Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник,Коновалова Юлия Павловна, аспирант, Институт горного дела УрО РАН
Вданной публикации обобщен опыт использования методов спутниковой геодезии длямониторинга геодинамических процессов, происходящих на горных предприятиях.Исследуются вопросы, связанные с изучением смещений и деформаций как естественной,так и техногенной природы. Очерчен круг решаемых задач, заострены проблемы,возникающие при мониторинге напряженно-деформированного состояния массивагорных пород, и показаны пути их решения. Отмечена высокая эффективностьиспользования современных геодезических комплексов для решения задачгеомеханики и геодинамики.
Впоследние годы все более актуальными становятся исследования геодинамических процессов, проистекающих в верхней части земной коры и имеющихкак естественную, так и техногенную природу. Интерес к исследованиямсовременных движений и деформаций во многом обусловлен тем, что безопасноеведение человеком хозяйственно-экономической деятельности в массиве горныхпород и земной поверхности, возможно только при получении целостной картины о происходящихв недрах Земли и на ее поверхности процессах. Эти сложные многофакторныепроцессы имеют как естественную, так и техногенную природу, причем в последнеевремя все большее значение приобретает техногенный фактор, который приводит кнегативным изменениям геодинамической и экологической обстановки. Еслиестественные геодинамические процессы проявляются в основном в виде медленныхтрендовых подвижек по границам структурных блоков, которые происходят на фонекороткопериодных знакопеременных колебаний массива, прилегающего к ним [1], тотехногенные, или наведенные геодинамические процессы, [2] вызваны масштабнойдеятельностью человека по добыче и переработке полезных ископаемых и изменениюокружающей природной среды. Каждая из форм проявления геодинамических процессовспособна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в томчисле экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции,гидротехнические сооружения, магистральные продуктопроводы, химическиепредприятия.
Изучениесовременных движений и деформаций, происходящих в массиве требует проведения вмониторинговом режиме высокоточных геодезических измерений смещений реперовспециально оборудованных наблюдательных станций — геодинамических полигонов.Жесткие требования к проведению подобного рода геодезических работ — обширныетерритории, охватываемые измерениями, высокий уровень точности определениявеличин сдвижений и деформаций, короткие периоды между сериями инструментальныхизмерений, все это предопределяет необходимость использования при проведенииисследований современного высокоточного и производительного геодезическогооборудования.
Винституте горного дела УрО РАН на протяжении уже нескольких десятилетийисследуются вопросы, связанные с изучением смещений и деформаций горныхпород, как естественной природы, так и возникающих при открытой иподземной разработке полезных ископаемых. В последние несколько лет наряду страдиционными геодезическими наблюдениями используются методы спутниковойгеодезии. Комбинирование традиционных наземных и спутниковых измеренийпозволяет достаточно успешно решать поставленные задачи. Спутниковые технологииблагодаря своей высокой производительности позволили с высокой периодичностьюполучать информацию о деформациях земной поверхности на базах от первых метровдо нескольких десятков километров, что было затруднительным при использованиитрадиционных методик измерений и, что очень важно, для обеспечениябезопасности и эффективности горного производства. Для проведения спутниковыхгеодезических измерений используется большой парк одно- и двухчастотнойаппаратуры, состоящий из 12 GPS-приемников геодезического класса фирм«Trimble» и «Sokkia». С 1996 года и по сегодняшний деньинститут проводит геодезический мониторинг смещений и деформаций земнойповерхности с использованием GPS-технологий более чем на десяти месторождениях Урала, Сибири, Казахстана.
Определениявеличин смещений и деформаций производятся путем многократных переопределенийкоординат реперов и геометрических элементов — длин и превышений специальнооборудуемых наблюдательных станций [3]. Тип, конструкция, размеры и плотностьреперов наблюдательной станции выбираются в зависимости от горно-геологическихусловий исследуемых объектов и поставленных задач фундаментальных и прикладныхисследований. Репера наблюдательных станций закладываются согласносоответствующим инструктивным материалам как в области влияния горныхразработок, размеры которых достигают первых километров, так и далеко за еепределами, где репера меньше всего подвержены влиянию техногенныхдеформационных процессов, в результате чего становится возможным суммарное поледеформаций разложить на поля естественных и техногенных деформаций. Количествопунктов деформационной геодезической сети во многом зависит от площадиисследуемой территории, которая, в свою очередь, определяется мощностьюместорождения, объемами перемещаемой горной массы и взаимным расположениемтехногенных объектов. Плотность сети наблюдательных пунктов во многомопределяется размерами техногенных объектов, удалением от них, параметрамиохраняемых сооружений, попадающих в область влияния горных разработок,тектоникой месторождения и определяется индивидуально в каждом конкретномслучае [4]. Как правило, в качестве реперов наблюдательной станции используютсяуже существующие пункты геодезических сетей — государственной геодезическойсети (ГГС) и опорных маркшейдерско-геодезических сетей горного предприятия. Дляувеличения плотности сети используются отдельные репера существующих профильныхлиний, заложенных для изучения процесса сдвижения традиционными геодезическимиметодами, а также репера, специально закладываемые на разных этапахмониторинговых измерений для уточнения параметров развития процесса сдвиженияна отдельных участках. В результате, полученную деформационная сеть горногопредприятия можно охарактеризовать как многоуровенную, иерархическиподчиненную. Примером такой сети может служить деформационная сеть шахты«Сарановская-Рудная», мониторинг состояния которой комплексами спутниковойгеодезии производится с 1996 года по сегодняшний день, упрощенная схема которойприведена на рис. 1. Современная наблюдательная станция состоит из более чем150 реперов, по которым ежегодно производятся спутниковые геодезическиеизмерения с периодичностью до 4 раз в год.
Такимобразом, при исследовании геодинамических процессов с применениемGPS-технологий, в основном используются два пространственно-временных режима — разовое переопределение исходных координат пунктов ГГС и опорных геодезическихсетей, и измерение величин смещений и деформаций в мониторинговом режиме.Наиболее часто при выполнении продолжительных исследований находит применениекомбинированный режим, когда при выполнении нулевого цикла работпереопределяются исходные координаты реперов наблюдательной станции, а привыполнении последующих циклов измерений определяются смещения и деформации,произошедшие за определенный период времени [5].
Посколькуисходные координаты пунктов ГГС и опорных сетей предприятия определялись еще доначала разработки месторождения полезных ископаемых, или на первых этапах егоосвоения, то в результате разового переопределения координат реперовопределяются величины деформаций массива горных пород, произошедшие задостаточно продолжительные интервалы времени — как правило, десятки лет. Однаков этом случае приходится сталкиваться с достаточно трудноразрешимыми вопросамиотделения реальных смещений пунктов сети, вызванных деформациями земнойповерхности, от остаточного влияния источников ошибок, поскольку точностьметодов спутниковой геодезии в 3-5 раз выше, чем точность традиционныхгеодезических методов. Данная задача, в зависимости от конфигурации исходныхгеодезических сетей, условий проведения измерений и полноты исходного материалапрежних лет, может быть достаточно корректно решена с применением специальноразработанных авторских методик, в основе которых лежат различные точки зренияна процедуру анализа взаимного положения пунктов геодезической сети. Такжедостаточно сложной, а зачастую неразрешимой задачей является переопределениевысотных отметок пунктов сети, поскольку при производстве работ методамиспутниковой геодезии определяются высоты и превышения пунктов над эллипсоидом,а не над геоидом, как это принято в традиционной геодезии. В случае, когдагеодезические работы производятся на местности со спокойным рельефом, даннаязадача корректно решается при использовании стандартных моделей геоида, такихкак EGM96. Однако для гористой местности с большими перепадами высот, местностис локальными аномалиями гравитационного поля, вызванного наличием в недрахбольших объемов полезного ископаемого с высоким удельным весом, такое решениенеприемлемо, и на сегодняшний день задача не имеет корректного решения, хотяуже имеются первые наработки по моделированию поверхности геоида на основеанализа DEM (Digital Elevation Model).
/>
Рис.1. Упрощенная (каркасная) схема деформационной сети шахты«Сарановская-Рудная»
Ещеодной проблемой, с решением которой приходится сталкиваться как при разовыхпереопределениях координат деформационных сетей, как и при производствеизмерений в мониторинговом режиме, является проблема выбора из всех пунктовсети тех, положение которых остается стабильным достаточно продолжительноевремя. Наличие таких пунктов в сети необходимо, когда ставится задачаопределить пространственные вектора смещений; в этом случае производитсястрогое уравнивание сети с наложением определенных условий — фиксацией плановыхкоординат и высот опорных пунктов сети. Однако, как показывает практика, это невсегда возможно сделать, поскольку ГГС и опорные сети предприятий такжеподвержены деформированию, и поэтому, с одной стороны, использовать исходныеданные следует крайне осторожно, а с другой стороны, фиксация координат частипунктов сможет значительно исказить уравниваемую сеть, что приведет к получениюнекорректного результата. Для того, чтобы этого избежать, переопределяются некоординаты пунктов сети, а фиксируются изменения пространственныхгеометрических связей между пунктами сети, которые можно измеритьнепосредственно. Этого, как правило, вполне достаточно для построениясуммарного деформационного поля и изучения основных закономерностей изменениянапряженно-деформированного состояния массива на исследуемой территории. Вдальнейшем, при анализе величин деформаций, из всех пунктов сети выделяютсяпункты, которые от цикла к циклу не изменяют своего взаимного положения, икоторые могут быть использованы в качестве опорных, в результате чегопостепенно, от серии к серии мониторинговых наблюдений, картина динамикисмещений и деформаций будет уточняться.
Дляуспешного применения комплексов спутниковой геодезии при изучении процессадеформирования породного массива большое значение имеет организация ипланирование полевых работ, особое внимание уделяется конструкции реперовнаблюдательной станции. Как уже отмечалось выше, исследование деформацийпородного массива в мониторинговом режиме, подразумевает многократное, от циклак циклу, выполнение точных геодезических измерений на одних и тех же пунктахсети, по одной программе работ с дальнейшим анализом изменений геометрическихвзаимосвязей между реперами. Из этого вытекает важная особенностьгеодинамических полигонов: возможность детального изучения условий проведениянаблюдений на каждом пункте сети и использование их при планировании времени ипериода проведения спутниковых измерений, специальная подготовка отдельныхпунктов сети с целью устранения причин затрудненного или некачественного приемаспутникового радиосигнала. Поскольку одним из самых главных требованийпроизводства высокоточных геодезических работ с применением GPS-оборудованияявляется хорошая радиовидимость на всех определяемых пунктах, котораяобеспечивается следующими факторами: низким значением коэффициента PDOP,высоким соотношением «сигнал/шум», качеством радиосигнала иотсутствием потери целых циклов при приеме радиосигнала [6], необходимо учитыватьэти факторы заранее. Некоторые факторы, определяющие качество выполнениянаблюдений, можно спрогнозировать заранее, путем использования специальногопрограммного обеспечения. Распределение количества видимых спутников иизменение коэффициента PDOP во времени определяется заблаговременно поимеющимся эфемеридам спутников, а поскольку известны условия наблюдений накаждом пункте сети, составляются индивидуальные картограммы препятствийпрохождения спутникового радиосигнала, с использованием которых достигаетсявысокий уровень планируемых и фактических условий наблюдения на конкретномпункте. В результате планирования определяются промежутки времени благоприятныеи неблагоприятные для производства наблюдений. Как показывает практика,благоприятными для производства измерений являются промежутки времени, когдаобеспечивается прием спутникового радиосигнала от 7-8 и более спутников прикоэффициенте PDOP меньшем 4. При таких условиях наблюдений возможно проводитьизмерения на миллиметровом уровне точности.
Какотмечалось выше, для определения современных геометрических параметров сетинаблюдательных станций используется комплекс спутниковой геодезии GPS,состоящий из 12 приемников геодезического класса. При условии одновременнойработы 2 и более GPS-приемников по результатам разности фаз спутниковогорадиосигнала возможно определение с миллиметровой точностью компонент векторамежду двумя и более реперами наблюдательной станции. Жесткое требование условияодновременной работы 2 и более приемников спутникового радиосигнала втехнологиях дифференциальной GPS обусловлено необходимостью исключения изрезультатов обработки погрешностей, вызванных влиянием ионосферы и тропосферыЗемли. Под вектором в данном случае подразумевается результат обработкиGPS-данных, представляющий собой линию с известными геоцентрическимикомпонентами DX, DY, DZ между двумя точками, находящимися на земнойповерхности, относительно центра Земли в математическом эллипсоиде WGS-84. Внашем случае, при одновременной работе большого количества GPS-приемников, припроведении полевых измерений образуется достаточное количество замкнутыхгеометрических построений, анализ которых позволяет оценить качествопроведенных геодезических измерений. Определение векторов производится встатическом и быстростатическом режиме. Как показывают исследования FederalGeodetic Control Subcommitettee (FGCS) и обширная практика выполненияпрактических работ, при выполнении геодезических работ на базисах менее 20 кмдля достижения точности измерения, равной ¦3 мм + 0.01 ppm, достаточнопроизвести накопление данных на пункте в течение 13-20 минут. Продление временисеанса наблюдений до 30-60 минут позволяет получить избыточные данные, которыев дальнейшем используются при анализе точности геодезических построений. Посколькуреальным контролем точности геодезических построений являются независимыеизмерения на определяемых пункта, то программа полевых измерений, какправило, предполагает проведение повторных измерений на ряде пунктовсети.
Камеральнаяобработка результатов измерений логически разбивается на два этапа — постобработка и уравнивание геодезической сети. На этапе постобработкивычисляются вектора — базовые линии между наблюдательными пунктами сети.Вычисление векторов производится с использованием прецизионных спутниковыхэфемерид, что позволяет в ряде случаев значительно повысить точность инадежность определения геометрических параметров сети. Наличие избыточныхизмерений позволяет получить несколько вариантов обработки одного и того жевектора сети, благодаря чему повышается качество обработки. Контролем качествакамеральных работ на данном этапе являются ряд внутренних контрольныхпараметров вычисления векторов, дублирующиеся определения векторов и контрольневязок замкнутых геометрических построений. При вычислении векторов авторамииспользовалось различное программное обеспечение — GPSurvey и TGOffice фирмы«Trimble Navigation», Bernese и Gamit, использующееся при обработкерезультатов глобальных деформационных сетей, однако существенных различий врезультатах обработки выявлено не было. Совокупность нескольких вычисленныхвекторов представляет собой пространственную GPS-сеть на поверхностиматематического эллипсоида. В зависимости от поставленных задач эта сеть можетбыть уравнена различными способами и в различных системах координат. В случае,если наблюдательная станция состоит из вновь заложенных реперов, первоначальныекоординаты которых неизвестны, производится свободное уравнивание сети, вусловной системе координат, в результате чего определяются уравненные значениядлин линий и превышений между пунктами сети, изменение которых во времениопределяет деформирование исследуемой территории. В случае использование вкачестве части реперов наблюдательной станции пунктов ГГС и опорных сетейпредприятия задача усложняется, однако, как это отмечалось выше, корректное еерешение достигается с использованием пакета авторских методик.
Врезультате проведенных инструментальных геодезических измерений на исследуемомучастке массива и камеральной обработке полевого материала становятся доступныданные о современном состоянии земной поверхности, координатах реперовнаблюдательной станции на момент проведения съемки и деформировании земнойповерхности в интервалах между реперами. По изменению пространственныхкоординат реперов наблюдательной станции вычисляются полные вектора сдвиженияточек земной поверхности в зоне техногенного влияния горных разработок. Повеличине и направлению действия векторов смещения реперов определяются скоростисдвижения массива горных пород. Путем специального анализа векторной картинаполя сдвижений делаются первоначальные выводы о наличие на исследуемом участкеструктурных нарушений и их активности, поскольку деформации породного массивареализуются именно по этим ослаблениям. Сопоставление современной картиныраспределения полных векторов смещений с картинами, полученными во времяпредыдущих серий измерений, позволяет также делать экстраполяцию фактическихданных о процессе сдвижения и давать предварительные прогнозы о развитиипроцесса.
Поизменению расстояний между реперами наблюдательной станции и превышений междуними определяются параметры пространственного поля вертикальных игоризонтальных деформаций, а также скорости их приращения. Путем специальногоанализа полученной картины распределения деформаций по исследуемому участкувыявляются основные закономерности процесса сдвижения массива горных пород,выделяются участки с аномальными значениями поля деформаций, на которых вдальнейшем сгущается сеть наблюдательной станции, делаются прогнозные оценки оразвитии деформационной обстановки на различные промежутки времени. Поизменению во времени основных компонент поля пространственных деформацийвычисляются приращения тензоров поля естественных и техногенных напряжений.Путем специального анализа суммарные тензора приращения напряженийраскладываются на тензоры поля естественных и техногенных напряжений. Путемсоответствующей группировки параметров тензоров напряжений в массиве выделяютсяосновные блочные массивы и уточняются границы между ними. При совместноманализе полей напряжений и деформаций, полученных путем мониторинговыхизмерений в различные периоды времени, создается целостная картиназакономерностей формирования вторичного напряженно-деформированного состоянияисследуемого массива, что позволяет с одной стороны, получить принципиальноновые фундаментальные знания о природе как естественных, так и наведенныхтехногенных деформационных процессов, происходящих в массиве, а с другойстороны, обоснованно решать различные прикладные задачи по безопаснойэксплуатации месторождений полезных ископаемых и объектов инфраструктуры,попадающих в зону влияния горных разработок.
Полученныев результате экспериментальных работ данные о современном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород и закономерностях егоизменения во времени с одной стороны, дают новые фундаментальные знания оприроде естественных деформационных процессов, протекающих в верхней частиземной коры, и влиянии на формирование напряженного состояния массива масштабнойтехногенной деятельности при разработке месторождений полезных ископаемых. Сдругой стороны, полученные данные служат для прогноза развития процессасдвижения и принятия целого комплекса технических решений по безопасной иэффективной разработке месторождений. К таким решениям относятся вопросы охраныи безопасной эксплуатации объектов, попадающих в область вредного влияниягорных разработок, когда необходимо произвести полную выемку полезногоископаемого и сохранить объекты, находящиеся над рудными залежами; управленияпроцессом сдвижения горных пород, когда специальным порядком отработки камерпроцесс сдвижения направляется в нужное направление и ликвидируются в массивезоны концентрации напряжений, которые могут служить источником повышеннойгеомеханической опасности. Данные о фактическом состоянии массива горных породиспользуются при проектировании мест заложения горных выработок, параметровочистных выемок, выбора оптимальной системы разработки месторождения, а такжепри проектировании мероприятий по изменению гидрогеологического режима участкамассива. В результате проведения геодезических измерений в мониторинговомрежиме всегда доступна информация о современном состояниимаркшейдеско-геодезических сетей горного предприятия, что положительно сказываетсяна качестве маркшейдерского обслуживания. Таким образом, вышеописанный комплексмероприятий по диагностике и мониторингу напряженно-деформированного состояниямассива горных пород современными геодезическими методами позволяет получить ив дальнейшем уточнить как модельные, так и фактические точные данные огеомеханическом состоянии горного массива в зоне техногенного влияниямасштабных горных работ на любой промежуток времени разработки месторождения.
Взаключение следует отметить, что применение современных методов традиционной испутниковой геодезии для наблюдений за процессом сдвижения земной поверхностина горных предприятиях позволило нам проводить исследования на качественноболее высоком уровне. В настоящее время измерениями охвачена не только ближняязона техногенного воздействия добычи полезных ископаемых — мульда сдвижения приподземном способе разработке и прибортовой массив при открытом способеразработке, наблюдения в которой производились достаточно длительный период сиспользованием традиционных геодезических методов, но и дальняя зона влияниягорных разработок, простирающая до нескольких десятков километров, в которойранее измерения либо не проводились совсем, либо проводились в недостаточныхобъемах по причине высокой трудоемкости подобных работ. Измерения, проводимые сиспользованием современных геодезических комплексов показали свою высокуюэффективность для решения задач геомеханики, благодаря чему стали возможными нетолько дискретные измерения, но и регулярный мониторинг деформаций инапряжений, происходящих в земной коре.
Список литературы
1. A.D.Sashourin, A.A.Panzhin, N.K.Kostrukova, O.M.KostrukovExperimental researches dynamics of displacements in faults zones //RockMechanics — a challenenge for society: Proceedings of the ISRM regionalSymposium EUROCK 2001, Espoo, Finland, 3-7 June 2001. Balkema.Rotterdam. Brookfield. 2001. -P.157-162.
2.Сашурин А.Д., Панжин А.А. Наведенные геомеханические процессы от масштабнойтехногенной деятельности по добыче полезных ископаемых. //Материалы XМежотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамическойбезопасности. -Екатеринбург, 1997. -С.155-158.
3.Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятияхс использованием GPS. //Известия Уральской государственной горно-геологическойакадемии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург, 2000. -С.196-203.
4.Панжин А.А. Результаты наблюдений за деформациями породных массивов методамиспутниковой геодезии //Сборник трудов международной конференции«Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». -Новосибирск: ИГДСО РАН, 2001.
5.Панжин А.А. Диагностика геомеханического состояния массивагорных пород геодезическими методами. Геология и геоэкология: исследованиямолодых, 2002 г. Том 2. Минералогия, кристаллография, полезные ископаемые игеофизика, петрофизика. //Материалы XIII молодежной конференции,посвященной памяти К.О. Кратца. Апатиты, 2002. -С.159-167.
6.Голубко Б.П., Панжин А.А. Маркшейдерские опорные и съемочныесети на карьерах: Учебное пособие //УГГГА. -Екатеринбург: УГГГА, 1999. -55с.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта geomech.da.ru