基于GPS技術的礦區變形監測研究

苗 雨

（山西壽陽潞陽瑞龍煤業有限公司，山西 壽陽 045499）

0 引言

近年來，隨著我國經濟快速發展的需求，煤炭產量也逐年增加。煤炭資源大規模采出后必然會對礦區及周邊地表造成移動變形，而常規的測量儀器設備無法快速且高精度的得到地表變形信息。因此，采取科學的方法進行監測和控制地表下沉，有效的避免礦區安全及災害防治問題至關重要。

目前，針對礦區地表變形數據測量的方法有很多，如：GPS、INSAR、數字近景攝影測量、三維激光掃描等技術[1,2]。其中GPS技術具有高精度、快速及全方位全天候的特點，已經在工程勘察、變形監測等方面取得了較大的應用。但由于存在監測不連續、數據處理落后導致錯過最佳預警時機等缺點，現將GPS與通信技術、數據處理技術結合在一起組成GPS監測系統，實現對礦區地表變形的實時監測和控制。

1 GPS監測系統特點

GPS具有高效性、全天候、實時性、高精度等特點，但對于礦區地表變形監測，不僅僅只注重于結果數據，更需要快速的分析其產生變形的原因及變形趨勢，實時的制定出相應的決策措施控制地表變形[3]。

因此，GPS監測系統需包括數據采集、數據通信、數據處理和監測預警等4個部分。

1）數據采集系統。數據采集包括GPS參考站與變形監測站。參考站是作為一參照標準，與常規監測中的基準點具有相同的作用。GPS參考站設置點需地質條件好，且處于穩定狀態，便于穩定性分析，并無顯著多路徑效應，適合常規的GPS觀測條件，而變形監測站設置于需要進行監測的位置點上，需能夠有效地反應整個礦區監測區域的各種變形特征，典型的變形監測點需設置為連續運行的觀測站。

2）數據通信系統。數據采集系統采集得到的數據通過數據通信系統傳遞到處理中心進行處理和分析。數據通信系統包括有線傳輸和無線傳輸兩部分。礦區信號良好時，可以直接通過無線傳輸進行數據傳遞，信號較差時為保證數據的準確性和時效性，可以選擇采用有線傳輸進行快速傳遞數據。

3）數據處理系統。數據處理系統包括通信設備、數據處理設備、顯示設備、輸出設備等。數據由GPS采集系統采集后通過數據通信系統傳輸到數據處理系統，處理中心會針對大量的監測數據進行及時處理，針對關鍵的地表變形數據點進行分析原因，并給出其下一步預測趨勢，提供重要數據給相關部門進行處理，給出相應的控制措施，從而控制礦區地表變形，有效地避免地質災害。

4）監測預警系統。監測預警系統通過處理中心得到的分析結果進行進一步分析處理，將典型監測點通過處理程序得到其位移量，并繪制變形曲線圖，再根據安全控制防范標準設定預警指標，及時顯示預警信息[4]。

2 GPS監測系統設計

本文將GPS技術與通信技術、數據處理技術等結合在一起組成了礦區地表變形監測系統，具體監測系統如下：

1）礦區監測方案設計。根據礦區地質賦存情況結合需要監測的位置點，合理的提出監測要求，進一步規劃，確定礦區地表變形監測方案，并選取合適的檢測設備，負責檢測整個礦區典型區域的移動變形。

2）建立GPS監測基準網。根據礦區地質環境，對GPS基線網進行勘測和設計，獲取基線解，并根據不同的參數估計理論進行基線網和坐標系統的迅速轉換。

3）建立似大地水準面模型。根據地球重力場建立重力大地水準面模型，然后結合GPS技術進行擬合，從而建立礦區似大地水準面模型。模型建立完成后要通過典型數據對模型的可靠性及精度進行檢驗，通過檢驗后才可以投入使用。

4）GPS數據采集與處理分析。根據采集系統采集得到的數據進行分析、處理，用圖表的形式輸出GPS采集得到的數據，并預測下一步趨勢，超出規范范圍時進行預警。

3 監測基準網的數據處理

本節重點介紹采集得到數據后，如何進行計算分析，得到礦區監測點的移動變形。

3.1 監測基準網基線向量處理

采用載波相位觀測的雙差模型進行對GPS檢測基準網基線向量的處理，以初始整周模糊度改正數WN以及基線向量改正數Wx，Wy，Wz為參數，進行監理得到到誤差方程式模型表達式[5]為：

式中：a,b,c為方程系數，W為常數項，1,2表示觀測歷元測站，則可以確定ti得到的誤差方程組矩陣為：

則可以得到某個固定時段時，礦區全監測網的誤差表達式為：

式中：A為總的系數矩陣；V為向量（v1,v2…vn）T；Wx為初始整周模糊度和基線向量改正數的修正值矩陣。然后引入位置基準值針對監測網的變形參數進行計算，位置基準點采用誤差較小的WGS-84點，以保證位置基準點不會引起監測網中觀測值的變形，既可以得到監測網中任何位置基準點絕對誤差不大于10m，最后建立基準方程：

即可以得到監測網中的觀測值為：

最后根據觀測值及可以計算得到該點的坐標值。

3.2 檢驗觀測點穩定性

假設某觀測點在某一時刻的位移向量為：m=X-X（ti），根據F分布檢驗法計算可以得到m的單位權方差，計算統計量F=em2/e2，選取合適的置信度T，進行比較：當F＜FT時，監測網中各監測點處于穩定狀態，否則，監測點有顯著移動，不穩定。

3.3 坐標轉換

為保證在坐標轉換過程中不降低數據結果的精度，可以進行兩種坐標系統的轉換，進行比較取合適值。第一種轉換是將礦區原有生產坐標系統的穩定點聯立求得轉換參數，將監測點的GPS坐標轉換為礦區生產系統坐標。第二種轉換方法為選取中央子午線建立平面坐標系，將監測點的坐標轉換為此平面坐標系中的坐標。

3.4 監測點變形計算分析

通過穩定性檢驗的點可以作為基準點使用，進而得到監測網中發生移動的點的變形量、變形趨勢，判斷該點的變形是否達到了臨界值，并進行預警。

4 工程實例

某礦采用了基于GPS技術的礦區變形監測系統，在礦區建立GPS監測網，根據地質賦存條件特征，在礦區范圍內設置25個典型的監測點，點位兼顧生產和監測兩用，如圖1所示。

針對監測點觀測6期，并對得到的數據進行計算處理，按前面所述方法進行檢驗，得到其中GS02、GS10、GS13、GS15、GS23 共計 5 個點處于穩定狀態，可作為基準點使用。并進一步計算可以得到最小下沉量Wmin=7.2mmm，最大下沉量Wmax=53mm，最小水平位移量Xmin=2.5mm，最大水平位移量Xmax=8.9mm，并對監測點變形趨勢進行預測，可以得到礦區地質環境處于緩慢變形的不穩定狀態，需要進一步采取控制措施。

圖1 某礦區GPS監測點分布圖

5 結束語

GPS監測系統結合通信技術和數據處理系統一定程度上實現了礦區變形監測的實時性，可以提供礦區范圍內監測點精確的坐標信息，并作出相關變形趨勢預測及預警。相較于傳統的變形監測系統，GPS變形監測系統更為精確、并有著連續性、自動化的優點，在煤礦地表監測領域內有著廣闊的應用前景。