CC BY
79
ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОИНФОРМАТИКА
УДК 528.2/3
НОВЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ ГЕОДЕЗИИ - ПЕРЕХОД К ИЗУЧЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ БЛОКОВ ЗЕМНОЙ КОРЫ В РАЙОНАХ ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Александр Петрович Карпик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. (383)343-39-37, e-mail: rektorat@ssga.ru
Анатолий Иванович Каленицкий
^бирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры астрономии и гравиметрии, тел. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Александр Николаевич Соловицкий
Кузбасский государственный технический университет, 650000, Россия, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28, соискатель, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела, кадастра и геодезии, тел. (384)239-63-85, e-mail: san.mdig@mail.ru
Показано, что новый этап развития геодезии включает изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры в районах освоения угольных месторождений. Установлено, что переход к каждому новому этапу для геодезии характерен совершенствованием приборной базы, разработкой новых методов и технологий. Предложены новые технологические решения по совершенствованию построений на геодинамических полигонах.
Ключевые слова: блок земной коры, ранг, геодинамический полигон, деформация.
NEW STAGE OF GEODESY DEVELOPMENT: INVESTIGATION OF EARTH BLOCKS DEFORMATION IN REGIONS OF COAL DEPOSITS DEVELOPMENT
Alexander P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., prof., rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: rektorat@ssga.ru
Anatoly I. Kalenitsky
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., prof., Department of Astronomy and Gravimetry, tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
3
Геодезия и геоинформатика
Alexander N. Solovitsky
Kuzbass State Technical University, 650000, Russia, Kemerovo, 28 Vesennyaya St., Ph. D., Assist. Prof., Department of Mine Survey, Cadastre and Geodesy, tel. (384)239-63-85, e-mail: san.mdig@mail.ru
The new stage of geodesy development is shown to comprise investigation of time changes as concerns Earth blocks deformations in the regions of coal deposits development. It has been ascertained that each new stage of geodesy development requires improvement of instruments and new techniques. New technological solutions on improving the geodynamic networks on testing areas are offered.
Key words: Earth crust block, grade, geodynamic testing area, deformation.
В течение нескольких веков геодезия решала одну из главных своих задач - детальное изучение фигуры Земли с последующим картографированием территорий. Особенно масштабные работы в нашей стране были выполнены в прошлом веке. При этом не только был получен национальный референц-эллипсоид и создана система координат СК-42, но и построен весь масштабный ряд карт.
Следует отметить, что во второй половине прошлого века развитие картографирования территорий происходило и в количественных показателях, которые характеризовали увеличение площадей съемок, и в качественных - путем создания новых методов. Это привело к повышению точности, мобильности и технологичности. Для традиционных карт на бумажной основе такая точность зависела от их масштаба и ограничивала проектирование инженерных объектов [1]. Затраты времени при картографировании территорий определялись значительной долей ручного труда, а также последовательным выполнением основных процессов. Появление новых измерительных и вычислительных технологий не только на порядок увеличило точность, но и обеспечило мобильность и автоматизацию значительной доли полевых и камеральных работ [1]. Так характеризовался этот этап развития геодезии.
Однако картографирование территорий не стало апогеем развития геодезии. Его продолжение связано с решением фундаментальной проблемы «Современные движения земной коры». Общностью перечисленных этапов развития геодезии стало представление результатов в виде карт. А основным их различием явилось то, что при интерпретации современных движений земной коры исходной информацией служили только высокоточные повторные геодезические наблюдения, полученные по программам наблюдений не ниже 2-го класса.
Решение фундаментальной проблемы «Современные движения земной коры» обусловило поиск не только повышения точности повторных геодезических наблюдений, но и их математической обработки, для которой стали использоваться следующие методы:
• наименьших квадратов;
• коллокации;
4
Геодезия и геоинформатика
• динамической фильтрации;
• трансформирования;
• идентификации динамических систем;
• конечных элементов.
Для анализа и интерпретации повторных геодезических наблюдений использовались различные количественные характеристики движений, а также различные приемы вычислительной математики [2]:
• методы проверки статистических гипотез;
• моделирование;
• полиномы;
• сплайн-функции;
• теория случайных стационарных процессов;
• спектральный анализ.
Кульминацией решения фундаментальной проблемы «Современные движения земной коры» стало изучение деформаций поверхности земной коры. Анализ повторных инструментальных наблюдений показывал, что в определенной сфере человеческой деятельности, в первую очередь - это линейные объекты (железные дороги, газо- и нефтепроводы), изучение деформаций поверхности земной коры традиционными методами дало положительные результаты. При этом следует отметить, что стороны построений на геодинамических полигонах (ГДП) (векторы соединения пунктов наблюдения) ориентировались перпендикулярно направлению разломов, являющихся границами блоков земной коры. А их взаимодействие оценивалось по профилям (плоские модели). Плоские модели характеризовались простотой интерпретации, но являлись часто первым простейшим приближением реальных процессов [2, 3].
Для изучения деформаций поверхности земной коры в настоящее время широко используется механика сплошной среды, из которой наибольшее распространение получил метод конечных элементов (МКЭ), примененный впервые в Японии. Теория и результаты применения МКЭ для различных регионов бывшего СССР представлены в монографиях Н. П. Есикова, что было рассмотрено в [2].
Для оценки деформаций участков земной поверхности разработаны методики, позволяющие выполнять ее как по изменениям координат, так и непосредственно по разностям повторных угловых и линейных измерений на ГДП [2].
Новый этап развития геодезии под общим названием «Геодинамика» связан, в том числе, с изучением деформаций блоков земной коры при освоении угольных месторождений. Такое изучение определяется востребованностью геодезических и гравиметрических методов для исследования геодинамических и техногенных процессов при освоении недр. Информация об указанных процессах является важнейшей в аспекте прогноза катастрофических геодинамических явлений (ГДЯ): горных ударов, внезапных выбросов, землетрясений. Последствия проявления ГДЯ отражаются изменениями геологической среды
5
Геодезия и геоинформатика
и подземными авариями. При этом страдают не только горнопромышленные предприятия, но и люди. Число смертельных случаев в Кузбассе оценивается зависимостью: один человек на 1 млн тонн добычи угля, а ежегодный материальный ущерб - более 500 млн. рублей.
Исследования по изучению природных и техногенных геодинамических процессов при освоении угольных месторождений соответствуют приоритетным направлениям развития науки и техники РФ и имеют важное научное и практическое значение. Цель таких исследований заключается в получении новых знаний о блоках земной коры, их иерархии, взаимодействии, энергообмене, а также об изменениях во времени гравитационного поля. Важнейшее практическое значение при изучении указанных процессов на основе мониторинга окружающей среды и прогноза имеет решение задач повышения уровня безопасности при освоении недр, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера в рамках «Долгосрочной программы развития угольной промышленности на период до 2030 года».
Естественное состояние земной коры характеризуется природными геодинамическими процессами, а ее состояние при подземной, открытой и строительной геотехнологии освоения недр - совместным влиянием техногенных и естественных факторов. В статическом состоянии она представляет собой энергетически уравновешенную систему с определенным запасом накопленной упругой энергии. При освоении подземного пространства это равновесие нарушается, и могут образовываться энергетические очаги. При формировании очага в глубине массива возможно проявление геодинамического явления большего масштаба - техногенного землетрясения [2].
При разработке угольных месторождений Кузбасса и других бассейнов России, а также за рубежом происходят горно-тектонические удары, вызывающие разрушения на поверхности, образование провалов, появление трещин, отмечается техногенная сейсмичность при разработке нефтяных и газовых месторождений, строительстве многоэтажных зданий в городах, происходят землетрясения в районах санации шахт. В России возникло несколько горнопромышленных районов, в которых техногенная сейсмичность стала социальным фактором, и для которых исследования механизмов очагов землетрясений представляют значительный интерес.
Следовательно, встает задача исследования деформаций блоков земной коры в глубине массива горных пород. Ее решение традиционными методами классической геодезии невозможно. Поэтому предложены новые технологические решения [4-7], включающие, в том числе, совершенствование:
• геодезических построений ГДП;
• регистрации кинематики блоков земной коры и ее интерпретации.
Реализацию новых технологических решений предложено начать с установления динамических параметров блоков земной коры [2, 4]. В настоящее время доминирующими количественными характеристиками движений земной
6
Геодезия и геоинформатика
поверхности являются кинематические. Отметим их неоднозначность. Если принять скорость медленных деформаций блоков земной коры разных рангов 3 ■ 10-6 год-1 за пренебрегаемо малую, не приводящую к проявлению геодинамических явлений, то ей будут соответствовать следующие амплитуды их движений (табл. 1).
Таблица 1
Зависимость скоростей движений блоков земной коры разных рангов в год от предложенного критерия их геодинамической активности
Ранг блока земной коры Скорость движения блока земной коры, мм/год
II 158
III 40
IV 17
V 4
VI 2,6
Из-за различия величин скоростей движений блоков земной коры разных рангов (см. табл. 1) одинаковым значениям изменения во времени деформации, указанные кинематические характеристики блоков земной коры не могут быть приняты в качестве динамических параметров. Более приемлемый вариант указанных параметров - изменения во времени деформаций блоков земной коры, которые являются интегральными характеристиками. Таковыми являются изменения во времени деформаций (напряжений) и потенциальной энергии, обуславливающие кинематику блока земной коры. Основой определения динамических параметров блока земной коры является связь его перемещений с компонентами тензора деформаций, описываемая с помощью уравнений Коши. Следовательно, переход к определению таких динамических параметров блоков земной коры - необходимая составная часть предлагаемых технологических решений.
Поэтому при переходе от изучения кинематики поверхности земной коры к изучению развития деформаций отдельных блоков требуется совершенствование существующей технологии построений ГДП. Особенно такой переход важен в районах освоения угольных месторождений, так как в этом случае объектом исследования становится изменение деформированного состояния блочного массива горных пород.
Поскольку состояние нетронутого массива горных пород сформировалось в новейший период, то, следовательно, теоретической основой указанного перехода является гипотеза о преемственности новейших движений в современный период. Для реализации этой гипотезы предложен метод структурно ориентированных построений ГДП. Такие построения ГДП находятся в прямой зависимости от взаимодействия блоков земной коры месторождения по разломам.
7
Геодезия и геоинформатика
Минимальное количество мобильных пунктов для каждого из них должно быть не менее четырех, с заложением в вершине и узлах пересечения разломов с учетом глубины проникновения [2, 4].
Метод структурно ориентированных построений ГДП обеспечивает определение динамических параметров блоков земной коры не в какой-то субгоризонтальной плоскости, а на глубине h, характеризующей центр тяжести этого построения. Таким образом, наиболее распространенной фигурой построений ГДП в Кузбассе будет тетраэдр (аналог типовой фигуры - центральной системы).
Основные отличия предлагаемого метода от существующего приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные отличия метода структурно ориентированных построений ГДП
от традиционной технологии
Наименование Традиционная технология Метод структурно ориентированных построений ГДП
Многоступенчатость От площади территории От динамической активности блоков разных рангов
Классификация построений 1, 2, 3-й и 4-й класс 1, 2, 3, 4, 5-й и 6-й ранги блоков земной коры
Элементарная ячейка Треугольник Тетраэдр
Длина сторон Регламентируется 1, 2, 3-м и 4-м классом Определяется протяженностью разломов между узлами их пересечений
Минимальный угол Регламентируется 1, 2, 3-м и 4-м классом Определяется конфигурацией блока земной коры
Глубина заложения На 1 метр ниже промерзания грунта Определяется протяженностью разломов
Исходный пункт Пулково В условно-стабильном блоке земной коры
На основании выполненных исследований сделаны следующие выводы:
1. Этапы развития геодезии характеризуют не только ее функциональный характер, но и иерархию (статическая, кинематическая и динамическая), а также увеличение отражения размерности пространства (статическая - 3D, кинематическая - 4D).
2. Отмечено, что на каждом этапе развития не только совершенствуется приборная база, но и появляются новые методы и технологии, отличающиеся уровнем автоматизации, точности и оперативности.
3. Развитие геодезии сопровождается как усилением фундаментальных исследований, так и их практическим применением.
8
Геодезия и геоинформатика
4. Переход к определению динамических параметров блоков земной коры -это не только реализация предложенного авторами метода структурно ориентированных построений ГДП, но и тесная интеграция со смежными науками о Земле.
5. Изучение изменений во времени деформаций блоков земной коры позволяет как расширить информацию о геодинамических и техногенных процессах при освоении недр, так и повысить уровень их безопасности, снизить риск и уменьшить последствия проявлений ГДЯ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпик А. П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий. - Новосибирск: СГГА, 2004. - 259 с.
2. Соловицкий А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 260 с.
3. Колмогоров В. Г. К вопросу о возможности изучения деформационного состояния земной поверхности по результатам повторного высокоточного нивелирования // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 9-14.
4. Каленицкий А. И., Соловицкий А. Н. Особенности технологии изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 58-61.
5. Современная геодинамика Дальнего Востока по результатам геофизических и геодинамических измерений / Тимофеев В. Ю. и др. // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). -С. 30-36.
6. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. О комплексной интерпретации данных геодезическогравиметрического мониторинга техногенной геодинамики на месторождениях нефти и газа // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 3-13.
7. Дорогова И. Е. Изучение движений и деформаций земной коры на геодинамическом полигоне Таштагольского железорудного месторождения // Вестник СГГА. - 2010. -Вып. 2 (13). - С. 9-12.
Получено 21.08.2013
© А. П. Карпик, А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий, 2013
9
