GPS技术在山区地表岩移观测中的应用

康新亮

摘 要：该文在论述矿山开采沉陷相关基本概念和GPS技术的基础上，针对在山区开展地表岩移观测工作难的问题，结合GPS技术的的优势，提出采用GPS技术对山区地表沉陷进行实时快速测量。并以具体矿区地表岩移观测工作为例，结合工作面的地质采矿条件和矿山测量规程的相关规定，对工作面上方观测线进行了设计；论述了采用GPS进行连接测量、全面观测和日常观测的相关注意事项；最后通过对测量数据的分析，获得了该矿区的地表岩移规律，并证实了采用GPS技术在山区进行地表岩移观测是完全可行的。

关键词：GPS 沉陷观测 大地高 移动变形规律

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（c）-0065-02

西山矿区地处山区，地形条件十分复杂，使开采沉陷观测工作难度很大，正因如此，近年来一直没有开展矿山开采沉陷的地表岩移观测和研究工作。随着西山各矿区相继进入下组煤开采，重复采动的影响导致地表破坏严重。由于缺乏相关观测资料，使得煤柱留设和地表破坏引起的农工问题越来越严重，为此，相关部门对西山矿区的地表岩移观测工作展开了相关研究，首次在某矿使用GPS对矿区地表沉陷进行了观测。该文将对本次观测进行总结讨论。

1 矿区沉陷的观测

开采沉陷是随时间和空间变化的复杂四维问题[1-5]。地表移动观测的基本内容是在采动过程中，定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期空间位置的变化。空间位置变化包括水平位移和高程的变化。传统的测量方法是应用全站仪测量水平坐标，水准仪测量水准高程，但是水准高程测量的条件是有限的，在坡度较大的矿区地表基本是无法进行的，这样给很多地势陡峭的山区矿井进行沉陷观测带来了很大的困难，阻碍了山区沉陷观测工作的发展。

2 GPS定位技术

GPS平面控制网已经在许多高精度的工程中得到应用，大量的实践数据表明了GPS平面控制网的精度是很高的。但是，在高程控制方面，由于转换参数的问题使得GPS拟合高程精度较低，不能满足等级水准测量的要求。在此基础上，分析地表移动规律研究是空间相对位移的变化，因此，采用GPS大地高计算地表点位移变化的相对值，其成果精度不受基准面转换的拟合误差影响，相对精度可用于高精度形变位移的观测，该法应用于西山某矿地表沉陷研究，分析得出了该矿地质采矿条件下一定的地表移动变形规律，计算出了相关移动变形参数，为开采沉陷工作起到了必要的作用。

3 工作面地质采矿条件

A8101工作面地面位于从峁山北西部，屯兰河背斜，工作面走向方向为煤层的倾斜方向，煤层平均倾角<5 °，盖山厚度176～414 m，平均厚度278m。植被发育，灌木丛生，地面标高1159～1329 m。工作面共有20条断层，其中在掘进中揭露18条断层，另外有2条断层位于工作面内，断层落差H=0.9～5.5 m，其中FA8101—6断层对回采影响极大，有4条断层对回采影响中等，其余断层对回采影响较小。A8101工作面开采参数如表1所示。

4 观测站布置情况

4.1 设计原则

为了获得准确、可靠、有代表性的观测资料，观测站设计中，必须遵循下列原则：

（1）观测线布设在地表移动盆地主断面上；

（2）选择设站工作面，在观测期间不受邻近开采的影响；

（3）观测线的长度大于地表移动的范围；

（4）观测站的控制点设在移动盆地范围以外，埋设要牢固。

4.2 设计参数的选择

考虑该工作面地质采矿条件，观测站设计参数依据《西山矿区保护煤柱设计规程》（试行）确定如下：

（1）α≤5°、100 m

（2）移动角修正值（走向为△δ，上山为△γ，下山为△β）：△δ=△γ=△β=20。?

（3）走向充分采动角=55°（考虑重复采动、覆岩性质较软）

（4）最大下沉角：θ=90°-0.6α=87°。

4.3 布置观测线

观测站共设两条观测线，沿工作面走向布第一条（A线），工作面倾向布第二条（B线），各观测线的总长度、分段长度以及点间距和点数见表2。每条观测线长度等于工作面内长度加边界段长度。各观测线边界长度均按下式计算：

式中，为工作面边界开采深度（m）。

按上式计算，考虑本工作面呈刀把形，观测B线距小开切眼的平面位置为578 m，宽切眼232 m，观测A线位于宽工作面中心的方向。测点间距25 m。

5 地表移动变形规律观测

本次观测使用6台美国天宝

TrmibleR8 GPS，分别于2011年8月11号（开采前），2011年8月25日（开采前），2011年9月23号、2011年10月19号、2011年11月24号、2011年12月15号、2012年1月12号、2012年2月17号、2012年3月28号、2012年4月26号、2012年5月31号、2012年8月22号、进行了12次观测。最终认为2012年8月22号观测的数据为地表最终稳定数据。

5.1 控制点连接测量

于观测区域内稳定地点布设四个控制点即G1、G2、G3、G4。测量方法采用GPS静态定位模式，基准点选用C级控制点（D0703）、（D0704）及（D0711）。按规程规定的D级网精度标准进行施测，每一时段视接收卫星信号，采集数据不少于90 min。

5.2 全面观测

全面测量采用GPS静态定位模式，观测基准站布设于控制点上。GPS观测采用静态定位模式，按规程规定的D级网精度标准进行施测，在每一测点上，每一时段视接收卫星信号，一般采集数据60 min以上。在地表稳定后，要进行最后一次全面观测，地表移动稳定的标志是：连续6个月观测地表各点的累计下沉值均小于30 mm。

5.3 日常观测

日常观测工作全部采用GPS观测，直接测定观测点的空间三维坐标，通过数据处理的方法，求其移动变形值。重复测量的时间间隔，视地表下沉的速度而定，一般是每隔10～15d观测一次。在移动的活跃阶段（地表每月下沉值大于50 mm），还应在下沉较大的区段，增加观测次数，5～10d观测一次。

6 研究结论

（1）结合矿区的地质地貌条件，通过分析A8101工作面地表观测数据，可知GPS大地高数据具有非常高的精度，其结果完全满足地表移动变形规律的分析。

（2）获得了该矿该地质采矿条件下地表移动变形的角量参数，如表3所示。

（3）获得了该矿该地质采矿条件下地表移动变形的概率积分预测参数，如表4所示。

参考文献

[1] 崔希民，陈立武.沉陷大变形动态监测与力学分析[M].北京：煤炭工业出版社，2004：52.

[2] 黄乐亭，王金庄.地表动态沉陷变形规律与计算方法研究[J].中国矿业大学学报，2008，37（2）：211-215.

[3] 何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

[4] 郭文兵，柴华彬.煤矿开采损害与保护[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[5] 康建荣.山区采动裂缝对地表移动变形的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：59-64.