CC BY
88
Рис. 1. Схема наблюдательной станции для мониторинга напряженно-
ДёфОрмйрпВанпОгОтпСтОЯнйЯКОршупОвсКОгО^арЬер^^^^^^^^^^^^^^^^^
-------------------------------© А.Д. Сашурин, А.А. Панжин,
Ю.П. Коновалова, 2002
УДК 528: [622.271.333:624.131.537+622.83]
А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, Ю.П. Коновалова
GPS-ТЕХНОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ*
О
своение недр, разработка месторождений полезных ископаемых вызывают, как известно, большие преобразования геологической среды: от незначительных деформаций земной поверхности до серьезных подвижек и техногенных землетрясений. В области влияния горных работ зачастую оказываются жилые, промышленные объекты, разрушение которых может привести к тяжелым, а иногда и трагическим последствиям. Последствия техногенной деятельности проявляются не только в период эксплуатации горного предприятия, но и в период его ликвидации и даже позже. Так, например, провалы на земной поверхности могут образовываться спустя многие годы после прекращения функционирования горных выработок. К тому же деформационные процессы, вызванные разработкой месторождений полезных ископаемых, представляют серьезную опасность для ведения горных работ. Поэтому для безопасности и эффективности горного производства информация о тектонических напряжениях и движениях земной коры является важным и необходимым элементом. Основным источником получения такой информации являются маркшейдерско-геодезические наблюдения. Для изучения деформационных процессов на горных предприятиях с каждым годом возникает все большая необходимость в проведении достаточно частых, а в некоторых случаях и непрерывных измерений (мониторинга). Методы классической геодезии и маркшейдерии не позволяют проводить такие измерения и получать информацию о сдвижениях и де-
формациях земной поверхности над подрабатываемыми массивами с периодичностью, необходимой для предотвращения опасных геомеханиче-ских явлений. Разработанные к настоящему времени спутниковые геодезические технологии системы GPS дают возможность без особых трудностей проводить подобные измерения, так как обладают значительной производительностью и меньшими затратами на полевые работы и позволяют выявлять деформации земной поверхности на миллиметровом уровне точности. Кроме того, методы спутниковой геодезии являются, главным образом, единственными методами, позволяющими выявлять временные изменения горизонтальных деформаций в режиме мониторинга. Поэтому неудивительно, что спутниковые навигационные системы, миновав стадию научного применения, сегодня используются при решении все более широкого круга задач.
В институте горного дела Уральского отделения РАН накоплен значительный опыт многолетних наблюдений за смещениями и деформациями горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых традиционными геодезическими методами. А на протяжении последних четырех лет выполняются маркшейдерские наблюдения за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах, наблюдения за сдвижением горных пород при подземной разработке месторождений и за объектами, подлежащими охране от вредного влияния горных разработок, с применением комплексов спутниковой геодезии GPS. Используются одночастотные и двухчастотные приемники фирмы Trimble (4600 LS и 4000 SSE). На-
блюдения с периодом в полгода - год (в зависимости от поставленных задач) проводятся на многих горных предприятиях Урала и Сибири. Использование спутниковых технологий для выявления закономерностей деформаций земной поверхности рассмотрим на примере карьера Коршуновского ГОКа.
Исследования, которые направлены на обеспечение устойчивости бортов карьера Коршуновского ГОКа, институт горного дела проводит более 30 лет. Горно -геологические условия разработки Коршуновского месторождения с точки зрения устойчивости бортов и уступов карьера характеризуются как сложные. Начиная с 1975 г. и по сегодняшний день, т.е. уже на протяжении 25 лет из 35-летней работы карьера, горные работы сопровождаются оползневыми явлениями. Самым неблагополучным в смысле устойчивости является северный борт карьера, который характеризуется постоянно происходящими деформациями. Данный участок имеет важное значение для функционирования карьера, так как здесь проходят основные транспортные магистрали.
Как известно, массив горных пород под воздействием тектонических процессов претерпевает изменения, которые находят выражение в концентрации напряжений на некоторых участках и, таким образом, приобретает свойства, характеризующиеся первичным полем напряжений. Техногенное воздействие на массив приводит к дисбалансу сил, действующих в земной коре, и возникновению в массиве, в результате выемки больших масс горных пород, вторичного поля напряжений. В прибортовых массивах происходит постепенное перераспределение напряжений, и в результате разные участки бортов могут подвергнуться либо сжимающим, либо растягивающим напряжениям, следствием которых может явиться нарушение устойчивости откосов. Установление наиболее опасных участков бортов с точки зрения потери их устойчивости проводится путем определения смещения земной поверхности по всему периметру карьера и в выработанном пространстве. Для решения этой задачи в 1999 г. была соз-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ
Рис. 2. Горизонтальные деформации за 1999-2000 год (мм/м или 10-3)
дана наблюдательная станция для мониторинга за формированием вторичного поля напряжений вокруг карьера, где на протяжении трех лет комплексом спутниковой геодезии проводятся наблюдения, которые позволяют получить исходный материал для прогнозов развития деформаций во времени и разработки мер по их предупреждению.
Данная наблюдательная станция включает 11 пунктов опорной маркшейдерской сети (полигонометрия 1 разряда), расположенных вокруг карьера в области его влияния, которые являются ответственными за происходящие деформационные процессы. Минимальная длина стороны такой деформационной сети составляет 300 м, максимальная - 2,5 км. В качестве опорных пунктов деформационной сети при составлении проекта наблюдательной станции были выбраны пять пунктов триангуляции 2-4 классов, которые удалены от области влияния карьера на расстояния от 1 до 10 километров. Схема наблюдательной станции для мониторинга напряженно-деформированного состояния Коршуновского карьера представлена на рис. 1.
Обычно при наблюдениях за смещениями земной поверхности на большинстве горных предприятий положение рабочих пунктов мониторинговой сети определяется по отношению к опорным, которые располагают вне зоны деформаций. Поэтому на первом этапе производится переопределение координат опорных
пунктов с целью контроля постоянства их взаимного положения и отбраковки тех, которые изменили свое первоначальное положение. В ходе обследования запроектированных опорных пунктов на Коршуновском карьере три из пяти пунктов (Коршу-ниха, Рудная, Железный) оказались непригодными для спутниковых наблюдений, поскольку находятся в лесистой местности, где возникают существенные препятствия для прохождения спутникового сигнала. Поэтому в качестве опорных пунктов было ре-
шено использовать пункты триангуляции 4 класса Плоский и Горелый, находящиеся вне области техногенного воздействия. Эти пункты можно считать условно неподвижными. Естественными тектоническими движениями в данном случае можно пренебречь, поскольку деформации, вызванные деятельностью горного предприятия, выявление которых является целью работы, превосходят их. Следует отметить, что на ряде других горных предприятий, например на карьере Киембаев-ского ГОКа, делаются попытки вывести границы наблюдений за пределы
области влияния карьера. _____________
Такие наблюдения за смещениями геодезических пунктов позволят получить информацию о первоначальном поле напряжений и закономерностях формирования вторичного поля напряжений в области влияния карьера, что может вывести на прогноз нарушений устойчивости бортов карьеров.
При исследовании смещений и деформаций земной поверхности представляют интерес так называемые ретроспективные смещения геодезических пунктов. На наш взгляд, такие смещения, определяемые по разности между начальными координатами пунктов деформационной сети, полученными традиционными геодезическими методами 20-30 лет назад, и современными координатами, определяемыми методами спутниковой геодезии путем
строгой привязки к исходным пунктам государственной геодезической сети, не дают в большинстве случаев реальной картины деформационного процесса. Одной из главных причин является несоответствие точностных возможностей спутниковых измерений и качества существующих опорных сетей.
Для наблюдения за состоянием оползневых участков организованы две наблюдательные станции, расположенные на северном и южном бортах карьера. Реперы этих станций представляют собой металлическую
Рис. 3. Вертикальные деформации за 1999-2000 год (мм/м или 10-3)
Рис. 4. Горизонтальные деформации за 2000-2001 год (мм/м или 10-3) Рис. 5. Вертикальные деформации за 2000-2001 год (мм/м или 10-3)
трубу диаметром 100 мм, забетонированную в скважину на глубину до 2 м. К верхнему концу трубы приварена центрировочная пластина для автоматического центрирования прибора.
Пред началом полевых работ проводилось тщательное планирование времени спутниковых наблюдений с помощью программного модуля, который входит в состав фирменной программы GPSurvey. Все вектора измерялись в условиях, когда значение фактора PDOP находилось в пределах 4.
Для получения векторов мониторинговой деформационной сети комбинировались лучевой и непосредственный способ измерений. Измерения проводились в режиме быстрой статики с эпохой накопления 15 с. Длины сторон мониторинговой деформационной сети в данном случае не превышают 2,5 км, поэтому для того, чтобы набрать необходимое количество статистики измерений для благополучного разрешения неоднозначности (примерно 200%) при благо-
приятных условиях достаточно 10-15 минут. Для контроля это время увеличивается на 5-10 минут. Однако, при лучевом способе измерений критерии оценки точности определяемых координат недостаточно надежны. Одним из способов оценки точности является анализ замкнутых геометрических построений. Но, следует отметить, что практически нулевые невязки разностей координат между пунктами, на которых производились синхронные наблюдения, не обеспечивают достоверной оценки определяемых координат. Реальным контролем при лучевом способе являются независимые измерения на определяемом пункте от других опорных пунктов.
Определение координат реперов наблюдательных станций, предназначенных для наблюдения за оползневыми участками, производилось от пунктов деформационной сети. В последнее время для этих целей наряду с быстростатическим методом используется кинематический метод для увеличения производительности работ. При определенной методике ведения работ координаты реперов наблюдательных станций могут быть получены с точностью 2-3 мм, что подтверждается специальными экспериментальными исследованиями.
На следующем этапе работ после расчета векторов сеть свободно уравнивалась методом наименьших квадратов по программе фирмы-изготовителя. Средние квадратические ошибки положения пунктов по результатам свободного уравнивания в трех циклах измерений не превышали 4 мм.
Результаты полевых наблюдений были подвергнуты аналитической и
графической обработке согласно Инструкции... [1]. По результатам обработки трех серий измерений были получены распределения изолиний величин вертикального и горизонтального смещений и деформаций пунктов за периоды 1999-2000 и 2000-2001 гг. На основе анализа полученных результатов выявились аномальные участки деформирования бортов карьера. Так, например, за период 1999-2000 гг. высокоградиентная зона деформирования образуется на оползневом участке вблизи пунктов Любаша и ПАС-6 на северном борту карьера. Здесь уровень горизонтальных деформаций сжатия составляет 4-10-или 4 мм/м (рис. 2). Аналогичная картина получается из анализа вертикальных деформаций. Наклоны по всей территории карьера близки к нулю, но имеют высокий градиент на оползневом участке (рис. 3).
В период 2000-2001 гг. деформационная активность как по горизонтальным так и по вертикальным деформациям сместилась на участок пунктов Крутой - КРП-4 - Студент - рр2106, сохраняясь на северном оползневом борту (рис. 4 и 5).
При необходимости параметры смещений и деформаций могут быть преобразованы в параметры напряженного состояния. Это производится путем расчета с заданием деформационных характеристик среды принимаемой гео-механической модели.
Таким образом, подводя итог, следует отметить, что использование GPS-технологий для наблюдений за деформациями земной поверхности на горных предприятиях позволяет наряду с повышением точности и производительности измерений организовать регулярный мониторинг за развитием смещений и деформаций на территории, значительно превышающей область техногенного воздействия, получить полные тензоры деформаций по всей исследуемой территории, выделить природные и техногенные составляющие смещений, выявить высокоградиентные зоны деформирования, представляющие опасность для возникновения техногенных катастроф. Все это позволяет выйти на более высокий уровень познания геомеханиче-ских процессов, происходящих в верхней части земной коры.
«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 8
-------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их устойчивости. - Л.: ВНИМИ, 1971. - 187с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------------
Сашурин Анатолий Дмитриевич - доктор технических наук, заведующий лабораторией ИГД УрО РАН.
Панжин Андрей Алексеевич - научный сотрудник, ИГД УрО РАН.
Коновалова Юлия Павловна - аспирант, ИГД УрО РАН.
