用GPS快速静态方式监测地面位移

张书华，陈洪年，李洪亮

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州272100）

采矿工程是人类最原始的自然活动之一，地面塌陷是采矿工程所带来的必然结果。采煤塌陷是最具有代表性的地面塌陷，塌陷程度深浅不一，塌陷面积大小不同，这与煤层埋深大小、煤层厚度、含煤层面积大小均有一定的关系。采煤塌陷对地面建筑物造成的破坏程度也不尽相同，轻则造成建筑物基础的破坏，墙体开裂；重则引起建筑物的垮塌，造成人民财产的损失，甚至威胁到人民生命安全，必须通过监测以观察其发展程度、发展速度，以保证人民生命财产的安全，在危险尚未发生时，采取必要的措施，以减少不必要的经济损失，将危险掌握在可控范围内。

早期的地面位移监测方法一般是通过测角、测边等方法，计算出位移量的大小，后来随着全站仪的发展，精度的提高，一般用高精度的全站仪监测地面小范围的位移。近年来，随着GPS（Global Position System）技术的飞速发展，用GPS监测地面位移已成为业界的主流，不过所用的方法一般是静态监测法，即用GPS监测网通过一系列的解算，求得监测点的位移量。最近，随着GPS精度的提高，GPS的快速静态方式也可满足采煤塌陷地位移监测的精度要求，且方便快速，可实时监测，工作费用也大规模降低。我们在邹城市太平镇平阳寺村附近的采煤塌陷地监测过程中就成功运用了该方法，达到了预期效果。

1 工程概况

邹城市位于山东省西南部，是典型的资源型城市，该市境内煤炭资源丰富,含煤面积357km2,占境域面积的22%,地下煤炭储量达41×108t,是全国8大煤炭生产基地之一[1]。多年来,煤炭开采在带动地方经济快速发展的同时,也带来了采煤区塌陷等毁坏耕地、破坏生态等人为地质灾害方面的问题。

“邹城市太平采煤区矿山地质环境治理示范工程（一期）监测工程”位于邹城市西侧——太平镇平阳寺村，处于新济邹路与泗河交叉处，新济邹路路北，泗河东侧，属兖州煤田范围。该地区气候属暖温带，为东亚大陆性季风气候区，四季分明，降水集中，雨热同步，冷热季和干湿季区别明显。该地区水系属淮河流域，主要河流有泗河、白马河，属季节性间歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含沙量大。监测区域位于两矿区交叉开采地带，地下开采巷道较多，开采进度不一，地面沉降情况错综复杂。为了全面掌握煤炭开采与地面沉降的关系，指导将来采煤塌陷地的治理工作，经相关专家设计论证，业主单位决定进行为期10年的全面监测，其中沉降监测和位移监测为每季度一次，每年监测4次，共建立位移监测点34个，监测面积为19.4km2。

2 监测方法

2.1 控制点的布设

为满足位移监测的精度要求，必须建立稳定的控制点作为基础，以监测地表的位移情况。采煤区的特点就是，采煤掘进区是始终在变化的，而其工业广场在开采过程中是不会变化的。因此，我们选择两煤矿（鲍店煤矿和横河煤矿）的工业广场作为基准点的待选区域，另取远离测区的两点作为基本控制点，控制点的布设见图1。根据文献[2-3]，GPS快速静态测量的特点是在基准点以内（内含）测得的GPS点比在基准点之外（外延）测得的GPS点精度高，外围必须有足够的等级较高的控制点才能保证其内部点的平面位置精度。根据测区和调查取得的实际控制点的情况，我们取鲍店矿、杨村矿、横河、骑岭4点作为GPS快速静态的首级控制点，按残差最小的原则求取7参数。

图1 矿山地质环境监测点布设及控制网图

2.2 地面位移监测点的布设

⑴GPS监测点位选定要求。根据GPS监测的特点，选点时应满足表1的各项要求。

⑵平面位移监测墩的建立。根据本工程的设计要求，本工程的位移监测点包括两部分：一部分是监测平面位移的监测点，另一部分是监测治理工程之一——挡墙的监测点。根据《工程测量规范》（GB 50026-2007）要求，本工程水平位移监测采用GPS网的形式。根据本工程的设计要求，GPS监测网应满足三等水平位移监测基准网的要求，即相邻基准点的点位中误差不大于6.0mm。为了提高位移监测点的成果精度，也为了本工程长期监测（监测期为10年）需要，必须制作强制对中观测墩。根据本项目设计要求，地面位移监测点采用监测区均匀布设的原则，在此原则之下，适当考虑煤炭开采活动的重点区域，适当增加GPS监测点的密度。挡墙监测点的作用就是监测治理工程已建立的挡土墙，视其变化是否超出一定的范围，主要监测其安全性，次要功能是监测挡墙是否出现整体位移，以判定地下煤炭开采和地面位移的关系。GPS平面位移监测点的布设图见图2。

2.3 地面位移监测方法

地面位移监测采用GPS快速静态1+1的监测方法，即固定一台GPS作为基准站，另一台为GPS快速静态的流动站。所用仪器为美国天宝光谱EPOCH 50 GNSS，精度指标∶码差分定位测量，水平0.25mm+1ppm；垂直：0.50mm+1ppm。静态测量及快速静态测量，平面3mm+0.1ppm，垂直：3.5mm+0.4ppm，动态测量，水平10mm+1ppm，垂直20mm+1ppm。由此看出，天宝光谱EPOCH 50 GNSS的快速静态方式可以获得较高的平面位置精度（3mm+0.1ppm）。

为了获得所需要的地方坐标，作业前必须用已知点求得2种坐标系间的转换参数，为此，我们搜集了测区附近的所有高等级已知点，并根据实际情况确定其稳定性，最后确定以鲍店矿、横河、杨村矿、骑岭4个高等级已知点作为参数转换的基准点。实际操作时，首先将4个已知点输入手簿，将GPS基准站架设在距测区最近的鲍店矿已知点上，设置好相应参数，然后依次将流动站架设在其他3个已知点上，按残差最小的原则求得7参数，启用7参数，测得4个已知点的精确地方坐标，然后用这4个已知点的精确地方坐标再次拟合坐标参数，启用坐标参数，测定监测点的精确坐标，精确至0.1mm。

表1 GPS监测点位选定要求

图2 GPS平面位移监测点布设图

由于单基准站作业方式要求流动测站在不同的时段至少设站观测2次，因而其检测人为操作粗差（如对中与量高的粗差）的能力较强，而双基准站作业方式由于大部分流动站只设站观测一次，故其不能检测出人为的操作粗差[4]，故本项目测量皆选取单基准站作业。

为了精确测得位移监测点的坐标，将基准站架设在预设观测墩的高层建筑物上，以保证GPS信号的强度与精度。进行快速静态观测时，首先在GPS手簿中设置好基准转换7参数等相关参数，每次作业开始时，将流动站放置在已知点上，以检验GPS手簿设置及其功能的正确性。测量过程中，及时观察GPS手簿中显示的各项精度指标，包括水平精度和和垂直精度，每点静态测量的时间在10min以上。为了满足位移观测的高精度要求，作业中，采取了2项措施提高GPS快速静态的水平测量精度：①选择最有利的观测时间。快速静态的测量实践表明，上午11点之前和下午3点之后，快速静态测量成果最稳定，测量信号固定也快，故选择最有利观测时段进行位移点监测；②为了保证位移监测点的精度和可靠性，位移监测点皆在不同的时段重测一次，2次水平较差控制在5mm之内。

2.4 地面位移的监测结果

（1）GPS监测。按照监测方案设计的总体要求，GPS位移监测每季度一次，每年监测4次，时间分别为3月、6月、9月、12月份，2016年度部分监测点的数据见表2。

表2 2016年度部分GPS位移监测点数据表

2016年度GPS监测点整体位移量较小，有5处监测点位移量大于30mm，占全部监测点的14.28%，其余监测点位移均较小。其中TG-01位移最为明显，位移量1235.0mm，其次TG-02、TG-09、TG-11、TG-17点位移量均大于30mm，位移较为明显。点TG-01位于监测区北部鲍店矿内，位移量为1235.0mm，主要位移发生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，主要受采矿作用影响。点TG-02位于监测区北部鲍店矿内，位移量为43mm，主要位移发生在第一季度，位移方向南西向，朝向塌陷盆地中心，亦受采矿作用影响。点TG-09、TG-11位于监测区中西部，处在TX1坑东岸，TG-09产生位移量59mm，位移方向南西向，TG-11产生位移量82mm，位移方向南东向。两点各季度位移量大致相当。TX1、TX2两处塌陷坑附近的其余监测点位移量均小于30mm，未出现较大位移。点TG-17位于监测区东南部张村，位移量为34mm，位移方向南西向，该点位移量各季度基本相同。

（2）挡墙监测。变形量大的监测点共4个，其中DQ-03、DQ-04位于TX1南岸挡墙中部偏东位置，其中DQ-03竖向位移量为全区最大，达20.2mm，DQ-04水平位移量为全区最大，达41.7mm，DQ-11、DQ-13位于两塌陷坑联通处水域沿岸。变形量较大的监测点共9个，普遍分布在监测区已修建挡墙处，变形量一般的监测点共3个，在监测区已修建挡墙处零星分布。

2.5 监测结果的精度评定

为了确保GPS快速静态测量的准确性，必须非常注意平面测量精度的检核，每天测量前，先将流动站架设在已知点上进行检核，作业过程中，每经过已测点或离已知点较近时，皆进行检核，发现PDOP值较大（≥3）或成果不稳定时，应及时进行重测，发现问题及时纠正，必须确保GPS快速静态的准确性和可靠性。该测区共有35个平面位移监测点，每点每年监测4次，每次测量获取相互独立的2个坐标值，取2个坐标值数的中数作为最终的测量结果，而2个坐标值之差即形成ΔX、ΔY，根据ΔX、ΔY的大小进行精度估算，精度统计结果见表3。

表3 GPS快速静态测量精度检核（审核检测法）

根据每个监测点2次测量较差的比较，按照同精度观测值2次观测中误差的计算公式可计算出GPS快速静态测量点的平面中误差ΔX为4.3mm，ΔY为3.9mm，满足该项目设计要求的不大于6mm，从各位移监测点的移动情况看，符合矿区塌陷地位移的一般规律，这也充分证明了GPS快速静态测量成果的可靠性。

3 结论

（1）GPS测量作为一种高新技术的空间大地测量方法，已广泛应用于工程测量的各个方面，但GPS测量受观测环境、卫星分布及卫星高度角等因素的影响，有时会产生较大的位移，故进行GPS测量必须时刻注意测量成果的检核，以防止粗差的发生，本项目每次测量皆进行了中间成果的记录，及时剔除了有可能出现的粗差，确保了测量成果的可靠性。从表1的检测情况可以看出，GPS快速静态测量可以满足满足本项目设计精度（≤6mm）要求。

（2）用GPS快速静态测量方式，大大提高了工作效率。以往用全站仪测量要进行测角、测边、平差计算，测量一次内外业所花费时间往往要花费10多天时间，而采用GPS快速静态一次测量所花费时间为1～2d，缩短了野外作业时间，满足了监测工作需要的快速要求，在很大程度上减轻了野外工作量，为其他监测项目的实施腾出了宝贵的时间。