山區(qū)地表移動觀測站布設(shè)新方法探討

張廣偉

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團(tuán)煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

山區(qū)地表移動觀測站布設(shè)新方法探討

張廣偉1,2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工集團(tuán)煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

我國西南礦區(qū)受地形條件的限制，布設(shè)規(guī)則觀測站并采用傳統(tǒng)觀測方法存在較大難度。為此提出了一種新的山區(qū)地表移動觀測站布設(shè)方法。首先建立任意觀測線的求參模型，在分析的基礎(chǔ)上提出可在山區(qū)復(fù)雜地形條件下布設(shè)不規(guī)則觀測站。然后將GPS測量技術(shù)和常規(guī)測量手段相結(jié)合優(yōu)化了觀測站。最后，對聯(lián)合測量的原理和觀測步驟進(jìn)行了闡述。實踐表明，該方法能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜山區(qū)地形條件，為更好地研究山區(qū)地表移動變形提供了基礎(chǔ)保障。

山區(qū) 觀測站 不規(guī)則 聯(lián)合測量

地表移動觀測站是求取地表移動參數(shù)的重要途徑[1]，過去數(shù)10年在全國已布設(shè)了數(shù)百條觀測線[2]，為我國的開采損害防治和礦產(chǎn)資源開發(fā)提供了重要技術(shù)保障。但過去的觀測站90%以上集中在平原地區(qū)[3]，受山區(qū)地形地貌條件和觀測方法等的制約[4]，對山區(qū)地表移動觀測站的設(shè)計尚缺乏足夠經(jīng)驗。

近年來，隨著地表移動數(shù)據(jù)處理技術(shù)和測量技術(shù)的進(jìn)步，特別是任意觀測站求參方法的出現(xiàn)[5-8]，以及常規(guī)方法和GPS技術(shù)聯(lián)合測量方法的出現(xiàn)[9-10]，使得在復(fù)雜地形地貌條件下布設(shè)不規(guī)則觀測線成為可能。

本研究在任意點求參模型的基礎(chǔ)上，探討了山區(qū)復(fù)雜地形條件下布設(shè)不規(guī)則觀測站的可行性，并根據(jù)設(shè)站區(qū)域地形地貌條件，探討了GPS技術(shù)與常規(guī)觀測方法聯(lián)合測量的原理和數(shù)據(jù)處理方法，為復(fù)雜地形地貌條件下的地表移動變形研究提供保障。

1 任意形狀觀測站求參模型

根據(jù)開采沉陷理論，地表任意點的下沉計算公式為

(1)

式中，W(x,y)是移動盆地范圍內(nèi)任意點的下沉值；W0為實測最大下沉值；W(x)、W(y)分別為走向或傾向剖面上任意點的下沉值。

根據(jù)上面的理論公式，采用常用的數(shù)據(jù)處理軟件即可編制任意點求參程序，即根據(jù)地表任意觀測點求取地表移動變形參數(shù)。本研究以數(shù)學(xué)優(yōu)化計算軟件1stOpt為例，給出任意點求參程序模型為

(2)

式中，m為礦層法向采厚，m；q為下沉系數(shù)；α為礦層傾角，(°)；x、y分別為沿開采工作面走向和傾向方向的坐標(biāo)值；H1、H2、H分別為工作面上下山邊界和平均采深，m；tanβ1、tanβ2、tanβ分別為上下山方向和走向方向主要影響角正切值；D1、D2分別為工作面走向和傾向長度，m；S1、S2、S3、S4分別為上下山方向和走向左右邊界的拐點偏移距；θ為開采影響傳播角。

由上面的地表移動參數(shù)計算模型可知，無論地表移動觀測站的布設(shè)形式如何，地形地貌起伏變化情況如何，只要獲取地表任意觀測點的移動數(shù)據(jù)(以下沉數(shù)據(jù)為例)，就可以進(jìn)行求參。

2 觀測站布設(shè)方法

本次觀測站布設(shè)以西南某礦山為例進(jìn)行說明。

2.1 設(shè)站區(qū)域概況

設(shè)站區(qū)域?qū)儆跇?gòu)造侵蝕低山山地地貌，地勢北高南低，山脈兩側(cè)沖溝發(fā)育，地表標(biāo)高變化較大，在+293.8～+532.4m之間，表土層較薄，厚度1～6m。觀測站設(shè)站區(qū)域地形地貌情況見圖1。

圖1 設(shè)站區(qū)域地形地貌

設(shè)站區(qū)域下方擬開采一工作面，該工作面走向長550m，傾向長120m，開采厚度2.8m，平均采深510m。擬采用綜合機械化開采法，全陷法管理頂板。

2.2 布設(shè)模式的選擇

地表移動觀測站常用的布設(shè)方式有剖面線觀測站和網(wǎng)狀觀測站，但由于設(shè)站區(qū)域林木茂盛、地形起伏變化大，若采用傳統(tǒng)的布設(shè)方式，測線需要通過大量的樹林密集區(qū)，測點間難以通視。考慮到地表移動數(shù)據(jù)處理技術(shù)和觀測方法的進(jìn)步，本次地表移動觀測站將采用不規(guī)則布設(shè)形式。觀測站布置情況見圖2，共布設(shè)了60個測點，其中控制點4個，分別位于觀測線兩側(cè)，觀測點56個。

圖2 觀測站布置圖

2.3 觀測線的優(yōu)化

由觀測線布置圖2可以看出，控制點距工作面較遠(yuǎn)，控制點到工作面上方測點間大多是過渡點，即只為將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)導(dǎo)到工作面上方測點。因此，若采用常規(guī)觀測方法，不僅需要增加建站成本，投入更多的人力和物力，還由于觀測線較長，精度難以得到保證。

近年來，隨著GPS測量技術(shù)的日益成熟，以及GPS技術(shù)與常規(guī)測量技術(shù)融合深度的不斷提高，使得應(yīng)用GPS技術(shù)與常規(guī)測量手段聯(lián)合測量地表變形成為可能。

本次觀測線優(yōu)化正是基于上述方法。優(yōu)化后的觀測線如圖3所示，共布設(shè)了51個測站點，其中3個GPS接收站，其中1臺作為控制點基準(zhǔn)，其他2臺作為動態(tài)控制點，觀測點共48個。

圖3 觀測站優(yōu)化布置圖

比較圖3和圖2 可以看出，優(yōu)化后的觀測線比傳統(tǒng)布設(shè)方法短了，消除了為引入測量基準(zhǔn)而布設(shè)的過渡點，建站成本明顯降低。更重要的是觀測方式更加靈活，既可以分段觀測，又可以多組同時觀測，既提高了測量效率，又有效地控制了因地表快速沉降而導(dǎo)致的閉合誤差。

3 觀測原理分析

3.1 與傳統(tǒng)觀測原理比較分析

以水準(zhǔn)測量為例，傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量是使用水準(zhǔn)儀等儀器，按照測量規(guī)程相關(guān)規(guī)定，由已知水準(zhǔn)點開始通過測量水準(zhǔn)路線各點高程差來計算各點高程，進(jìn)而計算2次觀測數(shù)據(jù)的變形量，其測量原理如圖4所示。

圖4 常規(guī)測量原理示意

而本研究提出的聯(lián)合測量方法，是通過在穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置靜態(tài)GPS控制點，在測區(qū)設(shè)置動態(tài)GPS控制點，每次測量將動態(tài)GPS控制點的數(shù)據(jù)作為常規(guī)測量的已知數(shù)據(jù)，然后完成整個觀測工作。該觀測方法的基本原理如圖5所示。

圖5 本研究方法測量原理示意

由圖5和圖4的比較可知，與常規(guī)測量方法相比，本研究提出的聯(lián)合測量方法，具有如下優(yōu)勢：

(1)充分利用了GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)目缫曈蛱攸c和常規(guī)測量的靈活性，即靜態(tài)GPS控制點只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)同步傳輸給動態(tài)GPS控制點，常規(guī)測量以動態(tài)GPS控制點數(shù)據(jù)作為起算基準(zhǔn)，大大縮短了觀測路線。

(2)由于動態(tài)GPS控制點與靜態(tài)GPS控制點之間無須通視，所以可根據(jù)地形地貌特點，靈活設(shè)置動態(tài)GPS控制點，大大方便了設(shè)站的靈活性。

(3)靜態(tài)GPS控制點與動態(tài)GPS控制點之間不需要再設(shè)置過渡測點，節(jié)省了部分建站成本；同時，由于每個動態(tài)GPS控制點可單獨控制部分觀測點，因此，可多組同時觀測，能夠有效提高測量效率。

3.2 觀測步驟及數(shù)據(jù)處理方法

(1)獲取指定時段的動態(tài)GPS控制點數(shù)據(jù)，并根據(jù)WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)與常用坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換模型，將動態(tài)GPS控制點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地面坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并以此作為常規(guī)測量的起算基準(zhǔn)。

(2)以動態(tài)GPS控制點數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，采用全站儀等儀器完成常規(guī)的水準(zhǔn)測量和平面測量。

(3)將常規(guī)測量數(shù)據(jù)和已轉(zhuǎn)換成地面坐標(biāo)系統(tǒng)的動態(tài)GPS控制點數(shù)據(jù)輸入到Excel表中，轉(zhuǎn)換成.dat文件后導(dǎo)入到平差軟件中統(tǒng)一平差。

4 結(jié) 論

(1)通過建立任意點求參模型，分析提出在山區(qū)復(fù)雜地形地貌條件下布設(shè)不規(guī)則觀測站是可行的。

(2)在山區(qū)復(fù)雜地形地貌條件下，采用GPS技術(shù)和常規(guī)方法相結(jié)合的聯(lián)合測量方法具有建站靈活、測線短、觀測效率高等優(yōu)點。

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(責(zé)任編輯 石海林)

A New Method of Layout Mode of Surface Movement Observation Station in Mountain Area

Zhang Guangwei1,2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012，China；2.ChinaCoalResearchInstitute，ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Beijing100013，China)

Restricted by topographical condition，it is difficult to build regular observation station and adopt traditional measuring method in the mining areas in southwest of China.A new method for layout of observation station in mountain area is present.Firstly，the irregular observation station under the complex topographical conditions is laid out，through the construction of parameters model for arbitrary observation line.Then，the GPS technique and the traditional measurement method are combined to optimize the observation station.Finally，the principles of the new observant method and the main steps of observation are described.Practice shows that，this method can well adapt to the mountain areas with complex terrain conditions，and provide the foundation for better research on surface movement and deformation in mountain area.

Mountain area，Observation station，Irregular，Combined measurement

2015-02-01

張廣偉(1981—)，男，博士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-182-04