В статье рассматривается проект создания спутниковой геодезической сети на геодинамическом полигоне с целью мониторинга деформированного состояния земной поверхности при разработке месторождения для обеспечения промышленной безопасности.
Ключевые слова : геомеханика, земная поверхность, мониторинг, GPS-измерения.
The article discusses pilot project for the creation of a satellite geodetic network at geodynamic polygon in order to monitor the deformed state of the Earth's surface during the development of a field to ensure industrial safety.
Keywords : geomechanics, Earth's surface, monitoring, GPS measurements.
Одной из актуальных проблем при ведении крупномасштабных горных работ, особенно в массивах скальных пород, является техногенная сейсмичность, влекущая за собой не только катастрофические технико-экономические последствия (техногенные землетрясения, горные удары, оползни и др.), но и приводящая иногда к человеческим жертвам. Техногенные землетрясения происходили в Германии, США, Польше, Чехословакии. В России эта проблема остро стоит на СУБРе, рудниках Верхнекаменского месторождения калийных солей, Хибинских апатитонефелиновых рудниках [1–3].
Все это является прямым следствием изменения геодинамического режима геологической среды под влиянием крупномасштабных горных работ, что убедительно подтверждается результатами научных исследований на примере природно-технической системы (ПТС) «Казахмыс», которую образуют 4 подземных рудника и 4 карьера, 5 обогатительные фабрики, медеплавильные заводы в Караганде, Балхаше, Жезказгане и Сатпаеве и соответствующая инфраструктура в Центральном Казахстане является мощным субъектом антропогенного воздействия на окружающую среду, представляющим большие возможности для исследования широкого спектра техногенных катастроф и снижения их риска. В последние годы в разработку и эксплуатацию рудных месторождений все больше включают объекты со сложным геологическим строением и большой глубиной залегания, что требует специальных условий освоения и разработки этих объектов. Не снижается процент пробуренных «пустых» скважин, что в немалой степени также обусловлено сложностью строения исследуемых перспективных рудных объектов. глубинах.
Возросшие объёмы и интенсивность освоения таких месторождений порождают возникновение техногенных катастроф, которые связаны с определенными смещениями и оседаниями земной поверхности. Эффективность и безопасность работ как при добыче полезных ископаемых, так и при эксплуатации объектов, попадающих в зону влияния этих действий, зависят от геодинамического состояния толщи пород и происходящих в ней тектонических и техногенных процессов. Надежную информацию о деформациях массива пород можно получить прямыми геодезическими наблюдениями на геодинамических полигонах [1].
КазНИТУ имени К. И. Сатпаева ведет высокоточные геодезические наблюдения на геодинамических полигонах ряда месторождений Казахстана. Среди современных методов и средств исследования смещений и деформаций земной поверхности весьма эффективными является технология спутниковой системы (GPS — технология). Наряду с GPS-технологиями, ведутся систематические наблюдения с помощью электронных тахеометров и цифровых нивелиров для различных районов интенсивной добычи твердых полезных ископаемых [2].
Всем известно, что разведанные запасы медной руды Жезказганского месторождения постепенно отрабатываются и, во избежание трудностей в будущем, сложилась необходимость выявления дополнительных запасов руды для продления жизни месторождения еще на 40–50 лет и новых месторождений вблизи городов Жезказгана и Сатпаева в Улытауской области Казахстана. И в настоящее время расширяется минерально-сырьевая база Центрального Казахстана [5].
Анализ состояния методики проведения геодезических наблюдений на территории разрабатываемого месторождения прежде всего связано с отсутствием эффективных способов определения величин деформаций, что обуславливает необходимость совершенствования методики наблюдений с использованием современных приборов . А, ведение наблюдений на территории гигантского медного месторождения, занимающего большую площадь, состоящего из нескольких залежей и залегающих в различных глубоких горизонтах, требует создания высокоточного геодезического обоснованияи. Для обеспечения огромной площади, классический вариант создания геодезических сетей на месторождений, является довольно трудоемким. Он требует больших финансовых затрат на организацию и производство наблюдений. В связи с этим нами предлагается заменить протяженные линии нивелирования локальными геодезическими построениями в виде профильных линий и контрольных «кустов» геодезических и нивелирных пункт(рис.1).
Проект геодинамического полигона (ГДП) «Сарыоба» состоит из 6 наземных геодезических пунктов принудительного центрирования (Н
Рис. 1. Структурная схема наблюдательной сети геодинамического полигона «Сарыоба»
Наземный геодезический пункт состоит из металлической трубы-1 диаметром 110 мм, длиной 2500 мм, установленную вдоль скважины -2. Верхняя часть трубы 1 выполнена с проемом 3 для крепления станового винта к трегерам геодезических приборов и размещена над уровнем земной поверхности 4. Верхний конец металлической трубы 1 перекрыт металлической площадкой -5 размером 200x200x10 мм, по центру выполнено отверстие -6, диаметр которого совпадает с диаметром резьбовой части станового винта от штатива, чтобы не было люфта, а также имеется дополнительная марка-7. Этим исключается погрешность центрирования (рис.2).
Центры пунктов на ГДП «Сарыоба» заложены в землю на глубину 1,5 метра, что ниже наибольшей из максимальных глубин промерзания грунта для представленной территории на 1,0 метра. Закладка пунктов выполнена способом бурения и присутствием работников Геомеханической службы ТОО «Корпорации Казахмыс» [3].
Рис. 2. Конструкция и внешний вид пункта, обеспечиваяющего принудительное центрирование спутниковых приборов
Таким образом, для комплексного изучения геодинамических и геомеханических процессов разработки месторождений, занимающих большую площадь, предложен новый способ создания ГДП в виде локальных контрольных «кустов» геодезических и нивелирных пунктов, взамен протяженных линий нивелирования. Заложен ГДП, состоящей из 6 опорных пунктов и 72 деформационных нивелирных реперов
В рамках комплекса геодезических работ по наблюдению за деформациями на Сарыобинском геодинамическом полигоне, были выполнены работы по определению координат и высот пунктов сети с применением технологий глобальной навигационной спутниковой сети (ГНСС). Спутниковые измерения выполнялись в режиме Статика, работа в данном режиме подразумевает условное подразделение на два этапа, это полевые работы и камеральная обработка.
Геодезическое оборудование и методика производства ГНСС измерений выбраны, исходя из необходимости достижения точности измерений не хуже 2–3 мм в плане и 5–7 мм по высоте.
При производстве полевых работ применялось три GPS-приемника швейцарской фирмы Leica GS16–2 приемника и один приемник GPS1200. Измерения производились в 3 сеанса спутниковых наблюдений. Продолжительность каждого сеанса не менее 5 часов, при этом за начало отсчета сеанса наблюдений бралось время включения последнего GPS-приемника (Рис.3).
Рис. 3. Спутниковые измерения GPS-приемниками
После завершения полевых работ по спутниковым измерениям полученные сырые данные, в камеральных условиях конвертировали в универсальный обменный формат Rinex. Камеральная пост-обработка сырых данных выполнялась в программном обеспечении Giodis фирмы Javad GNSS. Методика математической обработки результатов ГНСС наблюдений на ГДП, как и методика полевых измерений, принята одинаковой во все эпохи наблюдений с использованием специального программного продукта [4, 5].
Для получения точных координат и высот в пост-обработку были включены сырые данные пунктов мировой сети IGS. На пунктах данной сети на постоянной основе выполняется обработка и уравнивание этой сети. Привязка наших пунктов к вышеназванной сети обеспечивает высокую точность и согласованность полученных координат и высот со всемирной координатной основой ITRF2008 и системой координат WGS84. Так же для повышения точности конечных результатов перед обработкой в проект были включены такие данные как точные эфемериды спутников, ионосферные карты, карты состояние тропосферы и уточненные часы спутников за период выполнения полевых работ (таблица).
Таблица 1
Результаты обработки спутниковых измерений
Использование этих данных в пост-обработке позволило исключить основные источники ошибок возникающих при выполнении спутниковых измерений. А также повысить точность конечных результатов, то есть координаты и высоты определяемых пунктов.
Выводы. На основе проведенных GPS–измерений маркшейдерская служба рудника «Восточная Сарыоба» была обеспечена опорными пунктами, координаты которых определены с высокой точностью.
Для мониторинга медленных движений земиной поверхности на ГДП измерения были проведены на основе инновационной техзнолоргий и их результаты обработаны с помощью геодезического программного пакета Giodis, что позволило быстро и с высокой точностью определить положение пунктов в единой системе кооординат. Проведен первый этап геодинамического мониторинга земной поверхности с использованием GPS прибора GS16 c радиомодем и получен каталог координат пунктов и реперов ГДП.
« Исследование выполнено при финансовой поддержке Комитета науки МОН РК (Грант № АР08857097)
Литература:
- Михаилова Н. Н., Узбеков А. Н. Тектонические и техногенные землетрясения в Центральном Казахстане // Известия НАН РК. Серия геологии и технических наук, № 3, 2018. — С.137- 145.
- Nurpeisova M. B., Bitimbayev M.Zh., Rysbekov К. В.,Shults R. Geodetic substantiation of the Saryarka copper ore region/ / News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan-Series of Geology and Technical Sciences. 2020. Vol.6. P.194–202.
- Нурпеисова М. Б., Кыргизбаева Г. М. Бек А. А. Геомеханический мониторинг техногенных систем.- Германия: LAR Lambert Akademic Publishing.2017.-115 с.
- Нурпеисова М. Б., Абенов А. М., Дербисов К. Н. Сздание геодинамического полигона «Сарыоба» -М.:Маркшейдерия и недропользование, № 1, 2022.-19–23.
- Мынгжасаров Б., Абенов А. М., Нукарбекова Ж. М. Геодезический мониторинг деформационных процессов при освоении недр// Труды Международной научно-практической конференции, посвященной 115-летию академика А. Ж. Машанова «Инновационные технологии в геопространственной цифровой инженерии» — Алматы; КазНИТУ им.К. И. Сатпаева, 18–19- марта 2022.- С.433–437.
