CC BY
59
УДК 622.06
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИЖЕНИЙ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ШАХТЫ ИМЕНИ Т. КУЗЕМБАЕВА КАРАГАНДИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
© Д.В. Мозер1, А.Д. Каранеева2, Н.И. Гей3
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Россия, Республика Казахстан, г. Караганда, б-р Мира, 56.
Предлагается разработанный авторами новый метод наблюдения за состоянием земной поверхности с использованием дистанционного зондирования Земли на основе применения спутниковой радарной интерферометрии. Преимуществом данной методики является наглядность и оперативность полученных результатов, основанных на интеграции геотехнических расчетов, наземного классического мониторинга и дистанционного зондирования Земли.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли; спутниковая радарная интерферометрия; геотехнические расчеты; наземный классический мониторинг.
DETERMINATION OF UNDERMINED GROUND MOVEMENTS AT T. KUZEMBAYEV MINE OF KARAGANDA COAL BASIN USING MODERN TECHNOLOGIES D.V. Mozer, A.D. Karaneeva, N.I. Gei
Karaganda State Technical University,
56 Mira Blvd., Karaganda, Kazakhstan Republic, 100027.
The authors have developed and propose in the article a new method of ground condition monitoring using remote sensing of the Earth on the basis of satellite radar interferometry application. The advantage of the offered monitoring technique is visualization and efficiency of the received results based on the integration of geotechnical calculations, classical land monitoring and remote sensing of the Earth.
Keywords: remote sensing of the Earth; satellite radar interferometry; geotechnical calculations; classical land monitoring.
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 составы. Для оперативного мониторинга подработанной горными выработками земной поверхности необходимо определить метод, позволяющий осуществить его в реальном времени и с высокой точностью. Приведенное в работе сравнение результатов расчета сдвижений земной поверхности, нивелирования профильных линий и полученные с помощью спутниковой радарной интерферометрии оседания показали хорошую сходимость результатов при измерении оседаний земной поверхности, подработанной горными выработками.
Геотехнический расчет сдвижения земной поверхности, подработанной горными выработками, в районе шахты имени Т. Кузембаева (г. Караганда)
Шахта имени Тусупа Кузембаева - угледобывающее предприятие в г. Сарани Карагандинской области Казахстана. Проект шахты разработан институтом «Карагандагипрошахт» в 1954 г., через год началось
строительство шахты, а в 1963 г. она была сдана в эксплуатацию. Размеры шахтного поля составляют 56 тыс. м по простиранию и 750-1750 м по падению. Стволы: основные - вертикальные, центрально расположенные, из которых 2 скиповых с диаметром 5,2 м, глубиной 265 м; 1 клетьевой - соответственно 8,5 м и 555 м; 2 вспомогательных - 6,5 м и 260 м; 5,5 м и 244 м. Пласты: К12 «Верхняя Марианна» имеет мощность 4,6-5,7 м; К12 «Шестифутовый» мощностью 1,07-3,54 м; К14 «Четырехфутовый» - 1,8-2,0 м.
В 2014 г. добыча угля на шахте им. Т. Кузембаева происходила по пласту К12 лавы 42К12-З. Проведенные расчеты максимального оседания по формуле (1) показали, что скорость оседания земной поверхности в исследуемом районе составляет 0,29 м/мес.
т * с *созаЛ Н = 12- 1 + 0,3—1
, - ,. (1) Н ^ Н 1
где H - глубина разработки; m - вынимаемая мощность пласта; а - угол падения пласта; с - скорость продвигания очистного забоя; H1 - мощность ранее подработанной толщи [1].
1 Мозер Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: (7212) 562627, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru
Mozer Dmitry, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department Mine Surveying and Geodesy, tel.: (7212) 562627, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru
2Каранеева Айнур Дюсембаевна, магистрант, тел.: (7212) 562627,e-mail: aijarkyn83@inbox.ru Karaneeva Ainur, Master's Degree Student, tel.: (7212) 562627, e-mail: aijarkyn83@inbox.ru
3Гей Надежда Ивановна, магистрант, тел.: (7212) 562627, e-mail: gnadezhda2011@yandex.kz Gei Nadezhda, Master's Degree Student, tel.: (7212) 562627, e-mail: gnadezhda2011@yandex.kz
Рис. 1. Шахта имени Тусупа Кузембаева
Вычисленная общая продолжительность процесса сдвижения составляет [2]:
Н
Т = 1,4 ^ =8 месяцев,
(2)
интервал времени между повторным нивелированием устанавливают, исходя из ожидаемых скоростей современных вертикальных движений земной коры. Для получения детальных данных о процессе сдвижения, кроме начальных и конечных наблюдений, проводится не менее 5 серий наблюдений через интервал:
где Н, м - глубина разработки скорости, и, м/мес. - скорость подвигания забоя лавы.
Определение сдвижения земной поверхности, подработанной горными выработками, методом нивелирования
Границы опасного участка были нанесены на планы горных работ шахты им. Т. Кузембаева и обозначены кругом на рис. 2. В центре данного участка находится пересечение железнодорожного пути и автотрассы А17.
В границах этого участка были заложены 2 профильные линии, по которым проводилось нивелирование. Согласно «Правилам охраны сооружения и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях» [2],
t = - = 36 6c
, суток,
(3)
где Н - глубина разработки у нижней границы выработки, м; с - скорость продвигания забоя, м/сут.
Интегрированные результаты 5 серий нивелирования приведены на графиках рис. 3.
Работа в границах опасного участка проводилась с апреля по сентябрь, что составило 6 месяцев, в течение которых на данном участке велась добыча угля. Максимальное значение оседаний за этот период по результатам нивелирования составило 160 мм (в точке Р 8).
Рис. 2. Границы опасного участка
-1 cepiH2-4.0J.14 -«-2счшя27.05.14 -«-Зсчшя 11.06.14 -4сер|и08.08.14 -»-5cqjiM06.09.14
Рис. 3. График оседаний земной поверхности по профильным линиям по результатам нивелирования
Определение сдвижения земной поверхности, подработанной горными выработками, методом спутниковой радарной интерферометрии
В данной работе были использованы пятнадцать снимков, полученных со спутника COSMO-SkyMed (Италия) за апрель - август 2014 г. в режиме высокого разрешения Stripmap. Обработка космических снимков производилась в программном комплексе ENVI модуль SarScape (США) [3-5].
Обработка снимков со спутника COSMO-SkyMed производилась по методу Sbas. Из проходной цепочки космических снимков было составлено 112 пар для обработки радиолокационных данных. По результатам обработки снимков с применением функции Connection graph модуля Interferogramm Stacking определялись наилучшие пары снимков, имеющие базовую линию по нормали до 700 м и малую временную базу - до 10 дней (рис. 4) [6-9].
16-Jun-14 Acquisition Date
Рис. 4. Расчет базовой линии космических снимков со спутника COSMO-SkyMed в функции Connection graph
модуля Interferogramm Stacking
По итогам полного цикла обработки пар снимков были получены дифференциальные интерферограм-мы (рис. 5).
Анализ результатов мониторинга смещений земной поверхности показал на образование мульд оседаний, ускоряющихся во времени. Данные мульды оседаний земной поверхности расположены в районах добычи угля двух шахт: имени Т. Кузембаева и Са-
ранской (рис. 5).
В программном комплексе ENVI построены изолинии по 15 космическим снимкам за весь период мониторинга сдвижения земной поверхности (рис. 6).
По результатам обработки серии радарных снимков в точке максимального оседания мульды сдвижения построен график оседаний земной поверхности (рис. 7).
Рис. 5. Дифференциальные интерферограммы оседаний шахты имени Т. Кузембаева, построенные по разным парам снимков
Рис. 6. Изолинии, построенные по космическим снимкам за весь период наблюдения на шахте им. Т. Кузембаева
Рис. 7. Максимальная величина оседания земной поверхности в районе ведения работ на шахте имени Т. Кузембаева за все время наблюдения
Time Series ¡Plot
11 -Apr-14 16-May-14 20-Jun-14 25-Jul-14 29-Aug-14
Рис. 8. Совмещенный график результатов нивелирования и спутниковой радарной интерферометрии
Из приведенного на рис. 7 графика видно, что максимальное оседание за период наблюдения составило около 140-145 мм.
На рис. 8 показан совмещенный график результатов нивелирования и спутниковой радарной интерферометрии, построенный по точке Р 3 профильной линии нивелирования за период наблюдения с апреля по август 2014 г.
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Из проведенных исследований видно, что величина максимальных оседаний по геотехническим расчетам, наземному мониторингу и спутниковой радарной интерферометрии показали хорошее единство результатов измерений.
2. Максимальное оседание земной поверхности по наземному мониторингу и радарной интерферометрии за отчетный период составляет до 160 мм.
3. По отдельно взятой точке совмещены графики оседаний земной поверхности, которые показали хорошую корреляцию результатов как по времени, так и по смещениям.
4. На основании вышеназванных пунктов можно сделать вывод, что применение спутниковой радарной интерферометрии позволяет с высокой точностью и оперативностью предоставлять данные об оседаниях земной поверхности без проведения наземного мониторинга и геотехнических расчетов.
Статья поступила 13.02.2015 г.
Библиографический список
1. Фисенко Г.Л. Предельные состояния горных пород вокруг выработок. М.: Недра, 1976. 272 с.
2. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. Утв. 16 марта 1988. М.: Госгортехнадзор России, 1988. 74 с.
3. Мониторинг подработанных территорий Карагандинского угольного бассейна с использованием спутниковой радарной интерферометрии: науч. конгр. «Интерэкспо ГЕОСибирь» / Д.В. Мозер, А.С. Туякбай, Н.И. Гей, А.А. Нагибин, А.К. Сатбергенова. Новосибирск, 16-18 апреля 2014.
4. Спутниковый радарный интерферометрический мониторинг подработанных территорий Карагандинского угольного бассейна / Ф.К. Низаметдинов, Д.В. Мозер, Н.И. Гей, А.С. Туякбай, А.Д. Каранеева // Геоматика. 2014. № 4. С. 72-79.
5. Кантемиров Ю.И. Обзор возможностей новой версии SARscape 4.4 // Геоматика. 2012. № 1. С. 22-26.
6. Kashnikov Y.A., Musikhin V.V., Lyskov I.A. Radar interferome-try-based determination of ground surface subsidence under mineral mining// Journal of Mining Science. Springer New York Consultants Bureau. 2012. Т. 48. № 4. C. 649-655.
7. Ferretti A., Perissin D., Prati C. et al., 2004. ERS-ENVISAT Permanent Scatterers Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS 2004 [C]. Proceedings Anchorage (Alaska). 2004.
8. Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS // Екатеринбург: Известия УГГГА. Серия «Горное дело». 2000. № 11. С. 196-203.
9. Филатов А.В., Евтюшкин А.В., Васильев Ю.В. Определение смещений техногенных объектов на территории нефтяных месторождений методом радарной интерферометрии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С.157-165.
