地表移动观测站数据处理新方法研究＊

王 刚 郭广礼 王 磊

(1)国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室(中国矿业大学),徐州 221116 2)江苏省资源环境信息工程重点实验室 (中国矿业大学),徐州 221116)

地表移动观测站数据处理新方法研究＊

王 刚1,2)郭广礼1,2)王 磊1,2)

(1)国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室(中国矿业大学),徐州 221116 2)江苏省资源环境信息工程重点实验室 (中国矿业大学),徐州 221116)

建立地表移动观测站是研究开采沉陷和建筑物破坏规律的最可靠手段。目前,实地观测数据在后期的处理过程中大多都是采用传统的支距法等方法,将观测值改正到工作面的走向和倾向方向上,使得观测站布设与数据处理具有较大的局限性,地表移动和变形计算精度也受到较大的影响。针对传统的地表移动观测站数据处理存在的问题,结合工程实例介绍一种地表移动观测站数据处理新方法。

地表移动;观测站;数据处理;坐标转换;精度

1 引言

研究开采引起地表移动变形的方法很多,如实地观测法、理论模拟法和相似材料模型法等。但目前公认最可靠最有效的认识岩层与地表移动规律的方法还是实地观测法,即按一定要求在受开采影响的地表、岩层内部、建筑物上设置一系列的观测点,在采动过程中,定期获取这些点的坐标,以确定各观测点位置的变化和观测点间的相对移动,从而找出地表和岩层移动变形的规律。因此,除了观测站的设计方案必须合理外,实测资料数据处理的准确性也十分重要,其结果准确与否直接关系到所得规律的可信度。如果处理方法恰当,所得结论就能正确反映某种地质采矿条件下的地表移动和变形规律;反之,如果处理方法不当或者出现错误,研究就会失去意义。

因此,在地表移动观测站的布设过程中,其正确的设计方案和合理的数据处理模式是保证研究意义能够实现的关键所在。鉴于此,本文结合具体的工程实例,研究了一种地表移动观测站的数据处理新方法。

2 传统观测站布置及数据处理存在的问题

地表移动观测站可分为网状观测站和断面线状观测站。但有时限于地形条件,在布设断面线状观测站不便时,在山区也可以布置网状观测站[1],一般情况下主要还是布设为断面线状观测站。传统的地表移动观测站要求设计的观测线必须严格位于地表下沉盆地主断面线上,利用经纬仪、水准仪、钢尺和支距尺等进行测量,其优点是所用仪器价格低廉,使用也较方便,一般能满足测量精度的要求。但由于水平移动观测数据只有各测点沿观测线方向的水平移动值,垂直观测线方向的水平移动值一般不进行观测,从而造成了以下问题：

1)外业作业劳动强度大,内业计算复杂,精度较低。特别对于水平移动测量,由于钢尺量边的误差随着边长的增大而逐渐积累,在测线较长时,水平移动测量的精度就会很低,甚至达不到要求的精度。

2)由于受各种因素的干扰,地表移动观测站不可能按理论上布置成一条直线而是沿某一直线左右摆动[2,3],从而使得水平移动值存在一定误差 (图1)。

图1 传统观测站布置Fig.1 Layout of traditional observatory

各观测点的水平移动值一般是按以下方法求出的：假设A为控制点,其末次观测与首次观测相比, AB伸长量为ΔLAB,BC伸长量为ΔLBC,CD伸长量为ΔLCD等。则 B、C、D3点沿倾斜方向的水平移动值分别为ΔLAB、ΔLAB+ΔLBC、ΔLAB+ΔLBC+ΔLCD。

这样求出的水平移动值存在以下误差：

首先,ΔLAB、ΔLBC、ΔLCD是 3个不同方向的矢量,不能求代数和,相邻线段方向变化越大其代数和的准确性越差,而且观测点距离控制点越远,求出的位移值累计误差值越大。

其次,不在主断面线的各点的实际位移值与主断面线方向存在一个夹角,因此实际位移必须分解为沿主断面线方向的一个分量和垂直主断面线方向的一个分量,而在计算时经常把非主断面线方向的位移看作沿主断面线方向的位移。

3)由于地形、地貌等原因,观测线可能无法沿走向和倾向布置,而必须布置成折线 (图 2)。在传统观测方法中,对于AB线上的各观测点,只观测顺着AB方向位移,而不观测垂直于 AB方向的位移,对于BC线上的各观测点同样如此。即在实际数据的处理过程中,常把沿观测线方向的值当作总位移,从而无法知晓沿断面线方向的实际位移值。由于AB线上的观测点与 BC线上的观测点的观测值方向不同,并且无法分解,而传统的求参程序是采用主断面的移动进行拟合的,因此,无论按哪个方向拟合都会产生误差。

图2 特殊情况下观测站的布置Fig.2 Layout of observatory under special circumstance

4)测量工作量大,数据处理复杂,尤其在进行支距测量和支距改正时更是如此。支距改正的目的是将相邻观测点间的距离改正到成观测线方向上,如图 3,A、B、C为观测线上相邻的 3个点,点间距分别为 L1、L2,设 3个点在观测线方向的距离为 L11、L22,支距改正ΔL按式 (1)计算：

图3 支距改正Fig.3 Distance correct

3 地表移动观测数据处理新方法

为了克服传统观测站数据在处理过程中的缺陷,许多学者曾进行了大量的研究。李春意等[4]改进了观测站的数据处理方法：先求出各观测点的坐标变化量,再将坐标变化量投影到观测线上(图 4)。周万茂[5]提出两种方法来改进数据处理的复杂程度：一是将传统的相邻观测点间距的观测法改为按大坐标或矿区坐标或其他相对坐标观测各观测点坐标的变化,二是把沿观测线方向的位移改为沿两个坐标方向的位移。

图4 观测点数据处理Fig.4 Data processing of observation point

但这种模式对于地表移动观测站的数据处理计算量较大。为此,本文试图在实际应用中探索出另一种较为简洁方便的数据处理方法。

观测数据经过整理改正后,便可计算观测线上各测点和各测点间的移动和变形。移动和变形计算主要包括：各测点的下沉和水平移动,相邻两侧点间的倾斜和水平变形,相邻两线段 (或相邻 3点)的曲率变形,观测点的下沉速度等。在计算之前,先将用GPS测得各点的WGS84坐标转换为BJ54坐标系坐标,再将BJ54坐标系坐标转换为矿区工作面坐标系统坐标。具体转换过程如下(图 5)。

图5 BJ54坐标系和矿区工作面坐标系的转换Fig.5 Conversion bet ween BJ54 coordinate system and mining face coordinate system

用 GPS和全站仪分别精确测出控制点A、B、C、D的WGS84坐标和高斯坐标,利用坐标转换工具求出两套坐标系统的转换参数,进而实现其他各点的坐标转换。在图上量出控制点 A、B、C、D的矿区工作面坐标系统坐标,利用坐标转换工具求出BJ54坐标系和矿区工作面坐标系的转换参数,进而将其他各点的坐标转换为矿区工作面坐标系统坐标。最后进行各移动和变形的计算,公式如下：

1)m次观测时 n点的下沉值：

式中,hn0、hnm为首次和m次观测时 n点的高程。

也可用下列公式计算m次观测时 n点的下沉：

式中,zn0、znm为首次和 m次观测时 n点在矿区坐标系下的 z坐标。

2)相邻两点的倾斜

x轴(倾向)方向倾斜分量：

y轴 (走向)方向倾斜分量：

总的倾斜量：

式中,Δxn～n+1为 n号点和 n+1号点的 x坐标差, Δyn～n+1为 n号点和 n+1号点的 y坐标差,wn+1、wn为分别表示 n+1号点和 n号点的下沉值。

3)n号点附近的曲率

式中,in+1～n、in～n-1为 n+1号点至 n号点和 n号点至 n-1号点的倾斜;Δxn+1～n、Δxn～n-1为 n+1号点至n号点和 n号点至 n-1号点的 x坐标差; Δyn+1～n、Δyn～n-1为 n+1号点至 n号点和 n号点至 n -1号点的 y坐标差。

4)n号点的水平移动

x轴方向水平移动量：

y轴方向水平移动量：

总的水平移动量：

式中,xnm、xn0为 m次观测时和首次观测时 n号点的x坐标;ynm、yn0为 m次观测时和首次观测时 n号点的y坐标。

5)n号点至 n+1号点间的水平变形

x轴方向水平变形量：

y轴方向水平变形量：

总的水平变形量：

式中,(xn+1～n)m、(xn+1～n)0为 n+1号点和 n号点在m次观测时和首次观测时的 x坐标;(yn+1～n)m、 (yn+1～n)0为 n+1号点和 n号点在m次观测时和首次观测时的 y坐标。

4 工程实例

4.1 矿区概况

济宁三号煤矿位于山东省西南部济宁市南郊,距济宁市 14 km。矿井设计年产量 500万吨,是我国特大型现代化矿井。井田范围内地表面以农田和村庄为主。63下 04矸石充填试采区位于济三矿工业广场西北部,辛店村以东,南阳湖堤从工作面南部穿过,地表大部分为农田,工作面开采南阳湖堤和辛店村的保护煤柱。地面标高 +33.0～+33.3 m,平均 33.14 m,工作面标高 -639.0～-663.0 m,平均-650 m。该面东临 63下 03工作面采空区,西临尚未回采 63下 05工作面,北临 63下 04工作面采空区,初步设计停采线向南距六采区辅助运巷巷中107.0 m。

矸石充填试采区域煤岩层总体趋势呈现南高北低的单斜构造,局部伴生宽缓的波状起伏。共发育断层 10条,落差大于 3.0 m的断层两条,最大落差6.5 m,断层在采区内延展长度 8.0～523.0 m。根据井巷工程揭露情况,走向以南北为主,延展长度一般较长,落差变化较小,以张性正断层为主。

矸石充填试采区域位于辛店村保护煤柱东北部,其正上方地表为辛店村农田和积水塌陷区,西距辛店村主体建筑群约 480 m。

4.2 应用成果及分析

为了使 GPS的测量成果转换为矿区坐标系统,必须先计算出坐标转换参数,而求取坐标转换参数必须己知至少 3个高精度控制点的矿区坐标值 x、y、h。根据已知控制点均匀分布在测区的原则,本次工程中矿区内选择 4个己知的静态 GPS控制点,分别为A、B、C、D(图 6)。

图6 济三煤矿地表移动观测站沉降观测点布设图Fig.6 Layout of subsidence observation spots at surface movement observation station in Jisan mine

利用随机软件求出坐标转换参数为：比例系数S=-1 000 016,旋转度 JR=-0.101 449,高程参数a= -0.000 047 331,b = 0.000 023 634,c= 1.373 809 179;然后利用此参数将矿区其他测点转换至BJ54坐标系;最后利用控制点 A、B、C、D求出BJ54坐标系和该矿区新建坐标系的转换参数 (表1),进而将其他测点的 BJ54坐标转换为矿区坐标。最后利用式(1)～(12)分别求出各测点的移动变形值。该矿区坐标系以 83201工作面上顺槽上一点 o为坐标原点,倾向方向为 x轴,走向方向为 y轴 (图7)。

图7 矿区坐标系Fig.7 Coordinate system ofmining area

限于篇幅,在此只随机抽取其中的 3个观测点进行验算。表 1表示控制点A、B、C、D4点的 BJ54坐标系坐标和矿区坐标系坐标以及通过坐标转换参数软件利用四参数法计算出来的两坐标系统的转换参数,四参数法的转换模型如式(14)所示。

为了研究开采后观测点 a、b、c的实测变化和用本文所述新方法计算所得变化间的关系,将二者进行了对比。表 3表示地表观测点 a、b、c受开采影响后的BJ54坐标和由表 1中转换参数计算得到的相应矿区坐标,表 4表示由实测所得各观测点的位移和由本文所述新方法计算所得各观测点的位移,实测位移值由图7量得。

表1 控制点的 BJ54坐标和矿区坐标(单位:m)Tab.1 BJ54 coordinates and m ine surface coordinates of control poi nts(un it:m)

表2 开采前各观测点的 BJ54坐标和矿区坐标(单位:m)Tab.2 BJ54 coordinates and m ine surface coordinates of observation points before m in i ng(un it:m)

表3 开采后各观测点的 BJ54坐标和矿区坐标(单位:m)Tab.3 BJ54 coordinates and m ine surface coordi nates of observation points after m i n ing(un it:m)

表4 实测变化值和计算变化值(单位:m)Tab 4 M easured and calculated changes(un it:m)

5 结论

1)该新方法不需支距测量、钢尺量边,克服了传统地表移动观测站数据处理过程中存在的弊端,便于用计算机进行数据处理,从而可大大提高数据处理的精度和工作效率。

2)GPS的测量成果只需要进行两次坐标转换即可直接计算出地表各移动变形指标,过程简单。

3)虽然在两次坐标转化中精度会有所降低,但从实例分析可知,坐标转换中精度损失很少,计算精度达到毫米级,完全可以满足对开采沉陷分析的精度要求。

4)由于观测手段和计算手段的局限性,传统地表移动观测站在数据处理方法上存在种种问题,但随着先进观测仪器的使用和计算机的普及,本文提出的方法将具有可推广性。

1 原东方.山区地表移动观测站数据处理方法[J].焦作工学院学报,1996,15(2)：14-19.(Yuan Dongfang.Resarch on data processingmethod ofmountain surfacemovementobservation[J].Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),1996,15(2)：14-19)

2 李万武.地表移动观测站的建立 [J].煤炭技术,2002 (6)：69-70.(LiWanwu.Building of the surface migrating observation station[J].Coal Technology,2002(6)：67-70)

3 赵立武,等.非正规地表移动观测站数据处理的一种新方法[J].煤炭科技,1999,(2)：29-30.(Zhao Liwu,et al. A new kind ofmethod of infor mal surface movement observatory data processing[J].Coal Technology,1999,(2)：29-30)

4 李春意,郭增长,杨福芹.地表移动观测站数据处理方法探讨[J].河南理工大学学报,2006,25(6)：481-483.(Li Chunyi,Guo Zengchang and Yang Fuqin.Data procession methods discussion of land surfacemovementobservation station[J].Journal of Henan Polytechnic University,2006,25 (6)：481-483)

5 周万茂.地表移动观测站布设及数据处理方法简析[J].煤矿开采,2000,1.(Zhou Wanmao.A kind new method of surface movement observatory arrangement and data processing[J].Coal Mining Technology,2006,25(6)：481-483.)

A NEW M ETHOD FOR DATA PROCESSING OF LAND SURFACE MOVEM ENT OBSERVATI ON STATI ON

Wang Gang1,2),Guo Guangli1,2)andWangLei1,2)

(1)Key Laboratory for Resources Environm ent and D isasterM onitoring of SBSM(CUM T),Xuzhou 221116 2)M ain Laboratory of Resource Environm ent Infor m ation of Jiangsu(CUM T),Xuzhou 221116)

Establishingmobile stations is the most reliable way for researching surface subsidence and building damage.At present,the processing in later stage of field observations is mostly with offset method or other traditionalmethods to converse the observations to the strike direction and tendency direction,thus station’s layout and data processing are subject to greater li mitations,the calculation accuraciesofmovement and deformation of the surface are significantly affected.For the Shortcomings of traditional data processing of observation station,a new method of data processing of observation station is introduced with practical engineering example.

land surface movement;observation station;data processing;coordinate transformation;accuracy

1671-5942(2011)04-0127-05

2010-11-23

国家自然科学基金重点项目(50834004);国家公益性行业基金(200811050)

王刚,男,1986年生,硕士研究生,主要研究方向为开采沉陷与“三下采煤”.E-mail：wanggangcumt@163.com

P207

A