馬麗娜

（同煤集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤集團晉華宮礦的頂板管理以垮落法為主，當前隨著該礦不斷向深度進行開采，高強度的采掘活動引起了地面沉降、開裂、塌陷、建構筑物裂縫等問題，對公路、鐵路等構成威脅，同時給將來的高速鐵路建設帶來了技術難題。因此針對該礦深部開采導致的地表沉降移動規(guī)律進行研究是非常有意義的事情，可以減少該礦地表沉降危害。

當前煤礦地表沉降的觀測主要是采用人工經(jīng)緯儀、全站儀測量技術、室內(nèi)GPS技術等，各有優(yōu)缺點，但是都無法滿足晉華宮礦地表沉降移動觀測的需求。網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展促使了VRS技術的出現(xiàn)，該技術通過高精度的差分定位功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的校驗與傳輸，同時可以建立一個局部地區(qū)修正量的數(shù)據(jù)庫，來實現(xiàn)對煤礦地表沉降觀測。該技術的應用實現(xiàn)了地表沉降移動觀測的需求，在提高測量精準度的同時，降低了測量人員的勞動強度。

2 VRS技術

2.1 VRS技術的原理

VRS（Virtual Refcrence Station）技術全稱虛擬參考站技術。虛擬參考站由于參考站R和流動站K之間的距離通常很遠，流動站端的解算系統(tǒng)并不清楚接收到的觀測值中是否已經(jīng)經(jīng)過空間相關誤差改正，若系統(tǒng)再次使用模型對其進行改正，很有可能引入較大誤差。為了避免這種情況的發(fā)生，20世紀90年代末產(chǎn)生了虛擬參考站技術。在VRS/RTK定位中，當數(shù)據(jù)處理中心接收到流動站發(fā)來的流動站概略坐標后，就可在此坐標處生成一個虛擬參考站V，根據(jù)已知坐標和觀測數(shù)據(jù)進行建模處理，生成VRS的虛擬觀測值。

其中，下標為參考站標識，V表示虛擬參考站，上標為衛(wèi)星標識，r為參考衛(wèi)星，當i為參考衛(wèi)星時，新觀測值φ=φ'R+Δρ'RV/λ。新的碼偽距觀測值構成與式（1）相似，需要把相位換成偽距，同時對電離層項反號。將上式的虛擬觀測值和虛擬參考站坐標發(fā)送到流動站，當流動站接收到虛擬參考站的這些信息時，認為其與虛擬參考站構成超短基線，因此避免了再使用空間相關誤差模型進行改正。用該觀測值與流動站觀測值建立雙差方程即可形成觀測模型。處理中心建立虛擬觀測值后，對虛擬觀測值進行RTCM編碼（如：RTCM TYPE3/18/19，RTCM v2.3； RTCM TYPE1004/1005，RTCM v3.1），并在RTCM互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRP）的基礎上，通過Internet網(wǎng)絡發(fā)送到流動站端。如流動站接收到差分信息，則可按常規(guī)RTK的方法進行解算?；谔摂M參考站和流動站基本無誤差，所以模糊度易于求解，流動站即可實現(xiàn)RTK定位，如圖1所示。

圖1 VRS技術示意圖

2.2 VRS技術的特點分析

對比于以往的觀測技術，虛擬參考站技術主要特點是：（1）流動站將本站概略位置傳遞給數(shù)據(jù)處理中心；（2）數(shù)據(jù)處理中心實時生成并發(fā)送虛擬觀測值及差分改正數(shù)；（3）流動站僅要求支持常規(guī)RTK功能的接收機，流動站上基線解算與常規(guī)RTK采用同套軟件，具有較強的兼容性；（4） 數(shù)據(jù)處理中心和流動站間采用雙向數(shù)據(jù)傳輸，用戶數(shù)量的增加取決于數(shù)據(jù)處理中心的寬帶容量和設備硬件條件?？偟恼f來，相對于其他地表沉降觀測技術，VRS技術具有測量精度高等優(yōu)勢，發(fā)展非?？?，應用最為廣泛。

3 VRS技術在晉華宮礦地表沉降觀測中的實踐

3.1 工程地質概況

晉華宮礦位于大同市西12.5km處，是同煤集團唯一的多井口高瓦斯礦井，礦井全部實現(xiàn)機械化采煤。該礦301擴區(qū)上方有4個村莊，村莊建筑物分布密集，排列沒有規(guī)律，造成了嚴重的壓煤現(xiàn)象。該礦8103工作面應布置在村莊的外圍區(qū)域，地面無村莊住宅及其他建筑。工作面走向長度654m（切眼中～停采線），工作面傾斜長度179m。8103工作面地表有零星分散的公路、荒地等，工作面走向從切眼到停采線長度654 m，傾斜長度179 m。工作面煤層厚度為2.4～4.7m，平均厚度3.5m，工作面煤層傾角3～8°，平均傾角6°，地面標高+1229.5～+1310m，煤層平均埋深621m。

3.2 監(jiān)測方案設計

根據(jù)8218綜采工作面開采的情況及該礦地表沉降的特點，觀測點設置方案如下：地表沉降區(qū)域的中心線做為觀測點的設置線，傾向中心線與走向中心線每間隔30m設置1觀測點，共設置30個觀測點，從起點開始編號為A1、A2……A30；走向中心線與工作面走向垂直方向，間隔距離為70m左右布置觀測線，同樣以每間隔距離30m設置1觀測點。在監(jiān)測方案當中布置160個測點。參考站設置在該礦地表移動影響區(qū)域外界，共設置3個參考站，兩兩相聯(lián)呈正三角型，兩參考站距離為30 km。方案設計如圖2所示。

圖2 監(jiān)測方案初步設計

3.3 作業(yè)前準備

煤礦地表變形監(jiān)測系統(tǒng)建立并設置完成后，需要提前完成作業(yè)前的起算點可靠性校驗分析?？煽啃孕ｒ灧椒ㄅc步驟：（1）藍牙端口一次設置好后，先開流動站主機，確保手簿與主機藍牙連通；（2）取B1、B2、B3、B4、B5共5個非觀測點，輸入WGS84坐標將其與當?shù)刈鴺诉M行參數(shù)轉換。起算點的可靠性檢驗結果如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可知，執(zhí)行完點校正計算后的平面坐標轉換殘差均小于±2cm，高程收斂精度均小于3cm ，起算點的可靠性理想，可以對現(xiàn)有控制點進行檢校進而進行地表測量作業(yè)。

表1 起算點的可靠性檢驗結果表

3.4 沉降觀測

該礦從2018年5月采用SW EPOS-HEBEI系統(tǒng)。在各觀測點上采用VRS測量形式以地形點的測量方式進行地表沉降觀測，測量頻率為1次/min。從2018年5月～2019年2月之間，系統(tǒng)每15d時間啟動進行全面測量，共進行了20次的測量。

3.5 數(shù)據(jù)及效果分析

圖3 不同時期沉降變化曲線

對10個月共20次的地表沉降觀測數(shù)量進行處理，繪制了不同時期地表沉降的變化曲線圖，如圖3所示。從圖3中可知，隨著8218綜采工作面的推進，該區(qū)域地表沉降范圍進一步擴大，從整體結果來看，沉降范圍可控，在檢測方案的監(jiān)測范圍之內(nèi)，邊界等值線基本上保持一致，無變化。不同時期沉降變化曲線結果表明，采用VRS技術對晉華宮礦8218綜采工作面進行地表沉降觀測所得數(shù)據(jù)全面可靠，準確度高。

4 結語

VRS技術的出現(xiàn)與應用有效地提高了煤礦地表沉降監(jiān)測的精準度，同時測量范圍大，操作簡便，技術人員工作強度低。通過VRS技術在晉華宮礦8218綜采工作面的實踐應用表明，該監(jiān)測技術精準度達到厘米級別，滿足四等水準測量要求，該監(jiān)測測量能作為晉華宮礦進行制定地表沉降變形治理方案的可靠依據(jù)。