基于GPS技术的矿区变形监测研究

苗 雨

（山西寿阳潞阳瑞龙煤业有限公司，山西 寿阳 045499）

0 引言

近年来，随着我国经济快速发展的需求，煤炭产量也逐年增加。煤炭资源大规模采出后必然会对矿区及周边地表造成移动变形，而常规的测量仪器设备无法快速且高精度的得到地表变形信息。因此，采取科学的方法进行监测和控制地表下沉，有效的避免矿区安全及灾害防治问题至关重要。

目前，针对矿区地表变形数据测量的方法有很多，如：GPS、INSAR、数字近景摄影测量、三维激光扫描等技术[1,2]。其中GPS技术具有高精度、快速及全方位全天候的特点，已经在工程勘察、变形监测等方面取得了较大的应用。但由于存在监测不连续、数据处理落后导致错过最佳预警时机等缺点，现将GPS与通信技术、数据处理技术结合在一起组成GPS监测系统，实现对矿区地表变形的实时监测和控制。

1 GPS监测系统特点

GPS具有高效性、全天候、实时性、高精度等特点，但对于矿区地表变形监测，不仅仅只注重于结果数据，更需要快速的分析其产生变形的原因及变形趋势，实时的制定出相应的决策措施控制地表变形[3]。

因此，GPS监测系统需包括数据采集、数据通信、数据处理和监测预警等4个部分。

1）数据采集系统。数据采集包括GPS参考站与变形监测站。参考站是作为一参照标准，与常规监测中的基准点具有相同的作用。GPS参考站设置点需地质条件好，且处于稳定状态，便于稳定性分析，并无显著多路径效应，适合常规的GPS观测条件，而变形监测站设置于需要进行监测的位置点上，需能够有效地反应整个矿区监测区域的各种变形特征，典型的变形监测点需设置为连续运行的观测站。

2）数据通信系统。数据采集系统采集得到的数据通过数据通信系统传递到处理中心进行处理和分析。数据通信系统包括有线传输和无线传输两部分。矿区信号良好时，可以直接通过无线传输进行数据传递，信号较差时为保证数据的准确性和时效性，可以选择采用有线传输进行快速传递数据。

3）数据处理系统。数据处理系统包括通信设备、数据处理设备、显示设备、输出设备等。数据由GPS采集系统采集后通过数据通信系统传输到数据处理系统，处理中心会针对大量的监测数据进行及时处理，针对关键的地表变形数据点进行分析原因，并给出其下一步预测趋势，提供重要数据给相关部门进行处理，给出相应的控制措施，从而控制矿区地表变形，有效地避免地质灾害。

4）监测预警系统。监测预警系统通过处理中心得到的分析结果进行进一步分析处理，将典型监测点通过处理程序得到其位移量，并绘制变形曲线图，再根据安全控制防范标准设定预警指标，及时显示预警信息[4]。

2 GPS监测系统设计

本文将GPS技术与通信技术、数据处理技术等结合在一起组成了矿区地表变形监测系统，具体监测系统如下：

1）矿区监测方案设计。根据矿区地质赋存情况结合需要监测的位置点，合理的提出监测要求，进一步规划，确定矿区地表变形监测方案，并选取合适的检测设备，负责检测整个矿区典型区域的移动变形。

2）建立GPS监测基准网。根据矿区地质环境，对GPS基线网进行勘测和设计，获取基线解，并根据不同的参数估计理论进行基线网和坐标系统的迅速转换。

3）建立似大地水准面模型。根据地球重力场建立重力大地水准面模型，然后结合GPS技术进行拟合，从而建立矿区似大地水准面模型。模型建立完成后要通过典型数据对模型的可靠性及精度进行检验，通过检验后才可以投入使用。

4）GPS数据采集与处理分析。根据采集系统采集得到的数据进行分析、处理，用图表的形式输出GPS采集得到的数据，并预测下一步趋势，超出规范范围时进行预警。

3 监测基准网的数据处理

本节重点介绍采集得到数据后，如何进行计算分析，得到矿区监测点的移动变形。

3.1 监测基准网基线向量处理

采用载波相位观测的双差模型进行对GPS检测基准网基线向量的处理，以初始整周模糊度改正数WN以及基线向量改正数Wx，Wy，Wz为参数，进行监理得到到误差方程式模型表达式[5]为：

式中：a,b,c为方程系数，W为常数项，1,2表示观测历元测站，则可以确定ti得到的误差方程组矩阵为：

则可以得到某个固定时段时，矿区全监测网的误差表达式为：

式中：A为总的系数矩阵；V为向量（v1,v2…vn）T；Wx为初始整周模糊度和基线向量改正数的修正值矩阵。然后引入位置基准值针对监测网的变形参数进行计算，位置基准点采用误差较小的WGS-84点，以保证位置基准点不会引起监测网中观测值的变形，既可以得到监测网中任何位置基准点绝对误差不大于10m，最后建立基准方程：

即可以得到监测网中的观测值为：

最后根据观测值及可以计算得到该点的坐标值。

3.2 检验观测点稳定性

假设某观测点在某一时刻的位移向量为：m=X-X（ti），根据F分布检验法计算可以得到m的单位权方差，计算统计量F=em2/e2，选取合适的置信度T，进行比较：当F＜FT时，监测网中各监测点处于稳定状态，否则，监测点有显著移动，不稳定。

3.3 坐标转换

为保证在坐标转换过程中不降低数据结果的精度，可以进行两种坐标系统的转换，进行比较取合适值。第一种转换是将矿区原有生产坐标系统的稳定点联立求得转换参数，将监测点的GPS坐标转换为矿区生产系统坐标。第二种转换方法为选取中央子午线建立平面坐标系，将监测点的坐标转换为此平面坐标系中的坐标。

3.4 监测点变形计算分析

通过稳定性检验的点可以作为基准点使用，进而得到监测网中发生移动的点的变形量、变形趋势，判断该点的变形是否达到了临界值，并进行预警。

4 工程实例

某矿采用了基于GPS技术的矿区变形监测系统，在矿区建立GPS监测网，根据地质赋存条件特征，在矿区范围内设置25个典型的监测点，点位兼顾生产和监测两用，如图1所示。

针对监测点观测6期，并对得到的数据进行计算处理，按前面所述方法进行检验，得到其中GS02、GS10、GS13、GS15、GS23 共计 5 个点处于稳定状态，可作为基准点使用。并进一步计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，并对监测点变形趋势进行预测，可以得到矿区地质环境处于缓慢变形的不稳定状态，需要进一步采取控制措施。

图1 某矿区GPS监测点分布图

5 结束语

GPS监测系统结合通信技术和数据处理系统一定程度上实现了矿区变形监测的实时性，可以提供矿区范围内监测点精确的坐标信息，并作出相关变形趋势预测及预警。相较于传统的变形监测系统，GPS变形监测系统更为精确、并有着连续性、自动化的优点，在煤矿地表监测领域内有着广阔的应用前景。