GPS技術在山區(qū)地表巖移觀測中的應用

康新亮

摘 要：該文在論述礦山開采沉陷相關基本概念和GPS技術的基礎上，針對在山區(qū)開展地表巖移觀測工作難的問題，結(jié)合GPS技術的的優(yōu)勢，提出采用GPS技術對山區(qū)地表沉陷進行實時快速測量。并以具體礦區(qū)地表巖移觀測工作為例，結(jié)合工作面的地質(zhì)采礦條件和礦山測量規(guī)程的相關規(guī)定，對工作面上方觀測線進行了設計；論述了采用GPS進行連接測量、全面觀測和日常觀測的相關注意事項；最后通過對測量數(shù)據(jù)的分析，獲得了該礦區(qū)的地表巖移規(guī)律，并證實了采用GPS技術在山區(qū)進行地表巖移觀測是完全可行的。

關鍵詞：GPS 沉陷觀測 大地高 移動變形規(guī)律

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0065-02

西山礦區(qū)地處山區(qū)，地形條件十分復雜，使開采沉陷觀測工作難度很大，正因如此，近年來一直沒有開展礦山開采沉陷的地表巖移觀測和研究工作。隨著西山各礦區(qū)相繼進入下組煤開采，重復采動的影響導致地表破壞嚴重。由于缺乏相關觀測資料，使得煤柱留設和地表破壞引起的農(nóng)工問題越來越嚴重，為此，相關部門對西山礦區(qū)的地表巖移觀測工作展開了相關研究，首次在某礦使用GPS對礦區(qū)地表沉陷進行了觀測。該文將對本次觀測進行總結(jié)討論。

1 礦區(qū)沉陷的觀測

開采沉陷是隨時間和空間變化的復雜四維問題[1-5]。地表移動觀測的基本內(nèi)容是在采動過程中，定期地、重復地測定觀測線上各測點在不同時期空間位置的變化?？臻g位置變化包括水平位移和高程的變化。傳統(tǒng)的測量方法是應用全站儀測量水平坐標，水準儀測量水準高程，但是水準高程測量的條件是有限的，在坡度較大的礦區(qū)地表基本是無法進行的，這樣給很多地勢陡峭的山區(qū)礦井進行沉陷觀測帶來了很大的困難，阻礙了山區(qū)沉陷觀測工作的發(fā)展。

2 GPS定位技術

GPS平面控制網(wǎng)已經(jīng)在許多高精度的工程中得到應用，大量的實踐數(shù)據(jù)表明了GPS平面控制網(wǎng)的精度是很高的。但是，在高程控制方面，由于轉(zhuǎn)換參數(shù)的問題使得GPS擬合高程精度較低，不能滿足等級水準測量的要求。在此基礎上，分析地表移動規(guī)律研究是空間相對位移的變化，因此，采用GPS大地高計算地表點位移變化的相對值，其成果精度不受基準面轉(zhuǎn)換的擬合誤差影響，相對精度可用于高精度形變位移的觀測，該法應用于西山某礦地表沉陷研究，分析得出了該礦地質(zhì)采礦條件下一定的地表移動變形規(guī)律，計算出了相關移動變形參數(shù)，為開采沉陷工作起到了必要的作用。

3 工作面地質(zhì)采礦條件

A8101工作面地面位于從峁山北西部，屯蘭河背斜，工作面走向方向為煤層的傾斜方向，煤層平均傾角<5 °，蓋山厚度176～414 m，平均厚度278m。植被發(fā)育，灌木叢生，地面標高1159～1329 m。工作面共有20條斷層，其中在掘進中揭露18條斷層，另外有2條斷層位于工作面內(nèi)，斷層落差H=0.9～5.5 m，其中FA8101—6斷層對回采影響極大，有4條斷層對回采影響中等，其余斷層對回采影響較小。A8101工作面開采參數(shù)如表1所示。

4 觀測站布置情況

4.1 設計原則

為了獲得準確、可靠、有代表性的觀測資料，觀測站設計中，必須遵循下列原則：

（1）觀測線布設在地表移動盆地主斷面上；

（2）選擇設站工作面，在觀測期間不受鄰近開采的影響；

（3）觀測線的長度大于地表移動的范圍；

（4）觀測站的控制點設在移動盆地范圍以外，埋設要牢固。

4.2 設計參數(shù)的選擇

考慮該工作面地質(zhì)采礦條件，觀測站設計參數(shù)依據(jù)《西山礦區(qū)保護煤柱設計規(guī)程》（試行）確定如下：

（1）α≤5°、100 m

（2）移動角修正值（走向為△δ，上山為△γ，下山為△β）：△δ=△γ=△β=20。?

（3）走向充分采動角=55°（考慮重復采動、覆巖性質(zhì)較軟）

（4）最大下沉角：θ=90°-0.6α=87°。

4.3 布置觀測線

觀測站共設兩條觀測線，沿工作面走向布第一條（A線），工作面傾向布第二條（B線），各觀測線的總長度、分段長度以及點間距和點數(shù)見表2。每條觀測線長度等于工作面內(nèi)長度加邊界段長度。各觀測線邊界長度均按下式計算：

式中，為工作面邊界開采深度（m）。

按上式計算，考慮本工作面呈刀把形，觀測B線距小開切眼的平面位置為578 m，寬切眼232 m，觀測A線位于寬工作面中心的方向。測點間距25 m。

5 地表移動變形規(guī)律觀測

本次觀測使用6臺美國天寶

TrmibleR8 GPS，分別于2011年8月11號（開采前），2011年8月25日（開采前），2011年9月23號、2011年10月19號、2011年11月24號、2011年12月15號、2012年1月12號、2012年2月17號、2012年3月28號、2012年4月26號、2012年5月31號、2012年8月22號、進行了12次觀測。最終認為2012年8月22號觀測的數(shù)據(jù)為地表最終穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

5.1 控制點連接測量

于觀測區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定地點布設四個控制點即G1、G2、G3、G4。測量方法采用GPS靜態(tài)定位模式，基準點選用C級控制點（D0703）、（D0704）及（D0711）。按規(guī)程規(guī)定的D級網(wǎng)精度標準進行施測，每一時段視接收衛(wèi)星信號，采集數(shù)據(jù)不少于90 min。

5.2 全面觀測

全面測量采用GPS靜態(tài)定位模式，觀測基準站布設于控制點上。GPS觀測采用靜態(tài)定位模式，按規(guī)程規(guī)定的D級網(wǎng)精度標準進行施測，在每一測點上，每一時段視接收衛(wèi)星信號，一般采集數(shù)據(jù)60 min以上。在地表穩(wěn)定后，要進行最后一次全面觀測，地表移動穩(wěn)定的標志是：連續(xù)6個月觀測地表各點的累計下沉值均小于30 mm。

5.3 日常觀測

日常觀測工作全部采用GPS觀測，直接測定觀測點的空間三維坐標，通過數(shù)據(jù)處理的方法，求其移動變形值。重復測量的時間間隔，視地表下沉的速度而定，一般是每隔10～15d觀測一次。在移動的活躍階段（地表每月下沉值大于50 mm），還應在下沉較大的區(qū)段，增加觀測次數(shù)，5～10d觀測一次。

6 研究結(jié)論

（1）結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)地貌條件，通過分析A8101工作面地表觀測數(shù)據(jù)，可知GPS大地高數(shù)據(jù)具有非常高的精度，其結(jié)果完全滿足地表移動變形規(guī)律的分析。

（2）獲得了該礦該地質(zhì)采礦條件下地表移動變形的角量參數(shù)，如表3所示。

（3）獲得了該礦該地質(zhì)采礦條件下地表移動變形的概率積分預測參數(shù)，如表4所示。

參考文獻

[1] 崔希民，陳立武.沉陷大變形動態(tài)監(jiān)測與力學分析[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2004：52.

[2] 黃樂亭，王金莊.地表動態(tài)沉陷變形規(guī)律與計算方法研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2008，37（2）：211-215.

[3] 何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1995.

[4] 郭文兵，柴華彬.煤礦開采損害與保護[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[5] 康建榮.山區(qū)采動裂縫對地表移動變形的影響分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27（1）：59-64.