Исследование геодинамических процессов с применением GPS-технологий (стр. 1 из 3)

Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник, Коновалова Юлия Павловна, аспирант , Институт горного дела УрО РАН

В данной публикации обобщен опыт использования методов спутниковой геодезии для мониторинга 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 массива горных пород, и показаны пути их решения. Отмечена высокая эффективность использования современных геодезических комплексов для решения задач геомеханики и геодинамики.

В последние годы все более актуальными становятся исследования геодинамических процессов, проистекающих в верхней части земной коры и имеющих как естественную, так и техногенную природу. Интерес к исследованиям современных движений и деформаций во многом обусловлен тем, что безопасное ведение человеком хозяйственно-экономической деятельности в массиве горных пород и земной поверхности, возможно только при получении целостной картины о происходящих в недрах Земли и на ее поверхности процессах. Эти сложные многофакторные процессы имеют как естественную, так и техногенную природу, причем в последнее время все большее значение приобретает техногенный фактор, который приводит к негативным изменениям геодинамической и экологической обстановки. Если естественные геодинамические процессы проявляются в основном в виде медленных трендовых подвижек по границам структурных блоков, которые происходят на фоне короткопериодных знакопеременных колебаний массива, прилегающего к ним [1], то техногенные, или наведенные геодинамические процессы, [2] вызваны масштабной деятельностью человека по добыче и переработке полезных ископаемых и изменению окружающей природной среды. Каждая из форм проявления геодинамических процессов способна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в том числе экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции, гидротехнические сооружения, магистральные продуктопроводы, химические предприятия.

Изучение современных движений и деформаций, происходящих в массиве требует проведения в мониторинговом режиме высокоточных геодезических измерений смещений реперов специально оборудованных наблюдательных станций - геодинамических полигонов. Жесткие требования к проведению подобного рода геодезических работ - обширные территории, охватываемые измерениями, высокий уровень точности определения величин сдвижений и деформаций, короткие периоды между сериями инструментальных измерений, все это предопределяет необходимость использования при проведении исследований современного высокоточного и производительного геодезического оборудования.

В институте горного дела УрО РАН на протяжении уже нескольких десятилетий исследуются вопросы, связанные с изучением смещений и деформаций горных пород, как естественной природы, так и возникающих при открытой и подземной разработке полезных ископаемых. В последние несколько лет наряду с традиционными геодезическими наблюдениями используются методы спутниковой геодезии. Комбинирование традиционных наземных и спутниковых измерений позволяет достаточно успешно решать поставленные задачи. Спутниковые технологии благодаря своей высокой производительности позволили с высокой периодичностью получать информацию о деформациях земной поверхности на базах от первых метров до нескольких десятков километров, что было затруднительным при использовании традиционных методик измерений и, что очень важно, для обеспечения безопасности и эффективности горного производства. Для проведения спутниковых геодезических измерений используется большой парк одно- и двухчастотной аппаратуры, состоящий из 12 GPS-приемников геодезического класса фирм "Trimble" и "Sokkia". С 1996 года и по сегодняшний день институт проводит геодезический мониторинг смещений и деформаций земной поверхности с использованием GPS-технологий более чем на десяти месторождениях Урала, Сибири, Казахстана.

Определения величин смещений и деформаций производятся путем многократных переопределений координат реперов и геометрических элементов - длин и превышений специально оборудуемых наблюдательных станций [3]. Тип, конструкция, размеры и плотность реперов наблюдательной станции выбираются в зависимости от горно-геологических условий исследуемых объектов и поставленных задач фундаментальных и прикладных исследований. Репера наблюдательных станций закладываются согласно соответствующим инструктивным материалам как в области влияния горных разработок, размеры которых достигают первых километров, так и далеко за ее пределами, где репера меньше всего подвержены влиянию техногенных деформационных процессов, в результате чего становится возможным суммарное поле деформаций разложить на поля естественных и техногенных деформаций. Количество пунктов деформационной геодезической сети во многом зависит от площади исследуемой территории, которая, в свою очередь, определяется мощностью месторождения, объемами перемещаемой горной массы и взаимным расположением техногенных объектов. Плотность сети наблюдательных пунктов во многом определяется размерами техногенных объектов, удалением от них, параметрами охраняемых сооружений, попадающих в область влияния горных разработок, тектоникой месторождения и определяется индивидуально в каждом конкретном случае [4]. Как правило, в качестве реперов наблюдательной станции используются уже существующие пункты геодезических сетей - государственной геодезической сети (ГГС) и опорных маркшейдерско-геодезических сетей горного предприятия. Для увеличения плотности сети используются отдельные репера существующих профильных линий, заложенных для изучения процесса сдвижения традиционными геодезическими методами, а также репера, специально закладываемые на разных этапах мониторинговых измерений для уточнения параметров развития процесса сдвижения на отдельных участках. В результате, полученную деформационная сеть горного предприятия можно охарактеризовать как многоуровенную, иерархически подчиненную. Примером такой сети может служить деформационная сеть шахты "Сарановская-Рудная", мониторинг состояния которой комплексами спутниковой геодезии производится с 1996 года по сегодняшний день, упрощенная схема которой приведена на рис. 1. Современная наблюдательная станция состоит из более чем 150 реперов, по которым ежегодно производятся спутниковые геодезические измерения с периодичностью до 4 раз в год.

Таким образом, при исследовании геодинамических процессов с применением GPS-технологий, в основном используются два пространственно-временных режима - разовое переопределение исходных координат пунктов ГГС и опорных геодезических сетей, и измерение величин смещений и деформаций в мониторинговом режиме. Наиболее часто при выполнении продолжительных исследований находит применение комбинированный режим, когда при выполнении нулевого цикла работ переопределяются исходные координаты реперов наблюдательной станции, а при выполнении последующих циклов измерений определяются смещения и деформации, произошедшие за определенный период времени [5].

Поскольку исходные координаты пунктов ГГС и опорных сетей предприятия определялись еще до начала разработки месторождения полезных ископаемых, или на первых этапах его освоения, то в результате разового переопределения координат реперов определяются величины деформаций массива горных пород, произошедшие за достаточно продолжительные интервалы времени - как правило, десятки лет. Однако в этом случае приходится сталкиваться с достаточно трудноразрешимыми вопросами отделения реальных смещений пунктов сети, вызванных деформациями земной поверхности, от остаточного влияния источников ошибок, поскольку точность методов спутниковой геодезии в 3-5 раз выше, чем точность традиционных геодезических методов. Данная задача, в зависимости от конфигурации исходных геодезических сетей, условий проведения измерений и полноты исходного материала прежних лет, может быть достаточно корректно решена с применением специально разработанных авторских методик, в основе которых лежат различные точки зрения на процедуру анализа взаимного положения пунктов геодезической сети. Также достаточно сложной, а зачастую неразрешимой задачей является переопределение высотных отметок пунктов сети, поскольку при производстве работ методами спутниковой геодезии определяются высоты и превышения пунктов над эллипсоидом, а не над геоидом, как это принято в традиционной геодезии. В случае, когда геодезические работы производятся на местности со спокойным рельефом, данная задача корректно решается при использовании стандартных моделей геоида, таких как EGM96. Однако для гористой местности с большими перепадами высот, местности с локальными аномалиями гравитационного поля, вызванного наличием в недрах больших объемов полезного ископаемого с высоким удельным весом, такое решение неприемлемо, и на сегодняшний день задача не имеет корректного решения, хотя уже имеются первые наработки по моделированию поверхности геоида на основе анализа DEM (Digital Elevation Model).

Рис. 1. Упрощенная (каркасная) схема деформационной сети шахты "Сарановская-Рудная"

Еще одной проблемой, с решением которой приходится сталкиваться как при разовых переопределениях координат деформационных сетей, как и при производстве измерений в мониторинговом режиме, является проблема выбора из всех пунктов сети тех, положение которых остается стабильным достаточно продолжительное время. Наличие таких пунктов в сети необходимо, когда ставится задача определить пространственные вектора смещений; в этом случае производится строгое уравнивание сети с наложением определенных условий - фиксацией плановых координат и высот опорных пунктов сети. Однако, как показывает практика, это не всегда возможно сделать, поскольку ГГС и опорные сети предприятий также подвержены деформированию, и поэтому, с одной стороны, использовать исходные данные следует крайне осторожно, а с другой стороны, фиксация координат части пунктов сможет значительно исказить уравниваемую сеть, что приведет к получению некорректного результата. Для того, чтобы этого избежать, переопределяются не координаты пунктов сети, а фиксируются изменения пространственных геометрических связей между пунктами сети, которые можно измерить непосредственно. Этого, как правило, вполне достаточно для построения суммарного деформационного поля и изучения основных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива на исследуемой территории. В дальнейшем, при анализе величин деформаций, из всех пунктов сети выделяются пункты, которые от цикла к циклу не изменяют своего взаимного положения, и которые могут быть использованы в качестве опорных, в результате чего постепенно, от серии к серии мониторинговых наблюдений, картина динамики смещений и деформаций будет уточняться.