煤礦礦區(qū)測繪綜合模式淺談及GPS變形監(jiān)測分析

【摘 要】本文系統(tǒng)的介紹了測繪綜合模式的幾種類型，并重點(diǎn)介紹了GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，建立GPS變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對礦區(qū)的變形進(jìn)行監(jiān)測和測繪，并對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行深入的分析。GPS監(jiān)測系統(tǒng)能反映地表變形的特征，能夠預(yù)測礦區(qū)井工開采后地表變形的規(guī)律，為礦區(qū)安全開采提供了一種測量的保障。

【關(guān)鍵詞】礦山測繪綜合 GPS變形網(wǎng)絡(luò) 監(jiān)測點(diǎn)變形分析

1 礦區(qū)測繪綜合模式內(nèi)容

礦區(qū)測繪的內(nèi)容很多，包括井下巷道測量、礦山測量、工業(yè)廣場測量、地形變化測量等等，在對礦區(qū)進(jìn)行測繪時(shí)，應(yīng)該首先了解各項(xiàng)測繪內(nèi)容的特點(diǎn)，找出其共同特點(diǎn)和各自特有的特點(diǎn)，從而建立一個(gè)綜合模式進(jìn)行測繪。

1.1礦區(qū)各項(xiàng)測繪工作的共同內(nèi)容

1.1.1平面測量控制相同

由于礦區(qū)各項(xiàng)測繪工作的特殊性，各項(xiàng)測繪工作可以看成是工程測量的程序步驟，因此都可以采用首級控制網(wǎng)。各項(xiàng)測繪工作的平面測量控制中的觀測方法、布設(shè)方式等可以相互利用。

1.1.2點(diǎn)位測定與標(biāo)設(shè)相同

礦井井筒的定位、井下巷道的測繪、同地面變形的觀測、地表建筑的測繪都在相應(yīng)的基本控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行測繪，其點(diǎn)位的測定、標(biāo)設(shè)具有同一性。因此點(diǎn)位測定與標(biāo)設(shè)是相同的。

1.1.3比例尺圖的基本要素相同

礦山地質(zhì)地形圖、井工開采圖、房產(chǎn)平面圖的比例尺基本要素有許多共同點(diǎn)，比例一般為1：500、1：1000、1：2000，比例尺圖的內(nèi)容一般包括行政區(qū)域界、永久建筑物、各級的控制點(diǎn)、重要的單位和橋梁、道路等。

1.2礦區(qū)各項(xiàng)測繪工作的各自特點(diǎn)分析

礦山測量的特點(diǎn)是其立體多層空間的特性，使得礦區(qū)測繪不僅有地面測量工作，同樣包含了井下巷道的測量、井巷的導(dǎo)線測量、井上井下的聯(lián)系測量以及井上井下的對照圖編繪等等，其各項(xiàng)測量的特點(diǎn)不同，井下巷道的測量注重巷道的宏觀設(shè)計(jì)，導(dǎo)線測量注重導(dǎo)線的直線程度，井上井下的聯(lián)系測量注重測量的準(zhǔn)確性，因此不同的測量工作，其測繪內(nèi)容不同，各自特點(diǎn)也不同。

2 礦區(qū)測繪綜合模式種類

礦區(qū)各項(xiàng)測繪工作既有其共同性，也有其特有的特點(diǎn)，可以相互補(bǔ)充，進(jìn)行綜合性的取舍，因此礦區(qū)測繪綜合模式更加顯得重要，也是可行的。礦區(qū)測繪綜合模式有以下幾種。

2.1礦區(qū)控制測量的綜合

利用各項(xiàng)測繪工作原有的各級控制點(diǎn)，通過增設(shè)新的點(diǎn)位，構(gòu)建一個(gè)共同的首級控制網(wǎng)。

2.2礦區(qū)測繪工作點(diǎn)位的綜合

根據(jù)礦區(qū)各項(xiàng)測繪工作工作點(diǎn)位的具體要求，選擇一個(gè)較高的點(diǎn)位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到各項(xiàng)測繪工作點(diǎn)位的要求，在共同的控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行統(tǒng)一的全面的觀測，形成一個(gè)統(tǒng)一的點(diǎn)位統(tǒng)一坐標(biāo)。

2.3礦圖的綜合

對于礦區(qū)的地形繪制，一般采用大比例尺綜合地圖進(jìn)行繪制。一般包含了井下巷道的測量、井巷的導(dǎo)線測量、井上井下的聯(lián)系測量以及井上井下的對照圖編繪等等。

2.4礦區(qū)測繪綜合地理信息系統(tǒng)

隨著GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，礦區(qū)測繪綜合模式越來越方便自如。建立礦區(qū)測繪的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而完善建立綜合的地理信息系統(tǒng)，使測繪的各項(xiàng)工作既可以統(tǒng)一處理，也可以滿足不同測繪工作的不同要求；同時(shí)礦區(qū)測繪綜合地理信息系統(tǒng)可以將具體的礦區(qū)地質(zhì)地形及礦區(qū)井上井下的空間形態(tài)借助多媒體的形式表現(xiàn)出來，從而達(dá)到對礦區(qū)測繪的管理，簡單方便。因此礦區(qū)測繪綜合地理信息系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。

3礦區(qū)GPS的變形監(jiān)測分析

隨著礦井的開采，地表也出現(xiàn)了不同程度的變形、塌陷等現(xiàn)象，如果及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測礦區(qū)的變形，能夠及時(shí)的為礦井的安全生產(chǎn)提供保障。GPS變形監(jiān)測精度高，而且不受地形條件的限制，與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以廣泛的應(yīng)用在礦區(qū)變形監(jiān)測過程中，能夠時(shí)刻的監(jiān)控地表的變形變化情況，在礦區(qū)變形監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。以下幾個(gè)方面是介紹礦區(qū)GPS監(jiān)測的過程。

3.1礦區(qū)GPS監(jiān)測網(wǎng)的建立

礦區(qū)的變形監(jiān)測，不僅需要監(jiān)測礦井開采引起的地表沉陷，也要對地表的移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生沉陷移動(dòng)變形時(shí)，設(shè)置的控制點(diǎn)也可能產(chǎn)生沉陷移動(dòng)變形，因此在建立礦區(qū)GPS監(jiān)測網(wǎng)時(shí)，要建立足夠多的監(jiān)控點(diǎn)，滿足礦區(qū)監(jiān)控所需，保證礦區(qū)周圍都在GPS監(jiān)控范圍之內(nèi)。為了保證GPS監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)控的精度，要在變形的區(qū)域外設(shè)立固定點(diǎn)，以作為比較點(diǎn)，比較監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)的變形情況。

因此布置GPS監(jiān)測網(wǎng)時(shí)，應(yīng)該要保證變形區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)位穩(wěn)定，同時(shí)也要保證GPS監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)位間能夠的相互通視，同時(shí)也要保證GPS監(jiān)控變形網(wǎng)外的區(qū)域的固定點(diǎn)的設(shè)立穩(wěn)定，這樣才能滿足GPS監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測點(diǎn)要求。

3.2礦區(qū)地表變形GPS的監(jiān)測

GPS監(jiān)測網(wǎng)布置完成后，開始在監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)布置GPS接收機(jī)，一般而言，礦區(qū)變形監(jiān)測分為定期性和實(shí)時(shí)性。定期性是定期的在監(jiān)測點(diǎn)放置GPS接收機(jī)，定期的接受監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理情況，分析礦區(qū)地表變形情況。實(shí)時(shí)性是指在所有監(jiān)測點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，在每一個(gè)固定時(shí)段GPS接收機(jī)將監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GPS分析軟件中，得出地表變形情況。根據(jù)工程實(shí)踐情況，實(shí)時(shí)性監(jiān)測更能夠及時(shí)的反饋地表的變形情況，可以準(zhǔn)確的建立地表沉陷移動(dòng)模型，為礦井安全生產(chǎn)提供及時(shí)的數(shù)據(jù)反饋，所以GPS實(shí)時(shí)性監(jiān)控更適合礦區(qū)監(jiān)測的需求。在采用GPS監(jiān)測時(shí)，由于坐標(biāo)系的變化，容易造成了監(jiān)測精度的損失，因此GPS監(jiān)控網(wǎng)高程坐標(biāo)采用大地標(biāo)高，平面坐標(biāo)選擇一個(gè)子午線。在采用GPS進(jìn)行觀測時(shí)，在每一個(gè)點(diǎn)位配備多臺(tái)的GPS接收機(jī)，形成多邊形同步環(huán)通信，提高GPS監(jiān)控的精度和防止出現(xiàn)某臺(tái)接收機(jī)停止工作所造成的誤差。

GPS變形監(jiān)測分析軟件基于Windows系統(tǒng)，開發(fā)工具為Visual C++和Visual FoxPro采用了結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，軟件的核心是數(shù)據(jù)處理。該軟件系統(tǒng)分若干個(gè)板塊，如數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、巖移求參、圖形繪制、數(shù)據(jù)打印等功能模塊。該GPS變形監(jiān)測分析軟件實(shí)用性強(qiáng)，操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)GPS觀測地表變形實(shí)時(shí)性，和數(shù)據(jù)處理后的可視化性。

3.3 GPS監(jiān)測點(diǎn)移動(dòng)變形規(guī)律分析方法

陜西某礦區(qū)建立了GPS監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測網(wǎng)中的監(jiān)測點(diǎn)每半小時(shí)導(dǎo)出一次監(jiān)測點(diǎn)的下沉量。以該GPS監(jiān)測網(wǎng)中的某一點(diǎn)進(jìn)行分析，該監(jiān)測點(diǎn)測量了800min，記錄了該段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)的累積下沉量，建立了時(shí)間曲線示意圖，如圖1所示。

如圖1 監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間—位移下沉曲線圖

從圖1可以得出，在地表下沉過程中，開始階段累積下沉量與時(shí)間成正比關(guān)系，時(shí)間越長，累積下沉量越大，可以得出，開始階段該處地表一直正處在下沉階段。但是隨著時(shí)間的增長，地表累積下沉量趨于穩(wěn)定，可以看出，后期該處地表下沉處于穩(wěn)定階段，地表下沉累積量并沒有出現(xiàn)大的變化。而且該處最大地表累積下沉量為0.8cm。

在計(jì)算地表總下沉曲線的分形特征，一般采用分形維數(shù)來度量，用容量維數(shù)求分形維數(shù)，定義為：ln[N（（r）]=1.004Ln（1/r）+5.604

實(shí)際計(jì)算時(shí)，首先給出r的5個(gè)不同值2k，k=1，2，3，4，5作為覆蓋盒子的邊長，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的r覆蓋的正方形數(shù)目N（r），并計(jì)算出相應(yīng)的ln[N（r）]和ln（1/r）的值，如表1所示。

r 2 4 8 16 12

N（r） 142 63 32 19 8

Ln（1/r） -0.6931 -1.3863 -2.0794 -2.7726 -3.4657

ln[N（（r）] 4.9558 4.1431 3.4657 2.9444 2.0794

并將ln（1/r）和ln[N（（r）]的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到數(shù)回歸方程為：

ln[N（（r）]=1.004Ln（1/r）+5.604

根據(jù)分形維數(shù)估計(jì)原理，圖中回歸直線的斜率為圖形分形維數(shù)，因此地表下沉總曲線的分形維數(shù)為1.004，因此可以通過用分形維數(shù)來描述地表移動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化過程，根據(jù)GPS監(jiān)測不同時(shí)期的地表下沉移動(dòng)數(shù)據(jù)，可以求得不同時(shí)期的分形維數(shù)。

4 提高GPS監(jiān)測精度的方法

（1）應(yīng)該保證監(jiān)測點(diǎn)的穩(wěn)定性，避免由于自然條件產(chǎn)生的誤差。

（2）采用抗干擾能力強(qiáng)的天線。

（3）觀測時(shí)間要長，不能太短，而且要選擇合適的窗口。

（4）增加空余的觀測點(diǎn)，防止因?yàn)橛^測點(diǎn)的損壞而造成的誤差，從而減小誤差的積累。

5 結(jié)語

礦區(qū)測繪的綜合模式人員設(shè)備的綜合利用率高，節(jié)省了重復(fù)測繪所需的人力、物力，在GPS變形監(jiān)測技術(shù)日益成熟的條件下，礦區(qū)測繪綜合模式越來越有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，有利于礦區(qū)測繪技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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作者簡介：胡少鵬（1986—），男，陜西咸陽人，漢，大專，測繪助理工程師，研究方向：主要從事煤礦采動(dòng)覆巖離層分布規(guī)律與地表沉陷控制研究及工作