基于静态GNSS双基线的山区地表开采沉陷监测方法_胡青峰.pdf

基于静态GNSS双基线的山区地表开采沉陷 监测方法 胡青峰 1， 2 刘文锴 1， 2 马唐敬 3 耿浩然 21 （1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院， 河南 焦作 454000； 2. 华北水利水电大学测绘与地理信息学院， 河南 郑州 450045； 3. 华北水利水电大学管理与经济学院， 河南 郑州 450045） 摘要对山区地表开采沉陷进行高精度监测是现阶段山区地表开采沉陷问题研究的热点和难点。对当前 常用的开采沉陷监测方法的优缺点进行了分析， 指出GNSS静态测量模式仍是当前山区地表开采沉陷监测的首选 方法。但由于地表开采沉陷监测网型特殊， 采用传统GNSS静态监测方法需要的控制点多， 极大浪费人力、 物力和 财力。基于CORS测量原理， 提出了静态GNSS双基线测量方法， 讨论了该方法的实际操作技术流程和数据处理方 法， 并进一步分析了该方法的优越性。以某矿22618工作面地表控制点和部分监测点的其中4期监测数据为例， 分 析了采用静态GNSS双基线法监测山区地表开采沉陷的误差， 结果显示， 控制点和所选监测点解算的高程中误差最 大为4.4 mm， 通过对比分析控制点各期高程的高差互差， 可知误差均未超过3 mm， 进一步证实了该方法的有效 性。在上述分析的基础上， 针对该矿22618工作面采用所提方法进行了地表开采沉陷监测， 获得了该地质采矿条 件下的地表开采沉陷的部分角量参数。研究结果对于进一步丰富和完善山区地表开采沉陷监测理论体系具有一 定的参考价值。 关键词开采沉陷静态GNSSCORS测量山区地表变形沉陷监测 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-042-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910007 Monitoring of Surface Mining Subsidence in Mountainous Area Based on Static GNSS Double Base Line Hu Qingfeng1， 2Liu Wenkai1， 2Ma Tangjing3Geng Haoran22 （1. School of Surveying and Landing Ination Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000， China； 2. College of Surveying and Geo-inatics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China； 3. School of Management and Economics， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China） AbstractAccurately monitoring of surface mining subsidence in mountainous area is a hot topic and difficult point in the research of surface mining subsidence in mountainous area.In view of this problem， the advantages and disadvantages of current mining subsidence monitoring s are analyzed，and it is points out that GNSS static measurement model is still the first choice for surface mining subsidence monitoring in mountainous area.But due to the special surface mining subsid- ence monitoring network type， the traditional GNSS static monitoring requires many control points and wastes human， materi- al and financial resources.Based on the principle of CORS measurement， the of static GNSS double baseline measure- ment is proposed， the practical technical flow and data processing of the monitoring are given， and the superior- ity of the is analyzed.Taking the four phases of surface monitoring data from control points and partial monitoring points of the 22618 working face of a mine as an example， the measurement error for monitoring the surface mining subsidence in mountainous area by using the static GNSS double baseline is analyzed， the results show that the maximum eleva- tion medium error of the control point and the selected monitoring point is 4.4 mm， which proves the reliability of the . By comparing and analyzing the height difference of the control points， the error does not exceed 3 mm，which further proves 收稿日期2019-09-02 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41301598） 。 作者简介胡青峰 （1980） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 42 ChaoXing the effectiveness of the proposed monitoring .Based on the above discussion results， the surface mining subsidence of 22618 working face of the mine is monitored by using the proposed in this paper， and some corner parameters of surface mining subsidence under the geological mining conditions are obtained.This study results have some certain reference value for the further enriching and completing the monitoring theoretical system of surface mining subsidence in mountainous areas. KeywordsMining subsidence， Static GNSS， CORS measurement， Mountainous area surface deation， Subsidence monitoring 我国约有1/3的煤矿位于山区 ［1-3］， 由于山区地形 地貌的影响， 与一般平原矿区相比， 采煤引起的山区 采动损害更为严重。如何有效的对山区地表开采沉 陷进行高精度监测是目前山区地表开采沉陷问题研 究的热点和难点。近年来， 刘振国等 ［4］、 阎跃观［5］、 范 洪冬 ［6］、 祝传广［7］、 高晓雄等［8］、 何倩等［9］、 成晓倩等［10］ 分别采用了D-InSAR技术对矿山开采沉陷进行了监 测分析， 取得了丰硕成果 ［11-12］； 栾元重［13］、 刘贺春等［14］、 侯林锋 ［15］、 韩保民等［16］探讨了GNSS技术在地表开采 沉陷中的应用。新监测方法的应用推动了地表开 采沉陷监测理论体系的发展， 但对于山区地表开采 沉陷监测仍然存在诸多问题需要解决 ①InSAR技 术尽管对小量级缓慢地表移动变形具有较好的监 测效果 ［17-18］， 但由于矿区地表开采沉陷具有特殊性， 易导致常规InSAR技术时空去相干严重， 同时山区 DEM往往精度较低， 使得常规D-InSAR技术难以实 现对矿区大量级突变地表沉陷进行完整性监测 ［19］， 当山区地表有植被覆盖时， 也会影响监测精度， 此 外， 高分辨率 SAR 影像获取难度也较大； ②采用 GNSS技术对工作面上方沉陷监测点实施监测时， 考 虑到监测网型的特殊性和监测精度要求， 往往需要3 个以上的控制点， 且要求控制点尽量将监测点包围， 由于山路崎岖狭小、 行车困难， 每次监测需首先将测 量人员分别送达3个控制点， 而后再送达监测点， 效 率十分低下。为此， 本研究结合GNSS技术开展山区 地表开采沉陷监测研究， 进一步丰富和完善山区地 表开采沉陷监测理论体系。 1监测方法基本原理 采煤工作面地表开采沉陷观测线一般沿工作面 走向和倾向主断面布设， 特特别是在山区开展相关 监测工作时， 由于地形的影响， 传统水准测量、 导线 测量、 三角高程测量等方法已不再适用， GNSS RTK 技术的高程测量精度也无法满足地表开采沉陷监测 精度要求 ［20］。采用GNSS静态测量模式尽管监测效 果较好， 但由于该类监测网型特殊， 采用传统静态 GNSS三角网联测显然可行性不强。为提高高程测量 精度， 可借鉴CORS测量原理， 在矿区布设3个控制 点， 且要求控制点尽可能均匀分布在监测点周边。 如此施测， 又会带来大量不便， 如山路崎岖难行， 仅 每天将测量员送达控制点就会耗费大量的时间和运 输成本， 大幅降低了工作效率。 根据上述分析， 本研究通过查阅文献以及相关 试验分析发现， 采用GNSS双基线观测时， 若观测时 间大于50 min， 并通过相应的数据处理， 其高程和平 面精度均可控制在5 mm以内， 完全可以满足地表开 采沉陷监测的精度要求。该方法的技术流程为 ① 布设两个控制点， 监测点与两个控制点连线所构成 的夹角为30～150； ②测量时， 保持GNSS在两个控 制点上持续采集数据； ③每站有效观测时段应保持 在50 min以上； ④采用三维自由网平差法处理高程 数据， 采用二维约束平差法处理平面数据； ⑤将自由 网平差获取的各期高程数据换算到统一的高程系统 中； ⑥对比分析两控制点相邻两期的高程差， 若两高 差互差不超过10 mm， 则认为高程观测数据有效， 取 两高差的平均值作为高程换算的加常数。本研究方 法在保证测量精度的同时， 减少了一个控制点， 不仅 提高了有效观测时间， 而且有助于减少仪器租赁费、 人工费等工作成本， 降低测量员的危险系数； 此外， 采用静态GNSS双基线测量可以通过比较两控制点 相邻两期数据的高程差互差， 进一步分析观测数据 的有效性和准确度。 2开采沉陷监测分析 2. 1矿区概况 某矿所属井田位于吕梁山脉中段东翼， 属中低 山区， 区内沟谷纵横， 多呈 “V” 字型， 切割剧烈， 两侧 基岩裸露， 山顶为黄土覆盖， 地形较为复杂。区内地 势总体上西南高、 东北低， 最高处为井田西南角531 号钻孔附近， 标高1 305.35 m， 最低处为井田东北部 的汾河河床， 标高1 000 m左右， 区内相对高差一般为 150～250 m。该矿22618工作面走向长2 092 m， 倾 向宽180 m， 所采2.3号煤层厚度为2.7～3.85 m， 平均 厚度3.4 m， 平均煤层倾角为4， 工作面标高721～800 m。地表标高1 135～1 250 m， 采煤方法为综合机械化 开采方式。工作面上方地表采动影响范围内有兴能 电厂粉煤灰皮带运输走廊穿过， 并建有皮带牵引机 房。由于该矿区 “三下” 采煤数据资料严重缺乏， 为 有效评估该工作面开采沉陷的采动损害程度， 迫切 需要开展地表沉陷监测工作。 2019年第10期胡青峰等 基于静态GNSS双基线的山区地表开采沉陷监测方法 43 ChaoXing 2. 2观测线布设 本研究地表移动观测站设计所用参数依据 西 山矿区保护煤柱设计规程 （试行） 确定， 取值为 ① 当基岩移动角α≤5、 开采深度H≥300 m时， 工作面 倾向上山移动角γ、 工作面倾向下山移动角β以及 工作面走向移动角δ均取 75， 移动角修正值 ΔγΔβΔδ20； ②松散层移动角φ55； ③松散 层厚度h20～40m， 松散层移动角φ55； ④充分 采动角 （走向） 开采深厚比大于50时，Ψ55； ⑤最 大下沉角为θ90-0.6α。 根据地表开采沉陷监测需要以及矿区实际地 貌， 在22618工作面上方共布设了3条观测线。由于 该工作面所采2.3号煤层属于近水平煤层， 故将走向 观测线布设在工作面上方地表正中央处。为保证倾 向观测线位于工作面走向方向的充分采动区域内， 倾向观测线与开切眼的距离L可按下式计算 L≥H-htan55hcot55.（1） 22618工作面平均采深为430 m， 根据 煤矿测量 规程 ， 监测点间距布设为30 m。3条观测线共布设 了57个监测点， 如图1所示。 2. 3监测精度分析 采用本研究提出的山区地表沉陷监测方法， 对 22618工作面开展了开采沉陷监测工作。由于采用 GNSS技术进行变形监测时， 其平面精度高于高程精 度。因此， 本研究仅对高程测量精度进行分析， 即可 反映出该方法的有效性。以两个控制点K1、K2以及 监测点A13、 A14、 A15、 A16的第5、 6、 7、 8期数据为例进行 分析， 平差后所选站点的高程中误差如表1所示。由 于受到地球曲率影响， 在对每期监测结果进行三维 自由网平差计算时， 会导致控制点高程略有差异， 控 制点高程与相邻两期数据的高差如表2所示。 由表1、 表2分析可知 控制点和所选监测点解算 结果的高程中误差最大为4.4 mm， 满足地表开采沉 陷监测的精度要求； 所选4期数据的控制点相邻两期 数据的高差互差均未超过3 mm， 表明各期观测数据 有效。 2. 4地表观测数据分析 根据 煤矿测量规程 ， 于2016年4月2017年9 月对22618工作面共进行了10次静态GNSS观测， 走 向观测线地表沉陷动态下沉数据如图2所示。 （1） 充分采动角。在充分采动条件下， 在地表移 动盆地主断面上， 移动盆地平底边缘 （在地表水平线 金属矿山2019年第10期总第520期 44 ChaoXing 上的投影点） 和同侧采空区边界连线与煤层在采空 区一侧的夹角称为充分采动角。由图2可知 截至 2017年9月3日， 地表下沉已趋于稳定。在充分采动 条件下， 在地表移动盆地的主断面上， 移动盆地平底 边缘在地表水平线上的投影点与开切眼的距离D 240 m， 采深H0430 m， 因此， 根据充分采动角定义， 由式 （2） 可得走向充分采动角ψ3 61。 ψ3arctan H0D.（2） （2） 最大下沉角。最大下沉角θ是在倾斜主断面 上， 由采空区中点和地表移动盆地的最大下沉点在 地表水平上投影点的连线与水平线之间在煤层下山 方向一侧的夹角［21］。由地表倾向观测数据可知， 22618工作面采空区中点和地表移动盆地的最大下 沉点在地表水平上投影点的连线长度d30 m， 采深 H0430 m， 由下式计算可得最大下沉角θ86。 θarctan H0d.（3） （3） 超前影响角与超前影响距。超前影响角ω 计算公式为 ωarccot l H0，（4） 由22618工作面走向监测数据可知， 地表超前影响距 l150 m， 工作面平均采深H0430 m， 由式 （4） 计算 得超前影响角ω71。 （4） 边界角。在充分采动或接近充分采动条件 下， 地表移动盆地主断面上盆地边界点至采空区边 界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角。 当有松散层时， 应先将边界点沿松散层移动角的方 向投影到基岩面上。工作面走向边界角δ0、 上山边 界角γ0以及下山边界角β0可由下式计算 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δ0arctan[ ] H0-d0d1-d0 γ0arctan[ ] H0-d0d2-d1 β0arctan[ ] H0-d0d3-d0 ，（5） 由22618工作面走向和倾向观测数据可知 走向方向 边界点与开切眼的距离d1 270 m， 地表松散层为黄 土层， 平均厚度d0 5 m， 计算得δ0 58； 上山方 向， 地表沉陷边界点位于采空区上山边界外侧d2 210 m处， 计算得γ064； 下山方向， 地表沉陷边界 点位于采空区下山边界外侧d3 300 m处， 计算得 β0 55。 （5） 移动角。在充分采动或接近充分采动的条 件下， 地表移动盆地主断面上3个临界变形值中最外 侧的一个临界变形值点与采空区边界的连线与水平 线在煤柱一侧的夹角称为移动角 ［22］。当有松散层 时， 应先将最外侧一个点沿松散层移动角方向投影 到基岩面上。工作面走向移动角δ、 上山移动角γ 以及下山移动角β可进行如下计算 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ δarctan H0l1 γarctan■ ■ ■ ■ ■ ■H0-d0 l3-d0 βarctan■ ■ ■ ■ ■ ■H0-d0 l 3-d0 ，（6） 由22618工作面走向和倾向观测线的地表倾斜、 水平 移动和水平变形数据可知 走向方向， 地表倾斜值为 3 mm/m的点位于开切眼外侧l191 m处， 地表曲率值 为0.2 mm/m2的点位于开切眼外侧l240 m左右， 地 表水平变形为2 mm/m的点位于开切眼外侧l375 m 处， 最外点即开切眼外侧91 m处基岩裸露， 采深H0 364 m， 计算得δ76； 上山方向， 地表倾斜值为3 mm/m的点位于上山边界外侧l180 m处， 地表曲率 值为0.2 mm/m2的点位于工作面内， 地表水平变形为 2 mm/m的点位于上山边界外侧l3100 m处， 考虑松 散层影响， 计算得γ77； 下山方向， 地表倾斜值为 3 mm/m的点位于下山边界外侧l 1110 m处， 地表曲 率值为0.2 mm/m2的点位于下山边界外侧l 275 m左 右， 地表水平变形为2 mm/m的点位于下山边界外侧 l 3139 m处， 考虑松散层影响， 计算得β72.5。 2019年第10期胡青峰等 基于静态GNSS双基线的山区地表开采沉陷监测方法 45 ChaoXing 由上述计算可知 该地质采矿条件下， 22618工 作面地表开采沉陷移动角较大， 主要是受采深和地 形影响所致。 3结语 分析了目前常用的山区地表开采沉陷监测方法 的特点， 借鉴CORS测量基本思想， 提出了静态GNSS 双基线测量方法， 并讨论了该方法的技术流程和数 据处理方法， 分析了该方法的优越性。结合某矿 22618地表沉陷实测数据， 分析了该方法的监测精 度， 结果显示， 高程解算中误差均未超过5 mm， 两控 制点相邻两期数据高程差互差未超过3 mm， 进一步 证实了该方法的有效性。此外， 针对该工作面， 进一 步计算了开采沉陷的部分角量参数， 对于矿区后续 开采沉陷预计研究有一定的参考价值。 参 考 文 献 廉旭刚， 胡海峰， 郭博婷.山区开采地表动态移动变形规律 ［J］ . 金属矿山， 2016 （9） 151-156. 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