Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние методов исследования сдвижений земной поверхности 9
1.1. Цели и задачи исследования процесса сдвижения горных пород 9
1.2. Теоретические исследования процесса сдвижения горных пород на основе геомеханических моделей 16
1.3. Инструментальные методы исследования сдвижения горных пород и земной поверхности 26
1.4. Задачи в области развития методов инструментальных исследований 34
1.5. Выводы 36
2. Обоснование геомеханической модели 37
2.1. Современные представления о геомеханической модели разрабатываемого месторождения 37
2.2. Обоснование параметров геомеханической модели 40
2.3. Обсуждение геомеханической модели 56
2.4. Выводы 59
3. Принципы построения наблюдательных станций для исследования процесса сдвижения 60
3.1. Геомеханические принципы построения наблюдательных станций 60
3.2. Наблюдательные станции во внешней области деформирования породного массива 75
3.3. Наблюдательные станции для изучения процессов сдвижения 81
3.4. Специальные наблюдательные станции 86
3.5. Выводы 92
4. Методика выполнения инструментальных исследований процесса сдвижения 94
4.1. Обоснование метода инструментальных измерений 94
4.2. Приборное и программное обеспечение исследований 100
4.3. Выполнение полевых инструментальных измерений 113
4.4. Камеральная обработка результатов измерений 124
4.5. Оценка погрешностей и условий применения методики 134
4.6. Выводы 144
5. Решение практических задач на горных предприятиях 146
5.1. Реконструкция маркшейдерско-геодезического обоснования на Киембаевском ГОКе 146
5.2 Мониторинг процесса сдвижения городской территории Н.Тагила при разработке Высокогорского месторождения 151
5.3. Контроль состояния объектов промплощадки шахты Эксплуатационная при выемке предохранительного целика 156
5.4. Выводы 161
Заключение 162
Список использованных источников
- Инструментальные методы исследования сдвижения горных пород и земной поверхности
- Обсуждение геомеханической модели
- Наблюдательные станции для изучения процессов сдвижения
- Камеральная обработка результатов измерений
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка месторождений полезных ископаемых неизбежно вызывает преобразования геологической среды: от незначительных деформаций земной поверхности до значительных подвижек по границам структурных блоков и техногенных землетрясений. В области влияния горных работ зачастую оказываются жилые и промышленные объекты, разрушение которых может привести к тяжелым последствиям, причем последствия техногенной деятельности проявляются не только в период эксплуатации горного предприятия, но и в период, следующий за его ликвидацией.
Параметры напряженно-деформированного состояния массива горных пород относятся к основным факторам, определяющим закономерности развития процесса сдвижения и деформирования горных пород и земной поверхности в областях влияния разработки месторождений полезных ископаемых. На основании этих данных делаются прогнозные оценки развития процесса сдвижения и принимаются решения о безопасной эксплуатации объектов, попадающих в область влияния горных разработок. Основным, а зачастую и единственным способом определения параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород являются натурные инструментальные измерения смещений в пространстве и во времени специально оборудованных точек земной поверхности - реперов наблюдательных станций.
Существующие методики по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при разработке месторождений полезных ископаемых не полно отражают реальные геомеханические процессы, происходящие при формировании вторичного напряженно-деформированного состояния массива горных пород, поскольку измерения смещений реперов производятся но неравномерной измерительной сетке только в двух плоскостях - в вертикальной и в направлении профильной линии. К тому же не охваченной геодезическими измерениями остается обширная область техногенного влияния горных разработок -зона, в которой имеют место деформации, вызванные перераспределением техногенных нагрузок.
Упрощенный подход к оценке деформационных процессов в двухмерном пространстве влечет за собой ошибочные представления о состоянии охраняемых объектов, что нередко приводит к аварийным ситуациям. Для решения современных задач геомеханики и принятия решений по охране объектов от влияния горных разработок необходима достоверная информация о распределении деформаций в трехмерном пространстве, которую, в свою очередь, не-
возможно получить без знания величин и направлений полного вектора смещений точек, распределенных по всей области влияния горных разработок.
Таким образом, исследования, направленные на получение новых знаний о закономерностях формирования вторичного напряженно-деформированного состояния и совершенствование методов изучения его параметров на качественно новом уровне актуальны для науки и практики современного горного дела.
Объект исследований - процессы деформирования земной поверхности и массива горных пород, подверженных техногенному воздействию от ведения горных работ.
Предмет исследований - закономерности формирования параметров вторичного напряженно-деформированного состояния породного массива и методы их изучения.
Цель работы - исследование закономерностей деформирования массива горных пород и земной поверхности в области влияния горных разработок в условиях анизотропного начального поля напряжений и иерархически блочной структуры массива горных пород для создания метода инструментальных исследований сдвижений горных пород, обеспечивающего повышение надежности прогнозных оценок состояния охраняемых объектов.
Идея работы заключается в применении площадного принципа построения наблюдательной станции за счет использования GPS-технологий, что позволяет получить полные трехмерные вектора смещения точек земной поверхности и пространственные компоненты поля деформаций.
Защищаемые научные положения:
В области влияния горных разработок формируются внутренняя зона деформирования, образующаяся непосредственно вокруг выработанного пространства под воздействием уравновешенной системы сил, и внешняя, возникающая за счет нарушения изостазии при перемещении полезного ископаемого и вскрышных пород. Размеры внутренней зоны, в соответствии с принципом Сен-Венана, составляют 2-3 средних радиусов выработанного пространства, а у внешней зоны, в соответствии с решением Бусинеска, практически заметные деформации могут распространяться на 20-30 средних радиусов.
Получение объемного тензора деформаций, характеризующего напряженно-деформированное состояние массива, достигается за счет измерения параметров полных векторов смещений реперов наблюдательной станции, образующих базовые треугольные элементы, с использованием математического аппарата механики сплошной среды.
3. Плотность сети реперов наблюдательной станции зависит от расположения охраняемых объектов, ожидаемых градиентов деформирования, структуры массива горных пород и расстояния между реперами определяются во внутренней области деформирования размерами охраняемых сооружений, а во внешней области деформирования возрастают от 1 до 5 радиусов зоны техногенного возмущения в направлении ее внешней границы.
Научная новизна работы:
Установлены закономерности формирования вторичного напряженно-деформированного состояния массива горных пород в области влияния горных разработок, выделяющие внутреннюю и внешнюю зоны деформирования, особенности и источники развития деформаций.
Выявлены зависимости объемного тензора деформаций массива горных пород и земной поверхности от параметров области возмущения, анизотропии первоначального напряженного состояния и ориентации их главных осей.
3. Разработана экспериментальная методика определения параметров
объемного тензора деформаций, основанная на измерении полных векторов
смещений реперов наблюдательной станции, построенной по площадному
принципу с использованием треугольных базовых элементов.
Практическое значение работы:
Разработана новая методика исследования процесса сдвижения, обеспечивающая надежный контроль за состоянием массива горных пород и безопасную эксплуатацию объектов, находящихся в зоне техногенного влияния горных разработок, за счет учета объемного характера деформирования.
Обоснована конструкция наблюдательной станции, обеспечивающая надежный контроль за развитием процесса сдвижения на исследуемом участке за счет определения всего комплекса компонентов объемного деформирования.
Разработан регламент проведения измерений параметров поля деформаций, камеральной обработки результатов измерений, обеспечивающие реализацию теоретических положений диссертации, рекомендованы необходимые приборы и инструменты.
Методы исследований. В работе использованы методы аналитического обобщения научного и практического опыта по проблеме, теоретические методы механики сплошной среды, натурные измерения деформаций массива горных пород в полевых условиях с применением GPS-технологий, математический аппарат высшей геодезии для камеральной обработки экспериментальных
данных, численное сопоставление модельных представлений с результатами натурных измерений, промышленные эксперименты.
Достоверность научных положений подтверждается большим объемом экспериментальных работ в полевых условиях, использованием апробированных методов исследования сдвижений горных пород, основанных на положениях классической теории упругости и механики сплошной среды, обоснованием основных параметров геомеханической модели разрабатываемого месторождения для исследования процессов сдвижения земной поверхности, численным сопоставлением результатов промышленных экспериментов с модельными представлениями.
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении опубликованных в специальной литературе сведений по исследуемому вопросу, установлении закономерностей формирования вторичного напряженно-деформированного состояния массива горных пород в области техногенного влияния горных разработок, обосновании геомеханической модели разрабатываемого месторождения, разработке и исследовании методики определения параметров процесса сдвижения с применением GPS-технологии, практической проверке разработанной методики в промышленных условиях на горных предприятиях.
Реализация работы осуществлена при исследованиях процесса сдвижения и решении вопросов охраны объектов, находящихся в области влияния горных разработок на шахте «Сарановская-Рудная», шахтах Высокогорского ГОКа, карьерах Коршуновского ГОКа, ОАО «Оренбургские Минералы» (Ки-ембаевский ГОК) и других горных предприятий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях «Геомеханика в горном деле» (Екатеринбург, 1996, 1998, 2000, 2002, 2005 и 2007 гг.), Международных конференциях «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли» (Новосибирск, 2001, 2003 и 2007 гг.), Уральской молодежной школе по геофизике (Екатеринбург - Пермь, 2002-2005 гг.); на технических совещаниях по утверждению мер охраны объектов от вредного влияния горных разработок (Высокогорский ГОК, Донской ГОК, ОАО «Оренбургские Минералы» (Киембаев-ский ГОК), шахта Сарановская-Рудная, 2000-2006 гг.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 15 печатных работах, в том числе в специальном разделе учебного пособия.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 175 страниц машинописного текста, в т.ч.
12 таблиц и 57 рисунков. Список использованных источников включает в себя 136 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. А.Д. Сашурину, высокопрофессиональное руководство, постоянное внимание и помощь которого способствовали выполнению работы, профессору, д.т.н. СВ. Корнилкову и чл.-корр. РАН В.Л. Яковлеву за содействие, поддержку и консультации по важнейшим вопросам диссертации, сотрудникам лаборатории сдвижения горных пород и предотвращения техногенных катастроф ИГД УрО РАН за сотрудничество и поддержку, оказанные в период выполнения исследований и подготовки данной работы.
Инструментальные методы исследования сдвижения горных пород и земной поверхности
Понятие процесса сдвижения горных пород объединяет весь комплекс явлений, связанных с деформированием породного массива и нарушением земной поверхности в области влияния горных разработок. Процесс сдвижения неизбежно возникает при разработке месторождений полезных ископаемых, и он сопряжен с безусловным нарушением равновесия в массиве горных пород. В качестве факторов, вызывающих процесс сдвижения, выступают образование в горном массиве пустот и нарушение гидрогеологического режима, влекущие за собой изменение напряженного состояния горного массива, перемещение и деформирование вмещающих полезные ископаемые пород. В зависимости от параметров и технологии разработки месторождения процесс сдвижения может либо локализоваться внутри массива горных пород, либо проявиться на земной поверхности в виде провалов, террас, трещин и зон плавных деформаций при разработке месторождения подземным способом и в виде осыпей, камнепадов, оползней и обрушений горных пород, слагающих откосы, при открытой разработке.
На протяжении всей истории развития горного дела вопрос о сдвижении горных пород является актуальным и обращает на себя внимание многих исследователей. Это обусловлено тем, что в зону влияния горных разработок нередко попадают как сооружения горных предприятий, так и окружающие промышленные, жилые и общественные здания и сооружения, объекты железнодорожного транспорта, линии электропередачи, а также природные объекты, нарушение целостности которых может не только привести к возникновению аварийных ситуаций на них, но и к многочисленным человеческим жертвам и крупным материальным убыткам. Так, на шахте «Магнетитовая», ведущей разработку Высокогорского месторождения подземным способом в черте города Нижний Тагил, в связи с углублением горных работ в мульду сдвижения попало более 20 жилых домов, здания отделения травматологии и детской больницы. На шахте «Естюнинская» Высокогорского ГОКа при углублении горных работ до отметки -1020 м на залежах «Естюнинская» и «Новоестюнинская» подработанными окажутся жилой поселок, река Баранча и трасса Екатеринбург - Серов. Наряду с негативным воздействием на подрабатываемые объекты, процесс сдвижения нередко создает опасность для производства самих горных работ. Так, проявление процесса сдвижения в зоне ведения подземных горных работ может выражаться изменением внутреннего сечения выработок, появлением в кровле и боках выработок трещин, расслаиванием вмещающих пород и обрушением выработок. При открытых горных работах проявления процесса сдвижения могут не только привести к выходу из строя производственного оборудования, нарушению транспортных и энергетических систем, но и на длительное время полностью парализовать работу карьера. Образование зоны обрушения, макро- и микротрещин при выемке полезного ископаемого под реками, озерами, водо- и шламохранилищами или при наличии карстов, обводненных пород и плывунов может привести к прорыву вод и затоплению горных выработок.
Недостаточная изученность природы процесса сдвижения горных пород может привести не только к катастрофическим последствиям, но и к крупным экономическим потерям, когда огромные средства тратятся на ремонт и поддержание в безопасном состоянии горных выработок, подработанных зданий и сооружений, к неоправданно высоким потерям полезного ископаемого в предохранительных целиках. Таким образом, при ведении горных работ необходимо учитывать закономерности развития процесса сдвижения, поскольку они влияют на безопасность и эффективность горного производства.
Серьезные просчеты, допущенные в расположении промплощадки на шахте «Северопесчанская» привели к тому, что в зоне сдвижения оказались многие сооружения промплощадки, в том числе главные подъемные стволы шахты, электроподстанция, компрессорная и др. При разработке открытым способом недостаточная изученность процесса деформирования северного борта Главного карьера Качканарского ГОКа привела к активному трещинообразованию прибортового массива, что создает опасность для ведения горных работ на нижележащих горизонтах. Деформирование северо-восточного борта карьера Коршуновского месторождения создает угрозу эксплуатации расположенных в нагорной части прибортового массива важных объектов: железнодорожного тоннеля БАМа и гидротехнического тоннеля, отводящего от карьера воды реки Коршуниха.
Наряду с неудачными случаями решения вопросов сдвижения горных пород, в геомеханической практике имеется много примеров успешной выемки полезного ископаемого под различными сооружениями. В этих случаях горные работы производятся по специальным проектам, учитывающим вредные последствия и предусматривающим мероприятия по снижению величин деформаций и инструментальному контролю.
Актуальность охраны сооружений, находящихся в области влияния горных разработок, порождает исследования процесса сдвижения. Для того чтобы избежать негативных последствий проявления процесса сдвижения, необходимо знать закономерности его развития, на основе которых возможно прогнозирование состояния породного массива, нарушенного горными работами. Также необходим инструментальный контроль развития процесса сдвижения, обеспечивающий оценку текущего состояния подработанного массива, корректировку теоретических исследований и основанных на них прогнозах развития процесса сдвижения. Весь комплекс исследований необходимо проводить на основе нормативных документов, регламентирующих геомеханические аспекты отработки месторождений, методы прогноза его состояния и методы инструментального контроля процесса сдвижения. Реализация этих требований основана на теоретических исследованиях процесса сдвижения, обязательно сопровождающихся проведением инструментальных измерений.
Достаточно детально вопрос сдвижения земной поверхности начал освещаться во второй половине XIX века, в это время появился целый ряд серьезных исследований, основанных на фактических наблюдениях, быстрыми темпами пополнялась литература по этому вопросу. К этому же времени начались маркшейдерские наблюдения за развитием процесса сдвижения, которые в основном заключались в фиксации видимых проявлений процесса сдвижения -провалов и воронок, трещин на поверхности земли, зданиях и сооружениях [1].
К последней четверти XIX века серьезное изучение сдвижений поверхности уже широко развилось во многих странах, стало известно уже около 150 работ, посвященных данному вопросу. К этому же периоду относится начало инструментальных маркшейдерских наблюдений за сдвижениями поверхности, на основании результатов которых определялись не только углы обрушения, но и углы оседания, что имело большое значение для горной промышленности того времени. Ведущую роль в организации первых инструментальных наблюдений сыграл английский исследователь Гудвин, чьи наблюдения были опубликованы в 1864 г. [1, 2, 3]. К тому же времени относятся известные своей серьезной и обстоятельной постановкой маркшейдерские наблюдения Дортмундского горного управления, на основе которых были разработаны так называемые дортмундские правила построения предохранительных целиков под охраняемыми объектами, долгое время пользовавшиеся наибольшим авторитетом во всем мире. На основе этих правил были созданы Временные правила 1923 и 1927 гг. для применения на шахтах Донецкого бассейна [I]. Тогда же появился целый ряд теорий, сохранивших свое значение до настоящего времени. Основной движущей силой, обуславливающей развитие процесса сдвижения, в этих теориях считались гравитационные, действующие в породном массиве и обуславливающие его сдвижение на выработанное пространство от периферии к центру (рис. 1). Соответственно, инструментальный контроль с целью определения углов фактических сдвижений и корректировки мер охраны подрабатываемых объектов проводился по профильным линиям, закладываемым в главных сечениях месторождения по простиранию и вкрест простирания рудной залежи
Обсуждение геомеханической модели
Граничные условия модели включают систему сил и деформаций, действующих по плоскостям, ограничивающим область массива горных пород, затронутую техногенным влиянием добычи полезных ископаемых. Их величины и направления определяются непосредственно параметрами напряженного состояния нетронутого массива горных пород.
Фундаментальные представления о параметрах напряженно-деформированного состояния массива горных пород за последние несколько десятилетий претерпели серьезную эволюцию на основе теоретических и, особенно, экспериментальных исследований структуры и свойств скальных массивов и компонент первоначального и вторичного полей напряжений.
До внедрения в практику исследований массовых экспериментальных измерений напряжений представления о напряженном состоянии массива горных пород базировались на гипотезах А. Гейма и А.Н. Динника, в соответствии с которыми вертикальные напряжения определяются весом налегающих пород, а горизонтальные - боковым распором деформирующихся пород. Экспериментальные измерения напряжений подтвердили справедливость этих гипотез. Вместе с тем было установлено, что в массиве горных пород, кроме гравитационных напряжений, действует сложнейший комплекс иных сил, обусловленных многочисленными факторами. Наиболее существенными среди них, имеющими повсеместное распространение являются тектонические силы. Остаточным напряжениям, напряжениям, вызванным метаморфизмом вмещающих пород, изменением водного режима и другими факторами, присущ более локальный характер.
Таким образом, первоначальные горизонтальные напряжения, действующие на внешние границы, в общем случае включают следующие компоненты (см. рис. 13): силы бокового распора от действия веса налегающей толщи пород (аг); тектонические напряжения, характеризуемые величиной главных нормальных напряжений ст\, аТ2 и направлением их действия. Силы бокового распора изменяются пропорционально глубине. Горизонтальные тектонические силы в соответствии с проведенными обобщениями экспериментальных данных постоянны по глубине, и первый инвариант горизонтальных тектонических напряжений составляет аі+ог = -30.8 ± 2.3 МПа [52].
Экспериментальными исследованиями напряжений и деформаций в процессе разработки месторождений в скальных породах установлено, что сложной иерархически-блочной структуре скального массива, рассмотренной в предыдущем разделе, присуще более сложное напряженно-деформированное состояние, параметры которого являются предметом дальнейших исследований. Они имеют прерывистый характер, со всей очевидностью проявляющийся на границах структурных блоков и создающий сложную многоступенчатую мозаичную картину распределения компонент напряженно-деформированного состояния.
Современные экспериментальные методы определения напряжений основываются либо на распространенном в механике горных пород приеме создания возмущения в естественном поле напряжений путем образования полости в горном массиве и измерения сопутствующих деформаций в окружающих породах, либо путем измерения деформаций, возникающих в ненарушенном массиве горных пород под воздействием переменного поля напряжений [66]. В первом случае в результате обработки экспериментальных данных вычисляются абсолютные величины и направления действия главных нормальных напряжений, во втором случае вычисляются приращения напряжений, произошедшие в массиве горных пород между двумя сериями измерений. В зависимости от линейных размеров экспериментального участка различают измерения напряжений на малых и больших базах [80]. Измерения на малых базах основываются на измерении деформаций разгрузки малых участков, не превышающих 10 - 15 см. Основной недостаток этого способа заключается в том, что полученные с его помощью данные о параметрах напряженного состояния не отражают реальных процессов, происходящих в массиве горных пород. В реальном массиве скальных пород поле напряжений имеет неоднородную структуру, что затрудняет оценку напряженного состояния крупного участка горного массива или всего месторождения по данным точечных измерений.
Измерения напряжений на больших базах основываются на тех же теоретических предпосылках, что и измерения на малых базах. В качестве возмущающей полости используется зона обрушения от подземных горных работ. База измерения деформаций в этом случае увеличивается от первых метров до десятков и даже сотен метров. Методика определения напряжений на больших участках горного массива предусматривает проведение натурных измерений с охватом нескольких уровней структурных блоков, что придает экспериментальным данным качественно иное содержание. Измерения деформаций производят как по обычным поверхностным наблюдательным станциям, оборудованным для изучения процесса сдвижения горных пород, так и по специально оборудованным поверхностным и подземным наблюдательным станциям.
В процессе разработки месторождения горизонтальные и вертикальные напряжения претерпевают существенные изменения. Во внутренней области деформирования наиболее серьезные изменения претерпевают горизонтальные напряжения, являющиеся основной причиной деформирования массива горных пород и земной поверхности. Однако во внешней области деформирования, находящейся под влиянием мощных техногенных нагрузок, возможны значительные изменения вертикальных напряжений за счет образования в массиве высокоградиентных зон деформаций.
При рассмотрении данной геомеханической модели сдвижения горных пород следует подчеркнуть, что, в соответствии с масштабами отображаемых массивов горных пород, речь идет об интегральных характеристиках поля напряжений, для определения которых предпочтительны методы с базами измерений от сотен метров до нескольких километров.
Таким образом, рабочая геомеханическая модель разрабатываемого месторождения для осуществления инструментального контроля за развитием процесса сдвижения и обеспечения сохранности охраняемых объектов может быть представлена в обобщенном виде (рис. 16).
Среда геомеханической модели - массив горных пород - представляет собой сплошное однородное упругое изотропное объемное тело - нижнее полупространство, наделенное упругими, упруго-пластическими и иными свойствами. Деформационные свойства среды модели определяются численными значениями интегральных деформационных характеристик массива, соответствующими рассматриваемым базам деформирования. Рабочая зона модели представлена дневной поверхностью с охраняемыми сооружениями и природными объектами.
Исходное состояние среды геомеханической модели - первоначальное напряженно-деформированное состояние - слагается из гравитационных сил, тектонических напряжений и переменных напряжений, вызванных короткопериодными знакопеременными движениями. Гравитационные силы переменны и изменяются пропорционально глубине, горизонтальные тектонические силы постоянны по глубине и имеют анизотропный характер, причем направления действия главных напряжений не совпадают с параметрами залегания рудных тел [81, 82].
В теле модели образуется выработанное пространство в виде карьера при открытых горных работах или выработанное пространство с зоной обрушения, представляющие собой область техногенного возмущения. Параметры выработанного пространства претерпевают значительные изменения во времени и пространстве и определяются способом и последовательностью отработки месторождения. Образование в породном массиве выемки приводит к нарушению естественного равновесия гравитационных и тектонических сил и к формированию вторичного напряженно-деформированного состояния, сопровождающегося соответствующими деформациями. Вокруг области техногенного возмущения формируются области влияния, подразделяющиеся на внутреннюю и внешнюю зоны деформирования, имеющие свои особенности развития процесса сдвижения и деформирования породного массива и земной поверхности. Внутренняя зона формируется под действием уравновешенной системы сил в результате перераспределения напряжений вокруг техногенной области возмущения. Внешняя зона формируется под воздействием неуравновешенной системы сил в результате нарушения изостазии.
Принципы построения наблюдательной станции для исследования общих закономерностей развития процесса сдвижения и контроля за состоянием охраняемых объектов, методы организации и проведения инструментальных наблюдений, их камеральной обработки и интерпретации специфичны для обеих областей деформирования - внутренней и внешней. Эта специфика исследована в последующих разделах работы.
Наблюдательные станции для изучения процессов сдвижения
При любых геодезических работах всегда большое внимание уделялось сбору полевого материала, поскольку именно этот фактор во многом определяет качество и полноту выполнения работы в целом. Особая роль отводилась непосредственной организации полевых инструментальных измерений, идеология и методология которых были тщательно отработаны. Однако при широком внедрении спутниковых технологий в практику маркшейдерско-геодезических работ резко изменились организационные и технические принципы ведения полевых работ.
Свойственная спутниковым методам высокая производительность выполнения геодезических работ, с одной стороны, и особенности применения этих методов на промышленных объектах, с другой стороны, обуславливают необходимость четкой организации всего процесса спутниковых измерений, включая подготовительные работы. Поскольку инструментальные измерения параметров деформации массива горных пород имеют отличительную особенность - многократные периодические переопределения координат одних и тех же пунктов по одной и той же программе полевых работ, то имеется возможность детальной проработки проекта полевых измерений и дальнейшего его совершенствования.
Ниже будут рассмотрены порядок и основные требования проектирования и выполнения полевых измерений при изучении процесса сдвижения на горных предприятиях.
Как отмечалось выше, точные геодезические измерения производятся с использованием двух и более GPS-приемников геодезического класса, ведущих одновременную работу в дифференциальном режиме. Для обеспечения заданной точности определения плановых и высотных координат реперов наблюдательной станции необходимо обеспечить нормальные условия проведения наблюдений. Эти условия включают в себя прием сигналов от 5 и более спутников на всем протяжении измерений, низкое значение фактора DOP и отсутствие сбоев в приеме спутниковых радиосигналов. Накопленный опыт работы со спутниковой геодезической аппаратурой свидетельствует о том, что к важным факторам следует отнести легкость доступа к пунктам сети, удобство расположения и центрирования геодезической аппаратуры на пункте, обеспечение непрерывности электропитания, ведение полевого журнала и проч. Основная часть этих требований является стандартной для всех видов работ и достаточно полно освещена в руководстве [111].
Как уже упоминалось, существует несколько режимов работ спутниковых приемников, однако для высокоточных геодезических работ используются всего три режима: статический (static), быстростатический (faststatic) и кинематический (kinematic), применение которых позволяет измерять геометрические элементы геодезической сети с точностью от 1:100000 до 1:5000000, что соответствует миллиметровому уровню точности определения координат реперов наблюдательной станции. Все эти режимы подразумевают выполнение дифференциальных спутниковых наблюдений, по крайней мере, между двумя неподвижными приемниками. Статический режим является идеальным видом измерений на больших расстояниях - свыше 10 километров, или на коротких линиях с неблагоприятными условиями наблюдений, однако для его реализации требуется порядка одного часа измерений. Быстростатический режим является разновидностью статического режима для коротких базовых линий - менее 10 километров; при использовании этого режима миллиметровый уровень точности определения координат может быть достигнут при измерениях в течение 15-20 минут, однако для выполнения измерений в этом режиме требуется обеспечить радиовидимость на пять или более спутников с хорошим геометрическим фактором. Кинематический режим измерений позволяет достаточно быстро отнаблюдать большое количество реперов, но он требует, чтобы приемник удерживал захват спутников в течение всего времени перемещения между реперами сети. Этот режим является идеальным для малых площадей, на которых репера располагаются рядом друг с другом и на которых отсутствуют препятствия для прохождения спутниковых радиосигналов. Для получения пространственных координат репера с миллиметровой точностью достаточно проводить спутниковые наблюдения на репере в течение 5-7 минут, однако во время съемки необходимо произвести ее инициализацию, что требует дополнительного времени [116,117].
В настоящее время GPS-приемники при выполнении различного рода геодезических работ практически используются при практически полном отсутствии нормативных документов, регламентирующих технологию и точность выполнения работ. Общие, принципиальные вопросы построения высокоточных геодезических сетей рассмотрены в Концепции [118], в остальном же при планировании и производстве геодезических работ с применением комплексов спутниковой геодезии приходится руководствоваться рекомендациями фирм -изготовителей GPS-приемников [112] и практическим опытом других исследователей [116, 117].
При создании и реконструкции геодезических сетей с использованием спутниковых приемников в большинстве публикаций рекомендованы следующие методы измерений:
Лучевой метод (рис. 37). С опорного пункта или нескольких опорных пунктов координируются определяемые пункты сети. Он является очень производительным, однако имеет некоторые недостатки, основной -недостаточная надежность критериев оценки точности определяемых координат, базирующейся на анализе замкнутых геодезических построений. Однако этот недостаток легко устраняется при одновременной работе достаточного большого количества полевых приемников, когда в сети образуются замкнутые геометрические построения, либо при проведении независимых повторных измерений на пунктах сети, что, однако, заметно повышает трудоемкость полевых измерений. При измерении деформаций на горных предприятиях этот метод в основном используется для определения координат реперов наблюдательной станции, находящейся во внутренней области деформирования, так как в ней большое количество реперов сосредоточено на ограниченной территории.
Сетевой метод (рис. 38). Измерения проводятся на каждой линии и на каждом пункте сети. Этот метод имеет много общего с традиционным методом построения геодезических сетей - трилатерацией. Основное достоинство - его высокая надежность, так как при измерениях образуется большое число замкнутых геометрических построений, что позволяет надежно оценить точность определяемых координат. Основной недостаток - высокая трудоемкость полевых работ при использовании ограниченного количества полевых приемников. Однако этот недостаток не так заметен при одновременной работе четырех и более GPS-приемников. В этом случае в геодезической сети выделяются несколько пунктов, на которых устанавливаются базовые приемники, которые накапливают данные в течение всего сеанса полевых работ. На остальных пунктах сети наблюдения проводят полевые приемники, которые поочередно устанавливаются на определяемых реперах наблюдательной станции. Этот метод измерений используют в основном для определения координат реперов наблюдательной станции, находящихся во внешней области деформирования, так как, во-первых, расстояния между реперами достигают нескольких километров, а во-вторых, данная наблюдательная станция является основой для геодезических построений более низких уровней
Камеральная обработка результатов измерений
Высокогорское месторождение является крупнейшим железорудным месторождением Урала. За трехсотлетний период разработки месторождения горные работы достигли глубины 750 метров и ведутся в черте города Нижний Тагил. Территория Высокогорского месторождения представляет собой сложный комплекс техногенного ландшафта, созданного добычей железной руды открытым и подземным способами (рис. 54). Основные техногенные объекты месторождения, участвующие в формировании напряженно-деформированного состояния породного массива на участке ведения современных горных работ, занимают территорию более 200 гектар [131].
В геологическом отношении Высокогорское месторождение включает два пояса оруденения - Западный и Восточный, отличающиеся по условиям залегания и формам рудных тел. Рудные тела залегают согласно с вмещающими породами, их выклинивание по падению и простиранию постепенное.
В структурно-геологическом формировании месторождения большую роль играют тектонические нарушения. Сместителями I порядка - сбросо-сдвигом «Главным», взбросо-сдвигом «Средним» и сбросом «Диагональным» месторождение разбито на три крупных тектонических блока (рис. 55). Их границы устанавливаются по резкому обрезанию сместителями рудно-скарновых зон и залегающих в них рудных тел. Структура крупных тектонических блоков значительно усложняется многочисленными нарушениями II и III порядков, которые создают мелкоблоковую структуру месторождения [132].
Таким образом, сочетание сложных горно-геологических условий с накопившимся техногенным воздействием в условиях развивающейся урбанизации территории породили сложнейший узел геомеханических проблем, игнорирование которых может повлечь природно-техногенные катастрофы с тяжелыми экономическими последствиями.
Мониторинг геомеханических процессов в геологической среде Высокогорского месторождения и изучение их влияния на безопасность горных работ, объектов инфраструктуры и населения г. Нижний Тагил осуществляется на основе натурных геодезических измерений с 1957 года. До 2001 года измерения на наблюдательной станции производились с использованием традиционной методики измерений - по 11 профильным линиям, заложенным в мульде сдвижения в лежачем и висячем боках месторождения. Начиная с 2001 года инструментальные наблюдения стали производится одновременно по двум методикам - традиционной, обеспечивающей определение деформаций в направлении профильной линии с получение угловых параметров процесса сдвижения и по площадной наблюдательной станции, обеспечивающей определение параметров объемного тензора деформаций.
На Выкогогорском месторождении мониторинг процесса сдвижения проводится во внутренней зоне деформирования - мульде сдвижения, в которой находится множество охраняемых объектов I—III категории охраны - сооружения промплощадки, в том числе подъемные стволы, железная дорога, территория завода ВМЗ и 3 - 5- этажные жилые дома (рис. 55) [132].
При мониторинге процесса сдвижения в качестве условно-стабильных базисов сети используются пункты ГГС, расположенные все зоны влияния горных разработок, в 3-5 км от зоны обрушения [78, 81]. Эти пункты используются, с одной стороны, для изучения общей геодинамической обстановки в г. Нижний Тагил на больших пространственно-временных базах, а с другой стороны, являются основой для развития деформационной геодезической сети.
В результате выполнения геодезических работ с использованием комплексов спутниковой геодезии GPS по переопределению пространственных координат опорных реперов наблюдательной станции, расположенных в непосредственной близости от источников техногенных нагрузок - карьеров, отвалов и выходов зоны обрушения на земную поверхность (рис. 55), определяются их полные вектора сдвижений.
Опорные репера площадной наблюдательной станции, в свою очередь, являются геодезической основой для определения координат рабочих реперов наблюдательной станции более низкого иерархического уровня.
