CC BY
63
--© H.H. Мельников, А.И. Калашник,
A.B. Филатов, А.В. Евтюшкин, 2015
УДК 622.012.3:550.835(98)
Н.Н. Мельников, А.И. Калашник, А.В. Филатов, A.B. Евтюшкин
ПРИМЕНЕНИЕ РАДАРНЫХ СЪЕМОК
ДЛЯ МОНИТОРИНГА КАРЬЕРА B УСЛОВИЯХ
АРКТИКИ*
Приведено описание применения радарных съемок для мониторинга горнотехнических и нефтегазовых объектов западной части российского сектора Арктики. Даны примеры георадарного подповерхностного зондирования массива пород, радарного контроля поверхности уступов и интер-ферометрической обработки снимков радиолокационного спутника Sentinel-1A карьера «Железный» Ковдорского ГОКа. Выполнен предварительный комплексный анализ радарных съемок для целей регионального мониторинга глубокого карьера - как характерного горнотехнического объекта, расположенного в Арктической зоне РФ.
Ключевые слова: Арктика, горнотехнические объекты, карьер, радарные съемки, мониторинг.
В западной части российского сектора Арктики сосредоточенно значительное число горнотехнических объектов: АО «Апатит», АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК», АО «ОЛКОН», АО «Ловозерский ГОК», ГОК «Олений ручей» СЗФК, а также объекты по металлургической переработке (Кандалакшский алюминиевый завод, АО «Кольская ГМК») и добыче строительных материалов. Сюда же следует отнести нефтегазо-объекты, которые, в перспективе добычи нефти и газа на шельфе Баренцева моря и последующего трубопроводного транспортирования нефтеуглеводородов, будут в значительной степени сконцентрированы в регионе [1].
Для успешного решения задач промышленной и экологической безопасности действующих горнодобывающих предприятий и планируемых нефтегазообъектов в регионе необходимы организация и проведение системного мониторинга этих объектов как природно-технических систем [1—2]. Это позволит выявить опас-
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ, проект 15-29-06037 ОФИ-М.
ные деформационные процессы на ранних стадиях их формирования в эксплуатируемых массивах горных пород и своевременно принять решения по защите как самих объектов, так и окружающей природно-технической среды.
В работах [2-3] изложены методологические подходы к систематизации методов и средств для проведения мониторинга соответствующих параметров геологической среды, смещений и деформаций, а также физических полей горнотехнических объектов. Наряду с уже традиционными сейсмическими и сейсмологическими методами для мониторинга геологогической среды предлагается использовать подповерхностную и поверхностную георадарную съемку, достаточно хорошо зарекомендовавшую себя при мониторинге горнотехнических систем [3, 8], а также спутниковую радарную съемку [7]. Интегрирование результатов георадарных определений в маркшейдерско-геодезическую систему позволит достаточно уверенно и с высокой точностью определять смещения и деформации дневной поверхности и контролируемых объектов [6]. Дополнительное использование данных гидрогеологических наблюдений в комплексе с методами геомеханики, современной геодинамики и тектонофизики позволит получать более полную картину результирующих смещений с учетом глубинных процессов.
К настоящему времени в западной части российского сектора Арктики для мониторинга состояния горнотехнических объектов используются следующие георадиолокационные съемки: георадарное подповерхностное зондирование, радарный контроль поверхности уступов карьера и снимки территории промплощадок объектов радиолокационным спутником Беп^пеЫА.
Георадарные подповерхностные зондирования выполнены практически на всех крупных горнодобывающих предприятиях западной части Арктической зоны РФ [8]. На карьере «Железный» АО «Ковдорский ГОК» измерения выполнены в целях оценки состояния и исследования внутренней структуры массива пород рабочих уступов, а также для выявления и геометризации пространственного положения плоскостей скрытых тектонических нарушений, геологических дислокаций и зон неоднородностей и структурной нарушенности [4-5, 8]. В течение ряда лет выполнялся мониторинг состояния ограждающих дамб хвостохранилища в целях минимизации рисков фильтрационно-деформационных процессов. На АО «Апатит» выполнена оценка внутренней структуры породных отвалов карьера «Центральный» в целях выявления уп-
лотненных породно-снежно-ледяных зон (линз), а перспективный участок рудника «Восточный» дифференцирован по литологиче-ской разности пород и руд. При строительстве ограждающих дамб хвостохранилища ГОКа «Олений ручей» СЗФК была выполнена оценка качества «выторфовки» грунтов площадки под строительство и исследовано подстилающее основание на наличие скрытых влагонасыщенных и водоносных слоев. В дальнейшем был выполнен мониторинг вывода гидротехнической системы «хвостохранилище-дамбы» на рабочий режим.
В данной работе рассмотрены опыт и предварительные результаты радарных съемок применительно к целям локального и регионального мониторинга карьера «Железный» Ковдорского ГОКа. Подповерхностное средне (до 40 м) и глубинное (до 200 м) георадарное зондирование массива горных пород выполнено общей протяженностью около 20 км на разных участках бортов карьера (рис. 1 (см. Приложение, с. 448). Получено и интерпретировано около 800 радарограмм в целях уточнения геолого-структурного строения массива пород, выявления и локализации скрытых тектонических разломов, зон повышенной трещиновато-сти, водообводненности и литологической разницы пород. В качестве примера на рис. 1 приведен фрагмент интерпретированной радарограммы продольного профиля по горизонту +40, восточный борт карьера
Выявленные подповерхностным георадарным зондированием особенности геолого-структурного строения и состояния пород могут быть использованы для оценки устойчивости как отдельных уступов, так и отдельных участков борта карьера, а также учитываться при обосновании параметров буровзрывных работ на рабочих уступах.
В настоящее время в карьере «Железный» Ковдорского ГОКа выполняются поверхностные радарные съемки восточного борта радарным комплексом IBIS FM (IDS (Ingegneria Dei Sistemi), Италия). IDS, как исполнителем работ, создаются карты смещений с периодичностью в 15 дней, которые передаются на Ковдорский ГОК и на которых можно увидеть — в каких местах борта карьера произошли смещения с момента установки и запуска радара (сентябрь 2014 г.). В частности, на карте смещений, созданной IDS в августе 2015 г., отмечаются области со смещением в глубь карьера до 50,00 мм.
Применительно к целям данной работы, использованы снимки карьера «Железный» Ковдорского ГОКа, выполненные радиолока-
ционной станцией с синтезированной апертурой антенны спутника Sentinel-1A, позволяющей получать изображение поверхности с расположенными на ней объектами независимо от времени суток и погодных условий. На спутнике Sentinel-1A впервые применена новая технология сканирования TOPSAR — Terrain Observation with Progressive Scans SAR. Спутником выполняется съемка в интересах научных и прикладных задач Евросоюза. При этом приграничные с Евросоюзом территории России также снимаются с максимальным разрешением, и кадры восстанавливаются до уровня SLC, необходимого для проведения интерферометрической обработки. Кольский полуостров попадает в зону постоянного мониторинга радара SENTINEL-1A в режиме съемки Interferometric Wide Swath. Европейское космическое агентство (ЕКА) предоставило Горному институту КНЦ РАН доступ к радарным данным Sentinel-1A (письмо Главы Постоянного представительства ЕКА в РФ Рене Пишеля № ЕМО/2015/SG/12192 от 29.06.2015).
К моменту написания статьи авторами накоплено свыше 20-ти радиолокационных снимков на территорию Кольского полуострова за период с марта по октябрь 2015 г. Съемка земной поверхности выполнена с повторных пролетов спутника с интервалом 12 суток, что позволяет использовать эти данные для интерферомет-рической обработки.
Для обработки снимков применялся метод спутниковой радиолокационной интерферометрии, который использует эффект интерференции электромагнитных волн и основан на математической обработке нескольких когерентных амплитудно-фазовых измерений одного и того же участка земной поверхности со сдвигом в пространстве приемной антенны радиолокатора. Интерферо-метрическая обработка снимков позволяет обеспечивать достаточно высокую точность определения высот и смещений за счет использования фазовой компоненты радиолокационных сигналов
Путем поэлементного перемножения двух комплексных радиолокационных изображений получается интерферограмма, состоящая из множества полос равной разности фаз:
I = S1 ■ S2 = А1е1ф1 • A2еЧф2 = A1A2 • ej(ф1 ~ф2) = A1A2 • (1)
где I - комплексная интерферограмма, S1 - комплексный сигнал, принятый при первом пролете, S2 - комплексно-сопряженный сигнал, принятый при повторной съемке; A1 , A2 - соответствую-
шие амплитуды сигналов, ф2, ф2 -соответствующие фазы сигналов, Ф - результирующая (интерферометрическая) фаза.
Исходя из геометрии интерферометрической съемки, разность разновременных радиолокационных сигналов зависит от высоты отражающей поверхности и смешения, произошедшего за время между съемками, в соответствии со следующей формулой [1]:
ф = ^вsin(9° -а) -^ ^ 0 H -^Dp , (2)
X p X R1p sin ©0 p X p
где X - длина волны зондирующего излучения, B - расстояние между антенной радиолокатора при разновременной съемке (пространственная база), ©0 - угол обзора земной поверхности, рассчитанный для опорной площадки, а - угол наклона базовой линии, B°p - перпендикулярная составляющая базовой линии, рассчитанная для опорной площадки, R1,p - расстояние между антенной при первом пролете и точкой на опорной площадке, Hp -высота отражающей поверхности над опорной, Dp - смещение
отражающей поверхности за время между съемками.
Вследствие некоррелируемого шума, возникающего в результате множественных переотражений от поверхности, интерферомет-рическая фаза является случайной величиной, распределенной по закону Гаусса. Математическое ожидание интерферометрической фазы представлено уравнением 2. Дисперсия зависит от величины когерентности разновременных радиолокационных сигналов, которая принимает значения в интервале от 0 до 1 и является параметром качества результатов интерферометрической обработки. Основными факторами, влияющими на когерентность являются пространственная и временная декорреляция. На основе уравнения 2 и значения дисперсии интерферометрической фазы рассчитываются погрешности определения высот и смещений земной поверхности в соответствии со следующими формулами [1]:
RX sin © ,0.
ст = ст -, (3)
z ф 4тсВ± '
ст d =стф 4S ■ (4)
где <зг - погрешность определения высоты, и0 - погрешность определения смещений, стф - дисперсия интерферометрической фазы, Я - расстояние от антенны до точки на земной поверхности.
Как следует из формул 3 и 4, интерферометрическая фаза более чувствительна к смещениям, чем к перепадам высот рельефа. Поэтому для построения цифровых моделей местности подбирают интерферометрические пары кадров с большей перпендикулярной пространственной базой, но не превосходящей критического значения. Для расчета смещений дифференциальную пару кадров подбирают по возможности с меньшей перпендикулярной пространственной базой, чтобы минимизировать влияние рельефа.
Целью интерферометрической обработки данных Беп^пеЫА являлось оценка величин смещений поверхности как уступов карьера «Железный» Ковдорского ГОКа, так и его окрестностей, вследствие техногенного влияния. Для обработки были выбраны три радарных кадра за 04.08.2015, 16.08.2015 и 28.08.2015 г.. Были составлены 2 интерферометрические пары: первая за интервал 04-28 августа, вторая 16-28 августа.
Первая пара кадров (04.08.2015 - 16.08.2015), для которой длина перпендикулярной базовой линии (Б±) составляет 72м, использована для расчета опорной цифровой модели местности. На основе второй пары (16.08.2015 - 28.08.2015) с перпендикулярной базой 32 м, рассчитаны смещения земной поверхности. При этом для устранения топографической составляющей интерферо-метрической фазы (2) использованы высоты рельефа, рассчитанные при обработке первой пары кадров. Такая схема обработки носит название 3-х проходной радарной интерферометрии [9, 10].
На рис. 2, а (см. Приложение, с. 449) представлена карта смещений, полученная по результатам обработки снимков территории карьера «Железный» Ковдорского ГОКа сотрудниками БФУ по методу 3-х проходной интерферометрии. Было проведено геокодирование из координат радиолокатора (азимут, наклонная дальность) в универсальную проекцию Меркатора (ЦТМ, зона 36) с размером элемента разрешения 14x14 м. Пустые области на карте смещений соответствуют зонам низкой интерферометриче-ской когерентности (<0.2). В западной части карьера низкая когерентность связана с геометрией съемки радиолокатора. Спутник Беп^пеЫА снимает земную поверхность с правой стороны от себя, и при восходящей орбите (движение космического аппарата с
юга на север) луч падает с запада, поэтому эта часть карьера частично находится в зоне радиотени, а также борта частично отражают радиосигнал в сторону от антенны спутника (рис. 2, б). Стенка восточной части карьера наоборот обращена в сторону к радиолокатору, поэтому обратное отражение максимально. Низкая когерентность в этой зоне связана с временной декорреляци-ей разновременных радиолокационных сигналов. В этом случае за время между съемками происходят некоррелируемые изменения отражающей поверхности. Одним из таких изменений может является формирующееся сдвижение уступов карьера.
В результате интерферометрической обработки указанных выше радарных кадров Sentinel-1A выявлены локальные просадки отражающей поверхности вдоль восточного борта карьера, максимальная величина которых составляет около 2 см.
Горный институт КНЦ РАН также располагает данными ин-терферометрической обработки радарных снимков Sentinel-1A за период 16 марта - 9 апреля и 8-20 июня 2015 г, предоставленные Горному институту В.П. Потаповым из Кемеровского филиала Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук (КФ ИВТ СО РАН).
В целях сопоставительного анализа полученных авторами данных и данных В.П. Потапова, на рис. 3 (см. Приложение, с. 449) приведена карта смещений поверхности территории карьера «Железный» по результатам интерферометрической обработки пары снимков 16 марта - 9 апреля и 8-20 июня КФ ИВТ СО РАН.
Для оценки величин смещений построены графики вертикальных и горизонтальных смещений по длинной и короткой оси карьера (рис. 4 (см. Приложение, с. 449)). Как видно из рис. 4, приповерхностные части бортов карьера испытывают поднятия до 2 см и сближение также на величину до 2-2,5 см. При этом наибольшие величины смещений приурочены к северо-западному борту карьера. Вместе с тем, придонные части карьера оседают и расширяются на величину до 3-3,5 см.
Таким образом, сопоставление данных по результатам интер-ферометрической обработки радарных снимков спутника Sentinel 1-A БФУ им. Канта (Филатов А.В.) и КФ ИВТ СО РАН (Потапов В.П.) показало их удовлетворительную сходимость. Для целей мониторинга и анализа процессов сдвижения поверхности территории карьера «Железный» Ковдорского ГОКа необходимы даль-
нейшие накопления и интерферометрическая обработка радарных кадров Sentinel-1A.
Заключение
На основе проведенных исследований обобщен опыт применения радарных съемок для мониторинга горнотехнических и нефтегазовых объектов западной части российского сектора Арктики. Применительно к целям регионального и локального мониторинга карьера «Железный» Ковдорского ГОКа приведены примеры георадарного подповерхностного зондирования массива пород, радарного контроля поверхности уступов и интерферометрической обработки снимков радиолокационного спутника Sentinel-1A. Выполнен предварительный комплексный анализ радарных съемок для целей регионального мониторинга глубокого карьера - как характерного горнотехнического объекта, расположенного в Арктической зоне РФ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мельников Н.Н., Калашник А.А., Калашник Н.А., Каспарьян Э.В. Научно-организационные основы геодинамического мониторинга нефтегазовых объектов в регионе Баренцева моря в целях защиты окружающей при-родно-технической среды //Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. - 2014. — № 6. - С. 5-10.
2. Мельников Н.Н., Калашник А.И, Каспарьян Э.В., Калашник Н.А. Концепция геодинамического мониторинга объектов нефтегазопромысла в регионе Баренцева моря // Геоэкология. - 2015. — № 2. - С. 166-174.
3. Мельников Н.Н., Калашник А.И. Создание многоуровневой системы геодинамического мониторинга горнотехнических и нефтегазовых объектов западной части российского сектора Арктики// Арктика: экология и экономика. - 2015. — № 3 (19). - С.66-75.
4. Калашник А.И., Дьяков А.Ю. Георадарное исследование геолого-структурного строения рабочего уступа карьера // Изв. вузов. Горный журнал. — 2015. — № 6. - С.73-78.
5. Калашник А.И., Запорожец Д.В., Дьяков А.Ю., Казачков С.В., Со-харев В.А. Исследования георадарами структуры и текущего состояния горных пород, слагающих уступы основного карьера Ковдорского ГОКа// Горный журнал. - 2014. - № 4. - С.60-64
6. Калашник А.И. Интегрирование георадарной съемки в мониторинг геологической среды горнотехнических и нефтегазовых систем западного сектора арктического региона //Комплексные научные исследования и сотрудничество в Арктике: взаимодействие вузов с академическими и отраслевыми научными организациями: матер. Всерос. конф. с междунар. участием, 26-27 фев. 2015г. - Архангельск САФУ, 2015. - С. 131-135. [Электронный ресурс] http://www.narfu.ru/upload/medialibrary/159/ procarcticonf2015.pdf.
7. Haussen R.F. Radar Interferometry - Data Interpretation and Error Analysis. - Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001. - 308 p.
8. Мельников H.H., Калашник A.M., Запорожец Д.В., Дьяков А.Ю., Максимов Д.А. Опыт применения георадарных подповерхностных исследований в западной части российского сектора Арктики //Проблемы Арктики и Антарктики (в печати).
9. Derauw D., Moxhet J. Multiple images SAR interferometry. ESA Fringe 96, 1996.
10. Филатов А.В. Метод обработки комплексных радиолокационных ин-терферограмм в условиях высокой временной декорреляции // диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Алтайский государственный университет. Барнаул, 2009. с. 160. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Мельников Николай Николаевич - академик РАН, научный руководитель института, melnikov@goi.kolasc.net.ru,
Калашник Анатолий Ильич - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, kalashnik@goi.kolasc.net.ru, Горный институт Кольского научного центра РАН,
Филатов Антон Валентинович - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, AnFilatov@kantiana.ru,
Евтюшкин Аркадий Викторович — кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, AYEvtyushkin@kantiana.ru,
Научно-исследовательский институт прикладной информатики и математической геофизики Балтийского федерального университета им. И Канта (НИИ ПИ и МГ БФУ).
UDC 622.012.3:550.835(98)
OPEN-PIT RADAR SURVEY MONITORING UNDER ARCTIC CONDITIONS
Melnikov N.N., Research director, academician of RAS, root@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia, Kalashnik A.I., head of laboratory, Ph.D. (Eng.), kalashnik@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia, Filatov A.V., leading researcher, Ph.D. (Phys.-math.), Research Institute of Applied Informatics and Mathematical Geophysics of Immanuel Kant Baltic Federal University, AnFilatov@kantiana.ru, Russia,
Evtushkin A.V., head of laboratory, Ph.D. (Phys.-math.), Research Institute of Applied Informatics and Mathematical Geophysics of Immanuel Kant Baltic Federal University, AYEvtyushkin@kantiana.ru, Russia.
The paper describes application of radar surveys for monitoring of mining-engineering and oil-gas objects at the western part of the Russian arctic sector. The examples are given of georadar subsurface sounding of rock mass, radar control for bench's surface and interferometric treatment of images of the Zhelezny mine, JSC «Kovdorsky GOK» made by a radiolocation satellite Sentinel-1 A. Preliminary integrated analysis of radar survey has been performed for the purposes of regional monitoring of a deep open-pit being a typical mining-engineering object located in the Russian arctic zone.
Key words: Arctic, mining-engineering objects, open-pit, radar survey, monitoring
REFERENCES
1. Mel'nikov N.N., Kalashnik A.A., Kalashnik N.A., Kaspar'jan Je.V. Nauchno-organizacionnye osnovy geodinamicheskogo monitoringa neftegazovyh obektov v regione Barenceva morja v celjah zashhity okruzhajushhej prirodno-tehnicheskoj sredy (Scientific and organizational basis for geodynamic monitoring of oil and gas objects in Barents sea in order to protect the natural and technological environment) //Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom komplekse. 2014. No 6. pp. 5-10.
2. Mel'nikov N.N., Kalashnik A.I, Kaspar'jan Je.V., Kalashnik N.A. Koncepcija geodinamicheskogo monitoringa ob'ektov neftegazopromysla v regione Barenceva morja (The concept of geodynamic monitoring of objects of neftegazopromyslovy in the region of the Barents sea) // Geojekologija. 2015. No 2. pp. 166-174.
3. Mel'nikov N.N., Kalashnik A.I. Sozdanie mnogourovnevoj sistemy geodi-namicheskogo monitoringa gornotehnicheskih i neftegazovyh ob'ektov zapadnoj chasti rossijskogo sektora Arktiki (Create a multilevel system of geodynamic monitoring of mining and oil and gas facilities in Western parts of the Russian Arctic) // Arktika: jekologija i jeko-nomika. 2015. No 3 (19). pp. 66-75.
4. Kalashnik A.I., D'jakov A.Ju. Georadarnoe issledovanie geologo-strukturnogo stro-enija rabochego ustupa kar'era (GPR study of the structural Geology the structure of the working quarry face) // Izv. vuzov. Gornyj zhurnal. 2015. No 6. pp. 73-78.
5. Kalashnik A.I., Zaporozhec D.V., D'jakov A.Ju., Kazachkov S.V., Soharev V.A. Issledovanija georadarami struktury i tekushhego sostojanija gornyh porod, slagajushhih ustupy osnovnogo kar'era Kovdorskogo GOKa (Study of the structure and current state of the rocks, forming ledges of the main pit of Kovdorskiy GOK Gorn) // Gornyj zhurnal. 2014. No 4. pp.60-64.
6. Kalashnik A.I. Integrirovanie georadarnoj s'emki v monitoring geologicheskoj sredy gornotehnicheskih i neftegazovyh sistem zapadnogo sektora arkticheskogo regiona (Integration of GPR research in the monitoring of the geological environment of mining and oil and gas systems of the Western sector of the Arctic region) //Kompleksnye nauchnye issledovanija i sotrudnichestvo v Arktike: vzaimodejstvie vuzov s akademicheskimi i otraslevymi nauchnymi organizacijami: mater. Vseros. konf. s mezhdunar. uchastiem, 26-27 fev. 2015. Arhangel'sk SAFU, 2015. pp. 131-135. [Jelektronnyj resurs] http://www.narfu.ru/ upload/medialibrary/159/procarcticonf2015.pdf
7. Hanssen R.F. Radar Interferometry - Data Interpretation and Error Analysis (Radar Interferometry - Data Interpretation and Error Analysis). Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001. 308 p.
8. Mel'nikov N.N., Kalashnik A.I., Zaporozhec D.V., D'jakov A.Ju., Maksimov D.A. Opyt primenenija georadarnyh podpoverhnostnyh issledovanij v zapadnoj chasti rossijskogo sektora Arktiki (Experience of application of GPR subsurface investigations in the Western part of the Russian sector of the Arctic) //Problemy Arktiki i Antarktiki (v pechati).
9. Derauw D., Moxhet J. Multiple images SAR interferometry (Multiple images SAR interferometry). ESA Fringe 96, 1996.
10. Filatov A.V. Metod obrabotki kompleksnyh radiolokacionnyh interferogramm v uslovijah vysokoj vremennoj dekorreljacii (Method of processing of complex radar interferogram in conditions of high temporal decorrelation) // dissertacija na soiskanie uchenoj stepeni kandidata fiziko-matematicheskih nauk. Altajskij gosudarstvennyj universitet. Barnaul, 2009. pp. 160.
