ОСОБЕННОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПОСТРОЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ КУЗБАССА

Соловицкий А. Н.

ORCID: 0000-0001-7483-3484, Кандидат технических наук, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева

ОСОБЕННОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПОСТРОЕНИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ КУЗБАССА

Аннотация

Разработана теория геодезических построений при создании геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса. Основным отличием предложенных геодезических построений является применение пространственной фигуры в качестве ячейки сети, что обеспечивает определение динамических  параметров в глубине блока земной коры. Такой подход обеспечивает не только жесткость и надежность геодезической сети, но и одинаковую точность определения изменений координат мобильных пунктов.  Впервые была разработана многоступенчатость таких построений в зависимости от геодинамической активности блоков земной коры, реализация которой обеспечивае гибкость и эффективность.

Ключевые слова: Геодезический мониторинг, геодезические построения.

Solovitskiy А. N.

ORCID: 0000-0001-7483-3484, PhD in Engineering, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbachev

FEATURES OF GEODETIC CONSTRUCTIONS DURING CREATION OF GEODETIC MONITORING OF THE INTENSE DEFORMED CONDITION OF CRUST OF KUZBASS

Abstract

The theory of geodetic constructions during creation of geodetic monitoring of the intense deformed condition of crust at development of coal fields of Kuzbass is developed. The main difference of the offered geodetic constructions is application of a spatial figure as a network cell that provides determination of dynamic parameters in the depth of the crust block. Such approach provides not only rigidity and reliability of a geodetic network, but also identical accuracy of definition of changes of coordinates of mobile offices. For the first time multi-layered constructions was developed depend on the geodynamic activity of the earth crust blocks, which provide flexibility and efficiency.

Keyword: Geodetic monitoring, geodetic constructions.

Нормативными документами при проведении прикладных геодинамических исследованиях в районах освоения месторождений полезных ископаемых рекомендуется следующая схема геодезических построений. Мобильные пункты закладываются на двух взаимно перпендикулярных профилях с интервалом через 2 км, а стабильные − на  их противоположных  концах вне зоны влияния техногенной деятельности [1, 2]. Теория геодезического мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры (ГМНДСЗК), которую развивает автор, основывается на иной методологической базе и обеспечивает информационное взаимодействие между геодезией и смежными науками о Земле [3]. Таким образом, ГМНДСЗК имеет существенные отличия, особенности которых заключаются в следующем.

Пространственная структурная модель ячейки геодезических построений.

Первой особенностью геодезических построений (ГП) является разработка новой модели их ячейки. При проведении ГМНДСЗК повторные наблюдения  предлагается проводить на мобильных пунктах (МП) образующих не плоскую, а пространственную фигуру. Опыт применения пространственных фигур в геодезии мало освещен, особенно при проведении прикладных геодинамических исследований. МП такой модели имеют определенную схему закрепления. Согласно рисунку 1 можно выделить  их разный уровень 1 и 2, 3, 4. При этом 1закрепляется в вершине  блока земной коры (БЗК), а 2, 3, 4 -  в узлах пересечения разломов [3].

Разный уровень указанных выше пунктов обеспечивается глубиной их закрепления (см рис. 1 мобильные пункты 2, 3, 4), которая должна быть соизмерима с глубиной проникновения  разломов. Такая модель ячейки ГП обеспечивает для каждого БЗК:

Рисунок 1- Схема элементарной ячейки геодезических построений

 

• переход от плоской деформации к объемной;
• отнесение параметров объемной деформации к центру тяжести;
• адекватность так, как форма её основания зависит от его конфигурации;
• соответствие геометрических требований реальным размерам, а не нормативным документам к геодезическим опорным сетям.

Для проектирования ГДП необходимо, чтобы предварительно было проведено геодинамическое районирование, то есть на исследуемой  территории были выделены и идентифицированы на местности БЗК как минимум низших рангов [4, 5].

 Связь со стабильными пунктами.

Каждый МП предлагаемой ячейки построений связан со стабильными пунктами, их количество равно четырем. Указанное количество связано с разрешением неоднозначности при применении спутниковых технологий определения координат. Эти пункты закрепляются в условно-стабильном блоке земной коры (УСБЗК). Методика установления такого блока разработана автором [5]. Выделение УСБЗК основано на реализации фундаментальной гипотезы о действии и релаксации напряжений. При этом его выбор основывается на минимуме вертикальных движений относительно соседних, такая информация легко определима при его выделении по картографическим материалам. УСБЗК предлагается выделять из нескольких (в общем случае их число n) одного ранга на основе выполнения критерия [vv] = min, (где v − разности наивысших отметок блоки земной коры) [5].  Выделение УСБЗК состоит из следующих операций:

• выделение наивысших отметок БЗК одного ранга на исследуемом участке;
• нахождение разности отметок между БЗК v;
• вычисление суммы квадратов разностей отметок каждого БЗК с остальными [vv];
• выбор УСБЗК на основе выполнения критерия [vv] = min.

Выделение УСБЗК по предложенной автором методике  выполнено на локальном уровне для БЗК V-го ранга в районе г. Белово (табл. 1), которые соответствует по площади территории освоения отдельного месторождения [5].

Таблица 1 – Выделение УСБЗК на локальном уровне (V-го ранга)

Блок земной коры	Разности превышений v, в м			[vv]
230	0	57,3	45,2	5326,3
287,3	− 57,3	0	-12,1	3429,6
275,2	− 45,2	12,1	0	2189,5

Согласно выполненным исследованиям УСБЗК на локальном уровне в районе (табл. 1) г. Белово является 275,2. Эти БЗК V-го ранга являются структурными элементами БЗК III-го ранга –315.

Апробация предложенной методики для БЗК разных рангов свидетельствует о возможности оперативного определения УСБЗК в камеральных условиях при использовании общедоступной картографической информации [5].

Идентификация (установление границ на местности) БЗК, заключающаяся в определении их положения на территории месторождения, предлагается проводить двумя методами  [5]:

• визуально;
• инструментально.

Как показано в работе [4], визуальный метод основан на опознавании границ БЗК на исследуемой территории по их качественным признакам.

Такими границ признаками в горных выработках являются зоны аномалий: трещиноватости, смятости, несогласий залегания пород. В случае их отсутствия применяют инструментальные методы. Однако, применение инструментальных методов в вышеуказанной работе [4] не раскрыто. В связи с этим автором была  разработана идентификация блоков земной коры на основе применения инструментальных методов, выбор которых зависит наличия приборной и информационной базы.

Геодезическим методом  положение разлома на исследуемой территории выявляется на основе использования разбивочных элементов, которые определяются относительно ближайших пунктов геодезической основы [5].

Применение гравиметрического метода заключается в следующем.

Перпендикулярно к оси разлома разбивается профиль с шагом S, равным 5−15 м. Выбор шага зависит от ранга разлома.

В каждой точке профиля (пикете) проводятся гравиметрические наблюдения. По их результатам рассчитывают градиенты приращений силы тяжести.

Δg_s =Δg_i /S,      (1)

где Δg_i − приращение ускорения свободного падения (силы тяжести) между соседними точками профиля.

Зона разлома характеризуется аномальными градиентами приращений силы тяжести, которые оценивают по выполнению условия Δg_s ≥3 m_i ,     (2) где m_i  − погрешность определения Δg_s.

Положительные результаты апробации данных методов получены различными авторами на месторождениях Урала и Западной Сибири [5].

В целом, предложенный подход обеспечивает одинаковую точность определения изменений координат, а также жесткость сети. Это достигается наличием большого количества связей между пунктами. Кроме этого наличие значительного количества избыточных измерений характеризует надежность определения изменений координат.

Гибкость геодезических построений.

Оперативность получения информации определяется современными возможностями геодезической техники, а своевременность связана со временем проявления геодинамической активности.

Зависимость многоступенчатости геодезических построений от геодинамической активности блоков земной коры.

Условием многоступенчатости геодезических построений ГДП является геодинамическая активность не только для блоков земной коры одного ранга R, но и последующего R+1, которое имеет следующий вид [3]:

     (3)

где Vе_ii [t−t₀ ] (R) и Vе_ii [t−t₀ ](R+1) − скорости деформации блоков земной коры разных рангов; Vе_n [t−t₀ ] − скорость деформации земной коры, не приводящая к проявлению геодинамических явлений, равная 1·10^-6  в год.

Обычно многоступенчатость геодезических сетей зависит от площади объекта, что характеризует принципиальное отличие. Поэтому предлагается образовать сначала для блоков земной коры V-го ранга, а затем  детально –  для VI-го  ранга по мере освоения месторождения. При этом геодезические построения предлагается определять иерархической блочной структурой земной коры месторождения и их по принципу:

• низший уровень для блоков земной коры VI-го ранга, соответствующих технологическим;
• высший уровень для блоков земной коры V-го, IV ранга или более высокого ранга [3].

Выводы.

Изложенное выше свидетельствует о следующем.

1. Предложенная типовая схема построения ГДП является унифицированной, гибкой для реализации, а также поэтапной, и рекомендуется для проведения комбинированных наблюдений.
2. Жесткость типовой схемы ГП ГДП обеспечивает значительное количество избыточных измерений, что характеризует надежность определения как изменений координат, так и динамических параметров блоков земной коры.
3. Поэтапность построения такой сети свидетельствует об экономической эффективности предлагаемой схемы  построения, способствует обеспечению минимальных затрат.
4. Обеспечение одинаковой точности МП каждого блока земной коры решено на основе предложенной их типовой схемы связи со стабильными.

Литература

1. Геодезические методы изучения деформаций земной коры на геодинамических полигонах [Текст]: метод. руководство. - М. : ЦНИИГАиК, 1985. - 113 с.
2. Серебрякова, Л. И. О методическом руководстве по геодинамическим исследованиям в системе Росреестра [Текст] // Геодезия и картография. – 2013 .−  № 10 . − С. 45 −50.
3. Карпик, А. П. Технология изучения изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении месторождений Кузбасса [Текст] / А. П. Карпик,  А. И. Каленицкий, А. Н. Соловицкий // Вестник ССГА.–2013. –  № 4(24). – С. 3–11.
4. Батугина, И. М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников [Текст]/  И. М. Батугина,      И. М. Петухов. − М.: Недра, 1988. − 166 с.
5. Соловицкий, А. Н. Интегральный метод контроля напряженного состояния блочного массива горных пород [Текст]: под ред. П.В. Егорова: монография. − Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003.—260 с.

References

1. Geodezicheskie metody izuchenija deformacij zemnoj kory na geodinamicheskim poligonah. – M.: CNIGAiK, 1985.− 113 s.
2. Serebrjakova, L. I. O metodicheskom rukovodstve po geodinamicheskim issledovanijam v sistemeRosreestra //// Geodesy and Cartography. – 2013.− No. 10. − P. 45 −50.
3. Karpik, A. P., Kalenitskiy, A. I., Solovitskiiy, A. N., 2013. The technology of studying the changes of the deformations of the earth crust blocks in time during the development of deposits of Kuzbass. Vestnik of SSGA. #4.
4. Batugina, I. M., Petuhov, I.M. Geodinamicheskoe rajonirovanie mestorozhdenij pri proektirovanii I jekpluatacii rudnikov. – M.: Nedra, 1988. − 166 s.
5. Solovitskiy, А. N. Integral Method for monitoring the state of stress of a block of rock mass. – Kemerovo, State University KuzSTU, 2003. − 260 p.