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1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. GPS技术在矿山开采沉陷中的应用 胡远新,赵奋军 浙江省第七地质大队, 浙江 丽水市 323000 摘 要运用GPS技术在矿区进行监测网的布设和全面采集测点空间坐标信息,并对观 测的数据进行软件自动解算,从而获得地表移动规律,并指导矿山安全生产,为开采沉陷 监测提供了有力保证。 关键词 GPS;开采沉陷;矿山测量;监测网 为解决煤矿开采引起的地表沉陷及对建筑物、 构筑物的破坏问题,掌握由于开采引起的地表与岩 层移动规律,合理的开展“ 三下 ” 采煤工作,必须进 行开采沉陷观测。近年来, GPS已经广泛应用于大 地测量、 工程测量、 地壳形变监测等各种测量工程 中,由于观测不要求点间通视,从而使开采沉陷监测 设计工作简化,为矿山的安全生产提供了有力保证。 1 矿山开采沉陷观测指标 当矿区开采工作进行到一定的阶段,井下岩体 的移动和破坏逐步波及到地表,使受采动影响的地 表从原有的标高向下沉降,从而在采空区上方形成 一个比采空区大得多的沉陷区域。沉陷区域改变了 原有的地表形态,引起地表标高、 水平位置发生变 化,常用的定量表述这种变化的指标有下沉、 水平 移动、 倾斜、 曲率、 水平变形。 1下沉。下沉就是地面点的沉降,用w表 示,它是地表移动的垂直分量,通过测量本次和首次 观测标高值求差确定。 2水平位移。地表下沉盆地中的某一点水平 方向上的位移,用u表示,用本次与首次测得的从该 点至控制点之间的水平距离差值表示。 3倾斜。地表倾斜是指相邻两点在竖直方向 的下沉差与其水平距离的比值,用以反映地表移动 盆地沿某一方向的坡度。 4曲率。地表曲率是两相邻线段的倾斜差与 两线段中点的水平距离的比值,它反映观测线断面 上的弯曲程度。 5水平变形。地表水平变形是指相邻两点之 间的水平移动差与两点之间的水平距离的比值,常 用ε表示。 地表移动观测期的观测应包括平面坐标、 高程、 距离和裂缝测量等,通过测量工作可以计算下列数 据测点的下沉w和下沉速度v;测点的水平移动u 和点间的水平变形 ε;测点在垂直面内的移动向量 W;测点在平面上的移动向量U、 空间的移动向量Uw 和坐标方位角α;并且可以得到观测区域地形图;观 测线地质断面图;观测线垂直下沉曲线图;观测点水 平移动与水平变形曲线图;观测点在垂直面内的移 动向量图。 上述几个定量分析地表移动规律的指标是进行 地表沉陷预测理论的基础,而它又是建立在测量数 据准确性的基础上。对于测量工作来说,主要是运 用测量的手段获取地表点的沉陷数据,绘制出这些 定量指标曲线,从而更好地预测和估计沉陷规律,指 导矿山开采工作。 2 GPS技术用于矿山开采沉陷观测 2. 1 GPS矿区监测网的建立与观测 采用工程测量上常用的仪器、 方法和技术实时 监测地表、 道路及其建构筑物上出现的移动变 形,据此研究其定性、 定量规律,并提出开采沉陷预 测方法,是矿山开采沉陷工程中常用的方法。矿山 开采沉陷工程的重要研究方法之一是现场实地监 测,测定岩土及其建构筑物上各测点在不同时刻 的空间位置。 在开采沉陷影响区外布设的永久控制点作为计 算下沉与移动的基准点,这些点组成的网称为监测 网。监测网一般应由3～4个永久控制点组成,监测 点应布设在开采影响以外的稳定地区,并布设在观 测线的两边,其点位应符合规范的要求。监测点的 坐标将作为今后计算各种移动变形的基准,因此其 ISSN 1671 - 2900 CN 43 - 1347/TD 采矿技术 第9卷 第3期 Mining Technology, Vol . 9,No. 3 2009年5月 May 2009 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 观测精度要求较高。在已有的控制网和地形图资料 的基础上,经现场踏勘选点后,按照矿山测量相应的 规程规范,拟定合理的GPS布网方案,利用测区地 形地物特点,在图上设计出一个图形结构强的网。 采用静态作业模式对监测网进行观测,每次全面观 测前,均应对监测网进行复测,以检核各点位的可靠 性,如发现个别点有移动,应以新观测数据,重新计 算各监测点坐标,并以新观测的坐标值计算各观测 点的坐标和移动变形值。 根据矿区地面建立的控制网,按测量要求向沉 陷区域引观测站测量点,并测定观测线交点或某一 个控制点的平面坐标和高程。观测站与地面控制网 连测后,应对观测站的各测点进行开采前的最初两 次全面观测。在塌陷区内设各观测点,以计算各种 移动变形值,这些点可根据需要灵活布设,不需考虑 点位通视,因此观测线可穿过建、 构筑物或其它障碍 区,从而为“ 三下 ” 采煤提供最直接的地表移动变形 数据。采动前和采动稳定后的观测,是计算各点移 动变形值和计算各种岩移参数的基础数据,其可靠 性和精度均要求较高,可采用双基准快速静态的测 量模式进行观测,每点观测时间视卫星状况而定。 采动过程中的观测可采用走走停停的观测模式进 行,每次观测数据经基线软件处理后,以监测点为坐 标固定点,进行三维约束平差,求得各点的坐标,并 和采动前观测数据联合,进行两次观测和系统误差 模拟和改正,消除不同时间内观测的系统误差影响, 据此计算各点的下沉、 水平移动和其它各种变形值。 2. 2 GPS数据处理 GPS数据处理要从原始的观测值出发得到最终 的定位成果。大致分为GPS基线向量解算和GPS 网平差两个阶段。数据处理流程见图1。 图1 GPS网平差的总体流程 其中数据预处理工作主要是进行原始数据的粗 差检测和把原始数据文件标准化,基线向量的解算 是一个比较复杂的过程,它主要是对观测值残差的 分析和基线长度的解算与精度分析,最后对基线向 量环闭合差进行计算和检核。GPS网平差包括GPS 基线向量网的无约束平差、 约束平差以及GPS网与 地面网联合平差等。 GPS基准网的平差解算,目前国际上著名的高 精度GPS软件有瑞士Bernese大学的Bernese软 件,美国的GAM IT/GLOBK软件,德国GFZ的EP2 OS . V3,美国JPL的GIPSY软件等。这些软件对高 精度GPS的数据处理分为两个主要方面一是对 GPS原始数据进行处理获得同步观测网的基线解; 二是对各同步网进行整体平差和分析,获得GPS网 的整体解。这些软件数据处理的重点是同步网的基 线处理,而在网平差分析方面,特别是多个子网的系 统误差分析、 粗差分析及随机误差处理方面,大都没 有好的处理方法。 使用数据处理软件进行GPS网平差,需要按以 下几个步骤进行提取基线向量,构建GPS基线向 量网;三维无约束平差;约束平差/联合平差;质量分 析与控制。 2. 3 开采沉陷与变形分析 对位于GPS移动观测线上的点,则应根据各期 观测数据计算下沉量,按照开采沉陷定量评估指标 参数解算相应的量,并绘制下沉-时间关系图,以及 通过相邻点下沉量计算地表倾斜、 曲率和水平变形, 在针对性区域如采区上方的沉陷与变形监测,可 在监测网提供的基准点基础上设置专门的监测工作 点实施加密监测,在工作点监测数据基础上计算沉 陷与变形参数,并在变形参数基础上,对沉陷与变形 进程、 变形当前状态、 是否已达临界变形值等沉陷与 变形结果进行分析、 判断和作出沉陷与变形预测 预报。 3 结束语 GPS技术具有数据获取速度快、 数据处理及时、 内容齐全、 成果可靠、 作业方法简单,且较常规方法 成本低等优点。它在矿山测量领域,尤其是在矿区 控制网建设方面起到了很好的效果。在开采沉陷观 测中,使用正确的方式和方法完全可以代替水准测 量,减少了水准高程测量和平面测量不能同步进行 而带来的工作量,并且数据采集自动化程度高,减少 了人力数据处理的劳动强度。GPS测量在数据采集 过程中可以全面采集测点空间坐标信息,从而使开 采沉陷监测设计工作大大简化。 参考文献 [1 ]徐绍铨,张华海,杨志强,等. GPS测量原理及应用[M ].武汉 武汉大学出版社, 2002. [2 ]张凤举,张华海,赵长胜,等.控制测量学[M ].北京煤炭工业 出版社, 1999. [3 ]张国良.矿山测量学[M ].徐州中国矿业大学出版社, 2006. 下转第84页 96 胡远新,等 GPS技术在矿山开采沉陷中的应用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 且中度,那么中度右转纠偏。 10如果左履带下陷偏小,且集矿机方向偏转 为0,那么只略加向右转一点,预先纠偏。 ⋯⋯ 为了使模糊控制系统能读懂这些规则,并存入 计算机,还须对它们进行形式化数学处理,其规则转 换成计算机条件语句。如规则8转换成 if X NB AND Y NB Then U NB ⋯⋯ 5 集矿机模糊控制系统的模糊推理 模糊控制系统的模糊推理过程就是根据制定的 模糊控制规则,确定用状态估计模糊控制推理方法 进行模糊推理,并得到模糊输出量,及模糊输出隶属 函数。 5. 1 各个推理规则前件模糊状态的计算 第i号规则中第j个参量在连续变化时,其模糊 集合可表示为 Mij∫ vμM ijx /x 3 若在t时刻输入状态为x t ,其隶属度为 Mij∫ vμM ijx t 4 若有j个不同参量如倾角、 方向差等 , 根据所 测不同参量的输入值,求出第i号规则前件中各个 不同参量的隶属度mi1, mi2,⋯, mik后,对它们取逻 辑积 ∩即取小运算min , 分别得到各个模糊推理 规则前件的隶属度ri,即 rimi1∩mi2∩⋯⋯mikmin j1, k m ij 5 5. 2 各个推理规则后件模糊输出的计算 用求得的各个模糊推理规则前件的隶属度ri与 后件的隶属函数相乘,得到加权后的后件模糊输出。 用这些模糊控制规则进行推理以得到输出与输 入之间的关系,把其关系用曲面的形式见图 5 描 记出来,这个曲面就反映了输入与输出之间的非线 性关系。 6 集矿机精确输出量的解模糊判决 模糊输出是不能直接去控制执行机构的,所以 还必须采用最大隶属度平均法对模糊输出进行解模 糊处理。在输出是离散值集合的情况下,控制作用 mij可以用下式表示 图5 状态估计模糊控制输入与输出的关系曲面 mijρ l j1 W j L 6 式中W j是隶属函数达到最大值μzW j的那些输出 值, L是这些输出值的个数。 用这种解模糊判决方法计算出此时输出给集矿 机实现纠偏的精确输出量。 7 集矿机模糊控制系统应用效果 利用计算机对集矿机方向模糊控制系统进行了 仿真计算,为了比较,同时用模糊控制算法与经典的 传递函数算法进行了仿真计算。结果表明,传统的 经典控制系统超调量较大,相同的响应时间条件下, 模糊控制系统显得很平稳。 集矿机模糊控制系统还进行了实验室实验,在 实验室的行驶轨迹表明,模糊控制效果达到了预期 目标。模糊控制首次应用在深海采矿设备中,并无 任何经验可以借鉴,这是一个大胆的尝试。相信今 后模糊控制一定会在复杂控制系统中发挥巨大作 用,在深海采矿领域更是如此。 参考文献 [1 ]W. Zhang . ServoMotor Force Control . FI DE A pplicationNote 003 - 920814[R ]. Walnut CAAmptronix Inc. , 1992. [2 ]James C, Bezdek. Editorial fuzzy models - - - - - - what are they, and why [J ]. Fuzzy System, 1993, 1. [3 ]涂时亮,张友德,陈章龙.微机软件设计技术[M ].北京科学 技术文献出版社, 1998. [4 ]王和平,王爱武.自行式海底作业车测控系统研究开发课题研 究报告[R ].长沙长沙矿山研究院, 2002. 作者简介王爱武1957 - ,女,湖南长沙人,高级工程师, 主要从事自动控制系统研究。 上接第69页 [4]李征航,黄劲松. GPS测量与数据处理[M ].武汉武汉大学出 版社, 2005. 收稿日期 2008 - 10 - 15 作者简介胡远新1974 - ,男,甘肃武威人,工程师,从事 基础测绘和工程测量工作, Email hyx2017042163. com。 48 采矿技术 2009, 93