山區地表移動觀測站布設新方法探討

張廣偉

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團煤炭科學研究總院，北京 100013)

山區地表移動觀測站布設新方法探討

張廣偉1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團煤炭科學研究總院，北京 100013)

我國西南礦區受地形條件的限制，布設規則觀測站并采用傳統觀測方法存在較大難度。為此提出了一種新的山區地表移動觀測站布設方法。首先建立任意觀測線的求參模型，在分析的基礎上提出可在山區復雜地形條件下布設不規則觀測站。然后將GPS測量技術和常規測量手段相結合優化了觀測站。最后，對聯合測量的原理和觀測步驟進行了闡述。實踐表明，該方法能夠很好地適應復雜山區地形條件，為更好地研究山區地表移動變形提供了基礎保障。

山區 觀測站 不規則 聯合測量

地表移動觀測站是求取地表移動參數的重要途徑[1]，過去數10年在全國已布設了數百條觀測線[2]，為我國的開采損害防治和礦產資源開發提供了重要技術保障。但過去的觀測站90%以上集中在平原地區[3]，受山區地形地貌條件和觀測方法等的制約[4]，對山區地表移動觀測站的設計尚缺乏足夠經驗。

近年來，隨著地表移動數據處理技術和測量技術的進步，特別是任意觀測站求參方法的出現[5-8]，以及常規方法和GPS技術聯合測量方法的出現[9-10]，使得在復雜地形地貌條件下布設不規則觀測線成為可能。

本研究在任意點求參模型的基礎上，探討了山區復雜地形條件下布設不規則觀測站的可行性，并根據設站區域地形地貌條件，探討了GPS技術與常規觀測方法聯合測量的原理和數據處理方法，為復雜地形地貌條件下的地表移動變形研究提供保障。

1 任意形狀觀測站求參模型

根據開采沉陷理論，地表任意點的下沉計算公式為

(1)

式中，W(x,y)是移動盆地范圍內任意點的下沉值；W0為實測最大下沉值；W(x)、W(y)分別為走向或傾向剖面上任意點的下沉值。

根據上面的理論公式，采用常用的數據處理軟件即可編制任意點求參程序，即根據地表任意觀測點求取地表移動變形參數。本研究以數學優化計算軟件1stOpt為例，給出任意點求參程序模型為

(2)

式中，m為礦層法向采厚，m；q為下沉系數；α為礦層傾角，(°)；x、y分別為沿開采工作面走向和傾向方向的坐標值；H1、H2、H分別為工作面上下山邊界和平均采深，m；tanβ1、tanβ2、tanβ分別為上下山方向和走向方向主要影響角正切值；D1、D2分別為工作面走向和傾向長度，m；S1、S2、S3、S4分別為上下山方向和走向左右邊界的拐點偏移距；θ為開采影響傳播角。

由上面的地表移動參數計算模型可知，無論地表移動觀測站的布設形式如何，地形地貌起伏變化情況如何，只要獲取地表任意觀測點的移動數據(以下沉數據為例)，就可以進行求參。

2 觀測站布設方法

本次觀測站布設以西南某礦山為例進行說明。

2.1 設站區域概況

設站區域屬于構造侵蝕低山山地地貌，地勢北高南低，山脈兩側沖溝發育，地表標高變化較大，在+293.8～+532.4m之間，表土層較薄，厚度1～6m。觀測站設站區域地形地貌情況見圖1。

圖1 設站區域地形地貌

設站區域下方擬開采一工作面，該工作面走向長550m，傾向長120m，開采厚度2.8m，平均采深510m。擬采用綜合機械化開采法，全陷法管理頂板。

2.2 布設模式的選擇

地表移動觀測站常用的布設方式有剖面線觀測站和網狀觀測站，但由于設站區域林木茂盛、地形起伏變化大，若采用傳統的布設方式，測線需要通過大量的樹林密集區，測點間難以通視。考慮到地表移動數據處理技術和觀測方法的進步，本次地表移動觀測站將采用不規則布設形式。觀測站布置情況見圖2，共布設了60個測點，其中控制點4個，分別位于觀測線兩側，觀測點56個。

圖2 觀測站布置圖

2.3 觀測線的優化

由觀測線布置圖2可以看出，控制點距工作面較遠，控制點到工作面上方測點間大多是過渡點，即只為將基準數據導到工作面上方測點。因此，若采用常規觀測方法，不僅需要增加建站成本，投入更多的人力和物力，還由于觀測線較長，精度難以得到保證。

近年來，隨著GPS測量技術的日益成熟，以及GPS技術與常規測量技術融合深度的不斷提高，使得應用GPS技術與常規測量手段聯合測量地表變形成為可能。

本次觀測線優化正是基于上述方法。優化后的觀測線如圖3所示，共布設了51個測站點，其中3個GPS接收站，其中1臺作為控制點基準，其他2臺作為動態控制點，觀測點共48個。

圖3 觀測站優化布置圖

比較圖3和圖2 可以看出，優化后的觀測線比傳統布設方法短了，消除了為引入測量基準而布設的過渡點，建站成本明顯降低。更重要的是觀測方式更加靈活，既可以分段觀測，又可以多組同時觀測，既提高了測量效率，又有效地控制了因地表快速沉降而導致的閉合誤差。

3 觀測原理分析

3.1 與傳統觀測原理比較分析

以水準測量為例，傳統的水準測量是使用水準儀等儀器，按照測量規程相關規定，由已知水準點開始通過測量水準路線各點高程差來計算各點高程，進而計算2次觀測數據的變形量，其測量原理如圖4所示。

圖4 常規測量原理示意

而本研究提出的聯合測量方法，是通過在穩定區域設置靜態GPS控制點，在測區設置動態GPS控制點，每次測量將動態GPS控制點的數據作為常規測量的已知數據，然后完成整個觀測工作。該觀測方法的基本原理如圖5所示。

圖5 本研究方法測量原理示意

由圖5和圖4的比較可知，與常規測量方法相比，本研究提出的聯合測量方法，具有如下優勢：

(1)充分利用了GPS數據傳輸的跨視域特點和常規測量的靈活性，即靜態GPS控制點只負責將數據同步傳輸給動態GPS控制點，常規測量以動態GPS控制點數據作為起算基準，大大縮短了觀測路線。

(2)由于動態GPS控制點與靜態GPS控制點之間無須通視，所以可根據地形地貌特點，靈活設置動態GPS控制點，大大方便了設站的靈活性。

(3)靜態GPS控制點與動態GPS控制點之間不需要再設置過渡測點，節省了部分建站成本；同時，由于每個動態GPS控制點可單獨控制部分觀測點，因此，可多組同時觀測，能夠有效提高測量效率。

3.2 觀測步驟及數據處理方法

(1)獲取指定時段的動態GPS控制點數據，并根據WGS-84坐標系統與常用坐標系統間的轉換模型，將動態GPS控制點數據轉化為地面坐標系統數據，并以此作為常規測量的起算基準。

(2)以動態GPS控制點數據為基準，采用全站儀等儀器完成常規的水準測量和平面測量。

(3)將常規測量數據和已轉換成地面坐標系統的動態GPS控制點數據輸入到Excel表中，轉換成.dat文件后導入到平差軟件中統一平差。

4 結 論

(1)通過建立任意點求參模型，分析提出在山區復雜地形地貌條件下布設不規則觀測站是可行的。

(2)在山區復雜地形地貌條件下，采用GPS技術和常規方法相結合的聯合測量方法具有建站靈活、測線短、觀測效率高等優點。

[1] 葛家新.地表沉陷預計參數求取及其分析[J].礦山壓力與頂板管理，2004(1)：78-82.GeJiaxin.Calculationandanalysisofpredictingparametersofsurfacesubsidence[J].GroundPressureandStataControl，2004(1):78-82.

[2] 何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991：20-37. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi，et al.Mining Subsidence Theory[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology of China Press,1991:20-37.

[3] 王 剛，郭廣禮，李 伶.山區移動觀測站布設模式與數據處理[J].金屬礦山，2011(4)：116-119. Wang Gang，Guo Guangli，Li Ling.Layout mode and data processing of mountain surface movement observation station[J].Metal Mine,2011(4):116-119.

[4] 趙華山，張廣偉，孫者山,等.華亭陳家溝煤礦地表移動變形觀測站聯合布置方法探討[J].礦山測量，2009(2)：63-65. Zhao Huashan，Zhang Guangwei，Sun Zheshan，et al.Research on combined layout mode of surface movement observation station in Chenjiagou Coal Mine in Huating County[J].Mine Surveying，2009(2):63-65.

[5] 陳 勇，郭文兵，文運平.基于MATLAB求取地表移動預計參數的方法研究[J].河南理工大學學報:自然科學版，2009，28(6)：714-718. Chen Yong，Guo Wenbing，Wen Yunping.Research on method of obtaining surface movement predicting parameters based on MATLAB[J].Journal of Henan Polytechnic University：Natural Sciece,2009,28(6):714-718.

[6] 陳銀翠，陳玉平，胡 奎.非主斷面觀測站求解邊界角和移動角的新方法[J].安徽理工大學學報:自然科學版，2011，31(2)：31-34. Chen Yincui，Chen Yuping，Hu Kui.A new method of solving boundary angle and displacement angle of non-principle section observation station[J].Journal of Anhui University of Science and Technology：Natural Science,2011,31(2):31-34.

[7] 曹化平，楊可明，肖金榜,等.非規范觀測站的巖移參數求取方法研究[J].礦山測量，2009(5)：5-9. Cao Huaping，Yang Keming，Xiao Jinbang，et al.Research on the method of calculating parameters of rock movement using non-principle observation station[J].Mine Surveying，2009(5):5-9.

[8] 趙立武，周金衛，李茂銀,等.非正規地表移動觀測站數據處理的一種新方法[J].煤炭科技，1999(2)：29-30. Zhao Liwu，Zhou Jinwei，Li Maoyin，et al.A new method for processing data of irregular surface movement observation station[J].Coal Technology,1999(2):29-30.

[9] 曾旭平，姚宜斌，姜衛平.特大型橋梁首級控制網GPS與常規觀測數據的聯合處理[J].測繪通報，2002(8)：32-33. Zeng Xuping，Yao Yibin，Jiang Weiping.Combined processing of GPS and conventional primary control network observation data for super bridge[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2002(8):32-33.

[10] 徐長河.GPS技術在礦區地表移動觀測站建立中的應用[J].煤炭技術，2009，28(5)：155-156. Xu Changhe.GPS technology in mining area of surface observation stations set up mobile application[J].Coal Technology,2009,28(5):155-156.

(責任編輯 石海林)

A New Method of Layout Mode of Surface Movement Observation Station in Mountain Area

Zhang Guangwei1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012，China；2.ChinaCoalResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Beijing100013，China)

Restricted by topographical condition，it is difficult to build regular observation station and adopt traditional measuring method in the mining areas in southwest of China.A new method for layout of observation station in mountain area is present.Firstly，the irregular observation station under the complex topographical conditions is laid out，through the construction of parameters model for arbitrary observation line.Then，the GPS technique and the traditional measurement method are combined to optimize the observation station.Finally，the principles of the new observant method and the main steps of observation are described.Practice shows that，this method can well adapt to the mountain areas with complex terrain conditions，and provide the foundation for better research on surface movement and deformation in mountain area.

Mountain area，Observation station，Irregular，Combined measurement

2015-02-01

張廣偉(1981—)，男，博士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-182-04