基于多源測繪技術礦區沉降變形監測研究

劉亞飛

摘 要：目前礦山存在著地面沉陷、煤矸石山、塌陷坑等諸多地質環境問題，導致礦區內土地資源和植被資源被破壞。本文結合GNSS和傳統大地水準儀方法，獲取吉林省長春市九臺營城礦區2019年4月變形監測數據，得到該礦區在1—4月間最大沉降量與沉降速率分別為128.4 mm和15.4 mm/月，該研究變化趨勢符合實際，可作為預測該礦區沉降變化的參考依據。

關鍵詞：礦區;沉降監測;GNSS靜態;沉降分析

中圖分類號：P623.3 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）30-0055-03

Abstract： At present， there are many geological environment problems in the mine， such as ground subsidence， coal gangue mountain and collapse pit， which lead to the destruction of land resources and vegetation resources in the mine. Based on the Jiutai Yingcheng mining area in Changchun city， Jilin Province， the deformation monitoring data of the study area in April 2019 are acquired by combining GNSS and traditional earth level methods in this paper. The maximum settlement deformation and settlement rate for the mining area in the period from January to April are 128.4 mm and 15.4 mm/month respectively， which is consistent with the actual change trend. The results can be used as a reference for predicting the subsidence change of the mining area.

Keywords：mining area;subsidence monitoring;GNSS static;settlement analysis

吉林省長春市九臺區的礦產資源曾為我國國民經濟建設做出了巨大貢獻。九臺是與營城煤礦一起發展起來的城市，由于營城煤礦的破產，該礦區面臨的問題和矛盾十分突出。礦山存在著諸多地質環境問題，如地面沉陷、煤矸石山、廢棄礦井及塌陷坑等，礦區內土地資源和植被資源被破壞[1]。同時帶來大氣飄塵、土壤污染、水質污染及突發性安全事故的隱患，也破壞了當地的生態環境，嚴重威脅著當地居民的生命財產安全。采取適當的工程技術進行礦山地質監測，不僅可以獲取實時有效數據，而且可利用該數據對礦區進行有效的預測，針對預測做好預防可避免各類地質災害的發生[2]。因而，及時、準確的礦區變形監測有利于改善居民生存環境，促進礦產資源枯竭城市轉變成經濟型城市。

目前，應用在礦區的傳統變形監測技術包括全站儀法[3]，但該方法由于測量周期長，且受地面條件等因素的影響，因而不常用，目前通常采用水準測量或GNSS方法等技術[4]。一、二等水準測量普遍應用在變形監測垂直方面，該方法可提供高精度垂直數據。隨著全球導航衛星系統的發展，在大型工程變形監測領域，GPS技術已成為一種新穎的技術手段，常用于水庫大壩、大型橋梁、高層建筑物等工程。此外，在監測礦區地面沉陷和變形等方面也逐步采用GPS技術[5]，該方法具有精度高、自動化程度高且全天候等特點，可以避免傳統全站儀方法的劣勢。綜上所述，為獲取該礦區高精度沉降結果，本文采用GPS方法和水準儀相結合的方法。

為得到吉林礦區變形和沉降量的有效數據，本文結合GNSS和水準測量法對該礦區進行監測，利用相關數據處理軟件分析得出2019年1—4月時間段各監測點垂直和水平方向變化，得出該礦區在1—4月中最大沉降量與沉降速率分別為128.4 mm和15.4 mm/月，該數據可為該礦區的地質災害和工業用地安全事故預防提供可靠的依據。

1 研究區概況

研究區位于吉林省長春市九臺區營城，測區面積30 km2;地理坐標為：東經125°52'52"—125°54'24"，北緯44°09'04"—44°10'10"。九臺區屬北溫帶大陸性季風半濕潤氣候區，一年四季分明，具有春季干燥多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽短暫，冬季寒冷漫長的特點。多年平均氣溫5.3 ℃，最高37.8 ℃，最低-37.9 ℃;多年平均降水量572.3 mm，降水多集中于6、7、8三個月份，占全年降水量70%以上;多年平均蒸發量1 330 mm;本區地勢總體上是東南高西北低，地形呈丘陵狀起伏，海拔標高182～200 m，相對高差18 m;地貌為丘陵、臺地及階地漫灘，丘陵主要由白堊系營城組碎屑巖構成，臺地由第四系中更新統沖洪積黃土狀亞黏土組成，第四系全新統沖洪積亞砂土、砂礫石沉積于階地漫灘中。營城煤礦的含煤地層主要為中生界侏羅系上統沙河子組，含煤段地層總厚度1 179.5 m。

本研究共布設2個基準點和27個監測點，其中27監測點均在2018年12月做埋樁處理，部分監測點和基準點坐標如表1所示。

2 數據處理

2.1 水平位移監測

基準點坐標采用WGS-84坐標，通過與礦區高精度CORS進行聯測，采用GPS-E級沉降監測網對變形點進行水平位移監測。為了獲得監測區域的絕對沉降量，每隔50 m布設一個監測點，且監測點平均分布在整個研究區。根據精度要求，GNSS在進行靜態數據采集其觀測點位四周高度角要求10°以上，且遠離干擾信號設備以減弱多路徑效應的影響。該GNSS變形監測網包含GPSA等級基準點2個、位移監測點27個，組成的平面控制網如圖1所示。

2.2 沉降監測

根據精度要求，本文采用二等水準測量方法，該方法可以滿足該礦區沉降需要，控制點K1和K2作為該測區的水準原點，聯測監測點A1至A27組成整個測區的水準網。采用Leica DNA03/10和數字水準尺，針對27個垂直位移點進行二等水準測量，共進行5次垂直水準測量，精度滿足設計要求。

3 結果與分析

3.1 結果

通過平差解算軟件得到部分監測點坐標如表2所示。通過數據對比可以得到部分監測點水平位移和沉降變化趨勢如圖2所示。

3.2 結果分析

為了更好地分析沉降和形變量繪制過程線，如圖3所示，得出如下結論。

①沉降觀測采用GPS方法結合合理的監測網，數據采用平差軟件進行有效處理，處理精度達到技術設計要求，點位坐標整體精度較高，能有效提取沉降信息。

②通過監測數據與原數據比較，監測點的平均沉降量在62 mm，但該礦區某幾個監測點出現較大沉降，通過計算得到該礦區沉降速率為15.4 mm/月。根據結果可推出該測區沉降呈逐漸增大趨勢。

③通過監測數據與原數據比較，監測點的水平方向都發生了偏移，該現象是由于該礦區常年開采礦產資源導致礦區向外擴張，且根據水平監測結果可推出該測區水平位移有逐漸增大趨勢。

④各監測點位置分布合理，且沉降趨勢符合度較高。在實際工作中，對垂直方向監測采用了GPS靜態方法，其沉降量與水準測量方法提取的高程沉降量信息符合程度較高，驗證了本方法的有效性。

⑤地面沉降趨勢較大，應對其原因和規律進行深入分析，采取有效的措施防治或抑制該礦區沉降趨勢。

4 結論

本文基于GNSS方法結合水準儀法處理2019年4月覆蓋營城礦區地區的變形監測數據，獲得了該時間段地表形變量，證明了利用GNSS結合水準測量方法來分析監測點的沉降量是可行的，且精度較高。提取了水平和垂直方向信息，結果表明，該礦區20%的監測點發生了較大沉降變化，最大沉降量達128.2 mm，月沉降量達到15.4 mm/月，總體滿足實際變形監測的要求。通過對礦區的多期觀測，初步確定了礦區沉降趨勢，得出了有益的結論，同時對GPS和水準測量技術在該礦區監測中的應用提供了借鑒。

參考文獻：

[1] 趙曉東，孫文超.基于 CORS 系統 RTK 技術的地表沉降數據處理與應用[J].山東工業技術，2016（6）：246.

[2] 張偉，黃學飛，李文陽.RTK 定位技術在地表移動沉降觀測中的應用[J].安徽科技，2012（4）：52-53.

[3] 范發龍.變形監測技術在礦井采空區沉降觀測中的應用研究[J].山東煤炭科技，2019（6）：175-176，188，191.

[4] 韓鑫儒，張博龍.杭來灣煤礦塌陷區地面沉降監測方案設計[J].陜西煤炭，2020（4）：34-36，59.

[5] 賈冬冬.店坪煤礦工業廣場建筑物沉降變形觀測方案研究探討[J].山東煤炭科技，2019（7）：172-173，176.