CC BY
9
2. Серебрякова, Л. И. О методическом руководстве по геодинамическим исследованиям в системе Росреестра [Текст] // Геодезия и картография. - 2013 .- № 10 . - С. 45 -50.
3. Карпик, А. П. Технология изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса [Текст] / А. П. Карпик, А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий // Вестник ССГА.-2013. - № 4(24). - С. 3-11.
4. Батугина, И. М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников [Текст]/ И. М. Батугина, И. М. Петухов. - М.: Недра, 1988. - 166 с.
5. Соловицкий, А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород [Текст]: под ред. П.В. Егорова: монография. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003.—260 с.
References
1.Geodezicheskie metody izuchenija deformacij zemnoj kory na geodinamicheskim poligonah. - M.: CNIGAiK, 1985.113 s.
2. Serebrjakova, L. I. O metodicheskom rukovodstve po geodinamicheskim issledovanijam v sistemeRosreestra //// Geodesy and Cartography. - 2013.- No. 10. - P. 45 -50.
3. Karpik, A. P., Kalenitskiy, A. I., Solovitskiiy, A. N., 2013. The technology of studying the changes of the deformations of the earth crust blocks in time during the development of deposits of Kuzbass. Vestnik of SSGA. #4.
4. Batugina, I. M., Petuhov, I.M. Geodinamicheskoe rajonirovanie mestorozhdenij pri proektirovanii I jekpluatacii rudnikov. - M.: Nedra, 1988. - 166 s.
5. Solovitskiy, А. N. Integral Method for monitoring the state of stress of a block of rock mass. - Kemerovo, State University KuzSTU, 2003. - 260 p.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.48.143 Соловицкий А.Н.
ORCID: 0000-0001-7483-3484, Кандидат технических наук, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева О РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПРИ ОСВОЕНИИ УГОЛЬНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ КУЗБАССА
Аннотация
Разработана теория регистрации геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры в районах освоения угольных месторождений, основным отличием которой является учет медленных скоростей деформаций земной коры, не приводящих к проявлению геодинамических явлений. В традиционных технологиях регистрация проводится с учетом либо амплитуд движений поверхности земной коры, либо инструментальной точности. Кроме этого установлена закономерность регистрации кинематики блоков земной коры для определения напряженно-деформированного его состояния. На основе учета параметров блочной структуры земной коры установлен перечень параметров, как регистрируемых, так и получаемых на выходе геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры. Показано, что регистрируемая информация отвечает всем современным требованиям, предъявляемым к ней.
Ключевые слова: Регистрация, геодезический мониторинг, деформация.
Solovitskiy А-N.
ORCID: 0000-0001-7483-3484, PhD in Engineering, Kuzbass State Technical University named TF Gorbachev
ABOUT REGISTRATION OF INFORMATION DURING THE REALIZATION OF GEODESIC MONITORING OF THE TENSELY DEFORMED STATE OF THE EARTH CRUST DURING THE DEVELOPMENT OF COAL
DEPOSITS IN KUZBASS
Abstract
The theory of registration of the geodesic monitoring of the tensely deformed state of the earth crust is worked out in the areas of development of coal deposits, the main difference of which is an account of slow speeds of crustal deformations, which do not lead to the manifestation of geodynamic phenomena. In traditional technologies, the registration is based on either movement amplitudes of the surface of the earth crust or instrumental accuracy. Besides, a pattern of registration of the kinematics of crustal blocks is determined to identify the tensely deformed state. Based on the parameters of the block structure of the earth crust there is a list ofparameters as recorded and produced by the geodesic monitoring of the stress-strain state of the earth crust. It is shown that the recorded information meets all modern requirements for it.
Keyword: Registration, geodesic monitoring, deformation.
Регистрируемая информация при проведении геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры (ГМНДСЗК) на территории шахт и разрезов Кузбасса должна отвечать следующим современным требованиям, а именно быть [1]:
• полной;
• достоверной и существенной;
• своевременной и оперативной;
• удобной для использования.
Полнота регистрируемой информации при проведении ГМНДСЗК обеспечена учетом признаков блочной структуры земной коры (БСЗК) и действия в ней напряжений.
Признаки БСЗК БСЗК характеризуется следующими признаками [2]:
• условиями формирования;
• структурно-морфологическими;
• кинематическими;
• динамическими;
• историческими.
Мерой определения условий формирования является энергия, а структурно -морфологических признаков - размеры, форма, ориентирование в пространстве, характер ограничивающих поверхностей. Вертикальные и горизонтальные движения характеризуют кинематические признаки блоков земной коры, а сила и напряжения -динамические. Характеристикой исторических признаков является время. Геодезическими методами регистрируются вертикальные и горизонтальные движения земной коры. Напряжения земной коры для
непосредственного измерения недоступны. Их определение возможно следующим путем. За период в
результате проявления геодинамических процессов, составляющие напряжения по осям стали равными а [/], ах [/] и а [/]. Отсюда, изменения во времени составляющих напряжения по осям равны [2]
Да1 [-0 ] = Да1 [-0 ] + Да1 ата [-0 ]
Да у [— о ] = Да у ^ [— о ] + Да у ааа [1-1 й ]
у V- "«у ' " "у ^ ^
о ] + Да г атй [1-1 о ]
Да г [— о ] = Да г 38 [— о ] + Да г ааа [— 0 ]
(1)
где Дах ад ], Да ад ], Даг ад ] - изменения гравитационной составляющей напряжений за период Дах ааш ], Да^ ааш ], Даг ааш ] - изменения напряжений, обусловленные проявлением геодинамических процессов за период .
Вместе с тем изменения напряжений, обусловленные проявлением геодинамических процессов за период , приведет к соответствующим изменениям деформаций блока земной коры Д е х , Д е , Д е г. Тогда
да х аа- [-о ]= е д е д аша [- о ]= е д е
Д сшс [-о ]= Е Д е
(2)
где Е- модуль Юнга.
Указанная модель показывает, что для изучения деформаций блоков земной коры в районе освоения месторождения требуется регистрация их кинематики, по которой будут получены необходимые её компоненты согласно (2).
Достоверность и существенность
Установлено, что на геодинамических полигонах (ГДП) необходимо проведение геодезических повторных наблюдений. Поскольку такие наблюдения носят относительный характер, то рекомендуется начальный цикл наблюдений проводить до начала освоения месторождения. Проведение повторных наблюдений рекомендуется выполнять определенным комплексом современной геодезической аппаратуры при условии её взаимной обусловленности и обеспечения учета в результатах наблюдений принадлежности к одной системе координат и эпохе. При этом следует отметить, что для обеспечения достоверности и существенности информации предлагается учитывать размеры, форму, ориентирование в пространстве, характер ограничивающих поверхностей блоков земной на основе использования предложенной автором структурной пространственной модели ячейки геодезических построений.
Для обеспечения достоверности предложен критерий точности регистрации кинематики блоков земной коры. Согласно результатам исследований, проведенных учеными Института физики Земли, которые установили зависимость, что медленные скорости деформаций земной коры (МСДЗК) менее 1 • 10-6 в год не могут приводить к образованию геодинамических явлений (ГДЯ) [3].
Связь МСДЗК и средних квадратических погрешностей (СКП) их определения получена автором [2]:
Ц[-о ]/тЦ[— о ] > 3, (3)
2 2 о 5
где шД[1-10 ]=(т Ц[1]+т Ц[£0 ]) ' ; тЦ[1], тЦ[10 ] - СКП определения компонентов изменения во времени деформации ] в эпохи 1 и не приводящие к проявлению ГДЯ.
2
Своевременность и оперативность
Своевременность регистрируемой информации определяется частотой опроса T проведения повторных наблюдений, которая получена автором с учетом (3)
T> mД[t-tо ]/3 Vе п [— 0 ], (4)
Vе п [М0 ] - скорость деформации земной коры, не приводящие к проявлению ГДЯ, равная 110 6 в год.
Оперативность информации определяется высокими современными возможностями определения координат пунктов, так при использовании спутниковых технологий это время составляет несколько часов против одного месяца угловых наблюдений по программе 1 -го класса.
Удобный вид для дальнейшего использования
Для удобства пользования при планировании работ на ГДП автором предложено перейти к метрической форме и использовать СКП координат мобильных пунктов. Для этого им выполнены исследования на персональном компьютере, результаты которых приведены на рисунке 1.
Приведенная на рисунке 1 зависимость свидетельствует о том, что скорости движения и соответственно СКП определения координат мобильных пунктов уменьшаются с увеличением ранга блока земной коры. Такой подход не применяется в традиционных технологиях.
Скорость движений блоков земной коры, в зависимости от ранга блока земной коры мм/год
Рис. 1 - Зависимость скоростей движений блоков земной коры разных рангов (II, II, IV, V, VI) от скорости деформации земной коры, не приводящей к проявлению ГДЯ
Кроме этого удобство использования регистрируемой информации заключается в отсутствии помех, главными из которых будут обусловлены, по мнению автора, влиянием техногенных изменений силы тяжести. Для их учета им разработана методика, алгоритмы и комплекс программ [2]. Для исключения этого влияния наряду с повторными геодезическими наблюдениями предлагается проводить дополнительно гравиметрические.
Если на шахте подработан пласт мощностью т за период времени Но, то в точке Р (на поверхности Земли или около выработанного пространства) произойдет соответствующее изменение силы тяжести (ИСТ) во времени Дgz[t-t0]. Это ИСТ во времени Дgz[t-t0] может быть зарегистрировано при проведении повторных гравиметрических наблюдений в эпохи t и Следует отметить, что ИСТ, а также других характеристик гравитационного поля во времени могут быть рассчитаны с помощью ПК по известному начальному положению, плотности и перемещению масс при геотехнологии освоения недр на основе решения прямой задачи теории потенциала [2].
Такие ИСТ во времени принято называть техногенными. В таблице 1 приведены результаты моделирования техногенных изменений силы тяжести (ТИСТ), обусловленных различными этапами отработки лавы (50%, 75% и 100%) на глубине 100 м площадью 75000 м2, мощностью пласта 4 м, плотностью угля 1,4 г/см3, выполненные автором.
Таблица 1- Результаты моделирования ТИСТ, обусловленные различными этапами отработки лавы
ТИСТ Величины ТИСТ
При отработке лавы на 50 % (99 суток) При отработке лавы на 75 % (149 суток) При отработке лавы на 100 % (198 суток)
Дgz[t-tо] (110-8 м с -2) -39,0 -72,0 -77,3
При подземных работах отработку пластов в большинстве случаев осуществляют с обрушением пород кровли. Этот процесс характеризуется сначала медленным её прогибом, а затем этот процесс развивается и вовлекаются всё большие участки подработанной толщи пород и растет прогиб слоев. Потом происходит отрыв нижележащих слоев от вышележащих и их разрушение [2].
Разработанный автором алгоритм и программы для ПК [2] позволяют моделировать связь процесса обрушения непосредственной кровли с ТИСТ. Для этого создается цифровая модель перераспределения плотности масс. В таблице 2 приведены результаты моделирования ТИСТ, обусловленных обрушением непосредственной кровли пласта (при отработке 50 %, 75 % и 100 % данной лавы) высотой 10 м. В подработанной толще выше зоны обрушения выделяют ещё две: прогиба с нарушением сплошности слоев в виде трещин и плавного прогиба без нарушения сплошности слоев.
Таблица 2 -ТИСТ, обусловленные обрушением кровли пласта
ТИСТ Величины ТИСТ
При отработке лавы на 50 % (99 суток) При отработке лавы на 75 % (149 суток) При отработке лавы на 100 % (198 суток)
Agz[t-tc] (110-8 м с -2) -48,3 -89,8 -91,5
В таблице 3 приведены результаты моделирования ТИСТ, обусловленных образованием зоны трещин, высота которой равна 30 м. Изменения плотности последовательно равны 5 %, 10 % и 15 % .
Таблица 3 - ТИСТ, обусловленные образованием зоны трещин
ТИСТ Величины ТИСТ
Agz[t-tc] (110-8 м с -2) -59,9 -121,0 -183,0
Результаты, приведенные в таблицах 1 - 3, показывают значимость ТИСТ при современной точности гравиметрических наблюдений, равной 20 • 10-8 мс-2.
Выводы
Основным отличием развития теории регистрации информации при проведении ГМНДСЗК в Кузбассе является новый подход, основанный на МСДЗК их зависимости с проявлениями ГДЯ, а не амплитудами движений поверхности земной коры или достигнутой инструментальной точности.
Литература
1. Cоловицкий, А.Н. О применении результатов геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса [Текст] // International Research Journal. -2016.- № 5(47). - Часть 6. - С. 97 -98.
2. Соловицкий, А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород. -Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 260 с.
3. Магницкий, В. А. Слой низких скоростей верхней мантии Земли [Текст]. - М.: Недра, 1968. - 29 с.
4. Карпик, А. П. Технология изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса [Текст] / А. П. Карпик, А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий // Вестник ССГА.-2013. - № 4(24). - С. 3-11.
References
1. Solovitskiy, А. N., 2016. The application of results of geodetic monitoring crustal deformation in case o f development of coal deposits // International Research Journal. # 5(47).
2. Solovitskiy, А. N. Integral Method for monitoring the state of stress of a block of rock mass. - Kemerovo, State University KuzSTU, 2003. - 260 p.
3. Magnickij, V/A/ Sloj nizkih sorostej verhnej mantii Zemli. - M.: Nedra, 1968. - 29 з.
4. Karpik, A. P., Kalenitskiy, A. I., Solovitskiiy, A. N., 2013. The technology of studying the changes of the deformations of the earth crust blocks in time during the development of deposits of Kuzbass. Vestnik of SSGA. #4.
