0 引言

GPS(Global Positioning System)即全球卫星定位系统, 因其独特的优点, 不但已广泛地应用于各种相关科学技术领域, 且在地球科学方面也得到推广应用, 提供了一种便捷、有效、精确、可靠的测量手段^[1-2]。GPS测量技术在地质工程领域应用相对较晚, 我国在露天矿工程勘测方面应用GPS测量技术是最近几年的事^[3-5]。在金川矿区应用GPS技术, 不但对露天矿边坡的变形进行了有效监测, 而且根据测量的信息进行了露天矿大比例尺工程地质填(制)图, 均收到了较好的效果。

1 矿区GPS监测网的建立

矿区GPS变形监测网不仅要监测井下开采引起的地表移动, 而且还应对矿区多矿井开采引起的大范围地表移动进行监测。当矿区地表产生整体变形时, 矿区控制点也可能随之产生变形。因此, 在建立矿区控制网特别是建立GPS监测网时, 要考虑兼有以下三种功能:一是满足矿区建设与生产需要建立足够密度的控制点, 使其便于观测与使用, 达到所需的精度要求; 二是所建立的GPS控制点, 还应满足便于矿区变形监测的使用和精度要求的需要; 三是为了发现控制网中的某些点的移动与形变, 需要在形变区外设置基准点, 以利于发现控制网的形变, 并进行形变分析。

布设矿区控制测量与变形监测GPS网时, 应考虑矿山测量的特点, 保证控制点与监测点间相互通视和点位稳定, 另外基准点应布设在形变区域之外, 满足监测点的要求。

2 提高GPS监测网观测精度的方法

(1) 采用强制对中的观测墩, 以减少安置在三脚架上的GPS天线因风吹日晒等因素产生的对中误差。

(2) 采用抗干扰能力强的天线, 并在观测中将天线按指北方向进行定向。

(3) 选择足够的观测时间和恰当的观测窗口。研究试验表明:若观测时间较长, 对收到的多星历进行拟合, 可提高星历精度, 延长观测时间, 还可以减弱其他随机误差的影响, 提高观测精度。

(4) 与已有的WGS-84(1984年世界大地坐标系)坐标点进行联测, 减少对基线解算的影响。

(5)制定合理的观测方案, 保证有足够的多余观测, 以利于粗差的剔除, 防止误差的积累。

3 矿区地表变形的GPS监测

矿区GPS变形监测主要有两种方法:第一种是定期在监测点安置GPS接收机, 进行变形观测, 并分期地进行数据处理, 根据多期GPS监测数据进行变形分析; 第二种是GPS实时监测, 在变形监测点上安置GPS接收机, 全天候地进行GPS观测, 根据地表特点, 可每天施测4~8个时段, 并直接将观测数据输入GPS解算软件, 解算出基线变化量及三维坐标的变化量。实践表明, GPS实时测量能够监测出地表的多时段非线性变形, 能够准确地建立地表移动的动态运动模型。

GPS进行变形监测时, 为了避免因坐标系转换造成的精度损失, 高程采用大地高, 平面坐标可在测区内选择一子午线作为中央子午线, 建立测点的平面直角坐标系。观测时, 应同时使用多台GPS接收机, 构成多边形同步环, 具体实施时, 应满足GPS测量规范的要求。

4 金川露天矿边坡变形监测中的应用

金川露天矿现已转入地下开采, 在露天矿上盘边坡北面开掘了通向地下采场的斜坡道, 若边坡继续变形将会严重地影响斜坡道及地下采场的稳定性, 为此需要对边坡进行长期的跟踪监测。自1996年以来利用GPS对金川露天矿及与其相关的邻区进行了变形监测。GPS变形监测主要包括以下几个方面的工作, 利用GPS技术在矿区选定变形监测基点, 布设GPS变形监测网, GPS监测及其坐标转换, 检测结果的数据处理及变形分析。

变形监测基点的选择直接关系到GPS量测结果的可靠, 要求基点稳定、可靠且尽可能不受各种不利因素的影响及干扰; 此外, 不但应该考虑当前露天矿变形监测的需要, 还应考虑到整个二矿区及三、四矿区开发的需要。为此, 将基点选定在整个金川矿区延伸范围中轴线北面, 距露天矿2 km多, 建在稳定地层上的建筑物顶部, 整个矿区均在基点两侧及南部3~4 km的控制范围之内。

布设变形监测网是GPS技术的关键, 且应该根据不同的目的选择不同等级的网及相应精度的基点坐标。根据GPS测量规范, A、B级网均为大区域范围的国家控制网, 边长均在15 km以上甚至数十或上百公里。C级网平均边长为10~15 km, D级网平均边长为5~10 km, E级网平均边长为2~5 km。一般网级愈高, 测量的精度愈高, 金川矿区的GPS网选用了D级网。

布设测点是建网的重要内容, 按照D级网及露天矿的实际情况, 选择原有监测基点, 四等三角点及斜坡和探井口等一批新测点共49个作为GPS监测点。这些监测点大多分布在露天矿边坡上, 如图 1所示。

外业作业数据采集使用Trimble400SSI型单频GPS接收机, 一台置于监测基点, 进行长时间连续观测, 另一台依次置于各监测点。基点至最近的监测点的距离为1 935 m, 最远为2 538 m。对重要监测点观测的时段为2 h, 且要求2个或2个以上的观测时段, 一般测点为1个观测时段, 切段长为1 h。监测资料经过数据自动处理, 可算出相应的基线向量, 并调出相位双差残差图, 仔细观察和研究其变化, 对于波动起伏超过限差要求的应进行重测。实测结果表明, 一次测定的二维坐标中误差为±5.1 mm, 高差中误差按两倍计则为±10.2 mm。用常规测量方法进行校核。绝大多数测点符合要求, 其余约10 %测点虽平面位置测定正确, 但高程测定存在一定的系统误差。其误差可达10 cm左右, 究其原因, 主要是因为测点视野受山坡阻挡所致。几个典型测点的测定结果如表 1所示。

GPS观测采用WGS-84坐标系, 最惯用的形式是以纬度、经度和椭球高程给出。对变形监测可以不进行坐标转换, 比较不同时间的观测结果, 便可直接求出相应的差值或产生的移动量。但如果要分析评价GPS测量系统建立之前用常规测量测得的结果, 可将GPS测点作为工程地质测绘图的图根控制点, 将GPS采用的WGS-84坐标体系转换成矿区的地方坐标系, 使其建立联系, 便可以分析评价边坡历年的累积变形及其发展变化趋势, 以及用于绘制大比例尺的工程地质图。

采用GPS技术对金川露天矿进行变形监测收到了良好的效果, 几个典型测点的测定结果如图 2所示。上述三测点均为露天矿内的三个四等三角点, 测量结果不但符合露天矿边坡岩体的一般变形规律。且可以与常规量测结果相比较, 说明GPS技术用于露天矿边坡变形监测及稳定性评价是可行、可靠的。

5 结论

实践表明, GPS技术用于露天矿变形监测具有如下优点:

(1) 可将基点选择在较远离露天矿开挖影响范围的稳定参照点上, 保证较高的量测精度;

(2) 可对较大的矿区范围, 实行大范围的大批监测点进行监测;

(3) 不要求测点间的通视, 监测点的布设灵活;

(4) 可获得监测点位移信息的三维变化;

(5) 对气象条件要求低, 可昼夜观测, 有雾及小雨亦可观测;

(6) GPS外业作业及内业作业简单、方便, 数据自动处理;

(7) GPS可与DEM(Digital Elevation Model)相结合, 主要监测点用GPS技术, 隐蔽点用DEM方法测量, 互为补充, 效果更好。