi)可達(dá)到20 cm，3 h內(nèi)可達(dá)到4 cm，6 h內(nèi)可達(dá)2 cm。PPP技術(shù)具有簡(jiǎn)單的觀測(cè)要求，利用雙頻GNSS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)就足夠了。觀測(cè)持續(xù)時(shí)間取決于所需的精度。數(shù)據(jù)處理需要專用軟件。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用ITRF，觀測(cè)時(shí)間短。各站單點(diǎn)精密定位結(jié)果一般在同一參考系內(nèi)，歷元時(shí)間跨度短。

3 在地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 觀測(cè)線布設(shè)

3.1.1 采煤沉陷角參數(shù)在觀測(cè)站設(shè)計(jì)中的選擇

此次研究地面移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)計(jì)參數(shù)按照《西山礦區(qū)保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)規(guī)程》(試行)確定。數(shù)值如下:

基巖運(yùn)動(dòng)角度:

煤礦松散層移動(dòng)角:

修正的移動(dòng)角（趨勢(shì)△δ，趨勢(shì)向上△γ，趨勢(shì)下△β）:

充分采挖角（方向Ψ）:

最大沉降角度:

3.1.2 觀測(cè)線位置、長(zhǎng)度及觀測(cè)站布設(shè)

根據(jù)地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)的需要和項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際地形，在22618工作面上方布置3條觀測(cè)線。因其煤礦22618工作面開(kāi)采的煤層屬于近水平煤層，擬在工作面上方地表中心布置走向觀測(cè)線。為確保傾斜觀測(cè)線位于礦區(qū)下沉盆地的主斷面上，傾斜觀測(cè)線和工作面邊界之間的距離關(guān)系見(jiàn)式（1）。

平均每個(gè)工作面開(kāi)采深度是430 m，根據(jù)“煤礦調(diào)查規(guī)定”的要求，監(jiān)控點(diǎn)之間的間距是30 m。在3條觀察線上共設(shè)置57個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 22618工作面地表開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Layout of surface mining subsidence monitoring points in No.22618 Face

3.2 數(shù)據(jù)處理及分析

3.2.1 監(jiān)測(cè)精度分析

根據(jù)本文提出的觀測(cè)方法，采取了GNSS精密單點(diǎn)定位的觀測(cè)方法來(lái)觀察22618工作面的地面沉降程度。但由于使用GNSS技術(shù)的限制，測(cè)量的平面精度高于高程精度[5]。因此，在此只研究高程測(cè)量精度，來(lái)探究本文提出的檢測(cè)方法是否能夠達(dá)到目的。本次實(shí)驗(yàn)選取不同時(shí)間、不同地點(diǎn)采集數(shù)據(jù)樣本為觀測(cè)方法的可行性提供有力佐證?？刂泣c(diǎn)及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算高程中誤差見(jiàn)表1，控制點(diǎn)解算高程及相鄰兩期數(shù)據(jù)高差見(jiàn)表2。分析表1控制點(diǎn)及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算高程中誤差控制點(diǎn)及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算高程中誤差的數(shù)據(jù)可知，控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程存在的最大誤差不超過(guò)5 mm，符合相關(guān)開(kāi)采的標(biāo)準(zhǔn)要求。觀察表2控制點(diǎn)解算高程及相鄰兩期數(shù)據(jù)高差的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)相關(guān)的偏差小于5 mm，在合理范圍內(nèi)。側(cè)面證實(shí)了觀測(cè)數(shù)據(jù)可以直接使用，是有效的。

表1 控制點(diǎn)及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算高程中誤差Table 1 Error in elevation solve of control points and some monitoring points

表2 控制點(diǎn)解算高程及相鄰兩期數(shù)據(jù)高差Table 2 Elevation difference of control points elevation solve and two adjacent data

3.2.2 地表觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

按照相關(guān)煤礦行業(yè)章程中對(duì)于開(kāi)采導(dǎo)致的后果中地表沉降的具體規(guī)定，從2016年4月開(kāi)始在整個(gè)17個(gè)月里對(duì)于22618工作面，總計(jì)采取了10次觀測(cè)。通過(guò)圖2走向觀測(cè)線地表沉陷動(dòng)態(tài)下沉可觀察到相關(guān)的走向趨勢(shì)。

（1）充分采動(dòng)角。所謂的充分采動(dòng)角是在完全開(kāi)采條件下，地表移動(dòng)盆地的末端，移動(dòng)盆地的底部（在地面水平線上的投影點(diǎn)）和同一側(cè)采空區(qū)域的邊界層與煤層的夾角，從圖2可以看出，截止到2017年9月，地表的下沉不再有大幅度的變化，逐漸穩(wěn)定下來(lái)。在工作面走向方向達(dá)到充分采動(dòng)后，運(yùn)動(dòng)盆地平底兩側(cè)在地面的投影點(diǎn)，與同側(cè)開(kāi)采工作面邊界的連線，在水平面上的投影為240 mm，開(kāi)采深度430 mm可以推出，充分挖掘角為61°。

圖2 走向觀測(cè)線地表沉陷動(dòng)態(tài)下沉Fig.2 Dynamic subsidence of surface subsidence on strike observation line

（2）超前影響角與超前影響距。根據(jù)走向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，地表超前影響距為150 m，22618工作面平均采深為430 m，可計(jì)算得超前影響角。

（3）邊界角。在完全或幾乎完全開(kāi)采的條件下，連接盆地極限點(diǎn)與采空區(qū)域極限的線與表層盆地主要部分的地平線之間的夾角稱為煤柱一邊的夾角。如果存在松散層，則邊界點(diǎn)必須沿松散層的運(yùn)動(dòng)角度趨勢(shì)投射到巖石表面。根據(jù)趨勢(shì)和趨勢(shì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，趨勢(shì)方向上的邊界點(diǎn)與切口之間的長(zhǎng)度為270 m，表面上的松散層稱之為黃土層，一般情況都是5 m的厚度。由于該層的移動(dòng)角為45°，因此=arctan(425/265)=58°；在向上的方向上，地面下沉的邊界點(diǎn)在采空區(qū)的向上邊界之外210 m，因此，上山邊界角=arctan(425/205)=64°;在向下的方向上，地面的沉降點(diǎn)在采空區(qū)的下限之外300 m，因此下山邊界角=arctan（425/295）=55°。

（4）移動(dòng)角。在完全或近距離開(kāi)采的條件下，地表運(yùn)動(dòng)盆地主要部分的3個(gè)臨界變形值中最外面的是邊界到采空側(cè)面的連接線和水平線形成的角度稱為運(yùn)動(dòng)角度。如果還有疏松層，則最靠外的點(diǎn)應(yīng)跟隨疏松層的位移角方向到巖石表面。

通過(guò)整理走向傾角觀測(cè)線的地表傾角、水平移動(dòng)和水平的變形數(shù)據(jù)，可以看出，在走向上，地表傾角值為3 mm/m的點(diǎn)位于露天礦外91 m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點(diǎn)位于露天礦外約40 m處。地表水平變形為2 mm/m的點(diǎn)位于露天切口外75 m處。最外點(diǎn)在開(kāi)闊地外91 m，地面標(biāo)高364 m，基巖外露，故地面走向運(yùn)動(dòng)角度=arctan(364/91)=76°。在上坡方向，地表傾角為3 mm/m的點(diǎn)位于上坡邊界外80m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點(diǎn)位于工作面;地表水平變形為2mm/m的點(diǎn)位于上山邊界外100 m處?？紤]松散層的影響，上坡移動(dòng)角度=Arctan(425/95)=77°。在下坡方向，表面傾角為3 mm/m的點(diǎn)位于下坡邊界外110 m處。表面曲率值為0.2 mm/m的點(diǎn)位于下坡邊界外約75 m處。地表水平變形為2 mm/m的點(diǎn)位于下坡邊界外139 m處?？紤]松散層的影響，可以得到下坡移動(dòng)角=arctan(425/134)=72.5°。由以上分析可知，該地質(zhì)采礦條件下，地表開(kāi)采沉陷移動(dòng)角較大，這主要是受采深和地形的影響所致。

4 結(jié) 論

（1）分析了目前狀況下多種觀測(cè)山區(qū)地面沉降時(shí)常用的方法的優(yōu)缺點(diǎn)。參考CORS測(cè)量時(shí)的相關(guān)理念與思考方向，提出了一種新的GNSS精密單點(diǎn)定位測(cè)量方法，并詳細(xì)闡述了該方法所需要的技術(shù)以及如何處理相關(guān)原始數(shù)據(jù)，并研究了該方法相比于其他方法的可取之處。

（2）以控制點(diǎn)和部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的其中四期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析了基于靜態(tài)GNSS雙基線山區(qū)測(cè)量方法的精度，結(jié)果顯示高程解算中誤差均未超過(guò)5 mm，證實(shí)了該方法的可靠性；通過(guò)對(duì)比分析控制點(diǎn)各期高程測(cè)量結(jié)果，表明2個(gè)控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)高程相鄰2個(gè)周期的差值均小于3 mm，驗(yàn)證了本文中提出的監(jiān)測(cè)方法的有效性。

（3）以22618工作面開(kāi)采為工程背景，設(shè)計(jì)了工作面地面沉降觀測(cè)路線。開(kāi)展了基于GNSS精密單點(diǎn)定位測(cè)量方法相關(guān)應(yīng)用研究，獲得了該地質(zhì)采礦條件下的地表開(kāi)采沉陷的部分角量參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)的優(yōu)越性。