基于VRS技術(shù)的煤礦地表變形監(jiān)測(cè)實(shí)踐研究

馬麗娜

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

1 工程概況

同煤集團(tuán)晉華宮礦的頂板管理以垮落法為主，當(dāng)前隨著該礦不斷向深度進(jìn)行開(kāi)采，高強(qiáng)度的采掘活動(dòng)引起了地面沉降、開(kāi)裂、塌陷、建構(gòu)筑物裂縫等問(wèn)題，對(duì)公路、鐵路等構(gòu)成威脅，同時(shí)給將來(lái)的高速鐵路建設(shè)帶來(lái)了技術(shù)難題。因此針對(duì)該礦深部開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉降移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究是非常有意義的事情，可以減少該礦地表沉降危害。

當(dāng)前煤礦地表沉降的觀測(cè)主要是采用人工經(jīng)緯儀、全站儀測(cè)量技術(shù)、室內(nèi)GPS技術(shù)等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是都無(wú)法滿足晉華宮礦地表沉降移動(dòng)觀測(cè)的需求。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展促使了VRS技術(shù)的出現(xiàn)，該技術(shù)通過(guò)高精度的差分定位功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)與傳輸，同時(shí)可以建立一個(gè)局部地區(qū)修正量的數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦地表沉降觀測(cè)。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了地表沉降移動(dòng)觀測(cè)的需求，在提高測(cè)量精準(zhǔn)度的同時(shí)，降低了測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 VRS技術(shù)

2.1 VRS技術(shù)的原理

VRS（Virtual Refcrence Station）技術(shù)全稱(chēng)虛擬參考站技術(shù)。虛擬參考站由于參考站R和流動(dòng)站K之間的距離通常很遠(yuǎn)，流動(dòng)站端的解算系統(tǒng)并不清楚接收到的觀測(cè)值中是否已經(jīng)經(jīng)過(guò)空間相關(guān)誤差改正，若系統(tǒng)再次使用模型對(duì)其進(jìn)行改正，很有可能引入較大誤差。為了避免這種情況的發(fā)生，20世紀(jì)90年代末產(chǎn)生了虛擬參考站技術(shù)。在VRS/RTK定位中，當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心接收到流動(dòng)站發(fā)來(lái)的流動(dòng)站概略坐標(biāo)后，就可在此坐標(biāo)處生成一個(gè)虛擬參考站V，根據(jù)已知坐標(biāo)和觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理，生成VRS的虛擬觀測(cè)值。

其中，下標(biāo)為參考站標(biāo)識(shí)，V表示虛擬參考站，上標(biāo)為衛(wèi)星標(biāo)識(shí)，r為參考衛(wèi)星，當(dāng)i為參考衛(wèi)星時(shí)，新觀測(cè)值φ=φ'R+Δρ'RV/λ。新的碼偽距觀測(cè)值構(gòu)成與式（1）相似，需要把相位換成偽距，同時(shí)對(duì)電離層項(xiàng)反號(hào)。將上式的虛擬觀測(cè)值和虛擬參考站坐標(biāo)發(fā)送到流動(dòng)站，當(dāng)流動(dòng)站接收到虛擬參考站的這些信息時(shí)，認(rèn)為其與虛擬參考站構(gòu)成超短基線，因此避免了再使用空間相關(guān)誤差模型進(jìn)行改正。用該觀測(cè)值與流動(dòng)站觀測(cè)值建立雙差方程即可形成觀測(cè)模型。處理中心建立虛擬觀測(cè)值后，對(duì)虛擬觀測(cè)值進(jìn)行RTCM編碼（如：RTCM TYPE3/18/19，RTCM v2.3； RTCM TYPE1004/1005，RTCM v3.1），并在RTCM互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRP）的基礎(chǔ)上，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到流動(dòng)站端。如流動(dòng)站接收到差分信息，則可按常規(guī)RTK的方法進(jìn)行解算?；谔摂M參考站和流動(dòng)站基本無(wú)誤差，所以模糊度易于求解，流動(dòng)站即可實(shí)現(xiàn)RTK定位，如圖1所示。

圖1 VRS技術(shù)示意圖

2.2 VRS技術(shù)的特點(diǎn)分析

對(duì)比于以往的觀測(cè)技術(shù)，虛擬參考站技術(shù)主要特點(diǎn)是：（1）流動(dòng)站將本站概略位置傳遞給數(shù)據(jù)處理中心；（2）數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)生成并發(fā)送虛擬觀測(cè)值及差分改正數(shù)；（3）流動(dòng)站僅要求支持常規(guī)RTK功能的接收機(jī)，流動(dòng)站上基線解算與常規(guī)RTK采用同套軟件，具有較強(qiáng)的兼容性；（4） 數(shù)據(jù)處理中心和流動(dòng)站間采用雙向數(shù)據(jù)傳輸，用戶(hù)數(shù)量的增加取決于數(shù)據(jù)處理中心的寬帶容量和設(shè)備硬件條件。總的說(shuō)來(lái)，相對(duì)于其他地表沉降觀測(cè)技術(shù)，VRS技術(shù)具有測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展非常快，應(yīng)用最為廣泛。

3 VRS技術(shù)在晉華宮礦地表沉降觀測(cè)中的實(shí)踐

3.1 工程地質(zhì)概況

晉華宮礦位于大同市西12.5km處，是同煤集團(tuán)唯一的多井口高瓦斯礦井，礦井全部實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采煤。該礦301擴(kuò)區(qū)上方有4個(gè)村莊，村莊建筑物分布密集，排列沒(méi)有規(guī)律，造成了嚴(yán)重的壓煤現(xiàn)象。該礦8103工作面應(yīng)布置在村莊的外圍區(qū)域，地面無(wú)村莊住宅及其他建筑。工作面走向長(zhǎng)度654m（切眼中～停采線），工作面傾斜長(zhǎng)度179m。8103工作面地表有零星分散的公路、荒地等，工作面走向從切眼到停采線長(zhǎng)度654 m，傾斜長(zhǎng)度179 m。工作面煤層厚度為2.4～4.7m，平均厚度3.5m，工作面煤層傾角3～8°，平均傾角6°，地面標(biāo)高+1229.5～+1310m，煤層平均埋深621m。

3.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)8218綜采工作面開(kāi)采的情況及該礦地表沉降的特點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置方案如下：地表沉降區(qū)域的中心線做為觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置線，傾向中心線與走向中心線每間隔30m設(shè)置1觀測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，從起點(diǎn)開(kāi)始編號(hào)為A1、A2……A30；走向中心線與工作面走向垂直方向，間隔距離為70m左右布置觀測(cè)線，同樣以每間隔距離30m設(shè)置1觀測(cè)點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)方案當(dāng)中布置160個(gè)測(cè)點(diǎn)。參考站設(shè)置在該礦地表移動(dòng)影響區(qū)域外界，共設(shè)置3個(gè)參考站，兩兩相聯(lián)呈正三角型，兩參考站距離為30 km。方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)方案初步設(shè)計(jì)

3.3 作業(yè)前準(zhǔn)備

煤礦地表變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立并設(shè)置完成后，需要提前完成作業(yè)前的起算點(diǎn)可靠性校驗(yàn)分析。可靠性校驗(yàn)方法與步驟：（1）藍(lán)牙端口一次設(shè)置好后，先開(kāi)流動(dòng)站主機(jī)，確保手簿與主機(jī)藍(lán)牙連通；（2）取B1、B2、B3、B4、B5共5個(gè)非觀測(cè)點(diǎn)，輸入WGS84坐標(biāo)將其與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換。起算點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可知，執(zhí)行完點(diǎn)校正計(jì)算后的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差均小于±2cm，高程收斂精度均小于3cm ，起算點(diǎn)的可靠性理想，可以對(duì)現(xiàn)有控制點(diǎn)進(jìn)行檢校進(jìn)而進(jìn)行地表測(cè)量作業(yè)。

表1 起算點(diǎn)的可靠性檢驗(yàn)結(jié)果表

3.4 沉降觀測(cè)

該礦從2018年5月采用SW EPOS-HEBEI系統(tǒng)。在各觀測(cè)點(diǎn)上采用VRS測(cè)量形式以地形點(diǎn)的測(cè)量方式進(jìn)行地表沉降觀測(cè)，測(cè)量頻率為1次/min。從2018年5月～2019年2月之間，系統(tǒng)每15d時(shí)間啟動(dòng)進(jìn)行全面測(cè)量，共進(jìn)行了20次的測(cè)量。

3.5 數(shù)據(jù)及效果分析

圖3 不同時(shí)期沉降變化曲線

對(duì)10個(gè)月共20次的地表沉降觀測(cè)數(shù)量進(jìn)行處理，繪制了不同時(shí)期地表沉降的變化曲線圖，如圖3所示。從圖3中可知，隨著8218綜采工作面的推進(jìn)，該區(qū)域地表沉降范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從整體結(jié)果來(lái)看，沉降范圍可控，在檢測(cè)方案的監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)，邊界等值線基本上保持一致，無(wú)變化。不同時(shí)期沉降變化曲線結(jié)果表明，采用VRS技術(shù)對(duì)晉華宮礦8218綜采工作面進(jìn)行地表沉降觀測(cè)所得數(shù)據(jù)全面可靠，準(zhǔn)確度高。

4 結(jié)語(yǔ)

VRS技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用有效地提高了煤礦地表沉降監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度，同時(shí)測(cè)量范圍大，操作簡(jiǎn)便，技術(shù)人員工作強(qiáng)度低。通過(guò)VRS技術(shù)在晉華宮礦8218綜采工作面的實(shí)踐應(yīng)用表明，該監(jiān)測(cè)技術(shù)精準(zhǔn)度達(dá)到厘米級(jí)別，滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量要求，該監(jiān)測(cè)測(cè)量能作為晉華宮礦進(jìn)行制定地表沉降變形治理方案的可靠依據(jù)。