GPS技术在矿区地表移动观测中的应用

王进 杨增平

摘 要：本文主要对GPS技术在矿区地表移动观测方面可开展的工作进行详细阐述，并且对如何处理获得的数据进行分析，论证了GPS技术应用于观测矿区地表移动、沉降的可行性。矿区地表GPS移动监测网的建立能为后期建立整个矿区的GPS地表观测网奠定相应的技术基础。

关键词：GPS技术；矿区；移动观测

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0092-03

Application of GPS Technology in Observation of

Surface Movement in Mining Area

WANG Jin1 YANG Zengping2

（1.Chenghe Mining Company，Weinan Shaanxi 715200；2.Chenghe Mining Company Dong Mine Branch， Weinan Shaanxi 715200）

Abstract： This paper mainly expounded the work that can be carried out by GPS technology in the observation of surface movement in mining area， and analyzed how to process the data obtained， demonstrated the feasibility of applying GPS technology to the observation of surface movement and subsidence after mining. The establishment of the surface GPS mobile monitoring network in the mining area could lay the corresponding technical foundation for the later establishment of the whole GPS surface observation network in the mining area.

Keywords： GPS technology；mining area；mobile observation

1 GPS应用于煤矿地表移动观测中的优势

GPS技术能对物体进行准确定位，方便测量人员进行作业，其在煤矿地表移动观测中具有极强的技术优势。

1.1 可操作性强

渭北澄合矿区地表环境复杂，黄土冲沟发育，外业观测作业极为困难。但是，GPS技术只要满足其电磁波条件就可以进行作业，可见，GPS技术在复杂环境矿区受到的限制条件较少，对工作环境及气候的适应性较强。因此，在复杂多变的矿区环境中应用GPS技术能起到较大作用，能极大提高整个矿区的安全[1]。

1.2 测量效率较高

虽然矿区地形条件较为复杂，但是GPS技术能一次性测量10km以内的定点作业，因此GPS技术能有效降低测量人员的劳动强度，并且使矿区测绘工作效果得到极大提升。GPS技术也能减少人员测量时移动的频率，在一个定点区域就可以达到较大的测量范围，大大提高工作效率。

1.3 实现信息的自动化及集成化

GPS技术能实现信息的自动化及集成化，因此测量技术人员可以将其测绘得到的坐标进行直接绘制，不需要人工进行数据的整理，提高了测量精度。由此，GPS技术在矿区地表移动连续观测中得到了广泛应用[2]。

1.4 定位功能较高

只要保障GPS仪器设备的基本操作环境，那么其就能对方圆10km之内所有平面进行平面定位，且误差精度极小。此外，GPS技术在矿区内携带也十分方便，可操作性很强，数据处理也展现出极大的智能性。

2 GPS技术在矿区地表移动观测中的理论应用

2.1 选择合适的坐标系

在进行矿区地表移动观测时，一定要选择好坐标，这样才能确定位移的相关参数变化。可以利用GPS技术直接定点，然后再与地表位移的坐标进行对比，这样就能确定地表位移的相关参数。相关坐标不能直接转化，因为精度无法达到要求。因此，在实际观察中，需要和精度较高的地表位移进行比较，这样才能有效降低测量误差，提高测量精度性。

2.2 基准不自检的要求

为了准确测量地表移动量，必须要设置合理的基准点及观测点。设置基准点和观察点需要满足以下几方面的要求：第一，基准点距离定位观测点距离要适中；第二，基准点必须确立在稳定地表区，这样才能真实反映其位移情况；第三，矿区选择的基准点周围不能有较高的建筑物，否则会降低测量精度；第四，设置强制归心的标志；第五，测量周围不能有强电磁物质干擾[3]。

3 GPS技术在矿区地表移动连续观测中的实际应用

为了取得开采时地表位移的相关数据，渭北澄合矿区利用GPS技术在开采工作面上部建立比较具有代表性的观测点，以进行连续观测，对获得的数据进行分析，用于探究地表沉降时间与空间的关系，利用数据关系来确定整个开采面上部地表变形及位移的相关特征。

传统的测量方法是利用经纬仪对观测点之间的水平距离及高程进行测量，但其工作效率较低，测量人员工作量较大，并且在复杂多变的矿区具有一定的限制条件。GPS定位技术测网周期较短，并且具有集中化及自动化的特点，能使得测量点之间保持通视条件，并且在恶劣环境下也能保持全天候的观测，也能实行三维定点测量操作。因此，利用GPS技术对煤矿矿区地表位移进行有效监测，形成监测网，直接确定该煤矿的位移形变，为后期煤矿工程建设奠定良好的基础。

3.1 监测网的建立

3.1.1 坐标网的选择。GPS技术所得到的测量点的坐标属于WGS-84全球协议地心坐标系统，能用精度较高的地表位移及变形观测，这种观测技术能利用相邻两次观测点相较WGS-84坐标之间的差值定位其相关参数当量。如果将用GPS技术测得的坐标与其他方法得到的坐标系统进行转换，必然会带来极大的误差，降低测量精度。因此，在矿区地表移动连续观测中，其观测网的建立需要采用基于WGS-84的高斯平面直角坐标系系统，并且对同一观测区在高程上采用GPS大地测量高差。

3.1.2 基准观测点的设置要求。该煤矿的生产作业面为近井点工作面，工作面的近井点位置位于矿区办公楼的楼顶，距离首采工作面的上部地表约1 000m。为了方便对问题进行阐述，首先建立相应的GPS连续地表观测，模型构造如图1所示。

在图1中，移动连续观测网的基准点采用的是矿区近井点，并且进行分别编号，分别作为基1标准点，基2标准点及基3标准点。这些标准点均位于该矿区办公楼的顶部。测量技术人员还要将基1标准点与基2标准点作为主要的基准点，将基3基准点作为附属的移动观测标准点。在移动观测建立的GPS监测网模型中，点1、点2标准点是在整个监测网内部移动的观测区所设置的能够代表矿区特点的代表性观测点。根据3个基本点的位置及2个代表观测点的位置建立该观测点的矿区地表位移及其他形变的观测网络。设置的基准观测点和其他基准点的位置应该满足GPS技术的基本要求。第一，3个基准点位置应与位移观测区保持一定的距离，但距离不能过远，使地表位移观测区最远的位置也在GPS有效测量范围之内。在进行该矿井的地表连续测量过程中，选用近井点作为基准观测点，距离整个观测区的区域距离约为2 000m，符合相应的标准要求。第二，在选择基准点的位置时，基准点选在地质结构较为稳定的矿区岩石上，这样能防止测量仪器遭到不稳定的破坏，有效反映实际发生的相对位移及地形的相对形变，测量的固定性可以使测量仪器与周围地面紧密连接。所测量煤矿的近井点位于办公楼内，并且为框架结构，内部结构相对来说比较稳定，该建筑物采用混凝土与整个楼顶进行结合，构造性上满足实际测量的需求。第三，基准点不能有高度角超10°的障碍物；第四，基准点应该设置强制归心标志；第五，基准点周围不能有强电磁干扰物质或者是具有其他GPS信号的反射体，以免对基准点的信息接收造成干扰。在地表移动的观测区，观测点需要满足以下要求：第一，能全面反映地表的位移及变形情况，观测点分布要均匀，要具有代表性，能代表整个区域的变化特征；第二，观测点要设置强制的归心标准；第三，观测点能接收到完整的GPS信号。

3.2 数据采集

在实际定位矿区测量过程中，需要配备3台GPS定位系统。同时，GPS定位系统选择静态测量模式，分别为A、B、C三机。GPS接收机的天线中心要足够稳定，对GPS接收机进行相位中心及稳定性检测。此外，GPS接收机要卸掉基座进行强制归心。

为了在测量中得到精度较高的垂直方向的沉降量，GPS接收机的天线可采用同等规格的连接螺杆与观测螺杆进行连接，这样才能减小由于天线高度而产生的测量误差，减小对沉降高度垂直方向的数据影响。

3.3 监测整个过程

由于GPS地表位移连续监测过程基本相同，因此这里只介绍第一次进行观测的整个过程。首先，要保证主机准点的相对稳定。分别将3台GPS信号接收机定位于基准点上。其次，进行相对状态的定位静态测量，静态测量的时间为2h，以获得3个基准点的高斯平面坐标系及大地直角坐标系。最后，测量人员对所获得的数据进行判别，以此来推断数据是否具有相对的稳定性。只有确认主机具有相对稳定性，才能继续进行矿区地表移动的连续观测，如果认为不具有稳定性，应该对主机内的空间三维坐标进行有效修正。

在观测点进行测量时，需要将A与B接收机进行强制归心，同时，将C信号接收机安装于垂直杆之上，将观测点进行流动定向，并进行数据测量。然后设置基1（X1，Y1，Z1）、基2的三维坐标（X2，Y2，Z2），并且通过已知基1及基2的坐标能得到观测点的实际坐标为（Xn，Yn，Zn）。同时，测量技术人员能计算出观测点的坐标变化，结合实际煤矿作业面的范围及采掘的实际位置和采集时间关系，制作相应的影响关系曲线，利用影响关系曲线就能判断出在实际采掘过程中，整个地表工作面受到采掘影响范围所发生的地表位移的变化/地表的沉降变化以及地表变形的原因，从而为制定相对应的解决措施提供依据。

4 GPS数据处理工作

在首次测量任务结束之后，应该对所获得的观测数据进行质量分析。进行质量分析的方法是基线解算。基线解算需要对数据进行有效剔除，数据剔除率应小于2%。在對数据进行基线解算之后，需要对整个外业测量的数据进行质量检验，目的主要有两个：第一，进行闭合差的检验；第二，进行复测基线，剔除较差的数据。

GPS网平差时，需要根据实际测量中固定条件的不同选择不同的平差方法。平差方法主要分为2种，即最小约束平差和约束平差。最小约束平差采用固定网络中的一点加以平差，利用这点的数据来检验整个地表移动监测网的实际质量；约束平差法要先选用实际的固定位置，然后对该固定位置赋予相应的加权之后进行后期平差。平差作业能有效控制观测点的方向和位置，能在满足条件的情况下尽可能减少固定的点位，能降低固定点位误差对整个工程测量带来的消极影响。同时，工程技术测量人员需要根据以往的经验及此次测量所得到的解算结果，利用数据确定在定位过程中精度较高的三维空间形变，提高整个空间变形监测的精度，其平面位移的监测精度应达到±1mm，同时，垂直方向的监测精度应该达到±1mm，这样才能充分满足渭北澄合矿区首采作业面进行地表位移观测及沉降观测的质量要求。

5 结语

在矿区地表移动连续观测中，由于GPS定位技术受周围环境影响较小，通视条件的距离限制较小，加之自身具备自动化及智能测量工作模式，在地表位移变形以及沉降的观测中得到了广泛应用。借助GPS观测网络对矿区的地表移动连续观测，与传统观测方法相比，GPS定位观测技术能大大提高测绘人员的工作效率，解放测绘人员的劳动。GPS定位观测技术所得到的地表移动数据与传统观测方法所得数据符合程度较高，其精度也能满足标准要求。因此，在实际矿区地表移动连续观测中，其能代替传统方法进行测量。

参考文献：

[1]郭文兵，黄成飞，陈俊杰.厚煤层综放开采地表下沉速度观测研究[J].煤炭科学技术，2011（4）：114-117.

[2]吴立新，高均海，葛大庆，等.工矿区地表沉陷D-InSAR监测试验研究[J].东北大学学报（自然科学版），2005（8）：778-782.

[3]刘晓菲，邓喀中，范洪冬，等.D-InSAR监测老采空区残余变形的试验[J].煤炭学报，2014（3）：467-472.