CC BY
86
© А.А. Панжин, Н.А. Панжина, 2007
УДК 622.83:[528.2:629.78]
А.А. Панжин, Н.А. Панжина
МОНИТОРИНГ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ И УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ*
Семинар № 11
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 хозяйственноэкономической деятельности в массиве горных пород и земной поверхности возможно только при получении целостной картины о происходящих в недрах Земли 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 геоди-намические 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
*Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента РФ.
десятилетий исследуются вопросы, связанные с изучением смешений и деформаций горных пород, как естественной природы, так и возникаю-ших при открытой и подземной разработке полезных ископаемых. В последние несколько лет наряду с традиционными геодезическими наблюдениями используются методы спутниковой геодезии. Комбинирование традиционных 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.
Для проведения спутниковых геодезических измерений используется большой парк одно- и двухчастотной аппаратуры, состояший из 12 GPS-приемников геодезического класса фирм «Trimble» и «Sokkia». С 1996 года и по сегодняшний день институт проводит геодезический мониторинг смешений и деформаций земной поверхности с использованием GPS-технологий более чем на десяти месторождениях Урала, Сибири, Казахстана, а также мониторинг смешений и деформаций, происходяших на урбанизированных территориях крупных городов Свердловской области -Екатеринбурга и Нижнего Тагила.
Определения величин смешений и деформаций производятся путем многократных переопределений координат реперов и геометрических элементов геодезических сетей - 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. На урбанизированных территориях наблюдательные пункты располагаются в зависимости от структурно-геологического строения горного массива. Количество пунктов деформационной геодезической сети во многом зависит от площади исследуемой территории, которая, в свою очередь, определяется наличием тектонических нарушений, 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]. Для урбанизированных территорий размеры наблюдательной сети сопоставимы с размерами территории, на которой ведется мониторинг изменений деформационного поля. Как правило, в качестве реперов наблюдательной станции используются уже существующие пункты геодезических сетей -государственной геодезической сети (ГГС) и опорных маркшейдерско-геодезических сетей горного пред-
приятия. Для увеличения плотности сети используются отдельные репера существующих профильных линий, заложенных для изучения процесса сдвижения традиционными геодезии-ческими 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 (рис. 1). Современная наблюда-
Рис. 1. Упрошенная (каркасная) схема деформационной сети шахты «Сара-новская-Рудная»
тельная станция состоит из более чем 150 реперов, по которым ежегодно производятся спутниковые геодезические измерения с периодичностью до 4 раз в год. Деформационная же сеть урбанизированной территории, наоборот, является одноуровенной, равномерно распределенной по всей исследуемой городской территории, либо по территории одного из городских районов. Примером подобной сети может служить деформационная сеть города Екатеринбурга (рис. 2), по результатам измерения по которой изучается состояние горного массива, подстилающего урбанизированную территорию города, активность разломных зон, разделяющих этот массив на структурные блоки и геодинамиче-ские подвижки по границам структурных блоков. Наблюдения по данной станции проводятся ежегодно, начиная с 2004 года по программе «Исследование взаимосвязи современной геодинамики с геоэкологическим риском аварийности объектов инфраструктуры и заболеваемости населения на урбанизированных территориях», финансируемой совместно РФФИ и Правительством Свердловской области.
Таким образом, при исследовании геодинамических процессов с применением вРБ-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 продолжи-
Рис. 2. Деформационная сеть урбанизированной территории г. Екатеринбург и геологическая структура подстилающего массива
тельные 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 БвМ96. 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.
Еще одной проблемой, с 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 горных предприятий и урбанизированных территорий также подвержены деформированию. 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 практически 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 [6].
Для успешного применения комплексов спутниковой геодезии при изучении процесса деформирования породного массива большое значение имеет организация и планирование полевых работ, особое внимание уделяется конструкции реперов наблюдательной станции. Как уже отмечалось выше, исследование деформаций породного массива в мониторинговом режиме, подразумевает многократное, от цикла к циклу, выполнение точных геодезических измерений на одних и тех же пунктах сети, по одной программе работ с дальнейшим анализом изменений геометрических взаимосвязей между реперами. Из этого вытекает важная особенность геодинамических полигонов: возможность детального изучения условий проведения наблюдений на каждом пункте сети и использование их при планировании времени и периода проведения измерений, специальная подготовка отдельных пунктов сети с целью устранения причин затрудненного или некачественного приема спутникового радиосигнала. Поскольку одним из самых главных требований производства высокоточных геодезических работ с применением вРБ-оборудования является хорошая радиовидимость на всех определяемых пунктах, которая обеспечивается следующими факторами: низким зна-
чением коэффициента PDOP, высоким соотношением «сигнал/шум», качеством радиосигнала и отсутствием потери целых циклов при приеме радиосигнала [7], необходимо учитывать эти факторы заранее. Некоторые факторы, определяющие качество выполнения наблюдений, можно спрогнозировать заранее, путем использования специального программного обеспечения. Распределение количества видимых спутников и изменение коэффициента PDOP во времени определяется заблаговременно по имеющимся эфемеридам спутников, а поскольку известны условия наблюдений на каждом пункте сети, составляются индивидуальные картограммы препятствий прохождения спутникового радиосигнала, с использованием которых достигается высокий уровень планируемых и фактических условий наблюдения на конкретном пункте. В результате планирования определяются промежутки времени благоприятные и неблагоприятные для производства наблюдений. Как показывает практика, благоприятными для производства измерений являются промежутки времени, когда обеспечивается прием спутникового радиосигнала от 7-8 и более спутников при коэффициенте PDOP меньшем 4. При таких условиях возможно производить измерения на субсантиметровом уровне точности.
Как отмечалось выше, для определения современных геометрических параметров сети наблюдательных станций используется комплекс спутниковой геодезии GPS, состоящий из 12 приемников геодезического класса. При условии одновременной работы 2 и более GPS-приемников по результатам разности фаз спутникового радиосигнала возможно определение с миллиметровой точностью компонент вектора между двумя и
более реперами наблюдательной станции. Жесткое требование условия одновременной работы 2 и более приемников спутникового радиосигнала в технологиях дифференциальной GPS обусловлено необходимостью исключения из результатов обработки погрешностей, вызванных влиянием ионосферы и тропосферы Земли. Под вектором в данном случае подразумевается результат обработки GPS-данных, представляющий собой линию с известными геоцентрическими компонентами ДХ, ДУ, AZ между двумя точками, находящимися на земной поверхности, относительно центра Земли в математическом эллипсоиде WGS-84. В нашем случае, при одновременной работе большого количества GPS-приемников, при проведении полевых измерений образуется достаточное количество замкнутых геометрических построений, анализ которых позволяет оценить качество проведенных геодезических измерений. Определение векторов производится в статическом и быстростатическом режиме. Как показывают исследования Federal Geodetic Control Subcommitettee (FGCS) и обширная практика выполнения практических работ, при выполнении геодезических работ на базисах менее 20 км для достижения точности измерения, равной ±3 мм + 0.01 ppm, достаточно произвести накопление данных на пункте в течение 13-20 минут. Продление времени сеанса наблюдений до 30-60 минут позволяет получить избыточные данные, которые в дальнейшем используются при анализе точности геодезических построений. Поскольку реальным контролем точности геодезических построений являются независимые измерения на определяемых пунктах, то программа полевых измерений, как правило, предполагает проведение повторных
измерений на ряде, реже на всех, пунктах сети.
Камеральная обработка результатов измерений логически разбивается на два этапа - постобработка и уравнивание геодезической сети. На этапе постобработки вычисляются вектора -базовые линии между наблюдательными пунктами сети. Вычисление векторов производится с использованием прецизионных спутниковых эфемерид, что позволяет в ряде случаев значительно повысить точность и надежность определения геометрических параметров сети. Наличие избыточных измерений позволяет получить несколько вариантов обработки одного и того же вектора сети, благодаря чему повышается качество обработки. Контролем качества камеральных работ на данном этапе является ряд внутренних контрольных параметров вычисления векторов, дублирующиеся определения векторов и контроль невязок замкнутых геометрических построений. При вычислении векторов авторами использовалось различное лицензионное программное обеспечение - GPSurvey, TGOffice и TTC фирмы «Trimble Navigation», Bernese и Gamit, использующееся при обработке результатов глобальных деформационных сетей, однако существенных различий в результатах обработки выявлено не было. Совокупность нескольких вычисленных векторов представляет собой пространственную GPS-сеть на поверхности математического эллипсоида. В зависимости от поставленных задач эта сеть может быть уравнена различными способами и в различных системах координат. В случае, если наблюдательная станция состоит из вновь заложенных реперов, первоначальные координаты которых неизвестны, производится свободное уравнивание сети, в условной системе ко-
ординат, в результате чего определяются уравненные значения длин линий и превышений между пунктами сети, изменение которых во времени определяет деформирование исследуемой территории. В случае использование в качестве части реперов наблюдательной станции пунктов ГГС и опорных сетей предприятия задача усложняется, однако, как это отмечалось выше, корректное ее решение достигается с использованием пакета авторских методик.
В результате проведенных инструментальных геодезических измерений на исследуемом участке массива и камеральной обработке полевого материала становятся доступны данные о современном состоянии земной поверхности, координатах реперов наблюдательной станции на момент проведения съемки и деформировании земной поверхности в интервалах между реперами. По изменению пространственных координат реперов наблюдательной станции вычисляются полные вектора сдвижения точек земной поверхности в зоне техногенного влияния горных разработок или на урбанизированной территории. По величине и направлению действия векторов смещения реперов определяются скорости сдвижения массива горных пород. Путем специального анализа векторной картина поля сдвижений делаются первоначальные выводы о наличие на исследуемом участке структурных нарушений и их активности, поскольку деформации породного массива реализуются именно по этим ослаблениям. Сопоставление современной картины распределения полных векторов смещений с картинами, полученными во время предыдущих серий измерений, позволяет также делать экстраполяцию фактических данных о процессе сдвижения и давать предварительные прогнозы о развитии процесса.
По изменению расстояний между реперами наблюдательной станции и превышений между ними определяются параметры пространственного поля вертикальных и горизонтальных деформаций, а также скорости их приращения. Путем специального анализа полученной картины распределения деформаций по исследуемому участку выявляются основные закономерности процесса сдвижения массива горных пород, выделяются участки с аномальными значениями поля деформаций, на которых в дальнейшем сгущается сеть наблюдательной станции, делаются прогнозные оценки о развитии деформационной обстановки на различные промежутки времени. По изменению во времени основных компонент поля пространственных деформаций вычисляются приращения тензоров поля естественных и техногенных напряжений. Путем специального анализа суммарные тензора приращения напряжений раскладываются на тензоры поля естественных и техногенных напряжений. Путем соответствующей группировки параметров тензоров напряжений в массиве выделяются основные блочные массивы и уточняются границы между ними. При совместном анализе полей напряжений и деформаций, полученных путем мониторинговых измерений в различные периоды времени, создается целостная картина закономерностей формирования вторичного напряженно-деформированного состояния исследуемого массива. Это позволяет, с одной стороны, получить принципиально новые фундаментальные знания о природе как естественных, так и наведенных техногенных деформационных процессов, происходящих в массиве, а с другой стороны, обоснованно решать различные прикладные задачи по безопасной эксплуатации
месторождений полезных ископаемых и объектов инфраструктуры, попадающих в зону влияния горных разработок [8].
Полученные в результате проведения экспериментальных работ данные о современном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород и закономерностях его изменения во времени дают новые фундаментальные знания о природе естественных деформационных процессов, протекающих в верхней части земной коры, и влиянии на формирование напряженного состояния массива масштабной техногенной деятельности при разработке месторождений полезных ископаемых. С другой стороны, полученные данные также служат для прогноза развития процесса сдвижения и принятия целого комплекса технических решений по безопасной и эффективной разработке месторождений. К таким решениям относятся вопросы охраны и безопасной эксплуатации объектов, попадающих в область вредного влияния горных разработок, когда необходимо произвести полную выемку полезного ископаемого и сохранить объекты, находящиеся над рудными залежами; управления процессом сдвижения горных пород, когда специальным порядком отработки камер процесс сдвижения направляется в нужное направление и ликвидируются в массиве зоны концентрации напряжений, которые могут служить источником повышенной геомехани-ческой опасности. Данные о фактическом состоянии массива горных пород используются при проектировании мест заложения горных выработок, параметров очистных выемок, выбора оптимальной системы разработки месторождения, а также при проектировании мероприятий по изменению гидрогеологического режи-
ма участка массива. В результате проведения геодезических измерений в мониторинговом режиме всегда доступна информация о современном состоянии маркшейдеско-геодезичес-ких сетей как горного предприятия, так и городской территории, что положительно сказывается на качестве маркшейдерского и геодезического обслуживания. Таким образом, вышеописанный комплекс мероприятий по диагностике и мониторингу напряженно-деформированного состояния массива горных пород современными геодезическими методами позволяет получить и в дальнейшем уточнить как модельные, так и фактические точные данные о геомеханическом состоянии горного массива в зоне техногенного влияния масштабных горных работ на любой промежуток времени разработки месторождения.
В качестве примера комплексного изучения параметров деформационного поля, обусловленного суммарным воздействием естественных природных факторов, и мощным техногенным воздействием масштабной техногенной добычи полезных ископаемых, может служить специальная наблюдательная станция, заложенная на территории г. Нижний Тагил. Нижне-Т агильская градопромышленная агломерация является уникальной в том, что в городе с 400 тысячным населением наблюдается обострение геодинамической обстановки, обусловленной как сильной тектонической нарушенностью района, отнесенного к зоне земной коры с 6-7 балльными землетрясениями, так и техногенным воздействием от значительного объема горных работ на Высокогорском, Лебяжинском, Естю-нинском, Гальяновском и других месторождениях. В настоящее время энергия геодинамических событий достигает 1010 Дж и ожидается до 1012 - 1013 Дж. Наиболее энергети-
чески мощными геодинамическими событиями в зоне техногенного воздействия считаются горно-тектонические удары и техногенные землетрясения, которые накладываются на природную геодинамическую активность разрывных тектонических нарушений, определяющих геологическое строение района. Все крупные разломы района - Тимано-Кокчетавская раз-ломная зона, разломы Туринский, Главный и Средний являются долгоживущими, глубокого заложения (рис. 3).
В Тагильском железорудном районе горные работы ведутся уже 270 лет. За это время на западной окраине г. Нижний Тагил вынуто карьерами и шахтами 221 млн м3 и перемещено в отвалы и хвостохранилища 93 млн м3 горной массы. В дополнение к этому, предстоит вынуть на Высокогорском месторождении (шх. Магнетитовая) до 50 млн т (12 млн м3) и на Естюнинском месторождении (шх. Ес-тюнинская) до 274 млн т (72 млн м3) магнетита, а на Гальяновском месторождении 50 млн м3 известняков. Крупные по масштабам горные работы ожидаются на шахте Естюнинская, где массив горных пород будет нарушен очистными работами до глубины 1000 м и в длину до 4000 м с возможным вскрытием крыла Тимано-Кокчетавской тектонической зоны.
На указанных месторождениях выемка рудных тел сопровождается активизацией геодинамических событий, которая накладывается на естественную активность тектонических нарушений, определяющих строение месторождений. Потеря устойчивости по плоскостям крупных нарушений происходит на локальных участках, однако после подвижки и разгрузки одного локального участка, нагрузки концентрируются на соседних участках, вызывая через некоторое время нарушение устойчивости на этих участках. Размеры новой области потери
устойчивости и амплитуды подвижки с каждым разом увеличиваются по мере расширения областей нарушенного равновесия и выходят за пределы горных работ. Зафиксированные случаи подвижек, в том числе и в динамической форме, по тектоническим нарушениям на Высокогорском месторождении и постоянные толчки в районе Естюнинского месторождения служат серьезными предвестниками грозящей беды, и до недавнего времени серьезно не исследовались.
Наиболее изученным тектоническим нарушением является крутопадающий сбросо-сдвиг «Главный», который пересекает Высокогорское и Лебяжинское месторождения. Кроме этого он пересекает по ряду горизонтов подземные выработки шахты «Магнетитовая» Высокогорского месторождения. Подвижки по разлому «Главный» и оперяющему его разлому «Средний» фиксируются на ряде интервалов поверхностной наблюдательной станции, заложенной в мульде сдвижения. Величины вертикальных и горизонтальных деформаций интервалов профильных линий (13-10-3), пересекающих эти тектонические нарушения, значительно выше фоновых деформаций, фиксируемых
Рис. 3. План техногенных объектов, тектонических нарушений и наблюдательной станции г.Нижний Тагил: 1 - Высокогорское месторождение: 2 - Лебяжинский рудник; 3 - Тимано-
Кокчетавская тектоническая зона; 4 - Турьинский разлом; 5 -Главный разлом
во внутриблоковых частях массива. Характер деформирования массива, непосредственно примыкающего к разломной зоне достаточно сложный, в графиках распределения деформаций во времени наблюдаются как трендовая, так и циклическая составляющая. Повышенные уровни деформаций также зафиксированы по результатам измерений на подземных наблюдательных станциях, расположенных на рабочих горизонтах шахты «Магнетитовая», в местах пересечения горными выработками разломов «Главный» и «Средний». Также гео-динамическая активность тектонических нарушений фиксируется в ходе визуальных осмотров мест их пересечений со старыми горными выработками на вышележащих горизонтах месторождения. В данном случае наблюдается раскрытие трещин на величину до 50-75 мм и смещение (срезание) бортов дизъюнктивных нарушений на величину 200-300 мм.
Значительная роль в формировании патогенной геодинамической обстановки в районе г. Нижний Тагил принадлежит последствиям техногенной деятельности - масштабной добычи полезных ископаемых и нарушению гидрогеологического режима в результате осушения месторождений и складирования мокрых хвостов обогащения в отработанные карьеры.
Масштабная добыча полезных ископаемых в условиях действия первоначального поля тектонических напряжений, достигающего на глубине 4GG м величин 8G-12G МПа приводит к их перераспределению и формированию вторичного напряженно-деформированного состояния, а нарушение гидрогеологического режима - к уменьшению сцепления и коэффициента трения по тектоническим нарушениям. B результате этого происходят значительные деформации массива горных пород на обширных территориях, примыкающих к зоне ведения горных работ. Bеличины деформаций массива горных пород, вызванные техногенными факторами были определены в результате сопоставления современных пространственных координат пунктов опорных геодезических сетей Естюнинского, Bысокогор-ского и Лебяжинского месторождения с их первоначальными значениями, измеренными в 6G^ годах. Изменения координат пунктов полигоно-метрии, обусловленные воздействием техногенных факторов, доходят до 5GG мм в горизонтальной и 3GG мм в вертикальной плоскостях. Учитывая тот фактор, что массиву также присущ и циклический характер деформирования, реальные величины его деформирования могут оказаться выше, чем зафиксированные в результате выполнения единичной работы.
Лля прогноза развития геодинами-ческой обстановки в г. Нижний Тагил выполняется комплекс исследований параметров происходящих смещений и деформаций, основой которого является организация инструментальных наблюдений с применением комплекса спутниковой геодезии GPS за состоянием подвижности основных тектонических нарушений, определяющих структуру района. Это позволяет определить ретроспективными и мо-
ниторинговыми наблюдениями интенсивность движений по основным тектоническим нарушениям с разделением на естественные и техногенные составляющие.
На первом этапе в рамках этой программы в г. Нижний Тагил была организована специальная наблюдательная станция, базирующаяся на 5 пунктах ГГС района, взаимное расположение которых позволяет охватить инструментальными измерениями основные тектонические нарушения и области ведения масштабных горных работ рудных полей Высокогорского и Лебяжинского месторождений (см. рис. 3). Привязка станции осуществляется от пунктов международной геодинамической сети IGS и постоянно действующей GPS станции EKTB, находящейся в г. Екатеринбург. Изменения пространственных геометрических элементов мониторинговой сети определяются с использованием комплексов спутниковой геодезии фирм Trimble и Sokkia. При этом периодичность измерений составляет два раза в год. Лля мониторинга деформаций Естюнинского месторождения, находящегося на окраине г. Нижний Тагил создана специальная наблюдательная станция, интегрированная в существующую геодезическую сеть. Поскольку в данном случае наблюдательная станция является многоуровенной, в результате экспериментальных работ определяются деформации массива на базах от сотен километров до десятков метров.
В результате периодических измерений, начало которым было положено в 1996-200 гг., определяются пространственные смещения реперов наблюдательной станции, флюктуации поля пространственных деформаций и тензоров напряжений, вызывающих эти изменения. Эта информация, в совокупности с информаци-
ей, полученной при исследовании параметров развития процесса сдвижения на конкретных месторождениях, позволяет с высокой степенью достоверности произвести геодинамиче-ское районирование исследуемого участка массива горных пород. В дальнейшем полученные данные используются для определения скоростей подвижек массива по тектоническим нарушениям и оценки воздействия влияния горных разработок на развитие геодинамической ситуации в целом, что, в конечном итоге, позволяет также производить определенные прогнозные оценки и принимать соответствующие меры по предотвращению катастрофических последствий техногенной деятельности.
В результате проведенных в 19982005 гг. инструментальных измерений были определены величины векторов смещений реперов, расположенных в пределах шахтных полей Высокогорского и Лебяжинского месторождений. Было установлено, что смещения реперов наблюдательной станции в горизонтальной плоскости происходят согласованно с направлением простирания тектонического разлома «Главный», что также подтверждается направлением векторов сдвижения реперов наблюдательной станции, расположенной в мульде сдвижения шахты «Магнетитовая». Величины смещения реперов, обусловленные суммарным воздействием естественных и техногенных факторов достигают 100 мм в горизонтальной и 150 мм в вертикальной плоскостях за 6 месяцев. Смещения, обусловленные естественными факторами - трендовыми подвижками по тектоническим нарушениям за этот же период достигают 25 мм в горизонтальной и 30 мм в вертикальной плоскостях [9].
Таким образом, в результате выполнения первого этапа проекта по
мониторингу геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил была создана многоуровенная наблюдательная станция, охватывающая территорию города и основные тектонические нарушения. Полученные в результате выполнения работы первые экспериментальные данные о геодинамической активности района позволяют говорить о перспективности продолжения исследований в мониторинговом режиме.
В заключение следует отметить, что применение современных методов традиционной и спутниковой геодезии для наблюдений за процессом сдвижения земной поверхности на горных предприятиях и урбанизированных территориях позволило проводить исследования на качественно более высоком уровне. В настоящее время измерениями охвачена не только ближняя зона техногенного воздействия добычи полезных ископаемых - мульда сдвижения при подземном способе разработке и при-бортовой массив при открытом способе разработке, наблюдения в которой производились достаточно длительный период с использованием традиционных геодезических методов, но и дальняя зона влияния горных разработок, простирающая до нескольких десятков километров, в которой ранее измерения либо не проводились совсем, либо проводились в недостаточных объемах по причине высокой трудоемкости подобных работ. Измерения, проводимые с использованием современных геодезических комплексов показали свою высокую эффективность для решения задач геомеханики, благодаря чему стали возможными не только дискретные измерения, но и регулярный мониторинг деформаций и напряжений, происходящих в верхней части земной коры - как подстилаю-
щего породного массива урбанизиро- нарушенного масштабным влиянием ванных территорий, так и массива, горных разработок.
1. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. 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. Сашурин AM., Панжин A.A. Наведенные геомеханические процессы от масштабной техногенной деятельности по добыче полезных ископаемых. //Материалы X Межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности. - Екатеринбург, 1997. - С. 155158.
3. Панжин A.A. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS. // Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.11. Серия: Горное Лело. - Екатеринбург, 2000. -С.196-203.
4. Панжин A.A. Результаты наблюдений за деформациями породных массивов методами спутниковой геодезии //Сборник трудов международной конфе-ренции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли". - Новосибирск: ИГЛ СО РАН, 2001.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Панжин А.А. Диагностика геоме-ханического состояния массива горных пород геодезическими методами. Геология и геоэкология: исследования молодых, 2002 г. Том 2. Минералогия, кристаллография, полезные ископаемые и геофизика, петро-физика. //Материалы XIII молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Крат-ца. Апатиты, 2002. - С.159-167.
6. Сашурин А.Д., Панжин А.А., Коновалова Ю.П. Исследование геодинамиче-ских процессов с применением вРБ-техно-логий /Г орный информационно-аналитический бюллетень. №7, 2003.
7. Голубко Б.П., Панжин А.А. Маркшейдерские работы при разработке месторождений открытым способом: Учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. - 155 с.
8. Панжин А.А. Диагностика геодинамической активности массива горных пород геодезическим методом //Сборник трудов международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли». - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004.
9. Панжин А.А. Роль тектонических нарушений в процессе сдвижения на рудниках Высокогорского ГОКа /Горный информационно-аналитический бюллетень. №4, 2005.
— Коротко об авторах---------------------------------------------------
Панжин А.А., Панжина Н.А. - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
