Дослідження геодинамічних процесів із застосуванням
GPS-технологій
Панжін Андрій Олексійович, старший науковий співробітник,
Коновалова Юлія Павлівна, аспірант, Інститут гірничої справи УрВ РАН
В
даної публікації узагальнено досвід використання методів супутникової геодезії для
моніторингу геодинамічних процесів, що відбуваються на гірничих підприємствах.
Досліджуються питання, пов'язані з вивченням зміщень і деформацій як природної,
так і техногенної природи. Окреслено коло розв'язуваних завдань, загострені проблеми,
що виникають при моніторингу напружено-деформованого стану масиву
гірських порід, і показано шляхи їх вирішення. Відзначено високу ефективність
використання сучасних геодезичних комплексів для вирішення завдань
геомеханіки та геодинаміки.
В
Останніми роками все більш актуальними стають дослідження
геодинамічних процесів, що виникають у верхній частині земної кори і мають
як природну, так і техногенну природу. Інтерес до досліджень
сучасних рухів і деформацій багато в чому обумовлений тим, що безпечне
ведення людиною господарсько-економічної діяльності у масиві гірських
порід і земної поверхні, можливо тільки при одержанні цілісної картини про що відбуваються
в надрах Землі і на її поверхні процесах. Ці складні багатофакторні
процеси мають як природну, так і техногенну природу, причому останнім
часом все більшого значення набуває техногенний фактор, який призводить до
негативних змін геодинамічної та екологічної обстановки. Якщо
природні геодинамічні процеси виявляються в основному у вигляді повільних
трендових переміщень по межах структурних блоків, які відбуваються на тлі
короткоперіодних знакозмінних коливань масиву, який прилягає до них [1], то
техногенні, або наведені геодинамічні процеси, [2] викликані масштабною
діяльністю людини з видобутку та переробки корисних копалин і зміни
навколишнього природного середовища. Кожна з форм прояву геодинамічних процесів
здатна зробити серйозні порушення житлових і промислових об'єктів, у тому
числі екологічно небезпечних, таких як атомні та теплові електростанції,
гідротехнічні споруди, магістральні продуктопроводи, хімічні
підприємства.
Вивчення
сучасних рухів і деформацій, що відбуваються в масиві вимагає проведення в
моніторинговому режимі високоточних геодезичних вимірювань зміщень реперів
спеціально обладнаних станцій спостереження - геодинамічних полігонів.
Жорсткі вимоги до проведення подібного роду геодезичних робіт - великі
території, що охоплені вимірюваннями, високий рівень точності визначення
величин зрушення і деформацій, короткі періоди між серіями інструментальних
вимірювань, все це зумовлює необхідність використання при проведенні
досліджень сучасного високоточного та продуктивного геодезичного
обладнання.
В
інституті гірничої справи УрВ РАН протягом уже декількох десятиліть
досліджуються питання, пов'язані з вивченням зміщень і деформацій гірських
порід, як природної природи, так і виникаючих при відкритій і
підземної розробки корисних копалин. В останні кілька років поряд з
традиційними геодезичними спостереженнями використовуються методи супутникової
геодезії. Комбінування традиційних наземних і супутникових вимірів
дозволяє досить успішно вирішувати поставлені завдання. Супутникові технології
завдяки своїй високій продуктивності дозволили з високою періодичністю
отримувати інформацію про деформаціях земної поверхні на базах від перших метрів
до декількох десятків кілометрів, що було скрутним при використанні
традиційних методик вимірів і, що дуже важливо, для забезпечення
безпеки та ефективності гірничого виробництва. Для проведення супутникових
геодезичних вимірювань використовується великий парк одно-і двочастотний
апаратури, що складається з 12 GPS-приймачів геодезичного класу фірм
"Trimble" і "Sokkia". З 1996 року і по сьогоднішній день
інститут проводить геодезичний моніторинг зсувів і деформацій земної
поверхні з використанням GPS-технологій більш ніж на десяти
родовищах Уралу, Сибіру, Казахстану.
Визначення
величин зміщень і деформацій виробляються шляхом багаторазових перевизначень
координат реперів і геометричних елементів - довжин і перевищень спеціально
оборудуемих станцій спостереження [3]. Тип, конструкція, розміри і щільність
реперів спостережної станції вибираються в залежності від гірничо-геологічних
умов досліджуваних об'єктів і поставлених завдань фундаментальних і прикладних
досліджень. Репера станцій спостереження закладаються згідно
відповідні інструктивні матеріали, як в галузі впливу гірських
розробок, розміри яких сягають перших кілометрів, так і далеко за її
межами, де репера менше всього схильні до впливу техногенних
деформаційних процесів, в результаті чого стає можливим сумарне поле
деформацій розкласти на поля природних та техногенних деформацій. Кількість
пунктів деформаційної геодезичної мережі багато в чому залежить від площі
досліджуваної території, яка, в свою чергу, визначається потужністю
родовища, обсягами переміщуваного гірничої маси та взаємним розташуванням
техногенних об'єктів. Щільність мережі спостережних пунктів багато в чому
визначається розмірами техногенних об'єктів, видаленням від них, параметрами
охоронюваних споруд, що потрапляють в область впливу гірських розробок,
тектонікою родовища і визначається індивідуально в кожному конкретному
випадку [4]. Як правило, як реперів спостережної станції використовуються
вже існуючі пункти геодезичних мереж - державної геодезичної
мережі (ДГМ) і опорних маркшейдерсько-геодезичних мереж гірничого підприємства. Для
збільшення щільності мережі використовуються окремі репера існуючих профільних
ліній, закладених для вивчення процесу зсовування традиційними геодезичними
методами, а також репера, спеціально закладаються на різних етапах
моніторингових вимірів для уточнення параметрів розвитку процесу зсовування
на окремих ділянках. В результаті, отриману деформаційна мережа гірського
підприємства можна охарактеризувати як многоуровенную, ієрархічно
підлеглу. Прикладом такої мережі може служити деформаційна мережа шахти
"Сарановская-Рудна", моніторинг стану якої комплексами супутникової
геодезії проводиться з 1996 року по сьогоднішній день, спрощена схема якої
наведена на рис. 1. Сучасна спостережна станція складається з більш ніж
150 реперів, за яким щорічно виробляються супутникові геодезичні
вимірювання з періодичністю до 4 разів на рік.
Таким
чином, при дослідженні геодинамічних процесів із застосуванням
GPS-технологій, в основному використовуються дві просторово-часових режиму --
разове перевизначення вихідних координат пунктів ДГМ та опорних геодезичних
мереж, та вимірювання величин зміщень і деформацій в моніторинговому режимі.
Найбільш часто при виконанні тривалих досліджень знаходить застосування
комбінований режим, коли при виконанні нульового циклу робіт
перевизначаються вихідні координати реперів спостережної станції, а при
виконання наступних циклів вимірювань визначаються зміщення і деформації,
що відбулися за певний період часу [5].
Оскільки
вихідні координати пунктів ДГМ та опорних мереж підприємства визначалися ще до
початку розробки родовища корисних копалин, або на перших етапах його
освоєння, то в результаті разового перевизначення координат реперів
визначаються величини деформацій масиву гірських порід, що відбулися за
досить тривалі інтервали часу - як правило, десятки років. Однак
в цьому випадку доводиться стикатися з досить важковирішуваними питаннями
відділення реальних зміщень пунктів мережі, викликаних деформаціями земної
поверхні, від залишкового впливу джерел помилок, оскільки точність
методів супутникової геодезії в 3-5 разів вища, ніж точність традиційних
геодезичних методів. Дане завдання, залежно від конфігурації вихідних
геодезичних мереж, умов проведення вимірювань і повноти вихідного матеріалу
попередніх років, може бути досить коректно вирішена із застосуванням спеціально
розроблених авторських методик, в основі яких лежать різні точки зору
на процедуру аналізу взаємного положення пунктів геодезичної мережі. Також
досить складною, а часто нерозв'язною завданням є перевизначення
висотних відміток пунктів мережі, оскільки під час виконання робіт методами
супутникової геодезії визначаються висоти і перевищення пунктів над еліпсоїдом,
а не над геоїд, як це прийнято в традиційній геодезії. У випадку, коли
геодезичні роботи проводяться на місцевості зі спокійним рельєфом, дана
завдання коректно вирішується при використанні стандартних моделей геоїд, таких
як EGM96. Однак для гористій місцевості з великими перепадами висот, місцевості
з локальними аномаліями гравітаційного поля, викликаної наявністю в надрах
великих обсягів корисної копалини з високою питомою вагою, таке рішення
неприйнятно, і на сьогоднішній день завдання не має коректного рішення, хоча
вже є перші напрацювання з моделювання поверхні Геоїд на основі
аналізу DEM (Digital Elevation Model).
Рис.
1. Спрощена (каркасні) схема деформаційної мережі шахти "Сарановская-Рудна"
Ще
однією проблемою, з вирішенням якої доводиться стикатися як при разових
перевизначення координат деформаційних мереж, як і при виробництві
вимірювань в моніторинговому режимі, є проблема вибору з усіх пунктів
мережі тих, положення яких залишається стабільним досить тривалий
час. Наявність таких пунктів в мережі необхідно, коли ставиться завдання
визначити просторові вектора зміщень; в цьому випадку проводиться
суворе урівнювання мережі з накладенням певних умов - фіксацією планових
координат і висот опорних пунктів мережі. Однак, як показує практика, це не
завжди можливо зробити, оскільки ГГС і опорні мережі підприємств також
схильні до деформації, і тому, з одного боку, використовувати вихідні
дані слід вкрай обережно, а з іншого боку, фіксація координат частини
пунктів зможе значно спотворити зрівнює мережу, що призведе до отримання
некоректного результату. Для того, щоб цього уникнути, перевизначаються НЕ
координати пунктів мережі, а фіксуються зміни просторових
геометричних зв'язків між пунктами мережі, які можна виміряти
безпосередньо. Цього, як правило, цілком достатньо для побудови
сумарного деформаційного поля та вивчення основних закономірностей зміни
напружено-деформованого стану масиву на досліджуваній території. У
Надалі, при аналізі величин деформацій, з усіх пунктів мережі виділяються
пункти, які від циклу до циклу не змінюють свого взаємного положення, і
які можуть бути використані в якості опорних, в результаті чого
поступово, від серії до серії моніторингових спостережень, картина динаміки
зміщень і деформацій буде уточнюватися.
Для
успішного застосування комплексів супутникової геодезії при вивченні процесу
деформування породного масиву велике значення має організація і
планування польових робіт, особлива увага приділяється конструкції реперів
спостережної станції. Як вже зазначалося вище, дослідження деформацій
породного масиву в моніторинговому режимі, має на увазі багаторазове, від циклу
до циклу, виконання точних геодезичних вимірювань на одних і тих же пунктах
мережі, за однією програмою робіт з подальшим аналізом змін геометричних
взаємозв'язків між реперами. З цього випливає важлива особливість геодинамічних
полігонів: можливість детального вивчення умов проведення спостережень на
кожному пункті мережі і використання їх при плануванні часу і періоду
проведення супутникових вимірів, спеціальна підготовка окремих пунктів мережі
з метою усунення причин утруднений або неякісного прийому супутникового
радіосигналу. Оскільки одним з найголовніших вимог виробництва
високоточних геодезичних робіт із застосуванням GPS-обладнання є
хороша радіовидимості на всіх визначених пунктах, яка забезпечується
наступними чинниками: низьким значенням коефіцієнта PDOP, високим співвідношенням
"сигнал/шум", якістю сигналу та відсутністю втрати цілих
циклів при прийомі сигналу [6], необхідно враховувати ці чинники заздалегідь.
Деякі фактори, що визначають якість виконання спостережень, можна
спрогнозувати заздалегідь, шляхом використання спеціального програмного
забезпечення. Розподіл кількості видимих супутників і зміна
коефіцієнта PDOP в часі визначається завчасно за наявними
ефемеридами супутників, а оскільки відомі умови спостережень на кожному пункті
мережі, складаються індивідуальні картограми перешкод проходження
супутникового сигналу, з використанням яких досягається високий рівень
планованих і фактичних умов спостереження на конкретний пункт. У результаті
планування визначаються проміжки часу сприятливі і несприятливі
для виробництва спостережень. Як показує практика, сприятливими для
виробництва вимірювань є проміжки часу, коли забезпечується прийом
супутникового сигналу від 7-8 і більше супутників при коефіцієнті PDOP
меншому 4. За таких умов спостережень можливо проводити вимірювання на
міліметровому рівні точності.
Як
зазначалося вище, для визначення сучасних геометричних параметрів мережі
наглядових станцій використовується комплекс супутникової геодезії GPS,
що складається з 12 приймачів геодезичного класу. За умови одночасної
роботи 2 і більше GPS-приймачів за результатами різниці фаз супутникового
радіосигналу можливе визначення з міліметровою точністю компонент вектора
між двома і більше реперами спостережної станції. Жорстке вимога умови
одночасної роботи 2 і більше приймачів супутникового сигналу в
технологіях диференціальної GPS обумовлено необхідністю виключення з
результатів обробки похибок, викликаних впливом іоносфери і тропосфери
Землі. Під вектором в даному випадку мається на увазі результат обробки
GPS-даних, що представляє собою лінію з відомими геоцентричним
компонентами DX, DY, DZ між двома точками, що знаходяться на земній
поверхні, щодо центру Землі в математичному еліпсоїді WGS-84. У
нашому випадку, при одночасній роботі великої кількості GPS-приймачів, при
проведенні польових вимірювань утвориться достатня кількість замкнутих
геометричних побудов, аналіз яких дозволяє оцінити якість
проведених геодезичних вимірювань. Визначення векторів виробляється в
Статична і швидка статична режимі. Як показують дослідження Federal
Geodetic Control Subcommitettee (FGCS) і велика практика виконання
практичних робіт, при виконанні геодезичних робіт на базисах менше 20 км
для досягнення точності вимірювання, рівною | 3 мм + 0.01 ppm, достатньо
провести накопичення даних на пункті протягом 13-20 хвилин. Продовження часу
сеансу спостережень до 30-60 хвилин дозволяє отримати надлишкові дані, які
надалі використовуються при аналізі точності геодезичних побудов.
Оскільки реальним контролем точності геодезичних побудов є
незалежні вимірювання на що визначаються пункту, то програма польових вимірювань,
як правило, передбачає проведення повторних вимірювань на ряді пунктів
мережі.
Камеральна
обробка результатів вимірювань логічно розбивається на два етапи --
постобробка і зрівнювання геодезичної мережі. На етапі постобробки
обчислюються вектора - базові лінії між наглядовими пунктами мережі.
Обчислення векторів виконується із застосуванням прецизійних супутникових
ефемерід, що дозволяє в ряді випадків значно підвищити точність і
надійність визначення геометричних параметрів мережі. Наявність надлишкових
вимірювань дозволяє отримати декілька варіантів обробки одного і того ж
вектора мережі, завдяки чому підвищується якість обробки. Контролем якості
камеральнуих робіт на даному етапі є ряд внутрішніх контрольних
параметрів обчислення векторів, що дублюються визначення векторів і контроль
нев'язок замкнутих геометричних побудов. При обчисленні векторів авторами
використовувалося різне програмне забезпечення - GPSurvey і TGOffice фірми
"Trimble Navigation", Bernese і Gamit, що використовується при обробці
результатів глобальних деформаційних мереж, однак суттєвих відмінностей у
результати обробки виявлено не було. Сукупність декількох обчислених
векторів являє собою просторову GPS-мережу на поверхні
математичного еліпсоїда. Залежно від поставлених завдань ця мережа може
бути зрівняно різними способами і в різних системах координат. У випадку,
якщо спостережна станція складається з знову закладених реперів, початкові
координати яких невідомі, провадиться вільне зрівнювання мережі, в
умовній системі координат, в результаті чого визначається рівнянням значення
довжин ліній і перевищень між пунктами мережі, зміна яких у часі
визначає деформування досліджуваної території. У разі використання в
як частина реперів спостережної станції пунктів ГГС і опорних мереж
підприємства завдання ускладнюється, однак, як це зазначалося вище, коректне її
рішення досягається за допомогою пакета авторських методик.
В
результаті проведених інструментальних геодезичних вимірювань на досліджуваному
ділянці масиву і камеральної обробки польового матеріалу стають доступні
дані про сучасний стан земної поверхні, координатах реперів
спостережної станції на момент проведення зйомки і деформації земної
поверхні в інтервалах між реперами. За зміною просторових
координат реперів спостережної станції обчислюються повні вектора зсовування
точок земної поверхні в зоні техногенного впливу гірських розробок. За
величиною і напрямком дії векторів зміщення реперів визначаються швидкості
зсовування масиву гірських порід. Шляхом спеціального аналізу векторної картина
поля зсовування робляться початкові висновки про наявність на досліджуваній ділянці
структурних порушень та їх активності, оскільки деформації породного масиву
реалізуються саме за цим ослаблення. Зіставлення сучасної картини
розподілу повних векторів зміщень з картинами, отриманими під час
попередніх серій вимірювань, дозволяє також робити екстраполяцію фактичних
даних про процес зсовування і давати попередні прогнози про розвиток
процесу.
За
зміни відстаней між реперами спостережної станції і перевищень між
ними визначаються параметри просторового поля вертикальних і
горизонтальних деформацій, а також швидкості їхнього збільшення. Шляхом спеціального
аналізу отриманої картини розподілу деформацій по досліджуваному ділянці
виявляються основні закономірності процесу зсовування масиву гірських порід,
виділяються ділянки з аномальними значеннями поля деформацій, на яких у
Надалі згущується мережа спостережної станції, робляться прогнозні оцінки про
розвитку деформаційної обстановки на різні проміжки часу. За
зміни у часі основних компонент поля просторових деформацій
обчислюються збільшення тензорів поля природних і техногенних напруг.
Шляхом спеціального аналізу сумарні тензора збільшення напруг
розкладаються на тензори поля природних і техногенних напруг. Шляхом
відповідної угруповання параметрів тензорів напружень у масиві виділяються
основні блокові масиви і уточнюються межі між ними. При спільному
аналізі полів напруг і деформацій, отриманих шляхом моніторингових
вимірювань в різні періоди часу, створюється цілісна картина
закономірностей формування вторинного напружено-деформованого стану
досліджуваного масиву, що дозволяє з одного боку, одержати принципово
нові фундаментальні знання про природу як природних, так і наведених
техногенних деформаційних процесів, що відбуваються в масиві, а з іншого
боку, обгрунтовано вирішувати різні прикладні завдання щодо безпечної
експлуатації родовищ корисних копалин і об'єктів інфраструктури,
потрапляють в зону впливу гірських розробок.
Отримані
в результаті експериментальних робіт дані про сучасний
напружено-деформований стан масиву гірських порід і закономірності його
зміни в часі з одного боку, дають нові фундаментальні знання про
природі природних деформаційних процесів, що протікають у верхній частині
земної кори, і вплив на формування напруженого стану масиву
масштабної техногенної діяльності при розробці родовищ корисних
копалин. З іншого боку, отримані дані служать для прогнозу розвитку
процесу зсовування та прийняття цілого комплексу технічних рішень з
безпечної і ефективної розробки родовищ. До таких рішень відносяться питання
охорони і безпечної експлуатації об'єктів, що потрапляють в область шкідливого
впливу гірських розробок, коли необхідно провести повну виїмку корисного
викопного і зберегти об'єкти, що знаходяться над рудними покладами; управління
процесом зсовування гірських порід, коли спеціальним порядком відпрацювання камер
процес зсовування направляється в потрібний напрямок і ліквідуються в масиві
зони концентрації напружень, які можуть служити джерелом підвищеної
геомеханічного небезпеки. Дані про фактичний стан масиву гірських порід
використовуються при проектуванні місць закладення гірських виробок, параметрів
очисних виїмок, вибору оптимальної системи розробки родовища, а також
при проектуванні заходів щодо зміни гідрогеологічного режиму ділянки
масиву. У результаті проведення геодезичних вимірювань в моніторинговому
режимі завжди доступна інформація про сучасний стан
маркшейдеско-геодезичних мереж гірничого підприємства, що позитивно
позначається на якості маркшейдерського обслуговування. Таким чином,
вищеописаний комплекс заходів з діагностики та моніторингу
напружено-деформованого стану масиву гірських порід сучасними
геодезичними методами дозволяє отримати і в подальшому уточнити як
модельні, так і фактичні точні дані про геомеханічного стані гірського
масиву в зоні техногенного впливу масштабних гірничих робіт на будь-який проміжок
часу розробки родовища.
В
закінчення слід зазначити, що застосування сучасних методів традиційної та
супутникової геодезії для спостережень за процесом зсовування земної поверхні
на гірничих підприємствах дозволило нам проводити дослідження на якісно
більш високому рівні. В даний час вимірами охоплена не тільки ближня
зона техногенного впливу видобутку корисних копалин - мульда зсовування при
підземному способі розробки і прібортовой масив при відкритому способі
розробці, спостереження в якій проводилися досить тривалий період з
використанням традиційних геодезичних методів, але й далека зона впливу
гірських розробок, що тягнеться до декількох десятків кілометрів, в якій
раніше вимірювання або не проводилися зовсім, або проводилися в недостатніх
обсягах внаслідок високої трудомісткості подібних робіт. Вимірювання, що проводяться з
використанням сучасних геодезичних комплексів показали свою високу
ефективність для вирішення завдань геомеханіки, завдяки чому стало можливим не
тільки дискретні вимірювання, але і регулярний моніторинг деформацій і
напруги, що відбуваються в земній корі.
Список літератури
1. A. D. Sashourin, A. A. Panzhin,
NKKostrukova, OMKostrukov Experimental researches dynamics of displacements
in faults zones// Rock Mechanics - a challenenge for society: Proceedings of
the ISRM regional Symposium EUROCK 2001, Espoo, Finland, 3-7 June 2001. Balkema.
Rotterdam. Brookfield. 2001. -P.157-162.
2.
Сашурін А.Д., Панжін А.А. Наведені геомеханічні процеси від масштабної
техногенної діяльності з видобутку корисних копалин.// Матеріали X
Міжгалузевої координаційної наради з проблем геодинамічної
безпеки. -Єкатеринбург, 1997. -С.155-158.
3.
Панжін А.А. Спостереження за зрушення земної поверхні на гірничих підприємствах
з використанням GPS.// Известия Уральської державної гірничо-геологічної
академії. Вип.11. Серія: Гірське Дело. -Єкатеринбург, 2000. -С.196-203.
4.
Панжін А.А. Результати спостережень за деформаціями породних масивів методами
супутникової геодезії// Збірник праць міжнародної конференції
"Геодинаміка і напружений стан надр Землі". -Новосибирск: ІГД
СО РАН, 2001.
5.
Панжін
А.А. Діагностика геомеханічного стану масиву
гірських порід геодезичними методами. Геологія і геоекологія: дослідження
молодих, 2002 р. Том 2. Мінералогія, кристалографія, корисні копалини та
геофізика, петрофізіка.// Матеріали XIII молодіжній конференції,
присвяченої пам'яті К.О. Кратце. Апатити, 2002. -С.159-167.
6.
Голубко Б.П., Панжін
А.А. Маркшейдерські опорні й знімальні
мережі на кар'єрах: Навчальний посібник// УГГГА. -Єкатеринбург: УГГГА, 1999. -55с.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://geomech.da.ru
