Исследование геодинамических процессов с применением GPS-технологий

Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник, Коновалова Юлия Павловна, аспирант , Институт горного дела УрО РАН

В данной публикации обобщен опыт использования методов спутниковой геодезии для мониторинга геодинамических процессов, происходящих на горных предприятиях. Исследуются вопросы, связанные с изучением смещений и деформаций как естественной, так и техногенной природы. Очерчен круг решаемых задач, заострены проблемы, возникающие при мониторинге напряженно-деформированного состояния массива горных пород, и показаны пути их решения. Отмечена высокая эффективность использования современных геодезических комплексов для решения задач геомеханики и геодинамики.

В последние годы все более актуальными становятся исследования геодинамических процессов, проистекающих в верхней части земной коры и имеющих как естественную, так и техногенную природу. Интерес к исследованиям современных движений и деформаций во многом обусловлен тем, что безопасное ведение человеком хозяйственно-экономической деятельности в массиве горных пород и земной поверхности, возможно только при получении целостной картины о происходящих в недрах Земли и на ее поверхности процессах. Эти сложные многофакторные процессы имеют как естественную, так и техногенную природу, причем в последнее время все большее значение приобретает техногенный фактор, который приводит к негативным изменениям геодинамической и экологической обстановки. Если естественные геодинамические процессы проявляются в основном в виде медленных трендовых подвижек по границам структурных блоков, которые происходят на фоне короткопериодных знакопеременных колебаний массива, прилегающего к ним [1], то техногенные, или наведенные геодинамические процессы, [2] вызваны масштабной деятельностью человека по добыче и переработке полезных ископаемых и изменению окружающей природной среды. Каждая из форм проявления геодинамических процессов способна произвести серьезные нарушения жилых и промышленных объектов, в том числе экологически опасных, таких как атомные и тепловые электростанции, гидротехнические сооружения, магистральные продуктопроводы, химические предприятия.

Изучение современных движений и деформаций, происходящих в массиве требует проведения в мониторинговом режиме высокоточных геодезических измерений смещений реперов специально оборудованных наблюдательных станций - геодинамических полигонов. Жесткие требования к проведению подобного рода геодезических работ - обширные территории, охватываемые измерениями, высокий уровень точности определения величин сдвижений и деформаций, короткие периоды между сериями инструментальных измерений, все это предопределяет необходимость использования при проведении исследований современного высокоточного и производительного геодезического оборудования.

В институте горного дела УрО РАН на протяжении уже нескольких десятилетий исследуются вопросы, связанные с изучением смещений и деформаций горных пород, как естественной природы, так и возникающих при открытой и подземной разработке полезных ископаемых. В последние несколько лет наряду с традиционными геодезическими наблюдениями используются методы спутниковой геодезии. Комбинирование традиционных наземных и спутниковых измерений позволяет достаточно успешно решать поставленные задачи. Спутниковые технологии благодаря своей высокой производительности позволили с высокой периодичностью получать информацию о деформациях земной поверхности на базах от первых метров до нескольких десятков километров, что было затруднительным при использовании традиционных методик измерений и, что очень важно, для обеспечения безопасности и эффективности горного производства. Для проведения спутниковых геодезических измерений используется большой парк одно- и двухчастотной аппаратуры, состоящий из 12 GPS-приемников геодезического класса фирм "Trimble" и "Sokkia". С 1996 года и по сегодняшний день институт проводит геодезический мониторинг смещений и деформаций земной поверхности с использованием GPS-технологий более чем на десяти месторождениях Урала, Сибири, Казахстана.

Определения величин смещений и деформаций производятся путем многократных переопределений координат реперов и геометрических элементов - длин и превышений специально оборудуемых наблюдательных станций [3]. Тип, конструкция, размеры и плотность реперов наблюдательной станции выбираются в зависимости от горно-геологических условий исследуемых объектов и поставленных задач фундаментальных и прикладных исследований. Репера наблюдательных станций закладываются согласно соответствующим инструктивным материалам как в области влияния горных разработок, размеры которых достигают первых километров, так и далеко за ее пределами, где репера меньше всего подвержены влиянию техногенных деформационных процессов, в результате чего становится возможным суммарное поле деформаций разложить на поля естественных и техногенных деформаций. Количество пунктов деформационной геодезической сети во многом зависит от площади исследуемой территории, которая, в свою очередь, определяется мощностью месторождения, объемами перемещаемой горной массы и взаимным расположением техногенных объектов. Плотность сети наблюдательных пунктов во многом определяется размерами техногенных объектов, удалением от них, параметрами охраняемых сооружений, попадающих в область влияния горных разработок, тектоникой месторождения и определяется индивидуально в каждом конкретном случае [4]. Как правило, в качестве репер