矿区地质沉降观测GPS定位的技术运用

矿区地质沉降观测GPS定位的技术运用

【摘要】近年来，随着gps技术逐渐被广泛应用到各个行业。煤矿开采过程中由地表沉降造成的经济损失及人员生命安全问题，已经越来越为全社会所关注，各类大大小小的煤矿安全事故，究其原因，除开采过程安全意识薄弱之外，还缺乏相应的观测手段保证，因此，本文即对gps技术在矿区沉降观测中的应用进行一点探讨。 【关键词】gps技术；矿区沉降；观测；应用探讨 0.引言

随着gps定位技术的出现和不断的发展完善，给测绘定位技术带来了革命性的改变，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。长期以来用测角、测距、侧水准为主的常规地面定位技术正逐步被以一次性确定三维坐标、高效率、高精度的gps技术所替代，定位方法从静态扩展到动态，定位服务从导航和测绘领域扩展到国民经济建设领域。 1.gps的定位原理

我们假定在地球上方某一空间位置放置一颗能发射无线电信号的卫星，同时在地球表面三个不同位置分别安放可接收该卫星无线电信号的装置，便可测出地面接收装置的坐标，若把空间卫星纳入统一坐标系中，根据接收装置所接收到的信号也能很方便计算出所有接收装置分别相对于卫星的几何距离，然后再根据无线电测距交汇的原理，便可进一步计算出卫星的空间几何坐标。更形象地说，在这个空间中，如果以三个接收装置为圆心，以它们到卫星的距离

为半径画圆，那么三圆轨道的交汇点即是卫星的空间坐标。gps的定位原理恰好就是上述的一个逆向过程，也就是说，我们可以通过地面的接收装置同时接收3颗或3颗以上卫星发射的信号，同时在已知所有卫星的临时空间坐标的情况下，同样可以通过无线电测距交汇的原理计算出地面装置的三维坐标，此即为gps的定位原理。 2.矿区开采沉陷观测指标

由于井下开采而形成采空区，岩体移动和被破坏逐步会波及到地表，从而致使采空区上方地表从原有的标高产生下降，形成一个比采空区更大的沉降区域，改变地形地貌的同时，引起地表标高、水平位置的变化。定量的表述指标包括下沉，即地面点的沉降，为垂直分量常用w表示；水平位移，即地表下沉盆地中某一点在水平方向上的位移，常用u表示；倾斜，即相邻两点在竖直方向的下沉与其水平距离的比值；曲率，即相邻两线段的倾斜差与两线段中点水平距离的比值；水平位移，是指相邻两点之间的水平移动差与两点之间的水平距离的比值，一般表示为ξ。

通过测量工作可以计算出测点在垂直面内的移动向量w及在平面上的移动向量u，还有测点的下沉和下沉速度w和v，测点的水平移动u和点间的水平变形ξ以及空间的移动向量和坐标方位角a；并且可以得到观测点水平移动以水平变形曲线、观测点垂直下沉曲线、观测区域地形及观测线地质断面和观测点在垂直面内的移动向量等。通过掌握这些建立在测量数据准确性基础上来预测沉陷，能够更好的预测和估计沉降规律。

3.gps监测网点的布设及观测 3.1布网的基本思路

监测点布网时应当选择地面水系发达、地下流沙层较薄、矿区沉降变形严重、持续性长的环境；监测网要便于长期保存，易于恢复和维护，监测精度要高。整个网分级布设，应分为框架网、基准网和监测网。框架网用于支撑基准网和监测网，网点可长期保存，基准网建立于框架网，网点在较长的时间段内稳定不变形，便于直接形变监测，可借助与基准网进行维护和恢复。此外网型结构尽量坚强，内符合精度小于5mm。 3.2网型的设计与选点

在网型设计及选点时应使gps网采用整体设计、分级布网的原则，鉴于便于保存、检测和维护的要求，在基本遵循d级网技术的基础上，网中相邻点的距离可适当方框，应满足下表要求。 此外，框架网点间可以不通视，基准网点间尽量通视，监测网点间必须通视；gps点采用二位数字编号，也可以根据测点的地理位置特征进行命名；为确保网型坚强，网型布置尽量采用网连式，特殊时可采用边连式；网点选在易于安置接收设备、交通便捷、视野开阔、便于保存、地势较高的地方；各级网间便于联测与扩展，基准点应尽量设置再工业厂房、煤仓等建筑屋顶上，以利于长期保存和通视。

根据矿区地面建立的控制网，按测量要求相沉陷区域引观测站测量点，通视测定观测线交点或某一个控制点的平面坐标和高程。

观测点与地面控制网联测后，应对观测站的各测点进行开采前的最初两次全面观测。在塌陷区内设各观测点，以计算各种移动变形值，这些点可根据需要灵活的进行布置，无需考虑点位通视，因此观测线可穿过建、构筑物或其他障碍区，从而为“三下”采煤提供最直接的地表移动变形数据。由于对采动前和采动稳定后观测的基础数据有较高的要求，可采用双基准快速静态的测量模式进行观测，每点观测时间视卫星状况而定。采动过程中的观测可采用走走停停的观测模式进行，每次观测数据经基线软件处理后，以监测点位坐标固定点，进行三维约束平差，将求得的坐标和采动前观测数据联合，进行两次观测和系统误差模拟和改正，消除不同时间内观测的系统误差影响，据此计算个点的下沉水平移动和其他各种变形值。 4.gps数据的处理

gps数据处理要从原始的观测值出发，得到最终的定位成果。可分为gps基线向量和gps网平差两个阶段。处理流程为：数据采集—数据传输—预处理—基线解算—gps网平差四个步骤。其中数据处理工作主要是进行原始的数据粗差检测，将原始的数据文件标准化，基线向量的解算是一个比较复杂的过程，主要是对观测值残差的分析和基线长度的解算和精度分析，最后对基线向量闭合差进行计算和检核。gps网平差包括gps基线向量的无约束平差、约束平差以及gps网与地面网联和平差等。

对于监测网的基线解算，采用gamit软件和igs精密星历，在基线解算过程中，基线解的精度是保证监测成果可靠性的基础，因

此在gamit精密求解软件进行基线解算时采取一些必要的技术措施，其中，卫星钟差的模型改正使用国际igs提供的卫星精密星历；根据伪距观测值计算出接受机钟差进行钟差的模型改正；电离层折射延迟用lc观测值消除；利用实测干湿温和气压数据作为依据，改善对流层模型；接受机天线相应中心改正采用gamit软件中的设定值；参考框架为itrf00框架，惯性框架采用j2000；解算模式为基线解。

5.开采沉陷与变形分析

对gps移动观测线上的点，应根据各期观测数据计算下沉量，按照开采沉陷定量评估指标参数解算相应的量，并绘制下沉与时间的关系图，通过相邻点下沉量计算地表倾斜、曲率及水平位移。在针对性区域的沉降与变形监测，可在监测网提供的基准点基础上设置专门的监测工作点实施加密监测，在工作点监测数据基础上计算沉陷与变形参数，并在变形参数的基础上对沉陷与变形进程、变形当前状态、是否已达到临界变形值等沉陷与变形结果进行分析、判断，作出沉陷及变形的预测。 6.结语

煤矿企业通过gps技术的运用，能够对矿区地表进行全面、准确、高效的观测，并且能合理对矿区地面沉降进行预测，从（下转第181页）（上接第297页）一定程度上能够起到提前预防安全隐患的作用，有利于煤矿企业的稳定发展。 [科] 【参考文献】

［１］张帝，高雅萍，许双安.gps技术在矿区沉降监测中的应用[j].测绘信息与工程，2012.

［２］张国良.矿山测量学[m].徐州：中国矿业大学出版社，2006.

［３］黄健.gps.rtk技术在矿区开采沉陷观测中的应用探讨[j].水力采煤与管道运输，2012.

［４］徐绍铨，张华海，杨志强，等.gps测量原理及应用[m].武汉：武汉大学出版社，2002.