黃 斌

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局二總隊，貴州 六盤水 553000）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用是社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人類可利用的礦產(chǎn)資源類型越來越多。隨著資源的持續(xù)開發(fā)，在礦區(qū)形成了大量的采空區(qū)，進而使得礦區(qū)地表產(chǎn)生不同程度的沉降形變問題，這是由于采空區(qū)頂板的巖土體受力結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致上覆巖體的靜壓力逐漸向采空區(qū)四周匯聚，進而使得上覆巖體發(fā)生彎曲形變，甚至是破裂、坍塌等，進而引起地表發(fā)生不同程度的沉降形變[1]。礦山地表沉降形變演化規(guī)律的研究是有效防治塌陷事故的主要途徑，也是減少深部資源浪費的主要措施。因此，如何有效地監(jiān)測礦山地表沉降形變發(fā)育特征以及演化規(guī)律是當前亟待解決的問題[2]。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，礦山地表沉降形變監(jiān)測方法越來越多，如D-InSAR、三維激光掃描技術(shù)、遙感技術(shù)和GPS等，均取得了較好的監(jiān)測效果。近些年來，我國的北斗系統(tǒng)快速發(fā)展，有效地提升了實時動態(tài)定位技術(shù)的發(fā)展，逐步實現(xiàn)了實時動態(tài)監(jiān)測目的。因此，本文將GPS技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、現(xiàn)代化通訊技術(shù)等相互結(jié)合，嘗試在某一金屬礦山地表沉降形變監(jiān)測中的應(yīng)用，為推動該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供參考。

1 基于北斗系統(tǒng)的GPS系統(tǒng)

1.1 GPS監(jiān)測系統(tǒng)概況

GPS監(jiān)測系統(tǒng)是以我國的北斗定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，在該監(jiān)測系統(tǒng)中充分利用了現(xiàn)代化通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)以及智能化監(jiān)測警報系統(tǒng)等多項現(xiàn)代化技術(shù)，其監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分見圖1所示，各個系統(tǒng)的特征如下所述：

圖1 GPS監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括設(shè)備的自檢、數(shù)據(jù)的采集和遠程控制功能，該部分對監(jiān)測精度的影響較為明顯，故數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)一般是由GPS參考站和監(jiān)測站兩部分組成[3]。其中，GPS參考站一般設(shè)置在未發(fā)生明顯形變的穩(wěn)定區(qū)域，能夠有效地提高沉降形變監(jiān)測精度；監(jiān)測站主要分布在形變區(qū)域，根據(jù)形變范圍適當選擇合適的布設(shè)位置即可，且監(jiān)測站以有利于GPS觀測條件為佳。

（2）現(xiàn)代化通訊技術(shù)主要實現(xiàn)線路檢查、數(shù)據(jù)傳輸以及遠程下載等功能，是融合了有線傳輸和無線傳輸兩種技術(shù)。故該技術(shù)在實施過程中需要保障礦山范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信號良好，以網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)為主。

（3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)基線解算、坐標計算和精度估算等功能，其核心功能是將GPS監(jiān)測站所獲取的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時動態(tài)處理，在海量數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵性的異常數(shù)據(jù)，進而根據(jù)實時動態(tài)處理形成的形變演化趨勢圖等，對所監(jiān)測范圍內(nèi)的地表沉降形變演化趨勢進行綜合預(yù)測，進而將預(yù)測結(jié)果通過現(xiàn)代化通訊系統(tǒng)傳輸至用戶端，為進一步預(yù)警決策等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。此外，根據(jù)前人大量研究表現(xiàn)，在數(shù)據(jù)處理過程中若采用卡爾曼濾波集成單歷元整數(shù)解算法對實時動態(tài)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)算，能夠有效地提高數(shù)據(jù)處理的時效性，且監(jiān)測結(jié)果的精度可達毫米級。

（4）監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)測分析、報表生成以及發(fā)布預(yù)警等目的[4]。因此，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中反饋的地表沉降形變位移量、演化趨勢、形變速率等進行綜合判斷，同時結(jié)合軟件自動生成的地表沉降形變曲線圖、形變場等成果性圖件數(shù)據(jù)，進而根據(jù)事先設(shè)定的閾值觸動不同類型的警報等級，通知作業(yè)人員快速撤離等，為礦山的安全生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)性保障。

1.2 GPS監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點

與傳統(tǒng)的GPS技術(shù)相比，該系統(tǒng)將我國的北斗系統(tǒng)引入至監(jiān)測系統(tǒng)中[5]，不僅顯著的增加了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度，而且實現(xiàn)了實時動態(tài)監(jiān)測的目的，并提高了監(jiān)測系統(tǒng)的自動化程度?；诒倍废到y(tǒng)的GPS監(jiān)測系統(tǒng)與其它監(jiān)測方法相比，該監(jiān)測技術(shù)具有以下幾個方面的優(yōu)勢：①監(jiān)測數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，即使用該監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取該點的實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為進一步分析礦山地表沉降形變規(guī)律、形變方向、演化規(guī)律以及形變速率等提供了詳實的數(shù)據(jù)支撐[6]；②更高的監(jiān)測精度，將北斗系統(tǒng)引入至GPS監(jiān)測系統(tǒng)中，其監(jiān)測精度可達毫米級，為識別礦山地表微小的沉降形變信息奠定了基礎(chǔ)，為深入分析礦山地表形變規(guī)律提供了微細信息；③監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定，該監(jiān)測系統(tǒng)受監(jiān)測環(huán)境的影響較小，降低了環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果的影響，即該技術(shù)可實現(xiàn)全天候條件的監(jiān)測任務(wù)，外部環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果的影響不大[7]；④監(jiān)測成果的多樣化，該監(jiān)測系統(tǒng)可自動處理數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)的形變曲線圖、形變場圖等，成果圖件具有多樣化；⑤自動化程度高，該監(jiān)測技術(shù)從數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理以及監(jiān)測成果圖件的輸出，均均有較高的自動化，降低了人為操作失誤的概率[8]；⑥更高的時效性，該監(jiān)測系統(tǒng)與D-InSAR等監(jiān)測技術(shù)相比，該監(jiān)測系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)的處理是通過自動化程度實現(xiàn)的[9]，提高了數(shù)據(jù)處理的時效性，所獲監(jiān)測成果也就具有更佳的時效性。

綜上所述，將GPS監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用至礦山地表沉降形變監(jiān)測中，不僅具有較強的時效性，而且所獲監(jiān)測結(jié)果的精度更高。

2 GPS監(jiān)測系統(tǒng)在礦山沉降形變監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 參考站與監(jiān)測站布設(shè)

本次監(jiān)測范圍為一銅金多金屬礦山，礦床的開采方式以井下開采為主。礦床屬于斑巖型銅金多金屬礦床，含礦斑巖體總體上呈北西—南東向的串珠狀分布，礦體形態(tài)在平面上呈近圓狀、近橢圓狀。根據(jù)礦山已有地質(zhì)資料顯示，在礦區(qū)深部現(xiàn)存采空區(qū)4處。其中，較大一處采空區(qū)上部已出現(xiàn)數(shù)條微細的地裂縫，其余三處較小的采空區(qū)上部尚未發(fā)現(xiàn)地裂縫。根據(jù)礦山采空區(qū)基本分布規(guī)律等，將GPS參考站設(shè)置在遠離采空區(qū)南東側(cè)的花崗巖體上，將形變監(jiān)測站設(shè)置在4處采空區(qū)上部（圖2）。

圖2 研究區(qū)參考站及監(jiān)測站分布圖

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)礦山某一時段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將該批次實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入至監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊，按照卡爾曼濾波集成單歷元整數(shù)解算法對該批次數(shù)據(jù)進行解算處理，并在輸出模塊中選擇P1監(jiān)測點額水平位移軌跡圖（圖3a）和下沉量變化圖（圖3b）。由圖3中表達的內(nèi)容可以得出：P1監(jiān)測點的初始形變方向為南東向，且形變速率相對較大；經(jīng)過一段時間后（8月左右），形變速率逐漸下降，并保持不變，但總體的形變方向由南東向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|向；于1月11日左右，形變方向由北東向轉(zhuǎn)變?yōu)槟蠔|向，且具有較大的形變速率。同時，與參考站P0的坐標相比，最大形變量可達983mm。此外，根據(jù)圖3可以得出研究區(qū)的形變規(guī)律具有“形變速率由快→慢→快”的變化規(guī)律，最大的下沉速度可達25.7mm/d，最終的下沉量可達3683mm。

圖3 P1監(jiān)測點水平位移軌跡圖（a）和下沉量變化圖（b）

3 精度可靠性對比

為了研究GPS監(jiān)測系統(tǒng)所獲監(jiān)測數(shù)據(jù)精度的可靠性，本文對4處監(jiān)測站進行了對比監(jiān)測，即隨機的選擇某一時間段進行全站儀監(jiān)測，同時與GPS實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，其監(jiān)測結(jié)果見表1。由表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：使用GPS監(jiān)測系統(tǒng)所獲的監(jiān)測結(jié)果與同一時段內(nèi)全站儀監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢基本一致，二者的誤差值均小于1mm，說明基于北斗系統(tǒng)的GPS監(jiān)測方法在礦山地表沉降形變監(jiān)測中具有較高的精度和可靠的監(jiān)測穩(wěn)定性，所獲數(shù)據(jù)的質(zhì)量是可靠的，且監(jiān)測精度能夠滿足礦山監(jiān)測需求。

表1 GPS實時動態(tài)監(jiān)測結(jié)果與全站儀監(jiān)測結(jié)果對比表

4 結(jié)語

綜上所述，將GPS監(jiān)測技術(shù)與北東系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，不僅具有較強的時效性，而且所獲監(jiān)測結(jié)果的精度更高，實現(xiàn)了實時動態(tài)和自動化監(jiān)測的目的。此外，該方法的使用環(huán)境受限制較小，能夠輸出多元化成果，可將微細形變特征反映出來，對地表沉降形變規(guī)律研究、形變演化等具有較好的預(yù)判性。同時，該方法受環(huán)境影響較小，能夠適用于更多環(huán)境監(jiān)測任務(wù)中，故可將該方法應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、大壩形變等監(jiān)測領(lǐng)域中。