Мониторинг деформаций земной поверхности методом спутниковой радарной интерферометрии на территории шахты имени Костенко Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 528.7

МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ СПУТНИКОВОЙ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ НА ТЕРРИТОРИИ ШАХТЫ ИМЕНИ КОСТЕНКО

Дмитрий Владимирович Мозер

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, (701)738-82-23, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru

Асем Сериккызы Туякбай

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистр технических наук, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (771)129-03-37, e-mail: assem_jan@mail.ru

Надежда Ивановна Гей

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (702)691-71-26, e-mail: nadya11-06@mail.ru

Айнур Дюсембаевна Каранеева

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (700)998-01-88, e-mail: aijarkyn83@inbox.ru

Айгерим Рахмановна Естаева

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, инженер кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (705)334-48-66, e-mail: estaeva_a@mail.ru

В статье приводится результаты мониторинга подработанных территорий Карагандинского угольного бассейна. Мониторинг проводился с использованием спутниковых радарных данных COSMO-SkyMed, Италия. Обработка космических снимков производилась по методике Sbas в программном комплексе ENVI. В результате обработки получены очаги оседаний земной поверхности, которые находятся в непосредственной близости от жилых объектов, по которым также проходят линии электропередач и автомобильная трасса республиканского значения.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, интерферограмма, мониторинг, спутниковая радарная интерферометрия, мульда оседания.

MONITORING OF DEFORMATIONS OF THE EARTH SURFACE BY METHOD OF THE SATELLITE RADAR INTERFEROMETRY IN THE AREA OF KOSTENKO MINE

Dmitri V. Mozer

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, Candidate of technical sciences, senior teacher of the department «Mine survey and geodesy», tel. (7212)56-26-27, (701)738-82-23, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru

Assem S. Tuyakbay

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, master of technical sciences, senior teacher of the department «Mine survey and geodesy», tel. (771)129-03-37, e-mail: assem_jan@mail.ru

Nadezhda I. Gey

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, master student of the department «Mine survey and geodesy», tel. (702)691-71-26, e-mail: na-dya11-06@mail.ru

Ainur D. Karaneyeva

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, master student of the department «Mine survey and geodesy», tel. (700)998-01-88, e-mail: aijarkyn83@inbox.ru

Ajgerim R. Estajeva

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, engineer of the department «Mine survey and geodesy», tel. (705)334-48-66, e-mail: estaeva_a@mail.ru.

The article presents the results of monitoring of the undermined territories of Karaganda coal basin. Monitoring was conducted using of radar space pictures from the COSMO-SkyMed satellite, Italy. Processing of space pictures was made by the Sbas technique in the ENVI program. As a result of processing the centers of deformations of the earth surface are received. They are in close proximity to inhabited objects on which also there pass power lines and the automobile roads of national importance.

Key words: remote sensing of Earth, interferogram, monitoring, satellite radar interferome-try, basin subsidence.

Выявление процесса сдвижения земли и предотвращение угрозы обрушения возможно при проведении масштабного мониторинга. Для оперативного мониторинга значительных площадей подработанной горными выработками дневной поверхности, необходимо определить метод позволяющий осуществить его в реальном времени и с высокой точностью.

На протяжении нескольких лет в Караганде постоянно происходят чрезвычайные ситуации: обрушение здания в микрорайоне Бесоба, прорыв плотины в селе Кокпекты, землетрясения амплитудой 4,8, на местных промышленных железнодорожных путях сходят железнодорожные составы. Для оперативного мониторинга подработанной горными выработками земной поверхности нами предложен метод спутникового радарного мониторинга.

В настоящей статье рассматриваются вопросы космического радарного ин-терферометрического мониторинга деформаций земной поверхности на территории Карагандинского угольного бассейна.

Обработка 22 радарных космических снимков со спутника COSMO-SkyMed (Италия) за период с апреля по начало ноябрь 2014 года производилась в программном комплексе ENVI модуль SarScape Interferometric Stacking по технологии SBas.

Поскольку к смещениям земной поверхности наиболее чувствительны ин-терферометрические пары, характеризующиеся малыми перпендикулярными компонентами базовых линий, отбираем именно их для дальнейшей обработки. Для отбора пар и дальнейшей обработки был установлен порог базовых линий -до 30% от критической базовой. Кроме того, чтобы избежать выбора пар с сильной временной декорреляцией, было установлено максимальное значение временной базы в 45 суток (рис. 1).

Рис. 1: а) определение базовых линии снимков относительно друг друга; б) определение пространственного положения снимков относительно друг друга

Обработка каждой пары ведется в полуавтоматическом режиме с выполнением нижеуказанных четырех шагов:

1. Автоматическая корегистрация, расчет интерферограммы, синтез фазы рельефа, вычитание фазы рельефа из интерферограммы, фильтрация дифференциальной интерферограммы, расчет когерентности, развертка фазы;

2. Набор точек с известными координатами и высотами для коррекции орбитальных параметров;

3. Расчет скорректированных дифференциальных интерферограмм и развернутых фаз;

4. Инверсия полученных перекрестных во времени развернутых фаз по методике SBas с восстановлением последовательной во времени истории смещений. При этом в итоге также восстанавливается хронология смещений от первого снимка цепочки до последнего.

После анализа дифференциальной интерферограммы, полученной в ходе обработки, были выявлены участки, на которых образовались мульды оседания. Данные мульды оседаний земной поверхности расположены в районах добычи угля шахт имени И. А. Костенко, имени Т.Кузембаева, «Абайская» и «Саранская».

Наибольшие оседания сформировались вблизи территории шахты имени И. А. Костенко - крупнейшем угледобывающем предприятии угольного департамента компании АО «АрселорМиттал Темиртау».

За годы работы в составе УД АО «АрселорМиттал Темиртау» шахтой им. Костенко добыто 16,5 млн тонн угля, пройдено более 47 км горных выработок. Наиболее мощные угольные пласты - К10, К12. средняя подсвита расположена от почвы пласта К6 до почвы пласта К15. мощность подсвиты 320-325 метров.

По состоянию на 2014 год велись работы по пластам К2, К3, К10. Мощность вынимаемого пласта К1 составляет 3,8 м. Средняя абсолютная отметка пласта равна -81м.

На рис. 2 отчетливо видно образование мульд оседаний, увеличивающихся во времени. _

■ : - -

-'••V-k* i Л1 ■

f X

■ •* . ~ g©;' йЙЙ 1 ь pgг■ ;JL./

< / ¿шШ ■УJ-. mt .„ .. • '•:< 'у.

шшяшшш инмнННЯВИИНШ

H .4

ян щШ J1 ; . гл(-,х„

•

Щш

M ' ' '

R N ¿ЩЛ г'- ■■

Г* %

; :

Ж" '

■

I I

. . -у:

■ I

Рис. 2. Дифференциальные интерферограммы оседаний земной поверхности

в районе шахты имени Костенко

Для дальнейшего проведения исследований в ноябре 2014 года были закуплены 6 космических снимков за март и ноябрь 2014 года со спутника COSMO-SkyMed. Аналогичная обработка производилась со всеми парами 28 серий снимков.

Для визуализации и сравнения смещений земной поверхности за период исследования в программном комплексе ENVI были построены изолинии по 22 и 28 космическим снимкам (рис. 3).

Рис. 3. Мульды оседаний, полученные в программном комплексе ENVI: а) по 22 сериям снимков; б) по 28 сериям снимков

Анализ результатов мониторинга смещений земной поверхности по 28 сериям снимков (рис. 3, б) показал образование мульд оседаний, ускоряющихся во времени.

По результатам обработки возможно построение временных рядов оседаний одной и той же точки. Для сравнения были построены графики оседаний земной поверхности по точке его максимального оседания по 22 и 28 парам снимков (рис. 4). Так из графиков построенных по результатам обработки на шахте имени Костенко видно, что оседание в период с апреля по начало ноября составляет 130мм (рис. 4,а), а с марта по конец ноября, результаты показали оседания равные 380мм (рис. 4,б).

а)

60 Time Series ¡Plot

_ i i i i i i i i i i i i i i i _

Но - - • . -E

! -50 j-

-100 m " ... I ... 1 ... 1 ... "

pr-14 1-Jun-14 22-JUI-14 11-Sep-14 1-NOV-14

б)

Рис. 4. Максимальная величина оседания земной поверхности в районе ведения работ на шахте имени Костенко: а) по 15 сериям снимков; б) по 22 сериям снимков

Обработанные интерферограммы по 15 снимка показали максимальное оседание 150 мм, что не соответствовало проводимым геотехническим расчетам за определенным период времени. Обработка по 22 снимкам велась в с изменением временного базиса при обработке интерферометрическихпар. Результаты показали, что оседаний за отечный период равно 400 мм, Данные результаты оседаний хорошо коррелируют с результатами геотехнических расчетов. Увеличение мульд оседаний на территории шахты в дальнейшем может привести к разрушению автомобильного покрытия, а также к разрушению линии электропередач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кантемиров Ю.И. Краткие теоретические основы радарной интерферометрии и ее многопроходных вариаций Ps и SBas // Журнал Геоматика. - 2012. - № 1. - С. 22-26.

2. Кантемиров Ю.И. Обзор возможностей новой версии SARscape 4.4 //Журнал Геоматика. - 2012. - № 1. - С. 44-45.

3. Ожигин С.Г., Низаметдинов Ф.К., Ожигина С.Б., Ожигин Д.С., Инновационные методы мониторинга состояния устойчивости горных пород и земной поверхности, Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 1. № 1. С. 135-140.

4. Низаметдинов Ф. К., Мозер Д. В., Гей Н. И., Туякбай А. С., Каранеева А. Д. Спутниковый радарный интерферометрический мониторинг подработанных территорий Карагандинского угольного бассейна, Журнал «Геоматика» №4, 2014г.

5. Панжин А.А. Результаты наблюдений за деформациями породных массивов методами спутниковой геодезии // Сборник трудов международной конференции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли". - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001.

6. Busch, W., Hebel H.-P., Schaefer, M., Walter, D. and A. Baryakh. Control of underworked areas subsidence using the radar Interferometry methods. In: Mine Surveying and Subsurface Use, No 2 (40), March-April 2009, pp. 52-57

7. Kashnikov Y.A., Musikhin V.V., Lyskov I.A. Radar interferometry - based determination of ground surface subsidence under mineral mining// Journal of Mining Science, Издательство: Springer New York Consultants Bureau. - 2012. Том: 48, №4, - С. 649-655.

©Д. В. Мозер, А. С. Туякбай, Н. И. Гей, А. Д. Каранеева, А. Р. Естаева, 2015