GPS_RTK在山区开采沉陷中的应用研究

ShanxiCokingCoalScience＆TechnologyNo．9Sep．2011

·试验研究·

GPS－RTK在山区开采沉陷中的应用研究侯新春

（霍州煤电集团吕梁山煤电公司，山西

吕梁033000）

摘要建立山区地表移动观测站进行实地定期监测，获取现场数据资料是研究山区地表在开

采影响下移动变形规律最直接、最可靠的方法。在介绍GPS－RTK技术基本原理的基础上，结合GPS－RTK技术的优势以及山区地表受开采影响的监测要求，讨论了GPS－RTK技术在山区地表开采沉陷监测中的可行性。以某山区煤矿的地表移动监测站为例，通过GPS－RTK技术测量结果和静态GPS测量结果的对比研究，进一步证明了GPS－RTK技术用于山区地表开采沉陷监测是完全可行的。

关键词

GPS实时动态差分定位模式（GPS－RTK）；山区；开采沉陷；可行性；静态；GPS测量

文献标识码：A

文章编号：1672－0652（2011）09－0025－03

另一台或几台接收机置于载体上，这些接为基准站，

收机称为移动站，基准站和移动站在同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号时，基准站还将其采集到的GPS卫星载波相位观测量通过调制解调器进行编码和调试，并经电台数据链发射出去，见图1。移动站不仅观测并采集GPS卫星载波相位观测量，同并由机内处理软件时也接收来自基准站的电台信号，

的实时差分处理，迅速求得了移动站与基准站间的基线向量。手簿软件通过基准站点的已知坐标和求得的基线向量即可计算出移动站点的坐标，并根据给定的转换参数实时进行坐标系统的转换。

中图分类号：TD173+．4

随着煤炭资源的大量消耗，山区下采煤势在必行。为了研究山区地表在开采影响下的移动变形规律，建立地表移动监测站进行实地观测是最可靠的办测量方式也发生法。随着全球定位技术的快速发展，

了根本性的变化，从最初的静态定位已发展到今天的实时差分动态测量（GPS－RTK）技术。GPS－RTK定位技术是GPS测量技术领域发展的一个新突破，以其高精度、高效率、多功能、操作简便、全天候、应用广泛等特点著称，由于它摆脱了通视条件的，而且测量速度快、精度高，目前已在矿山测量中得到广泛应用。但由于山区地形地貌复杂，对于GPS－RTK在山区地表开采沉陷检测方面的研究还是空白，因此，本文结合GPS－RTK技术的优势以及山区地表移动变形监测的技术难点，通过利用GPS－RTK对某山区煤矿的地表移动观测站进行实地监测，研究GPS－RTK技术在山区地表移动观测站监测中的可行性。1

GPS－RTK的测量原理［1－4］

GPS－RTK测量系统主要由数据传输系统、GPS接收设备、实时动态测量的软件系统三部分组成。GPS－RTK测量技术的基本原理是载波相位实时差分，它是将1台接收机固定在已知点上，该接收机称

图1RTK测量原理

2山区地表开采沉陷监测的特殊性

1）山区地表受采动影响后可能会发生滑坡或

收稿日期：2011－06－29

1988年毕业于山西矿业学院，作者简介：侯新春（1966—），男，山西运城人，工程师，主要从事煤矿生产技术方面的工作

（E－mail）zhangbei21060736@126．com

·26·山西焦煤科技2011年第9期

滑移。

2）地形复杂，条件差，作业环境恶劣，通视困难。3）山区地形条件恶劣，架设仪器困难。4）地形起伏较大，大气和地球曲率都将使观测结果产生较大误差。

5）观测线很难沿直线布设，观测困难，而且限于通视条件，转站次数较多。

6）山区高差大，各点高程异常值不同，导致各点高程基准不同，给监测结果带来误差，影响规律的显示。

7）山路陡峭，行走困难，不宜带笨重精密仪器。3

GPS－RTK在山区地表监测中的技术优势1）作业条件少。GPS－RTK只要求满足“电磁波通视”即可，而不需要光学通视。因此，和传GPS－RTK技术对气候、统测量相比，季节、通视条件、能见度等因素的依赖都大大降低。对于地形复杂、通视困难的山区，利用传统测量困难，而利用GPS－RTK技术却能轻松快速的完成高精度山区定位监测工作，大大提高了山区监测工作的舒适度。

2）测量效率高。即使在山区地形条件下，高质量的GPS－RTK设站一次仍可完成10km半径内测区的点位测量，减少了所需控制点数和“搬站”次数。而且作业速度快，劳动强度低，大大提高了劳动效率。

3）GPS－RTK作业的自动化、集成化程度高，功能强大。RTK完全可胜任山区地表的监测工作，在

可直接获取测点的当地坐标系坐标，无监测过程中，

须人工干预，避免了坐标转换工作，保证了作业精度。

4）定位精度高，无积累误差。只要能保证GPS－RTK的基本工作条件，在作业半径为10km的范GPS－RTK的平面定位精度和高程定位精度均围内，

可达到厘米级，完全可以满足山区地表开采沉陷监测的精度要求。

5）仪器轻便，方便山区监测。

6）操作简便，使用方便，数据处理功能强大。44．1

工程应用矿区概况

1959年建井，1960年投某煤矿位于山西境内，

产，原始设计生产能力30万t/年。其一井田位于太行山西侧，属低山丘陵地貌，沟谷纵横，梁岭绵延，地形十分复杂，南部为低山区，沟深坡陡，沟谷多呈“V”字形，向西、北、东三面渐次过渡为丘陵区，山间沟谷逐渐变开阔宽缓，井田总体地势南高北低。4．2

RTK监测结果分析

为了获取山区地表开采沉陷移动变形规律，该煤矿布设了1条观测站，观测线按间距15m布置测点，共布设了66个监测点。按照设计，将对该观测站进行12期观测，目前已进行了6期，限于篇幅，仅以5、6两期的部分监测结果为例，说明GPS－RTK用于山区地表开采沉陷监测的可行性。GPS－RTK观测结果经处理后获得的各点下沉值见图2。

图2RTK观测结果

从图2可看出，从0号点至25号点地表的下沉量逐渐增大，在25号点附近地表下沉量达到最大值1．8m，51号从25号点到51号点下沉值逐渐减少，

用GPS－RTK监测的地表下点的下沉值为0。因此，

沉结果基本符合开采沉陷的下沉规律，即在采空区上方o处（即图中25号监测点）地表下沉值最大，

2011年第9期侯新春：GPS－RTK在山区开采沉陷中的应用研究

表1

点号

RTK观测结果/mmGPS静态观测结果/mm

二者差值/mm

·27·

从盆中心向采空区边缘下沉逐渐减小，在盆地边界点（图中1号和51号监测点）处下沉为0，下沉曲线关于采空区对称。由于监测时地下煤层已开采过半，所以这两期时间段地表的下沉量较大，从图2可知，地表点的最大下沉值已达到了1．8m。4．3

GPS静态监测结果

［5］

GPS静态测量精度较高，据研究资料显示：在

GPS静态处理结果

5

15

25

35

－351．08－614．25－1772．20－810．72－366．08－632．25－1785．20－826．7215

18

13

16

开采沉陷监测是完全可行的。在实际工作中，可对少数几个点同时进行GPS静态测量和GPS－RTK动态监测，并取这些监测点的GPS静态测量和GPS－RTK动态监测结果差值的平均值作为其他各点的GPS－RTK监测和GPS静态测量结果差异。4．4

对比分析

为了使GPS－RTK监测结果更加精确，取表1中二者差值的平均值作为各监测点GPS－RTK监测值的改正数，其值为15．5mm，并对各点的GPS－RTK监测结果进行改正，改正后的监测结果见图3。

从图3可以看出，地表移动的GPS－RTK实际监测结果和经静态GPS改正后的结果基本吻合，说明只要在监测过程中附加适当数目的GPS静态监测点，

山区利用GPS平面控制网结合高程控制成果进行的GPS拟合高程成果，如果外业观测条件好、已知高程GPS拟合高程可达到《国家三、点也分布合理时，四等水准测量规范》中四等水准测量的精度要求。为了检测GPS－RTK监测结果的可靠性，对其中的4个监测点进行了GPS静态测量，将处理结果和GPS－RTK监测结果对比，见表1。

GPS－RTK监测结果和GPS静态测从表1可知，

量结果基本吻合，二者的最大差值为18mm，这是因为GPS－RTK的内符合精度为20mm，说明监测结果可靠，进一步验证了将GPS－RTK技术用于山区地表

图3对比分析结果

将GPS－RTK用于山区地表开采沉陷监测是可能的。5

结

论

1）用GPS－RTK监测的地表下沉结果基本符合

参

［1］周忠谟，易杰军，周

开采沉陷的下沉规律。

2）结合GPS静态测量，对GPS－RTK监测结果进行适当的改正，将GPS－RTK用于山区地表开采沉陷监测在精度上是完全满足要求的。

文

献

考

．北京：测绘出版社，1997：118－120．琪．GPS卫星测量原理与应用［M］

［2］章红平，J］．测绘通报，2006（1）：28－32．温宇斌，张志勇，等．静态GPS测量与RTK测量实例分析［

［3］黑志坚，J］．哈尔滨工业大学学报，2006，38（8）：1295－1298．周秋生，曲建光，等．GPS－RTK测量成果的精度估计及应用探讨［［4］袁德宝，崔希民，潘

2007（3）：72－75．星，等．RTK实时动态测量技术在矿区测绘中的应用［J］．大地测量与地球动力学，

［5］冯雪巍，．河北工程技术高等专科学校学报，2009（4）：30－33．卢吉锋．山区静态GPS控制网拟合高程精度分析［J］

（下转第30页）

·30·山西焦煤科技2011年第9期

S1—开采至－495m水平时水位降深，m；S2—开采至－800m水平时水位降深，m。2003—2010年矿井最大涌水量Q0max=1434

3

m3/h，平均涌水量为Q0ave=837m/h；二2煤层底板

3结论

1）采用时间序列回归分析法对城郊煤矿未来两2011年正常涌水量年矿井涌水量进行了预测，其中，

33

为1m/h，最大涌水量为980m/h；2012年正常涌33水量为1356m/h，最大涌水量为1491m/h。

灰岩水水位标高为－174m，故水位降深分别为S1=－174－（－495）=321m，S2=－174－（－800）=626m。将这些参数代入式（1）得出最大涌水量Qmax

3

=2003m3/h，正常涌水量Qave=1169m/h。

2）采用水文地质比拟法对城郊煤矿预开采的二水平矿井涌水量进行了预测，最大涌水量为2003

3

m3/h，正常涌水量为1169m/h。

参

［1］王永红，沈［2］管恩太，武

考文献

1997：49－51．文．中国煤矿水害预防及治理［M］．北京：煤炭工业出版社，2005（1）：7．强．矿井涌水量预测评述［J］．中州煤炭，

J］．地质学报，2009，29（1）：70－73．模．矿井涌水量预测方法综述［

［3］杜敏铭，邓英尔，许

［4］董兴文．矿井最大涌水量计算与参数确定［J］．四川地质学报，1995，15（1）：75－80．［5］武

2002：110－116．强，李周尧．矿井水灾防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，

PredictionResearchofWaterInflowinChengjiaoCoalMine

ZhaoYong－jun，WangPei

Abstract

MinewaterdisasterisurgentproblemsofalotcoalmineinChinainsafeproduction．HenanYongxia

miningareaisfamousforlargewater，complexgeologicalconditions，intheproductionprocess，waterinrushfre-quently，thecauseofwaterburstingandthetypeischangeable，manytimescausedbyfloodedwell，floodedminingareaaccident．AccordingtohydrogeologicalconditionsandwaterinflowdatasinceChengjiaocoalminehasputintoproduction，respectivelyusestimeseriesregressionanalysismethodandthehydrogeologicanalogymethod，forecastsminewaterinflowforthenexttwoyearsandthewaterinflowofthepre－miningsecondlevel．Themethodisappropri-ate，theresultisreliable，canprovidethebasisforthesafeandeconomicexploitationinthemine．

Keywords

Chengjiaocoalmine；Waterinflow；Forecast

（上接第27页）

ApplicationofGPS－RTKforMiningSubsidenceinMountainous

HouXin－chun

Abstract

Themostdirectandreliablemethodofstudyingtheexploitationofmountainousareaswhichinflu-encedbyminingistoobtainfielddatathroughestablishingmountainoussurfacemovementobservationstation．Inor-dertostudythefeasibilityofGPS－RTKappliedformountainoussurfacemovementobservationstation，thispassageintroducedthebasicprinciplesofGPS－RTKmeasurement，exploredthefeasibilityofGPS－RTKappliedformoun-tainoussurfacemovementobservationstationcombingwiththeadvantagesofGPS－RTKandthemonitoringrequire-mentsformountainoussurfacemovementobservationstation．Andtakesamineasanexample，thispassageprovedGPS－RTKtechnologyusingformountainoussurfacemovementobservationstationwasentirelyfeasiblethroughestab-lishingmountainoussurfacemovementobservationstationandjuxtaposingtheresultofGPS－RTKandstaticGPS．

Keywords

GPS－RTK；Mountainousareas；Miningsubsidence；Feasibility；Staticstate；GPSsurvey