崔鵬艷，楊宮印，王 婷

(陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西 渭南 714000)

隨著礦區(qū)的不斷開采，礦區(qū)地表出現(xiàn)變形、地裂縫等地質(zhì)災害現(xiàn)象，對礦區(qū)進行變形監(jiān)測顯得尤為重要，針對不同礦區(qū)采用不同的變形監(jiān)測方案。趙海軍等[1]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到了急傾斜礦體隨著開采工作面掘進的巖體移動規(guī)律以及其變形原因。劉增輝等[2]通過光纖傳感器技術對礦井圍巖的變形及穩(wěn)定性進行了實時的監(jiān)測與分析。通過D-InSAR 遙感技術可以全天時、全天候的對開采礦區(qū)的地表變形進行不間斷的監(jiān)測[3-4]。馬鳳山等[5]利用GPS技術對地表巖石移動變形規(guī)律進行了長期的監(jiān)測，研究了地表巖移特征及其產(chǎn)生的原因。GPS 自動監(jiān)測系統(tǒng)具有全天候連續(xù)性無人值守觀測的優(yōu)點，能夠自動化的進行數(shù)據(jù)的傳輸、處理和管理[6-9]。 本研究以嘉樂泉礦區(qū)為例，通過對GPS變形監(jiān)測方案的設計及可行性分析，得到適應于該礦區(qū)的變形監(jiān)測方案，為其他礦區(qū)變形監(jiān)測提供依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

嘉樂泉礦區(qū)的地理位置為北緯37(°)58(′)45(″)～38(°)1(′)45(″)，東經(jīng)112(°)3(′)45(″)～112(°)7(′)30(″)，礦區(qū)南北長4.7 km，東西寬1.5 km，總面積7.034 2 km2。礦區(qū)交通條件良好，本礦有通往太原的鐵路煤運專線，礦區(qū)有條季節(jié)性獅子河，礦區(qū)地理位置分布見圖1。

2 變形監(jiān)測設計

嘉樂泉煤礦礦區(qū)GPS監(jiān)測系統(tǒng)分3級布設，即GPS基準網(wǎng)、GPS基點網(wǎng)和GPS變形監(jiān)測網(wǎng)，依據(jù)有關資料對3種網(wǎng)的布設作出方案設計。

圖1 礦區(qū)地理位置分布

2.1 GPS基準網(wǎng)

GPS基準網(wǎng)點是礦區(qū)變形監(jiān)測的基準，以基準點為固定點，對變形監(jiān)測點進行觀測，基準點的選取要遵循正確、穩(wěn)定、可靠的原則。在對GPS基準網(wǎng)進行設計時，要確保能夠與研究區(qū)周圍的已知控制網(wǎng)點實施聯(lián)測，進而對基準網(wǎng)點的可靠性進行分析?；鶞示W(wǎng)點向量的中誤差σ≤1×10-6·D。當基線長度D<3 km時，基線分量絕對精度≤3 mm。

提前1個月對GPS基準網(wǎng)進行設站，并對基準網(wǎng)進行至少兩次的觀測，以檢測其穩(wěn)定性。后期的礦區(qū)變形監(jiān)測實施階段，仍需定期對礦區(qū)的基準網(wǎng)進行檢測，確保基準點的穩(wěn)定性，保障礦區(qū)變形監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)的有效性。

在建立礦區(qū)基準網(wǎng)的時候，應該考慮基準網(wǎng)的基準選擇，在設計嘉樂泉礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)時建立獨立坐標系，然后根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換方法將獲取的獨立坐標轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標系中，實現(xiàn)坐標統(tǒng)一化。

GPS基準網(wǎng)點的點位的選取依據(jù)以下5點要求：①點位的地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定性強、利于長時期的保存，最好選取在基巖上；②點位周圍15(°)以上空間區(qū)域，無障礙物遮擋，便于接受GPS信號；③點位距離變壓器等干擾源要超過200 m，距離電視臺等一些強信號源要超過400 m；④點位周圍沒有建筑物、山坡、大片平靜的水面等信號反射物，以免引起多路徑效應誤差；⑤能有效地解決生活、交通、供電等問題。

基準網(wǎng)點的點位選取之后，依據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測繪規(guī)范》在實地繪制點。所有GPS監(jiān)測網(wǎng)點都應參考《GPS測量原理及應用》建造GPS觀測墩。建立在基巖上的觀測墩應使其穩(wěn)定1個月后才可以用于觀測，非基巖上的觀測墩至少經(jīng)過1個雨季才可以用于觀測。

2.2 GPS基點網(wǎng)

基點是用來連接基準點與變形監(jiān)測點的過渡點。通過將基準點與工作基點進行聯(lián)測，形成該礦區(qū)變形監(jiān)測的首級網(wǎng)，用來監(jiān)測基點相對于基準點的變形情況。將基點與變形監(jiān)測點聯(lián)測，形成該礦區(qū)變形監(jiān)測的次級網(wǎng)，最終得到監(jiān)測點相對于工作基點的變形情況。通常在實際工程中，根據(jù)情況一般將基準網(wǎng)與基點網(wǎng)同時布設一個網(wǎng)作為監(jiān)測網(wǎng)的基準網(wǎng)。

GPS基點的點位選取依據(jù)以下要求：①點位的地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定性強、利于長時期的保存，點位應選擇在礦區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)；②其他要求同GPS基準網(wǎng)點。

基點位置一般選擇在研究區(qū)地勢較高的區(qū)域，以便利用GPS監(jiān)測時接收信號。研究區(qū)的地勢如圖2所示，礦區(qū)地勢變化較大，根據(jù)嘉樂泉礦區(qū)地形地貌的實際情況，選擇了A1～A6這6個基點來構(gòu)成基點網(wǎng)，設計的礦區(qū)基點網(wǎng)如圖3所示。將這6個點分布與研究區(qū)的基準點進行聯(lián)測，檢測這6個基點相對于基準點的變形情況。

圖2 觀測站黃土地貌

圖3 GPS基點網(wǎng)網(wǎng)形圖

利用GPS靜態(tài)測量的方法對礦區(qū)設計的基準網(wǎng)進行觀測，這種觀測方法的精度高，數(shù)據(jù)可靠性大。在對基準網(wǎng)進行測量時，分別將6臺GPS接收機安置在選取的基準點上，每次觀測時長為1～2 h，至少進行兩次同步觀測，利用GPS測得的數(shù)據(jù)進行基線解算，通過數(shù)據(jù)平差的處理方法得到觀測點三維坐標，作為監(jiān)測網(wǎng)的基準。

2.3 GPS形變監(jiān)測網(wǎng)

監(jiān)測點是選取在變形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的觀測點，通過與工作基點連接形成變形監(jiān)測網(wǎng)，作為整個變形監(jiān)測期間的觀測網(wǎng)。

GPS監(jiān)測點的點位應盡量選擇在比較穩(wěn)定的地方(如樓房的房頂)，并按一定的距離進行設點。結(jié)合研究區(qū)的地形圖(見圖4)，根據(jù)GPS的布網(wǎng)原則，在礦區(qū)總共布設了24個監(jiān)測點，對礦區(qū)進行變形監(jiān)測。

根據(jù)地形圖本次的選點主要選在地勢比較高的地方，有利于GPS接收機接收衛(wèi)星信號。本次觀測選擇基準點A2、A6作為基點，與監(jiān)測點組成監(jiān)測網(wǎng)，其GPS變形監(jiān)測網(wǎng)形如圖5所示。

圖4 礦區(qū)地形

圖5 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)

將精度和費用作為主要考慮因素，本次測量工作采用的是快速靜態(tài)測量法。將兩臺GPS接收機安置在選好的基準點A2和A6上固定不動，進行連續(xù)觀測，另外4臺GPS接收機在監(jiān)測點上有序移動，并且與基準點A2和A6點處的接收機構(gòu)成閉合環(huán)進行觀測，每次觀測1～2 h(采樣間隔為5秒)，將監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)進行解算處理，得到監(jiān)測點的三維坐標，通過每次觀測處理得到的三維坐標的變化量來研究監(jiān)測點的變形規(guī)律。

根據(jù)礦區(qū)的開采情況，我們選擇以1個月為周期對礦區(qū)進行監(jiān)測，并及時的進行數(shù)據(jù)解算，繪制出變形曲線圖，作為礦區(qū)開采掘進的參考依據(jù)，使礦區(qū)安全有效的進行開采工作。

3 可行性分析

3.1 效率指標

在礦區(qū)，通過2個基點對24個監(jiān)測點進行變形監(jiān)測研究，其中設計的總觀測點數(shù)的個數(shù)n等于26個，同步觀測使用的GPS總個數(shù)為m等于6臺，則該礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的最小觀測期數(shù)如式(1)所示。以兩期變形監(jiān)測為例，則其變形監(jiān)測網(wǎng)的重復設站率為R為2，最小觀測期數(shù)如式(2)所示。實際觀測期數(shù)為S為12，則礦區(qū)GPS監(jiān)測網(wǎng)的效率指標中理論設計效率e1為式(3)，實際效率e2為式(4)，總效率e如式(5)所示。

Smin=INT(n-1)/(m-1)=INT(26-1)/

(6-1)=5

(1)

SR=INT(R·n/m)=INT(2·26/6)=8

(2)

e1=Smin/SR=5/8

(3)

e2=SR/S=Rn/Sm=8/12=2/3

(4)

e=e1×e2=5/8×2/3=5/12

(5)

由式(3)～(5)可知：e1是該礦區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的理論設計效率，e2為其實際設計效率，e2值為1時，效率最高，實際應用時要求e2最好大于0.9，其利用率才能滿足需求；e為變形監(jiān)測網(wǎng)的總效率，當R=2時，總效率e通常在0.6附件。根據(jù)上述的計算可知該網(wǎng)的效率指標偏低，其有待提高。

3.2 可靠性指標

該礦區(qū)GPS監(jiān)測網(wǎng)中總觀測點數(shù)n=26，其中必要觀測基線向量參數(shù)為n-1=25，觀測過程中同步使用m=6臺GPS接收機進行監(jiān)測，因此研究區(qū)監(jiān)測網(wǎng)的獨立觀測基線向量總數(shù)為式(6)所示，其進行多余觀測基線向量的參數(shù)為式(7)所示，因此，研究區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的平均可靠性指標為式(8)所示。

P=SR(m-1)=8×(6-1)=40

(6)

r=SR(m-1)-(n-1)=8×(6-1)-

(26-1)=15

(7)

η=r/P=1-(n-1)/SR(m-1)=1-

(26-1)/8(6-1)=3/8

(8)

由式(6)～(8)可知，研究區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)的重復設站率R值越大，則該網(wǎng)的平均可靠性η越高。當設計的變形監(jiān)測網(wǎng)的重復設站率R=2時，該網(wǎng)的平均可靠性指標η應大于0.33：當R=2時，平均可靠性如果達到0.34以上，則表明該設計網(wǎng)形的可靠性較高。本礦區(qū)設計的網(wǎng)形中η=3/8=0.375>0.34，較高的可靠性滿足設計要求。

3.3 精度指標

GPS監(jiān)測網(wǎng)的精度指標D可通過式(9)計算求得，計算結(jié)果中D值越小，則該監(jiān)測網(wǎng)精度的平均增益越大。

D=(P-r)/P=1-r/P=1-η=1-3/8=5/8

(9)

根據(jù)計算結(jié)果可知，較高的精度指標滿足設計要求。

3.4 經(jīng)費指標

每臺GPS接收機每觀測一期的平均費用大約為200元，根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測網(wǎng)的總點數(shù)和重復設站率，利用式(10)計算該網(wǎng)形的總觀測費用。

F=c·S·m=200×24×6=28 800(元)

(10)

4 結(jié) 語

1)根據(jù)礦區(qū)GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的設計原則，設計了嘉樂泉礦區(qū)GPS基準網(wǎng)、GPS基點網(wǎng)和GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的布設規(guī)劃。

2)對該礦區(qū)的變形監(jiān)測網(wǎng)進行了可行性分析，本次變形監(jiān)測網(wǎng)的設計具有較優(yōu)的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，較高的可靠性和精度以及較低的費用，可用于該礦區(qū)的變形監(jiān)測。

3)變形監(jiān)測網(wǎng)的實際效率偏低，在之后的變形監(jiān)測過程中，通過合理地設置該礦區(qū)GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的重復設站率來提高觀測網(wǎng)的效率指標。