Содержание к диссертации
Введение
1. Современные представления о сдвижениях земной поверхности в районах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра . 11
1.1.Геолого-геофизические методы определения процессов формирования рельефа земной поверхности. 11
1.2. Инструментальные геодезические методы определения сдвижений: земной поверхности 20
1.3.Геологическое и неотектоническое строение исследуемых территорий 28
2. Методы создания и уравнивания локальных сетей триангуляции и современных спутниковых навигационных: измерений . 41
2.1.Методы, технология и последовательность создания Государственных геодезических сетей. 41
2.2. Методы создания и технология уравнивания локальных сетей триангуляции на территории исследования 43
2.3.Технология выполнения, обработки и уравнивания GPS-измерений. 57
3. Обоснование метода определения сдвижений земной поверхности на основе сопоставления традиционных оптических и современных спутниковых измерений . 69
З.ГЛрименяемые системы координат 69
3.2.Методы сравнения локальных сетей. 70
3.3. Построение векторов смещений пунктов ГТС 75
3.3.3.Оценка точности горизонтальных векторов смещений пунктов. 81
4. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния' территории^ верхнекамского г месторождения^ калийно-магниевых солей с учетом отработки калийных залежей . 87
4.1.Подбор исходных данных для моделирования. 87
4.2. Построение объемной конечно-элементной модели и методика выполнения расчета 91
Заключение 101
- Инструментальные геодезические методы определения сдвижений: земной поверхности
- Методы создания и технология уравнивания локальных сетей триангуляции на территории исследования
- Построение векторов смещений пунктов ГТС
- Построение объемной конечно-элементной модели и методика выполнения расчета
Введение к работе
Актуальность работы:
Одним из результатов все более нарастающего потребления минерально-сырьевых ресурсов человеком стало глобальное изменение экологической и геодинамической безопасности природной среды. Известно, что интенсивная добыча полезных ископаемых привела к увеличению нагрузки на недра и, как следствие, к перераспределению напряженно-деформированного состояния (НДС) весьма значительных объемов горной массы с неблагоприятными последствиями для окружающей природной среды.
Пермская область является одним из наиболее неблагополучных регионов России: по данному признаку. Промышленные горные работы на территории Прикамья ведутся уже в течение трехсот лет, а с особо значительным объемом извлечения горных пород и углеводородов - в последние пятьдесят лет. На территории Прикамья расположены: ныне ликвидированный Кизеловский угольный бассейн, Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС) и еще 163 нефтяных месторождения различного порядка.
ВКМКС разрабатывается с 1933 года. Залежь калийных солей имеет субмередиальную протяженность в 136 км, субширотную протяженность - 40 км. Площадь 6,5 тыс. км . Разведанные промышленные запасы составляют 3,4 млрд. т. (сильвинит, карналлит и др.).
Добыча на Кизеловском угольном бассейне началась еще в 1798 году. За это время было добыто около 500 млн. тонн угля. В разные периоды истории бассейна, одновременно в работе находилось до 45 шахт. Пик добычи пришелся на 1960 г. — 12 млн.т. Подработанные территории протянулись более чем на 95 км с севера на юг и около 20 км с запада на восток в средней части бассейна. Площадь подработанных и ныне затопленных шахтных полей достигает 320 км.кв.
В Пермской области также открыто 163 нефтяных месторождения, из которых 98 разрабатываются. Глубина залегания составляет от двух до трех километров. Средняя по области выработанность запасов составляет 50%. Прогнозные ресурсы нефти в области достигакугЗ 60 млн. тонн:
Практика разработки месторождений полезных ископаемых в Пермской области показала, что в данном регионе существуют условия для возникновения техногенных
землетрясений, вызванных изменением первоначального напряженно-деформированного состояния (НДС) региона под влиянием инженерной деятельности г человека- и; представляющие опасность для его жизни и здоровья. Интенсивная! добыча, калия в районе ВКМКС уже породила техногенные сейсмические явления. Добыча нефти и газа на территории ВКМКС также создает дополнительную нагрузку на недра. Зафиксированы случаи аварий на линейных трубопроводных коммуникациях, связываемые с остаточной тектонической активностью в регионе.
Процессы сдвижения»земной поверхности таких регионов характеризуются тем; что сильно растянуты во времени, охватывают большие территории,, поскольку вызывают изменения гидрологического режима за пределами разработки, требуют длительных периодов контроля и непосредственно связаны с безопасностью ведения горных работ и охраной инженерных сооружений.
Общеизвестно, что деформационные методы контроля развивающихся? деформаций- являются наиболее надежными и представительными, так как они позволяют получать прямые характеристики! процесса. Однако до настоящего времени, чаще всего, изучались деформации локальных участков земной поверхности, так как мониторинг значительных по площади территорий был связан со значительными финансовыми и временными затратами: И' только с появлением і Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) появилась возможность сравнительно оперативного мониторинга деформационных процессов целых горнопромышленных регионов, т.е. регионов с высокой техногенной нагрузкой на недра.
Как; показывает мировой опыт, деформации; земной поверхности далеко неоднородны. Максимального значения они достигают на участках земной коры,, ослабленных тектоническими і нарушениями, а в местах проведения горных работ, в * течение сравнительно короткого времени могут превышать величины, предельные для; целостности і массива горных пород, слагающих земную кору, и і вызывать активацию тектонических нарушений: Поэтому проблема выявления* активных тектонических разломов ю нарушений в районе проведения горных, работ имеет большое значение для оценки НДС региона и; прогноза его геодинамической безопасности. Определенное значение для рассматриваемой" проблемы имеет учет влияния: современной тектонической активности нарушений осадочного чехла и фундамента в местах взаимодействия платформенных регионов, которые на краях
дробятся на большое количество микроплит, взаимодействующих между собой. Вероятно, что в зонах краевых прогибов (Предуральский краевой прогиб) верхние части микроплит осадочного чехла могут испытывать локальные горизонтальные перемещения независимо от фундамента, причем механика их перемещений не изучена, а эти участки земной поверхности возможно потенциально опасны для* развития геомеханических процессов.
Существуют различные методы изучения проблем изменения современного напряженного состояния земной коры и связанных с этим; перемещений земной поверхности:
по геологическим и геофизическим: данным о формировании неотектонических. структур сжатия (складки, надвиги), растяжения (рифты, сбросовые структуры), различных разломов и результатов: непосредственных измерений НДС в горном массиве (метод разгрузки напряжений в кернах, выбуренных в горном массиве). Описанию этих методов посвящены научные труды таких авторов как, И.А. Турчанинова, И.М. Петухова, С.А. Батугина, Г.Т. Нестеренко, П.В1 Егорова, Н. Хаста, D.M Fourmaintraux, J.C. Roegiers, V.M.' Машу, W. Wittke и других исследователей.
по абсолютным величинам скорости тектонических смещений на основе инструментальных геодезических измерений, в этой* связи необходимо упомянуть работы W. Wittke, Н. Хаста, ЮА Кашникова, В.В. Данилова, М:А.. Иофиса, А.Д. Сашурина и других исследователей;
Вместе с тем,. теория и практика вопросов выявления геодинамически активных структур не проработана окончательно, так как не зафиксированы инструментально факты и направления таких движений в региональном масштабе, а также размеры ; абсолютных и относительных перемещений тектонических блоков относительно друг друга. Существенную помощь в познании этих процессов в регионах с интенсивной техногенной і нагрузкой на недра могут оказать методы, основанные на определении смещений земной поверхности с применением глобальных навигационных спутниковых систем.
Учитывая вышеизложенное, можно сказать, что актуальность вопроса изучения характера современных движений земной поверхности в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра не вызывает сомнения.
Следует отметить, что работа основана на результатах данных геодезических инструментальных наблюдений выполненных на территории ВКМКС и ныне ликвидированного Кизеловского угольного бассейна.
Целью работы является исследование характера сдвижений земной поверхности в регионах добычи полезных ископаемых за период времени, сопоставимый с периодом освоения недр.
Основная идея работы заключается в выявлении сдвижений земной поверхности в зонах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра методом сопоставления традиционных оптических и спутниковых навигационных измерений (GPS-измерений).
Задачи исследования:
Изучение современного состояния Государственной Геодезической Сети (ГГС) на территории исследуемого участка и установление пригодности ее использования для проведения геодинамических исследований.
Выполнение уравнивания и оценка точности определения пунктов ГГС по данным традиционных оптических измерений в локальных сетях триангуляции II и III классов.
Проведение GPS-измерений на пунктах ГГС исследуемой территории, постобработка, уравнивание и оценка точности определения пунктов ГГС по данным GPS-измерений.
Определение векторов смещений пунктов ГГС за период ее существования на основе совместного анализа и уравнивания данных традиционных оптических и GPS-измерений.
Выполнение математического моделирования сдвижений земной поверхности исследуемой территории с помощью метода конечных элементов и его сопоставление с результатами инструментальных измерений.
Методы и средства проведения исследования включали в себя: анализ и обобщение данных по созданию и современному состоянию ГГС на территориях ВКМКС и Кизеловского угольного бассейна, выполнение GPS-измерений и обработку их результатов, уравнивание и оценку точности определения пунктов ГГС по данным традиционных оптических измерений в локальных сетях триангуляции II и
III классов и по данным GPS-измерений, численное моделирование напряженно-деформированного состояния всей территории Соликамской впадины.
При решении поставленных в работе задач по созданию базы данных наблюдений, визуализации полученных результатов и показателей использованы основные положения геоинформатики и методы геоинформационных технологий (ГИС).
При постобработке результатов GPS-измерений использованы методы и алгоритмы обработки данных относительных фазовых GPS-измерений.
Уравнивание и оценка точности материалов традиционных оптических геодезических наблюдений выполнено параметрическим способом по методу наименьших квадратов.
При проведении исследований применялись следующие современные аппаратные вычислительные средства и программное обеспечение:
двухчастотные GPS-приемники SR 9500 («Leica-Geosystems»);
программа для обработки и уравнивания GPS-измерений SKI 2.30 («Leica-Geosystems»);
программа для обработки и уравнивания GPS-измерений Trimble Geomatics Office 1.6 («Trimble navigation»);
программа для обработки и уравнивания GPS-измерений Gpsurvey 2.35 («Trimble navigation»);
программа для уравнивания геодезических измерений Trimnet Plus 92.11с («Trimble navigation»);
геоинформационная система ГИС ArcView 3.2а (ESRI);
программный комплекс ANSYS (NASA);
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается: использованием результатов высокоточных геодезических измерений, выполненных при создании ГГС и при выполнении высокоточных спутниковых наблюдений, использованием общепризнанных методов уравнивания результатов наблюдений, проведением проверочных расчетов тестовых задач, сходимостью полученных выводов с практикой.
Научная новизна исследования; заключается в теоретическом обосновании, систематизации и решении комплекса методических и практических вопросов, связанных с определением сдвижений земной поверхности в регионах с интенсивной
техногенной нагрузкой за период времени сопоставимый с освоением недр методом сопоставления традиционных оптических и современных GPS- измерений.
К основным научным результатам, полученным в диссертации, можно отнести следующее:
Установлено, что параметры сдвижений земной поверхности региона Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), возраст которых соизмерим с периодом интенсивного освоения недр региона, на расстоянии, превышающем двойную глубину разработки от границ выработанных пространств, не связаны с разработкой месторождений полезных ископаемых, а зависят от общей геодинамики региона.
Получены численные значения относительных горизонтальных перемещений участков земной поверхности района ВКМКС (за 40 лет) и Кизеловского угольного бассейна (за 50 лет), охватывающие практически всю территорию региона Соликамской впадины.
Установлено, что скорости относительных горизонтальных перемещений тектонических блоков осадочного чехла зоны Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба не превышают 1 мм в год.
Положения выносимые на защиту:
Обоснование метода определения сдвижений земной поверхности на основе сопоставления данных традиционных оптических и современных навигационных спутниковых измерений.
Численное моделирование техногенных сдвижений земной поверхности и сопоставление его результатов с результатами инструментальных наблюдений.
Практическая ценность работы: Г. Обоснована методика сопоставления результатов данных традиционных оптических измерений, выполненных при создании ГТС, современных спутниковых навигационных измерений и численного моделирования напряженно-деформированного состояния территории.
Созданы GPS-сети на территориях ВКМКС и Кизеловского угольного бассейна, которые используются для проведения инженерно-геодезических и кадастровых работ.
Предложены рекомендации по рациональному размещению опорных пунктов наблюдательных і станций ^ за сдвижением земной поверхности региона. ВКМКС и совершенствованию методики ежегодных повторных GPS-измерений, выполняемых для контроля остаточных тектонических движений.
Реализация исследований:
Результаты \ работы использовались в общем анализе геодинамического состояния s недр Соликамской впадины Предуральского краевого прогиба при решении вопросов совместной? разработки залежей нефти і и калия, а также при решении вопросов? создания наблюдательных станций за сдвижением земной ї поверхности нефтяных месторождений (Сибирского, Шершневского, им. Архангельского), территориально совмещенных с В ерхнекамским месторождением калийно-магниевых солей в период 2001-2003 гг.
Апробация работы:
Основные положения диссертационной работы были представлены для обсуждения? на международной конференции «Геодинамическая и; экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении» (Санкт-Петербург, ВНИМИ^ 15-18? сентября: 2003), на второй международной і конференции «Геодинамика нефтегазаносных бассейнов» (г.Москва, Рос:, гос..ун-т нефти и газа им.Губкина, 19-21 октября 2004г.), на научно-технических советах ООО5 «ЛУКОЙЛ-Пермь», а; также на научно-технических; семинарах кафедры МДГиГИС Пермского государственного технического университета.
Объем работы и ее структура:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, изложена на 147 страницах, содержит 14 таблиц, 23 рисунка и 6 приложений. Список использованных источников состоит из 133 наименований.
В" первой главе дано описание применяющихся методов изучения < и определения сдвижений участков земной поверхности в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой. Приведена характеристика геологического описания строения
исследуемой территории. Дана неотектоническая схема региона, полученная по результатам дешифрирования картографического материала и данных дистанционного зондирования земли.
Во второй главе описана история, технология и последовательность создания плановых геодезических сетей (триангуляции) на территории изучаемого объекта. Схема и варианты уравнивания локальной і сети по данным угловых наблюдений в ГТС. Методика и оценка точности результатов по вариантам уравнивания.
Приведена информация о структуре GPS-сети, методике проведения, постобработки* и уравнивания GPS-измерений. Выполнено совместное уравнивание традиционных оптических и современных GPS-измерений.
В третьей главе предложена методика сопоставления результатов традиционных оптических и современных спутниковых измерений на территории объекта. Получены вектора сдвижений ряда; пунктов ГТС на территории изучаемого объекта. Проведена их оценка точности.
В четвертой главе выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния территории Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей с учетом отработки калийных залежей методом конечных элементов.
В заключении приведены основные выводы и обобщены результаты исследования.
Автор работы выражает глубокую признательность и благодарность за поддержку и постоянное внимание к ней научному руководителю, доктору технических наук, профессору Кашникову Ю.А, руководителю работ по уравниванию ГТС СССР Ефимову Т.Н., техническому директору ООО «GPSCOM» Янкушу А.Ю, всем сотрудникам кафедры маркшейдерского дела, геодезии; и ГИС ПермГТУ, сотрудникам ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ», оказавшим помощь в сборе необходимого материала.
Инструментальные геодезические методы определения сдвижений: земной поверхности
zГеолого-геофизические методы предназначены для; определения; интегральных показателей! (скоростиІ И направления) геодинамической активности за последние десятки тысяч лет. Установление точных количественных значений; современных движений участков? земной поверхности возможно только инструментальными геодезическими методами; [57,94,95,104Д17]. Подобные методы применяются на современных геодинамических полигонах и позволяют решать задачи: по определению величин деформаций участков земной поверхности, зданий и; сооружений, испытывающих влияние горных работ. Как правило, регионы с интенсивной добычей полезных ископаемых относятся к регионам с интенсивной техногенной? нагрузкой на недра. Масштабная добыча полезных ископаемых; приводит к сложным деформационным процессам горного массива и земной поверхности. Фиксирование этих процессов выполняется, чаще всего, на локальных наблюдательных станциях и охватывает довольно незначительный временной? период. Вместе с тем, особый; интерес представляют многолетние сдвижения земнойі поверхности, которые; произошли за период, сопоставимый с периодом освоения региона и начала техногенной! нагрузки на территорию. Именно эти смещения выражают геодинамическую обстановку значительной по площади территории., Задачи такого рода могут быть решены с привлечением материалов масштабных геодезических наблюдений прошлых лет.
Отечественные ученые занимаются изучением проблемы строения и процессов сдвижения земной коры с 40-х годов XX века, об этом свидетельствуют факты проведения трех совещаний в 1936г. (Ленинград), 1944г. (Москва) и 1948г. (Москва), посвященных методам изучения деформаций земной коры. Рис.2. Схема сети триангуляции I класса района Кванто. В трудах известного советского исследователя В.В. Данилова [39] отмечается, что уже в начале XX века для определения вертикальных деформаций земной поверхности применялся инструментальный метод повторного нивелирования. С помощью которого на тот момент были зафиксированы вертикальные перемещения участков земной коры различного порядка от сотых долей миллиметра до 1-10 мм. в год, а также значительные вертикальные деформации земной поверхности на величины 1-2 метра после состоявшихся тектонических землетрясений в Японии 1923,1927 и 1930гг. Даниловым также было высказано предположение о возможных горизонтальных перемещениях участков земной поверхности в сейсмоопасных зонах, однако признавалось, что при существующем уровне развития средств измерений и обработки информации их определение маловероятно, в качестве примера приведены результаты повторных измерений японских геодезистов методом триангуляции на сейсмоопасных участках земной поверхности. Смотри рисунок 2.
Рассмотрен случай изучения горизонтальных перемещений локальных участков земной коры на территории 200x200 км. Внешний участок земной коры условно был принят за неподвижный. Сущность метода заключается, в построении на исследуемой территории сети пунктов триангуляции, на которых выполняются горизонтальные угловые измерения по методике I класса, относительно которых, в свою очередь, строится сплошная сеть триангуляции по методике II класса. После землетрясения производится повторное выполнение всех угловых измерений, причем все виды измерений выполняются по методике соответствующей предварительному циклу измерений. Данный метод был впервые практически применен в Японии. В районе Кванто имелась, созданная! в 1884-1899гг. сеть триангуляции I, II, III классов. После землетрясения повторные измерения на участке триангуляции были выполнены в период с мая 1924 по октябрь 1925 года. Измерения были выполнены на 11 пунктах триангуляции I класса, на 134 пунктах триангуляции II класса и более чем на 600 пунктах III класса. Методика и средства измерений не изменялись. Автор проведенного исследования подробно изучил материалы работ и опыт японских геодезистов и сделал следующие основные выводы: 1) Перед выполнением уравнивания необходимо по значениям угловых измерений определить группу пунктов, которая не изменила своего взаимного положения после землетрясения (в частности японские геодезисты взяли только два опорных пункта и выбрали их крайне неудачно). 2) Уравнивание свободной сети предварительного и повторного циклов наблюдений целесообразно выполнять методом наименьших квадратов по одной и той же схеме. 3) С начала выполняется уравнивание наивысших по точности измерений первого класса. Координаты пунктов второго и третьего классов определяются относительно пунктов первого класса. 4) Определение векторов смещений пунктов необходимо выполнять путем совмещения локальных сетей предварительного и последующего циклов по опорным пунктам с фиксированными координатами. сновные виды ошибок при сравнении локальных сетей: a) ошибки за; разность масштабов обеих сетей, поскольку каждая из: сетей опирается на независимо измеренные базисы; b) ошибки за разность ориентирования обеих сетей; ) ошибки угловых измерений в треугольниках, связывающих: исходный пункт с каждым из остальных пунктов сети. В частности, средняя квадратическая; погрешность определения горизонтального векторам перемещения наиболее удаленного пункта І (76 км); в японском» примере составила 2,88? метра, что? делает данный метод определения горизонтальных перемещений совершенно не приемлемым для определения медленных тектонических и техногенных сдвижений І участков земной5 поверхности; Бьш сделан вывод, что для устранения группы ошибок, возникающих заі несоответствие масштабов сетей необходимо в качестве исходного для? обеих локальных сетей; использовать базис из одного І цикла измерений и использовать большее количество максимально равномерно расположенных на краях сети пунктов.
Таким і образом, Данилов? сформировал основные принципы построения» и наблюдений» за горизонтальными; деформациями участков земной поверхности- на больших территориях методом выполнения повторных наблюдений в плановых сетях триангуляции и впервые предложил использовать для определения опорных пунктов метод трансформации Гельмерта. К сожалению, в работе отсутствуют подробные технические характеристики сетей и СКП угловых измерений. Тем не менее, можно сделать вывод, что использование в качестве опорной сети триангуляции I класса приводит к загрублению результатов из-за і больших расстояний; между пунктами а; относительная- точность взаимных определений в сплошной сети триангуляции II и III классов выше, поэтому в качестве опорной сети целесообразно использовать сети триангуляции этого порядка. Большую известность получили способы определения активных структур земной коры методами! повторного высокоточного нивелирования; на протяженных региональных профилях. Кроме высокоточного нивелирования! по методике 1 Ш классов на таких профилях выборочно; проводились горизонтальные; измерения: с помощью светодальномеров. В 1983г. сотрудниками кафедры геодезии Свердловского горного института (авторы А.М.Блюмин и Р.В .Улитин) бьши выполнены повторные инструментальные наблюдения по региональным высотным сетям (1925г.), созданных методами высокоточного нивелирования? I и; ПІ классов: По результатамs наблюдений были? выявлены участки земной поверхности с вертикальными смещениями до +12 мм/км, которые свидетельствуют о неравномерном распределении вертикальных движений земной поверхности. Однако, плотность полученных данных не позволяет, построить региональную схему распределения вертикальных движений земной поверхности.
В Пермской области в: период 1987-1992гг. были выполнены измерения на трех специально заложенных геодинамических; полигонах в пределах платформенной части Пермского Прикамья на Кунгурском выступе фундамента на Дороховской группе месторождений; в Предуральском прогибе в пределах Соликамской впадины на Уньвинском и Касибском, полигонах [110,111].
Методы создания и технология уравнивания локальных сетей триангуляции на территории исследования
Общая характеристика ГГС на территории ВКМКС и Кизеловского угольного бассейна. На территории ВКМКС и Кизеловского угольного бассейна ГГС была создана методом триангуляции в период с 1950 по 1964 гг. в ходе выполнения работ по следующим шести объектам: - Триангуляция 2 и 3 классов. Кизел-Вишерский объект (1949,1950 гг.), организация-исполнитель — Московское аэрогеодезическое предприятие (МАГП), (рис.5); - Триангуляция 2 и 3 классов. Кизеловский объект (1950,1951 гг.), организация-исполнитель - Московское аэрогеодезическое предприятие, (рис.5); - Триангуляция 2 и 3 классов. Соликамский объект (1960г.), организация-исполнитель — Сев-зап АГП, (рис.6); - Триангуляция 2 и 3 классов. Чердыньский объект (1961 -1964 гг.), организация-исполнитель предприятие №10 ГУГК, (рис.6); - Триангуляция 3 и 4 классов и полигонометрии на Яйвенской гидроэлектростанции (1956 г.), организация-исполнитель - Уральское отделение Теплоэлектропроект (рис.5); - Триангуляция 4 класса «Берзниковский участок» (1959г.), (рис.5). В совокупности в состав локальной GPS-сети на территории ВКМКС вошел 21 пункт триангуляции. Смотри таблицу 8. Пункты триангуляции, на которых выполнялись GPS-измерения, были отобраны с учетом следующих требований: - соблюдение структурной схемы сети; - сохранность центра; - отсутствие пирамид и сложных сигналов; - минимальное значение многолучевости; - отсутствие внешних электромагнитных полей; - устойчивость центров от влияния локальных геоморфологических факторов; - устойчивость центров от внешних вибраций; Уравнивание локальных сетей триангуляционных измерений было выполнено методом наименьших квадратов с учетом опыта общего уравнивания ГГС на территории бывшего Советского Союза [44,26]. Порядок работ: 1. Построение локальной схемы сети, подбор материалов инструментальных наблюдений в триангуляции. 2.
Выбор вариантов уравнивания триангуляционной сети. 3. Уравнивание сети триангуляции по вариантам. 4. Оценка точности измерений. Построение эллипсов погрешностей определения пунктов локальной сети. Построение и технические характеристики локальной сети триангуляции на территории ВКМКС. Структура локальной сети на территории ВКМКС выбрана в соответствии с территориальным положением пунктов триангуляции на которых в период 1999-2000гг. были выполнены фазовые GPS-измерения в режиме относительных измерений. Геометрической основой локальной сети послужила сеть АТС триангуляции 2 класса, сети 3 и 4 классов были определены и уравнены относительно старших пунктов триангуляции определенных по методике 2 класса, то есть пункты 2 класса являются исходными для пунктов 3 и 4 класса. Перед уравниванием были выбраны две ограниченные локальные схемы сети: сеть №1 (рис.7) и сеть №2 (рис.8). Сеть №2 покрывает большую часть территории объекта, так как включает в себя соседние азимуты и базисные линии. В сети №1 в уравнивании участвовали только измерения изображенные на рис.7. Количество пунктов сети с разбиением по классам работ и измеренным элементам сети приведено ниже в таблицах 3 и 4. Построение и технические характеристики локальной сети триангуляции на территории Кизеловского угольного бассейна.
Структура локальной сети Кизеловского угольного бассейна выбрана на основе территориального положения пунктов триангуляции, вошедших в состав наблюдательной станции за сдвижением земной поверхности Кизеловского угольного бассейна с учетом географического положения ближайшего к исследуемым пунктам астрономического азимута и измеренных базисных линий. Геометрической основой локальной сети послужила сеть АТС триангуляции 2 класса, сеть 3 класса была уравнена относительно старших пунктов триангуляции определенных по методике 2 класса. В уравнивании участвовали только измерения изображенные на рис.9. Характеристики пунктов сети с разбиением по классам работ и измеренным элементам сети приведены в таблице 5. Редуцирование измеренных элементов на поверхность референц-эллипсоида. Выполнение данной операции необходимо для последующего решения задачи математической обработки совокупности измеренных элементов при выполнении совместного уравнивания. Кроме того, редуцирование измеренных элементов на поверхность эллипсоида позволяет уменьшить количество независимых аргументов с трех (B,L,H) до двух (B.L), что значительно упрощает процесс уравнивания. При редуцировании измеренные величины проектируются на поверхность референц-эллипсоида, при этом вычисляют редукции за переход от измеренных величин на поверхности к их проекциям по формулам, выражающим поправки в функции величин, определяющих взаимное положение земной поверхности и поверхности референц-эллипсоида, то есть геодезических высот и уклонений отвесных линий относительно нормалей к эллипсоиду. Метод проектирования при редукции измеренных элементов является строгим методом, сохраняющим взаимное положение точек на земной поверхности. Общий порядок редуцирования результатов измерений [45,89]: - измерения приводятся к центрам пунктов, - измерения от центров пунктов редуцируется на эллипсоид, - измерения с эллипсоида проецируются на плоскость проекции. Порядок определения редукции в измеренные горизонтальные направления за высоту наблюдаемых пунктов. Величина этой редукции зависит от высоты точки визирования Н над поверхностью референц-эллипсоида.
Как видно на рис.10, допустим, что инструмент расположен в точке А, наблюдения выполнены на точку В, имеющую геодезическую высоту Н2 над поверхностью эллипсоида. Визирная плоскость при наблюдении на точку В проходит через АВЪ па. Измеренный азимут направления АВ (А = АаРпа - АаВ Ъ па_. Таким образом, угол ЪаЬ , равный Аист — Аизм, будет выражать погрешность в направлении АВ, обусловленный несовпадением визирных плоскостей, проходящих через действительный объект визирования — точку В и через проекцию этой точки на эллипсоид по нормали Ъ. Чтобы от измеренного на земной поверхности направления АВ перейти к проекции этого направления ab на поверхность эллипсоида, необходимо ввести в измеренное направление поправку д. При обработке результатов угловых измерений и уравнивании триангуляционных сетей возникает задача математической обработки многократных измерений одной и той же величины. Так же при осуществлении данной операции возникает задача совместной обработки результатов измерений величин, связанных между собой функционально. Главное условие данного метода обработки — превышение числа измеренных величин п над числом неизвестных величин к, г = п — к [80, с.48].
Процесс уравнительных вычислений заключается в получеігаи наиболее надежных значений неизвестных величин к, оценку точности результатов и функций их составляющих. Ошибки измерений при этом проявляются в виде величин называемых невязками. Метод наименьших квадратов является наиболее точным методом, применяемым исследователями для уравнивания и оценки точности больших массивов измерений в; триангуляционных сетях компьютерными средствами обработки информации. При выполнении уравнивания методом наименьших квадратов к измеренным величинам вычисляют поправки v,-, удовлетворяющие условию: \pv ].= min, гдері- вес измерений. Веса измерений/?,- определены по формуле Гаусса:р{=—г-, И где ft - численное значение средней квадратической погрешности измеренного элемента; При соблюдении данного принципа и отсутствии систематических ошибок, оценки искомых неизвестных величин обладают минимальной дисперсией и являются несмещенными. Основные характеристики методики уравнивания: 1. Уравнивание выполнено строгим методом наименьших квадратов параметрическим способом. 2. Веса измеренных элементов вычислены по формуле Гаусса. 3.
Построение векторов смещений пунктов ГТС
Определение горизонтальных векторов смещений пунктов сети методом последовательных приближений выполнено в следующем порядке: - определение параметров трансформации двух систем координат; - выполнение трансформации системы координат nceBflo-WGS-84 в систему координат локальной сети триангуляции. - построение векторов смещений между положением пунктов сети 1960г. (1950г.) и 2000 г. Параметры трансформации сетей по вариантам и численные значения продольных: и поперечных смещений между пунктами сети помещены в Приложении 6. Сравнительный анализ значений параметров трансформации показывает, что для ограниченной локальной территории, соответствующей по размерам сети №1; целесообразно- применять метод трех параметров, так как значения полученных параметров трансформации по этому методу более стабильны при различных вариантах расчета и численно соответствуют значениям, опубликованным в работах других исследователей.
Метод семи І параметров целесообразно применять, для территорий» большего размера, так как полученные значения параметров трансформации по этому методу имеют большие различия при разных вариантах расчета и значительно отличаются от официально опубликованных параметров перехода из WGS-84 в UTMi На рисунке 14 изображены вектора смещений пунктов сети территории ВКМКС, полученные по варианту трансформации №2. На территории Кизеловского угольного бассейна GPS-измерения в 2001: году удалось выполнить только на четырех пунктах триангуляции Кизеловского объекта, 1950 г. На рисунке 15 изображены вектора смещений пунктов триангуляции на территории Кизеловского? угольного бассейна, полученные методом последовательных приближений. Определение горизонтальных векторов смещений пунктов сети методом совмещения опорных пунктов заключается в совмещении локальных сетей в следующем порядке: 1.свободное уравнивание GPS-измерений в системе координат nceBflo-WGS-84; 2. выбор опорных пунктов и выполнение повторного уравнивания GPS-измерений с фиксированными значениями положения опорных пунктов; 3.выполнение уравнивания традиционных оптических измерений от опорных пунктов в системе координат nceBflo-WGS-84; 4. построение векторов смещений между положением пунктов сети 1960г. (1950г.) и 2000 г.; 5. оценка точности определения горизонтальных векторов смещения пунктов; где Mgv, Мі9бо,2ооо— СКП определения соответствующих элементов; оценка результатов определения горизонтальных векторов смещения пунктов методом интервальной оценки с помощью функции (интеграла вероятности) Лапласа. Рассчитанные варианты: Вариант 1. При этом варианте совмещались локальные сети, рассчитанные по данным 1960 и 2000 гг. от опорных пунктов 128 и 109. Смотри рис.16. Вариант 2. При этом варианте совмещались локальные сети, рассчитанные по данным 1960 и 2000 гг. от опорных пунктов 109, 198, 201, 203, 224, расположенных на краях локальной сети №1. Смотри рис.17.
Оценка точности положения пунктов сетей по различным вариантам расчетов методами традиционных оптических и GPS-измерений выполнена методом наименьших квадратов с использованием строгих и проверенных алгоритмов, применяемых в программном обеспечении TRIMNET Plus (Version 92.11 с). Рассматриваемая сеть триангуляции состоит из разнородных измерений (горизонтальные направления, астрономические азимуты и линейные базисы), причем элементы сети измерены с различной точностью, то есть сеть триангуляции неоднородна и операцию общего уравнивания сети следует выполнять с учетом/ весовых характеристик измеренных элементов. Ниже в таблице 11 приведены статистические значения СКП измеренных элементов, полученные по данным общего уравнивания ГТС [44] и использованные при расчете весовых коэффициентов элементов локальной сети при уравнивании измерений 1950 и 1960 гг. Сравнительный анализ значений параметров трансформации показывает, что для исследуемых локальных сетей целесообразно применять метод трансформации по трем параметрам, так как значения параметров трансформации, полученных данным методом более стабильны (смотри Приложение 2). Метод семи параметров целесообразно применять для территорий большего размера, так как полученные значения параметров трансформации в исследуемых локальных сетях по этому методу менее стабильны при ограниченном количестве условий. 2. При определении векторов смещений методом совмещения опорных пунктов от пунктов 109,198,201,203,224 на территории ВКМКС, размеры полученных векторов смещений превысили 95% доверительный интервал на более половины определяемых пунктов, а именно: 113, 112, 105, 133, 127, 204, 202, 102, что говорит о высокой степени вероятности верного определения полученных значений смещений на этих пунктах сети. 3. Направления и размеры полученных векторов смещений пунктов методом последовательных приближений и методом совмещения опорных пунктов совпадают на более чем 85% определяемых пунктах, что подтверждает правильность выбора расположения схемы опорных пунктов. 4. Полученные оценки смещений пунктов на территории ВКМКС 102(22см) и 202 (65см) подтверждают, что территории над подработанными шахтными полями напрямую подверглись существенному влиянию процесса сдвижения земной поверхности в результате горных работ. Величины и направления векторов смещений пунктов 204; 105, 112, 113, 227 территории ВКМКС и пунктов 3, 8, 10, 12 сети, Кизеловского угольного бассейна также указывают на возможный характер этих перемещений в результате влияния горных работ на шахтных полях. 5. Характер, направление и размер выявленных перемещений земной поверхности по другим пунктам сети ВКМКС не позволяет подтвердить схему блокового строения территории и выявить активные тектонические разломы осадочного чехла и фундамента.
Построение объемной конечно-элементной модели и методика выполнения расчета
На рис Л 9. представлена. объемная конечно-элементная модель рассматриваемой территории. Модель имеет следующие размеры: длина (с юга на север) 70 км; ширина (с запада на восток) 50 км и глубина 5 км. Как уже было сказано выше, на конечно-элементной схеме отражены пять типов пород, слагающих геологический разрез, при этом в упрощенном виде принято, чтоони залегают горизонтально. Кроме того, в модели учитывались калийные рудники: БКРУ1,2,3,4 и СКРУ 1,2,3 (рис.20). На; первом шаге получали; исходное напряженно-деформированное состояние горного массива, на втором шаге моделировалась отработка калийных рудников. Для получения: векторов смещений необходимо из второго расчетного шага вычесть первый. Отработка моделировалась путем: уменьшения модуля упругости пород в области калийных рудников. Наиболее неопределенными параметрами являются также физико-механические свойства массива отработанной части месторождения. Отметим, что в данных расчетах не ставилась задача получения наблюдаемой на месторождении фактической мульды сдвижения, вызванной отработкой і калийного месторождения. Эти решения имеются в работах А.А.Баряха и его коллег [7,8], Кашникова Ю.А. и Ашихмина C.F. [57]. Использование упрощенной упругой модели, не учет параметров целиков ш камер, закономерностей деформирования целиков и целого ряда других факторов не позволяет получить наблюдаемые при разработке месторождения параметры: процесса сдвижения. В данном случае ставилась задача і расчета смещений пород на -: значительном удалении от выработанных пространств, исчисляемом несколькими километрами.
В расчетах принималась суммарная мощность отрабатываемых пластов по калию 10м, модуль упругости пород варьировался. На Рис.22 представлена зависимость горизонтальных смещений точек отдельных участков, массива в зависимости от модуля упругости- среды; моделирующей отработанную часть. Отмечается практически!линейная зависимость смещений от модуля упругости. В? условиях, когда; в недрах остается- от 40 до 60% запасов і месторождения, модуль упругости среды, моделирующей отработанную : часть, можно принять также 40-60% от модуля упругости сильвинито-карналитовой і зоны, принятой! при решении первой задачи, т.е. 2000МПа. Однако, даже для модуля упругости, уменьшенного в 10 раз относительно исходного, на удалении, равном двойной глубине: работ, влияние горных разработок на земную поверхность практически не сказывается; Как результат моделирования, на рис.21-23. показаны вектора смещений земной поверхности в плане в районе рудников и изолинии оседаний земной поверхности для всей рассматриваемой] территории, образовывающиеся в результате ведения очистных работ по калию. Как видно из рисунков поверхность деформируется лишь в районе шахтных полей рудников и на небольшом удалении от них, при этом на остальной территории какие-либо сдвижения отсутствуют. Вектора сдвижений направлены в сторону выработанного пространства, значения смещений на границе выработанного пространства на земную поверхность не превышают 10 см.
Данные результаты были получены при условии Динниковского поля распределения напряжений, однако известно, что соляные породы обладают реологическими свойствами и, как следствие этого, на уровне соляных залежей должно существовать гидростатическое поле природных напряжений: В связи с этим следующим этапом расчетов были расчеты из предположения о гидростатическом распределении напряжений на уровне солей. С этой целью к боковым граням модели необходимо приложить дополнительное давление «3,5 МПа. Действие дополнительной компоненты напряжений моделировалось прикладыванием к боковым сторонам модели соответствующих им значений перемещений, подсчитанных по формуле (3;1): В остальном, методика расчета аналогична предыдущему расчету. На рис.22, представлены вектора смещений поверхности в плане. Как видно из рисунков результаты практически не отличаются от предыдущих результатов. Результаты расчетов показали, что на удалении нескольких километров горизонтальные сдвижения равны практически нулю. Уже на удалении от выработанного пространства, равном двойной глубине работ (600-700м) они не превышают 5-7мм, т.е. можно считать, что на удалении, равном двойной глубине работ, влияние горных разработок на земную поверхность практически не сказывается.
Эти расчеты согласуются с результатами инструментальных наблюдений за сдвижением земной поверхности при разработке ВКМКС. Согласно данным основного Нормативного документа [55], граничный угол сдвижения на месторождении по всем направлениям составляет 50, т.е. на удалении, равном практически глубине горных работ не наблюдаются оседания, превышающие 10мм. Таким образом, основным выводом, сделанным на основании выполненного математического моделирования является вывод о том, что сдвижения земной поверхности вызванные отработкой калийных рудников затрагивают лишь сравнительно небольшие участки земной поверхности в районе рудников и не распространяются на всю территорию ВКМКС. Т.е. зафиксированные сдвижения не могут быть вызваны отработкой калийно-магниевого месторождения, следовательно, можно предположить, что они могут быть вызваны глобальными подвижками блоковых структур. К сожалению, на данном этапе исследований получить расчетами зафиксированные смещения не представляется возможным. 1. По результатам численного моделирования напряженно-деформированного состояния территории ВКМКС установлена зависимость параметров сдвижения земной поверхности от степени отработки сильвинито-карналитовой зоны, моделируемой изменением модуля упругости, и расстояния от границы ведения горных работ. 2. Результаты численного моделирования земной поверхности, выполненного по району ВКМКС, показали, что горизонтальные сдвижения земной поверхности, вызванные отработкой калийных рудников, затрагивают лишь сравнительно небольшие участки земной поверхности в районе отработки калийных рудников и не распространяются на расстояние большее двойной глубины разработки, следовательно, не могут повлиять на геодинамику всего региона. 3. Направления горизонтальных векторов смещений пунктов 105, 112, 113, 204, 225, 227 локальной сети ВКМКС, полученные инструментальными геодезическими методами, совпадают с результатами, полученными путем численного моделирования сдвижений земной поверхности от отработки сильвинито-карналитовой зоны. 4. Зафиксированные многолетние сдвижения земной поверхности пунктов, расположенных на значительном удалении от отрабатываемых шахтных полей, могут быть вызваны геодинамическими факторами, свойственными региону в целом. 5. Влияние внешних геодинамических факторов на положение рабочих и опорных пунктов наблюдательных станций за сдвижением земной поверхности нефтяных и калийных месторождений можно признать не существенным.
