河北CORS在礦山地面沉陷監測中的應用與實踐

朱增鋒，鄭嬌嬌，羅盛楠

（1.中國地質大學長城學院，河北 保定 071000；2.山西省煤炭地質水文勘察研究院，山西 太原 030006）

河北CORS在礦山地面沉陷監測中的應用與實踐

朱增鋒1，鄭嬌嬌1，羅盛楠2

（1.中國地質大學長城學院，河北 保定 071000；2.山西省煤炭地質水文勘察研究院，山西 太原 030006）

礦山開采易引起地面的沉陷，沉陷大小和速度將直接影響礦山安全。傳統的水準測量方法在礦山范圍內實施難度較大，在礦山地面沉陷監測中使用CORS代替水準測量，通過建立高程擬合數字模型，求定轉換參數，計算出正常高。結果顯示，利用CORS系統對礦山地面沉陷進行監測，監測結果可達到四等水準測量精度的要求。河北CORS可廣泛應用于礦山地面沉陷監測中，該方法可提高工作效率，具有廣闊的應用前景。

CORS；沉陷監測；水準測量

引言

河北省連續運行衛星定位服務系統（Continuously Operational Reference System，簡稱HBCORS）由基準站網絡、數據處理中心、用戶應用系統、數據通信等四個子系統組成[1]。該系統所建設的全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）是“數字河北”空間數據基礎設施的重要組成部分，構筑了河北省空間數據采集的基準參考框架，可應用于工程測量、城市規劃、地籍和房地產測量、建設用地勘測定界測量、土地利用動態檢測、GNSS精確授時、GNSS大氣參數測定、農業生產管理等領域[2]。因此，HBCORS可滿足城市規劃、國土管理、城鄉建設、基礎測繪、災害監測、環境監測、防災減災、精細農業及交通管理等方面動態定位的需求。

在礦山地面監測領域，由于原生的礦體開采后，會造成大小規模不等的地下空間。在地應力不均衡和重力作用等因素的影響下，地面首先產生裂縫，并逐漸發展成采空區的地面塌陷為保證礦區安全，需對地面沉陷進行監測[3]。傳統的水準測量方法在礦山范圍內實施難度較大，使用CORS代替水準測量，精度可行，可很大程度的提高工作效率[4-6]。

1 HBCORS坐標系統轉換

礦山地面沉陷主要表現為高程的變化，通過CORS系統可得到CGCS2000空間直角坐標系下的坐標（X,Y,Z），工程中常用或已有的數據為西安80坐標和1985國家高程基準[7]。因此，實際工作中需將其轉換為國家或地方坐標系下高斯平面直角坐標系和以似大地水準面為基準的正常高[8]。

采用CORS進行高程測量是以參考橢球面為起算面的大地高，而我國所采用的高程是相對于似大地水準面的正常高。兩者關系如圖1，P為地表面任一位置。

圖1 正常高與大地高

在工程應用中，三者的關系如下：

其中：H84為大地高；H正常高為以似大地水準面為基準的正常高；ξ為大地水準面差距或高程異常。

為了實現高程坐標系的轉換，在布設CORS網點時，通常采用水準測量的方法聯測部分CORS點。在聯測點上，由公式（1）即可求出水準聯測點的高程異常ξ。根據高程異常，可建立測區的似大地水準面的數學模型。當水準聯測的點分布合理且數量充分時，即可利用最小二乘法求出數學模型參數，確定該數學模型的表達式，再根據非水準測量點的坐標，利用該數學模型，求出這些非聯測點的高程異常，最后公式（1）便可求出該點的正常高。

2.1 高程擬合的數字模型

在小地區或者是地形起伏較小地區，可使用以下模型：

該模型是根據已知點的高程異常值，按照最小二乘法確定擬合參數a0、a1、a2，求得其余CORS點的高程異常值，進而求得CORS點的正常高[9]。

在范圍寬廣，地形起伏較大的地區，一般采用模型：

該模型是由6個或6個以上點的高程異常值確定擬合參數a0、a1、a2、a3、a4、a5，得到其余CORS點的高程異常值，進而求得CORS點的正常高[10]。

HBCORS系統的建立，實現了河北省統一的高精度動態地心坐標框架。在礦山監測中，由于礦山地勢起伏較大，通常可利用公式（3），根據聯測結果求得模型中的參數值，利用對外業采集的WGS-84成果轉求正常高，通過周期觀測對礦山地面沉陷進行監測[11]。

2.2 擬合后CORS點正常高精度評定

CORS高程系統轉換成正常高后，需對水準測量的精度進行評定。根據檢查點的擬合高程閉合差，求出CORS點間的正常高差，在已知水準點間組成閉合或附和水準路線，比較計算的閉合差與表1中允許的閉合差，評定CORS點正常高所達的精度。

表1 CORS點正常高水準限差

3 以河北某鐵礦為例

該礦山位于河北省唐山市某縣城南10km，是冀東礦脈的一部分，礦區內礦體南北10km，東西2km，以S6勘探線為界被分為南北兩區，南區6km，北區4km。傳統的地面沉陷的監測是應用水準測量加三角高程的方法，但該方法易受車輛、風荷等諸多因數影響，很難保證高精度、實時、長期變形監測，同時傳統的測量方法需投人較多人力、物力、財力。為實時、有效、長期的監測礦區地面沉陷[12]，自2012年后，HBCORS在全省推廣。以該礦為例，在礦區設置足夠數量的GPS沉降觀測點，采用CORS不間斷的傳遞數據，及時提供變形數據[13]。

3.1 GPS采集技術要求

對地面沉降點進行GPS觀測，沉降觀測點應選擇在既能反映地面沉陷，又便于安放GPS接收機，且適合接收信號的地方[14]。為了提高觀測精度，利用GPS技術按不低于C級GPS網的要求進行觀測。GPS數據采集的基本要求見表2。

表2 GPS數據采集技術要求

3.2 GPS數據的處理

1）通過水準測量和三角高程測量得到的6個監測點的正常高，然后觀測6個監測點的GPS大地高程。

2）根據公式（3）求得該礦區內的高程擬合數字模型。

3）按照表2的技術要求，在其他GPS監測點采集數據，代入數學模型，分別求出各監測點的正常高。

礦區內共設置17個GPS地面沉陷監測點，其中7個點（JC01、JC04、JC06、JC09、JC11、JC14、JC17）利用水準測量進行了聯測，最終得到各監測點的正常高和高差，如表3所示。

表3 監測點正常高與高差

若以水準平差后的結果作為參照值，通過CORS系統得到的正常高與水準高程見表4。表4中每一段基線都可作為一段附和水準路線。根據表1的規范要求，可判斷JC04-JC06基線滿足四等水準測量的精度，而其余基線均滿足三等水準測量的精度要求。

表4 CORS所得正常高程與水準高程

4 結語

（1）在觀測條件良好，GPS信號良好，無干擾的情況下，使用HBCORS進行數據采集，通過建立高程數字模型，求定轉換參數，計算出來的正常高，可滿足四等水準測量的精度要求。

（2）CORS觀測方便，不受通視條件和天氣等因素的制約，可大大降低工作強度和測繪成本，通過周期性的觀測，對礦山的地表沉陷監測有廣泛的應用。

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The Application and Practice of CORS in Monitoring the Ground Subsidence for Mining

ZHU Zeng-feng1,ZHENG Jiao-jiao1,LUO Sheng-nan2
(1.Great Wall College,China University of Geosciences,Baoding 071000; 2.Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology,Taiyuan 030006)

Mining easily causes the ground subsidence,whose size and speed directly affect the safety of mines.It is difficult to implement the traditional leveling method in the area of mines.During the time of monitoring the ground subsidence,CORS replaces the leveling method,and the given conversion parameter is worked out and the normal height is calculated by the establishing the height fitting digital model.The result shows that the monitoring results can achieve the accuracy requirement of the fourth leveling. CORS in Hebei can be widely used in monitoring ground subsidence caused by mining.This method can improve the work efficiency and has a broad application prospect.

CORS;subsidence monitoring;leveling

P542+.1

A

1671-5004（2017）02-0014-03

2016-12-28

河北省科學技術廳2016年重點研發計劃項目“石礦跡地工程與生物協同重建技術集成與示范”（項目編號：16234204D）

朱增鋒（1985-），男，漢族，河南周口人，碩士研究生，講師，研究方向：GPS數據處理與應用。