基于多源测绘技术矿区沉降变形监测研究

刘亚飞

摘 要：目前矿山存在着地面沉陷、煤矸石山、塌陷坑等诸多地质环境问题，导致矿区内土地资源和植被资源被破坏。本文结合GNSS和传统大地水准仪方法，获取吉林省长春市九台营城矿区2019年4月变形监测数据，得到该矿区在1—4月间最大沉降量与沉降速率分别为128.4 mm和15.4 mm/月，该研究变化趋势符合实际，可作为预测该矿区沉降变化的参考依据。

关键词：矿区;沉降监测;GNSS静态;沉降分析

中图分类号：P623.3     文献标识码：A       文章编号：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

吉林省长春市九台区的矿产资源曾为我国国民经济建设做出了巨大贡献。九台是与营城煤矿一起发展起来的城市，由于营城煤矿的破产，该矿区面临的问题和矛盾十分突出。矿山存在着诸多地质环境问题，如地面沉陷、煤矸石山、废弃矿井及塌陷坑等，矿区内土地资源和植被资源被破坏[1]。同时带来大气飘尘、土壤污染、水质污染及突发性安全事故的隐患，也破坏了当地的生态环境，严重威胁着当地居民的生命财产安全。采取适当的工程技术进行矿山地质监测，不仅可以获取实时有效数据，而且可利用该数据对矿区进行有效的预测，针对预测做好预防可避免各类地质灾害的发生[2]。因而，及时、准确的矿区变形监测有利于改善居民生存环境，促进矿产资源枯竭城市转变成经济型城市。

目前，应用在矿区的传统变形监测技术包括全站仪法[3]，但该方法由于测量周期长，且受地面条件等因素的影响，因而不常用，目前通常采用水准测量或GNSS方法等技术[4]。一、二等水准测量普遍应用在变形监测垂直方面，该方法可提供高精度垂直数据。随着全球导航卫星系统的发展，在大型工程变形监测领域，GPS技术已成为一种新颖的技术手段，常用于水库大坝、大型桥梁、高层建筑物等工程。此外，在监测矿区地面沉陷和变形等方面也逐步采用GPS技术[5]，该方法具有精度高、自动化程度高且全天候等特点，可以避免传统全站仪方法的劣势。综上所述，为获取该矿区高精度沉降结果，本文采用GPS方法和水准仪相结合的方法。

为得到吉林矿区变形和沉降量的有效数据，本文结合GNSS和水准测量法对该矿区进行监测，利用相关数据处理软件分析得出2019年1—4月时间段各监测点垂直和水平方向变化，得出该矿区在1—4月中最大沉降量与沉降速率分别为128.4 mm和15.4 mm/月，该数据可为该矿区的地质灾害和工业用地安全事故预防提供可靠的依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省长春市九台区营城，测区面积30 km2;地理坐标为：东经125°52'52"—125°54'24"，北纬44°09'04"—44°10'10"。九台区属北温带大陆性季风半湿润气候区，一年四季分明，具有春季干燥多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽短暂，冬季寒冷漫长的特点。多年平均气温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、8三个月份，占全年降水量70%以上;多年平均蒸发量1 330 mm;本区地势总体上是东南高西北低，地形呈丘陵状起伏，海拔标高182～200 m，相对高差18 m;地貌为丘陵、台地及阶地漫滩，丘陵主要由白垩系营城组碎屑岩构成，台地由第四系中更新统冲洪积黄土状亚黏土组成，第四系全新统冲洪积亚砂土、砂砾石沉积于阶地漫滩中。营城煤矿的含煤地层主要为中生界侏罗系上统沙河子组，含煤段地层总厚度1 179.5 m。

本研究共布设2个基准点和27个监测点，其中27监测点均在2018年12月做埋桩处理，部分监测点和基准点坐标如表1所示。

2 数据处理

2.1 水平位移监测

基准点坐标采用WGS-84坐標，通过与矿区高精度CORS进行联测，采用GPS-E级沉降监测网对变形点进行水平位移监测。为了获得监测区域的绝对沉降量，每隔50 m布设一个监测点，且监测点平均分布在整个研究区。根据精度要求，GNSS在进行静态数据采集其观测点位四周高度角要求10°以上，且远离干扰信号设备以减弱多路径效应的影响。该GNSS变形监测网包含GPSA等级基准点2个、位移监测点27个，组成的平面控制网如图1所示。

2.2 沉降监测

根据精度要求，本文采用二等水准测量方法，该方法可以满足该矿区沉降需要，控制点K1和K2作为该测区的水准原点，联测监测点A1至A27组成整个测区的水准网。采用Leica DNA03/10和数字水准尺，针对27個垂直位移点进行二等水准测量，共进行5次垂直水准测量，精度满足设计要求。

3 结果与分析

3.1 结果

通过平差解算软件得到部分监测点坐标如表2所示。通过数据对比可以得到部分监测点水平位移和沉降变化趋势如图2所示。

3.2 结果分析

为了更好地分析沉降和形变量绘制过程线，如图3所示，得出如下结论。

①沉降观测采用GPS方法结合合理的监测网，数据采用平差软件进行有效处理，处理精度达到技术设计要求，点位坐标整体精度较高，能有效提取沉降信息。

②通过监测数据与原数据比较，监测点的平均沉降量在62 mm，但该矿区某几个监测点出现较大沉降，通过计算得到该矿区沉降速率为15.4 mm/月。根据结果可推出该测区沉降呈逐渐增大趋势。

③通过监测数据与原数据比较，监测点的水平方向都发生了偏移，该现象是由于该矿区常年开采矿产资源导致矿区向外扩张，且根据水平监测结果可推出该测区水平位移有逐渐增大趋势。

④各监测点位置分布合理，且沉降趋势符合度较高。在实际工作中，对垂直方向监测采用了GPS静态方法，其沉降量与水准测量方法提取的高程沉降量信息符合程度较高，验证了本方法的有效性。

⑤地面沉降趋势较大，应对其原因和规律进行深入分析，采取有效的措施防治或抑制该矿区沉降趋势。

4 结论

本文基于GNSS方法结合水准仪法处理2019年4月覆盖营城矿区地区的变形监测数据，获得了该时间段地表形变量，证明了利用GNSS结合水准测量方法来分析监测点的沉降量是可行的，且精度较高。提取了水平和垂直方向信息，结果表明，该矿区20%的监测点发生了较大沉降变化，最大沉降量达128.2 mm，月沉降量达到15.4 mm/月，总体满足实际变形监测的要求。通过对矿区的多期观测，初步确定了矿区沉降趋势，得出了有益的结论，同时对GPS和水准测量技术在该矿区监测中的应用提供了借鉴。

参考文献：

[1] 赵晓东，孙文超.基于 CORS 系统 RTK 技术的地表沉降数据处理与应用[J].山东工业技术，2016（6）：246.

[2] 张伟，黄学飞，李文阳.RTK 定位技术在地表移动沉降观测中的应用[J].安徽科技，2012（4）：52-53.

[3] 范发龙.变形监测技术在矿井采空区沉降观测中的应用研究[J].山东煤炭科技，2019（6）：175-176，188，191.

[4] 韩鑫儒，张博龙.杭来湾煤矿塌陷区地面沉降监测方案设计[J].陕西煤炭，2020（4）：34-36，59.

[5] 贾冬冬.店坪煤矿工业广场建筑物沉降变形观测方案研究探讨[J].山东煤炭科技，2019（7）：172-173，176.