基于多源測(cè)繪技術(shù)礦區(qū)沉降變形監(jiān)測(cè)研究

劉亞飛

摘 要：目前礦山存在著地面沉陷、煤矸石山、塌陷坑等諸多地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)土地資源和植被資源被破壞。本文結(jié)合GNSS和傳統(tǒng)大地水準(zhǔn)儀方法，獲取吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)營(yíng)城礦區(qū)2019年4月變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到該礦區(qū)在1—4月間最大沉降量與沉降速率分別為128.4 mm和15.4 mm/月，該研究變化趨勢(shì)符合實(shí)際，可作為預(yù)測(cè)該礦區(qū)沉降變化的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦區(qū);沉降監(jiān)測(cè);GNSS靜態(tài);沉降分析

中圖分類(lèi)號(hào)：P623.3 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2021）30-0055-03

Abstract： At present， there are many geological environment problems in the mine， such as ground subsidence， coal gangue mountain and collapse pit， which lead to the destruction of land resources and vegetation resources in the mine. Based on the Jiutai Yingcheng mining area in Changchun city， Jilin Province， the deformation monitoring data of the study area in April 2019 are acquired by combining GNSS and traditional earth level methods in this paper. The maximum settlement deformation and settlement rate for the mining area in the period from January to April are 128.4 mm and 15.4 mm/month respectively， which is consistent with the actual change trend. The results can be used as a reference for predicting the subsidence change of the mining area.

Keywords：mining area;subsidence monitoring;GNSS static;settlement analysis

吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)的礦產(chǎn)資源曾為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。九臺(tái)是與營(yíng)城煤礦一起發(fā)展起來(lái)的城市，由于營(yíng)城煤礦的破產(chǎn)，該礦區(qū)面臨的問(wèn)題和矛盾十分突出。礦山存在著諸多地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如地面沉陷、煤矸石山、廢棄礦井及塌陷坑等，礦區(qū)內(nèi)土地資源和植被資源被破壞[1]。同時(shí)帶來(lái)大氣飄塵、土壤污染、水質(zhì)污染及突發(fā)性安全事故的隱患，也破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全。采取適當(dāng)?shù)墓こ碳夹g(shù)進(jìn)行礦山地質(zhì)監(jiān)測(cè)，不僅可以獲取實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)，而且可利用該數(shù)據(jù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，針對(duì)預(yù)測(cè)做好預(yù)防可避免各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[2]。因而，及時(shí)、準(zhǔn)確的礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)有利于改善居民生存環(huán)境，促進(jìn)礦產(chǎn)資源枯竭城市轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)型城市。

目前，應(yīng)用在礦區(qū)的傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)包括全站儀法[3]，但該方法由于測(cè)量周期長(zhǎng)，且受地面條件等因素的影響，因而不常用，目前通常采用水準(zhǔn)測(cè)量或GNSS方法等技術(shù)[4]。一、二等水準(zhǔn)測(cè)量普遍應(yīng)用在變形監(jiān)測(cè)垂直方面，該方法可提供高精度垂直數(shù)據(jù)。隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展，在大型工程變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，GPS技術(shù)已成為一種新穎的技術(shù)手段，常用于水庫(kù)大壩、大型橋梁、高層建筑物等工程。此外，在監(jiān)測(cè)礦區(qū)地面沉陷和變形等方面也逐步采用GPS技術(shù)[5]，該方法具有精度高、自動(dòng)化程度高且全天候等特點(diǎn)，可以避免傳統(tǒng)全站儀方法的劣勢(shì)。綜上所述，為獲取該礦區(qū)高精度沉降結(jié)果，本文采用GPS方法和水準(zhǔn)儀相結(jié)合的方法。

為得到吉林礦區(qū)變形和沉降量的有效數(shù)據(jù)，本文結(jié)合GNSS和水準(zhǔn)測(cè)量法對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件分析得出2019年1—4月時(shí)間段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直和水平方向變化，得出該礦區(qū)在1—4月中最大沉降量與沉降速率分別為128.4 mm和15.4 mm/月，該數(shù)據(jù)可為該礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害和工業(yè)用地安全事故預(yù)防提供可靠的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)營(yíng)城，測(cè)區(qū)面積30 km2;地理坐標(biāo)為：東經(jīng)125°52'52"—125°54'24"，北緯44°09'04"—44°10'10"。九臺(tái)區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，一年四季分明，具有春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季涼爽短暫，冬季寒冷漫長(zhǎng)的特點(diǎn)。多年平均氣溫5.3 ℃，最高37.8 ℃，最低-37.9 ℃;多年平均降水量572.3 mm，降水多集中于6、7、8三個(gè)月份，占全年降水量70%以上;多年平均蒸發(fā)量1 330 mm;本區(qū)地勢(shì)總體上是東南高西北低，地形呈丘陵?duì)钇鸱?，海拔?biāo)高182～200 m，相對(duì)高差18 m;地貌為丘陵、臺(tái)地及階地漫灘，丘陵主要由白堊系營(yíng)城組碎屑巖構(gòu)成，臺(tái)地由第四系中更新統(tǒng)沖洪積黃土狀亞黏土組成，第四系全新統(tǒng)沖洪積亞砂土、砂礫石沉積于階地漫灘中。營(yíng)城煤礦的含煤地層主要為中生界侏羅系上統(tǒng)沙河子組，含煤段地層總厚度1 179.5 m。

本研究共布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中27監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在2018年12月做埋樁處理，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 水平位移監(jiān)測(cè)

基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)采用WGS-84坐標(biāo)，通過(guò)與礦區(qū)高精度CORS進(jìn)行聯(lián)測(cè)，采用GPS-E級(jí)沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)變形點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。為了獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域的絕對(duì)沉降量，每隔50 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均分布在整個(gè)研究區(qū)。根據(jù)精度要求，GNSS在進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集其觀測(cè)點(diǎn)位四周高度角要求10°以上，且遠(yuǎn)離干擾信號(hào)設(shè)備以減弱多路徑效應(yīng)的影響。該GNSS變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)包含GPSA等級(jí)基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)、位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)27個(gè)，組成的平面控制網(wǎng)如圖1所示。

2.2 沉降監(jiān)測(cè)

根據(jù)精度要求，本文采用二等水準(zhǔn)測(cè)量方法，該方法可以滿足該礦區(qū)沉降需要，控制點(diǎn)K1和K2作為該測(cè)區(qū)的水準(zhǔn)原點(diǎn)，聯(lián)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1至A27組成整個(gè)測(cè)區(qū)的水準(zhǔn)網(wǎng)。采用Leica DNA03/10和數(shù)字水準(zhǔn)尺，針對(duì)27個(gè)垂直位移點(diǎn)進(jìn)行二等水準(zhǔn)測(cè)量，共進(jìn)行5次垂直水準(zhǔn)測(cè)量，精度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果

通過(guò)平差解算軟件得到部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得到部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移和沉降變化趨勢(shì)如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

為了更好地分析沉降和形變量繪制過(guò)程線，如圖3所示，得出如下結(jié)論。

①沉降觀測(cè)采用GPS方法結(jié)合合理的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，數(shù)據(jù)采用平差軟件進(jìn)行有效處理，處理精度達(dá)到技術(shù)設(shè)計(jì)要求，點(diǎn)位坐標(biāo)整體精度較高，能有效提取沉降信息。

②通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)比較，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均沉降量在62 mm，但該礦區(qū)某幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)較大沉降，通過(guò)計(jì)算得到該礦區(qū)沉降速率為15.4 mm/月。根據(jù)結(jié)果可推出該測(cè)區(qū)沉降呈逐漸增大趨勢(shì)。

③通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)比較，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平方向都發(fā)生了偏移，該現(xiàn)象是由于該礦區(qū)常年開(kāi)采礦產(chǎn)資源導(dǎo)致礦區(qū)向外擴(kuò)張，且根據(jù)水平監(jiān)測(cè)結(jié)果可推出該測(cè)區(qū)水平位移有逐漸增大趨勢(shì)。

④各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布合理，且沉降趨勢(shì)符合度較高。在實(shí)際工作中，對(duì)垂直方向監(jiān)測(cè)采用了GPS靜態(tài)方法，其沉降量與水準(zhǔn)測(cè)量方法提取的高程沉降量信息符合程度較高，驗(yàn)證了本方法的有效性。

⑤地面沉降趨勢(shì)較大，應(yīng)對(duì)其原因和規(guī)律進(jìn)行深入分析，采取有效的措施防治或抑制該礦區(qū)沉降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文基于GNSS方法結(jié)合水準(zhǔn)儀法處理2019年4月覆蓋營(yíng)城礦區(qū)地區(qū)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了該時(shí)間段地表形變量，證明了利用GNSS結(jié)合水準(zhǔn)測(cè)量方法來(lái)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量是可行的，且精度較高。提取了水平和垂直方向信息，結(jié)果表明，該礦區(qū)20%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生了較大沉降變化，最大沉降量達(dá)128.2 mm，月沉降量達(dá)到15.4 mm/月，總體滿足實(shí)際變形監(jiān)測(cè)的要求。通過(guò)對(duì)礦區(qū)的多期觀測(cè)，初步確定了礦區(qū)沉降趨勢(shì)，得出了有益的結(jié)論，同時(shí)對(duì)GPS和水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)在該礦區(qū)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙曉東，孫文超.基于 CORS 系統(tǒng) RTK 技術(shù)的地表沉降數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（6）：246.

[2] 張偉，黃學(xué)飛，李文陽(yáng).RTK 定位技術(shù)在地表移動(dòng)沉降觀測(cè)中的應(yīng)用[J].安徽科技，2012（4）：52-53.

[3] 范發(fā)龍.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦井采空區(qū)沉降觀測(cè)中的應(yīng)用研究[J].山東煤炭科技，2019（6）：175-176，188，191.

[4] 韓鑫儒，張博龍.杭來(lái)灣煤礦塌陷區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)[J].陜西煤炭，2020（4）：34-36，59.

[5] 賈冬冬.店坪煤礦工業(yè)廣場(chǎng)建筑物沉降變形觀測(cè)方案研究探討[J].山東煤炭科技，2019（7）：172-173，176.