礦區(qū)地質(zhì)沉降觀測GPS定位的技術(shù)運(yùn)用
2012-12-31 00:00:00楊春
【摘要】近年來，隨著GPS技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)。煤礦開采過程中由地表沉降造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員生命安全問題，已經(jīng)越來越為全社會所關(guān)注，各類大大小小的煤礦安全事故，究其原因，除開采過程安全意識薄弱之外，還缺乏相應(yīng)的觀測手段保證，因此，本文即對GPS技術(shù)在礦區(qū)沉降觀測中的應(yīng)用進(jìn)行一點(diǎn)探討。
【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù)；礦區(qū)沉降；觀測；應(yīng)用探討
0.引言
隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷的發(fā)展完善，給測繪定位技術(shù)帶來了革命性的改變，為工程測量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。長期以來用測角、測距、側(cè)水準(zhǔn)為主的常規(guī)地面定位技術(shù)正逐步被以一次性確定三維坐標(biāo)、高效率、高精度的GPS技術(shù)所替代，定位方法從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，定位服務(wù)從導(dǎo)航和測繪領(lǐng)域擴(kuò)展到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域。
1.GPS的定位原理
我們假定在地球上方某一空間位置放置一顆能發(fā)射無線電信號的衛(wèi)星，同時在地球表面三個不同位置分別安放可接收該衛(wèi)星無線電信號的裝置，便可測出地面接收裝置的坐標(biāo)，若把空間衛(wèi)星納入統(tǒng)一坐標(biāo)系中，根據(jù)接收裝置所接收到的信號也能很方便計(jì)算出所有接收裝置分別相對于衛(wèi)星的幾何距離，然后再根據(jù)無線電測距交匯的原理，便可進(jìn)一步計(jì)算出衛(wèi)星的空間幾何坐標(biāo)。更形象地說，在這個空間中，如果以三個接收裝置為圓心，以它們到衛(wèi)星的距離為半徑畫圓，那么三圓軌道的交匯點(diǎn)即是衛(wèi)星的空間坐標(biāo)。GPS的定位原理恰好就是上述的一個逆向過程，也就是說，我們可以通過地面的接收裝置同時接收3顆或3顆以上衛(wèi)星發(fā)射的信號，同時在已知所有衛(wèi)星的臨時空間坐標(biāo)的情況下，同樣可以通過無線電測距交匯的原理計(jì)算出地面裝置的三維坐標(biāo)，此即為GPS的定位原理。
2.礦區(qū)開采沉陷觀測指標(biāo)
由于井下開采而形成采空區(qū)，巖體移動和被破壞逐步會波及到地表，從而致使采空區(qū)上方地表從原有的標(biāo)高產(chǎn)生下降，形成一個比采空區(qū)更大的沉降區(qū)域，改變地形地貌的同時，引起地表標(biāo)高、水平位置的變化。定量的表述指標(biāo)包括下沉，即地面點(diǎn)的沉降，為垂直分量常用w表示；水平位移，即地表下沉盆地中某一點(diǎn)在水平方向上的位移，常用u表示；傾斜，即相鄰兩點(diǎn)在豎直方向的下沉與其水平距離的比值；曲率，即相鄰兩線段的傾斜差與兩線段中點(diǎn)水平距離的比值；水平位移，是指相鄰兩點(diǎn)之間的水平移動差與兩點(diǎn)之間的水平距離的比值，一般表示為ξ。
通過測量工作可以計(jì)算出測點(diǎn)在垂直面內(nèi)的移動向量W及在平面上的移動向量U，還有測點(diǎn)的下沉和下沉速度w和v，測點(diǎn)的水平移動u和點(diǎn)間的水平變形ξ以及空間的移動向量和坐標(biāo)方位角a；并且可以得到觀測點(diǎn)水平移動以水平變形曲線、觀測點(diǎn)垂直下沉曲線、觀測區(qū)域地形及觀測線地質(zhì)斷面和觀測點(diǎn)在垂直面內(nèi)的移動向量等。通過掌握這些建立在測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上來預(yù)測沉陷，能夠更好的預(yù)測和估計(jì)沉降規(guī)律。
3.GPS監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的布設(shè)及觀測
3.1布網(wǎng)的基本思路
監(jiān)測點(diǎn)布網(wǎng)時應(yīng)當(dāng)選擇地面水系發(fā)達(dá)、地下流沙層較薄、礦區(qū)沉降變形嚴(yán)重、持續(xù)性長的環(huán)境；監(jiān)測網(wǎng)要便于長期保存，易于恢復(fù)和維護(hù)，監(jiān)測精度要高。整個網(wǎng)分級布設(shè)，應(yīng)分為框架網(wǎng)、基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)?？蚣芫W(wǎng)用于支撐基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測網(wǎng)，網(wǎng)點(diǎn)可長期保存，基準(zhǔn)網(wǎng)建立于框架網(wǎng)，網(wǎng)點(diǎn)在較長的時間段內(nèi)穩(wěn)定不變形，便于直接形變監(jiān)測，可借助與基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)和恢復(fù)。此外網(wǎng)型結(jié)構(gòu)盡量堅(jiān)強(qiáng)，內(nèi)符合精度小于5mm。
3.2網(wǎng)型的設(shè)計(jì)與選點(diǎn)
在網(wǎng)型設(shè)計(jì)及選點(diǎn)時應(yīng)使GPS網(wǎng)采用整體設(shè)計(jì)、分級布網(wǎng)的原則，鑒于便于保存、檢測和維護(hù)的要求，在基本遵循D級網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，網(wǎng)中相鄰點(diǎn)的距離可適當(dāng)方框，應(yīng)滿足下表要求。
此外，框架網(wǎng)點(diǎn)間可以不通視，基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)間盡量通視，監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)間必須通視；GPS點(diǎn)采用二位數(shù)字編號，也可以根據(jù)測點(diǎn)的地理位置特征進(jìn)行命名；為確保網(wǎng)型堅(jiān)強(qiáng)，網(wǎng)型布置盡量采用網(wǎng)連式，特殊時可采用邊連式；網(wǎng)點(diǎn)選在易于安置接收設(shè)備、交通便捷、視野開闊、便于保存、地勢較高的地方；各級網(wǎng)間便于聯(lián)測與擴(kuò)展，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置再工業(yè)廠房、煤倉等建筑屋頂上，以利于長期保存和通視。
根據(jù)礦區(qū)地面建立的控制網(wǎng)，按測量要求相沉陷區(qū)域引觀測站測量點(diǎn)，通視測定觀測線交點(diǎn)或某一個控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。觀測點(diǎn)與地面控制網(wǎng)聯(lián)測后，應(yīng)對觀測站的各測點(diǎn)進(jìn)行開采前的最初兩次全面觀測。在塌陷區(qū)內(nèi)設(shè)各觀測點(diǎn)，以計(jì)算各種移動變形值，這些點(diǎn)可根據(jù)需要靈活的進(jìn)行布置，無需考慮點(diǎn)位通視，因此觀測線可穿過建、構(gòu)筑物或其他障礙區(qū)，從而為“三下”采煤提供最直接的地表移動變形數(shù)據(jù)。由于對采動前和采動穩(wěn)定后觀測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有較高的要求，可采用雙基準(zhǔn)快速靜態(tài)的測量模式進(jìn)行觀測，每點(diǎn)觀測時間視衛(wèi)星狀況而定。采動過程中的觀測可采用走走停停的觀測模式進(jìn)行，每次觀測數(shù)據(jù)經(jīng)基線軟件處理后，以監(jiān)測點(diǎn)位坐標(biāo)固定點(diǎn)，進(jìn)行三維約束平差，將求得的坐標(biāo)和采動前觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合，進(jìn)行兩次觀測和系統(tǒng)誤差模擬和改正，消除不同時間內(nèi)觀測的系統(tǒng)誤差影響，據(jù)此計(jì)算個點(diǎn)的下沉水平移動和其他各種變形值。
4.GPS數(shù)據(jù)的處理
GPS數(shù)據(jù)處理要從原始的觀測值出發(fā)，得到最終的定位成果?？煞譃镚PS基線向量和GPS網(wǎng)平差兩個階段。處理流程為：數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—預(yù)處理—基線解算—GPS網(wǎng)平差四個步驟。其中數(shù)據(jù)處理工作主要是進(jìn)行原始的數(shù)據(jù)粗差檢測，將原始的數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化，基線向量的解算是一個比較復(fù)雜的過程，主要是對觀測值殘差的分析和基線長度的解算和精度分析，最后對基線向量閉合差進(jìn)行計(jì)算和檢核。GPS網(wǎng)平差包括GPS基線向量的無約束平差、約束平差以及GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)聯(lián)和平差等。
對于監(jiān)測網(wǎng)的基線解算，采用GAMIT軟件和IGS精密星歷，在基線解算過程中，基線解的精度是保證監(jiān)測成果可靠性的基礎(chǔ)，因此在GAMIT精密求解軟件進(jìn)行基線解算時采取一些必要的技術(shù)措施，其中，衛(wèi)星鐘差的模型改正使用國際IGS提供的衛(wèi)星精密星歷；根據(jù)偽距觀測值計(jì)算出接受機(jī)鐘差進(jìn)行鐘差的模型改正；電離層折射延遲用LC觀測值消除；利用實(shí)測干濕溫和氣壓數(shù)據(jù)作為依據(jù)，改善對流層模型；接受機(jī)天線相應(yīng)中心改正采用GAMIT軟件中的設(shè)定值；參考框架為ITRF00框架，慣性框架采用J2000；解算模式為基線解。
5.開采沉陷與變形分析
對GPS移動觀測線上的點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)各期觀測數(shù)據(jù)計(jì)算下沉量，按照開采沉陷定量評估指標(biāo)參數(shù)解算相應(yīng)的量，并繪制下沉與時間的關(guān)系圖，通過相鄰點(diǎn)下沉量計(jì)算地表傾斜、曲率及水平位移。在針對性區(qū)域的沉降與變形監(jiān)測，可在監(jiān)測網(wǎng)提供的基準(zhǔn)點(diǎn)基礎(chǔ)上設(shè)置專門的監(jiān)測工作點(diǎn)實(shí)施加密監(jiān)測，在工作點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算沉陷與變形參數(shù)，并在變形參數(shù)的基礎(chǔ)上對沉陷與變形進(jìn)程、變形當(dāng)前狀態(tài)、是否已達(dá)到臨界變形值等沉陷與變形結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，作出沉陷及變形的預(yù)測。
6.結(jié)語
煤礦企業(yè)通過GPS技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)ΦV區(qū)地表進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、高效的觀測，并且能合理對礦區(qū)地面沉降進(jìn)行預(yù)測，從（下轉(zhuǎn)第181頁）（上接第297頁）一定程度上能夠起到提前預(yù)防安全隱患的作用，有利于煤礦企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。 [科]
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