УДК 622.1:622.271

DOI 10.24411/2413-046Х-2020-10639

Использование спутниковых GNSS приёмников для наблюдения за сдвижениями на Кия-Шалтырском месторождении

The use of satellite GNSS receivers to monitor the displacements on cue-Altercom field

Патачаков Игорь Витальевич, кандидат технических наук, доцент, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Гришин Арсений Александрович, ООО НИП «Сибмаркпроект», геолог

Еретнов Николай Валерьевич, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», специалист по организационному обеспечению

Абдуллаева Анна Анатольевна, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Разин Антон Игоревич, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» 

Анашкин Никита Александрович, Институт горного дела, геологии и геотехнологий ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»

Putchkov Igor V., candidate of technical Sciences, associate Professor, Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Grishin Arseny Aleksandrovich, OOO «NIP Sibmarkproekt», geologist

Erenow Nikolay V., Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University, organizational support specialist

Abdullayeva Anna A., Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Razin Anton Igorevich, Institute of mining, Geology and geotechnologies, SIBERIAN Federal University

Anashkin Nikita, Institute of mining, Geology and geotechnologies of the Federal STATE Autonomous educational institution «Siberian Federal University»

Аннотация. Сдвижение горных пород – это длительный и многостадийный процесс деформирования массивов пород, в результате которого происходят перемещения массива или его части в сторону выработанного пространства. Наиболее распространенным методом для наблюдений является классический метод. Однако, в последние годы всё большее значение в области пространственных измерений занимают GNSS технологии. В данном исследовании, в классический метод наблюдений за сдвижением горных пород на Кия-Шалтырском нефелиновом руднике были внедрены спутниковые технологии. Представлены результаты измерений, полученные с использованием GNSS технологий и инструментальной съемки. Посредством сравнения полученных результатов сделан вывод о возможности успешного интегрирования GNSS приемников в маркшейдерско-геодезическом методе.

Summary. Rock displacement is a long and multi – stage process of deformation of rock massifs, as a result of which the mass or part of it moves towards the developed space. The most common method for observations is the classical method. However, in recent years, GNSS technologies have become increasingly important in the field of spatial measurement. In this study, satellite technologies were introduced into the classical method of observing the movement of rocks at the Kiya-Shaltyrsky nepheline mine. The results of measurements obtained using GNSS technologies and instrumental survey are presented. By comparing the results obtained, a conclusion is made about the possibility of successful integration of GNSS receivers in the surveying and geodesic method.

Ключевые слова: сдвижение, наблюдательных станций, нивелирование, GNSS, Кия-Шалтырское месторождение, оседания, горизонтальные деформации.

Keywords: displacement, observation stations, leveling, GNSS, Kiya-Shaltyrskoye field, subsidence, horizontal deformations.

Сдвижение горных пород – это длительный и многостадийный процесс деформирования массивов пород, в результате которого происходят перемещения массива или его части в сторону выработанного пространства. Данный процесс оказывает негативное влияние на производство горных работ, транспортные коммуникации, здания и сооружения, может вызывать аварийные ситуации, представляет большую опасность для человеческой жизни.

Поэтому изучение характеристик процесса сдвижения остается актуальной задачей на всех стадиях развития горного предприятия. Для получения характеристик процесса сдвижения, данных о геомеханическом состоянии массива горных пород и его изменении во времени проводятся маркшейдерские наблюдения. Фиксацию деформаций прибортового массива производят на специальных наблюдательных станциях, представляющих собой системы реперов.

На сегодняшний день существует большое количество методик инструментальных наблюдений за развитием процесса сдвижения на реперах наблюдательных станций. Классические методы представляют собой наблюдения нивелированием высокого класса и измерением интервалов мерными компарированными лентами. Однако, в последние годы всё большее значение в области пространственных измерений занимают GNSS технологии.

При использовании спутниковой аппаратуры для наблюдений за сдвижением земной поверхности необходимо выполнение следующих требований:

• Радиовидимость на всех определяемых пунктах должна быть только удовлетворительной (R=1);
• Должен быть применен только способ непосредственных измерений (могут быть использованы как два, так и три приемника);
• Может быть использована только двухчастотная аппаратура;
• Небольшая удалённость определяемых пунктов от исходных.

Удовлетворительными условиям радиовидимости следует считать такие, при которых одновременно выполняются следующие требования:

• Фактор, характеризующий геометрию созвездия спутников и выражаемый через коэффициент GDOP;
• Отношение “сигнал/шум” не менее 6;
• Качество радиосигнала более 90%;
• Отсутствие потерь целых циклов при приеме радиосигнала.

Спутниковая аппаратура имеет ряд ограничений в использовании, и не является панацеей при проведении наблюдений за состоянием прибортового массива. Поэтому, для контроля измерений, совместно с GNSS измерениями нами были использованы традиционные способы определения положения реперов наблюдательных линий.

В данном исследовании была изучена возможность интеграции классического метода с применением спутниковых GNSS технологий для наблюдений за сдвижением горных пород на Кия-Шалтырском нефелиновом руднике. Первый способ подразумевает использование тахеометра, нивелира и компарированной мерной ленты для определения превышений и выполнения линейных измерений между реперами, расположенными на борту карьера, под вторым использование спутниковых GNSS приёмников для наблюдения за сдвижением реперов, расположенных на уступах, а также контроля стабильности опорных реперов.

Целью исследования являлись инструментальные наблюдения на пунктах станций мониторинга за деформационными процессами в зоне непосредственного влияния горных работ и в периферийной зоне для определения параметров процесса сдвижения и деформаций бортов, установления параметров процесса сдвижения. Для этого на карьере были заложены наблюдательные станции по нескольким профильным линиям, на которых производились наблюдения на протяжении 4 циклов, каждый цикл из которых составляет 30 календарных дней.

При использовании этих методов все работы можно подразделить на:

• Линейные измерения коротких расстояний с помощью стальных рулеток и жестких отвесов и линейные измерения расстояний от 30 м и больше с помощью светодальномера;
• Геометрическое нивелирование горизонтальных участков профильных линий;
• Тригонометрическое нивелирование по наклонной части.
• Угловые измерения с помощью высокоточных теодолитов (тахеометров);
• Спутниковые GNSS измерения.

Схема расположения наблюдательных станций на карьере Кия-Шалтырского нефелинового рудника приведена на рисунках 1 и 2.

Для исследования использовались многочастотные ГЛОНАСС/GPS геодезические спутниковые приемники. На протяжении всех четырех циклов наблюдений на всех наблюдательных станциях выполнялось определение величин сдвижения реперов в горизонтальной и вертикальной плоскостях по результатам инструментальных наблюдений. [3]

Для получения наиболее качественных результатов измерений при высокоточной GNSS-съемке наблюдения производились с соблюдением ряда условий:

Метод позиционирования – статическое относительное позиционирование по фазе несущей.

Угол отсечки (маска высоты) –15º.

Продолжительность сеансов – 60 минут.

Интервал регистрации (эпоха) – 15 сек.

Способ учета метеоданных – не учитывались.

Геометрический фактор GDOP – <5.

Эфемериды – бортовые.

Количество сеансов – не менее двух.[3]

Обработка результатов измерений выполнялась в три этапа:

1. Предварительная обработка – разрешение неоднозначностей при определении расстояний до наблюдаемых спутников.
2. Оценка точности геодезических построений.

При просмотре файлов данных с приемников производился непосредственный контроль качества записанной информации, т.е. проверялись допуски дисперсии, СКО, отношения векторов. Вектора обсчитывались с допустимыми значениями этих параметров. Контроль полноты осуществлялся методом предобработки результатов спутниковых измерений. При этом фиксировались как факты недостатка информации, так и факты ее избыточности.

3. Уравнивание и трансформация полученных координат в принятую систему координат.

В течение 4 циклов с периодичностью 30 дней проводился анализ профильных линий Пр-(-V), Пр-(-IV) на Северо-Восточном борту карьера и Пр-(0), Пр-(+I) на Юго-Западном борту карьера (рисунки 1,2).[2]

По результатам наблюдений определялись следующие параметры, характеризующие процесс деформирования прибортового массива:

• горизонтальные смещения реперов (мм);
• вертикальные смещения (мм);
• полный вектор смещений (мм);
• горизонтальные деформации интервал между реперами за период между двумя сериями наблюдений;
• скорость полного вектора смещения (мм/сутки) за период наблюдений.

Для того, чтобы убедиться в достоверности GNSS измерений, были посчитаны разности превышений реперов, полученных GNSS измерениями и геометрическим нивелированием. Результаты сравнения GNSS измерений и геометрического нивелирования за 1 и 4 циклы исследований представлены в таблице 1. [2]

Из таблицы видно, что разница между превышениями не выходит за рамки допустимой ошибки измерений, что говорит о возможном применении GNSS технологий для наблюдения за деформациями.

В результате проводимых в течение 4 циклов с периодичностью 30 дней измерений, для реперов расположенных на уступах вычислены оседания, плановые смещения и полный вектор смещения между циклами (таблица 2).

На основании анализа таблицы 2 можно сделать вывод, что абсолютные горизонтальные деформации (ξ) и оседания (ŋ) близки к нулю, что говорит об отсутствии деформаций на участках, захваченных данными профильными линиями наблюдательных станций.

В результате проделанного исследования были получены следующие выводы:

• по итогу циклов наблюдений получены характеристики процесса сдвижения, данные о геомеханическом состоянии массива горных пород и его изменениях во времени;
• обоснована возможность совместного использования маркшейдерско-геодезического метода и экспериментального способа наблюдений с помощью спутниковой аппаратуры, по средствам сравнения разности превышений GNSS измерений и геометрического нивелирования.

Литература

1. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и отвалов на карьерах и разработка мероприятий по обеспечению их устойчивости. // Л., ВНИМИ, 1971, – 187 с.
2. Итоговый технический отчет о результатах наблюдений по договору РА-Д-19-053 от 17.01.19. «Маркшейдерские наблюдения по профильным линиям наблюдательной станции» // Красноярск, ООО НИП «СИБМАРКПРОЕКТ», 2019, 47 с.
3. Инструкция по развитию съемочного обоснования и съемки ситуации и рельефа с применением глобальных навигаций спутниковых систем ГЛОНАСС и GNSS ГКИНП (ОНТА)-02-262-02. // Москва, 2002г
4. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов, интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. // Изд. ВНИМИ, Л., 1987, – 116 с.
5. Антонович, К.М. А11 Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т. 2. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. – 360 с.: ил.
6. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых» // Москва «ЗАО НТЦ ПБ», 2018
7. Пустовойтова Т.К., Кагермазова СВ. Влияние структуры массива скальных пород на устойчивость бортов карьера.- В сб. статей №51. Л.: ВНИМИ, 1964, с.161-174.
8. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов железорудных карьеров КМА -Горный журнал, 1969, №4, с.41-43.
9. Белоусов В.В. Основные вопросы тектоники.- М.: Госгеолтехиздат, 1962, с.608.
10. Окатов Р.П., Попов И.И., Попов В.Н. Некоторые вопросы учета трещи¬новатости горных пород.- Изв. вузов, Горный журнал, 1970, №3, с.21-29.
11. Окатов Р.П. Исследование устойчивости приконтурных уступов (на примере Карагайлинского карьера).- Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1972, с. 16.
12. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле.- М.: Высшая школа, 1973, 286 с.
13. Окатов Р.П., Попов И.И., Попов В.Н. О прогнозировании параметров уступов на Карагайлинском карьере.- Изв. вузов, Горный журнал, 1971, №9, с.33-42.
14. «Исследование и обоснование устойчивых параметров откосов уступов и бортов карьера Кия-Шалтырского нефелинового рудника при отработке месторождения на полную глубину». Отчет по НИР. ФГАОУВПО СФУ, 2011. – 200с.
15. «Геомеханическое обоснование параметров устойчивости откосов бортов, уступов и отвалов на Кия-Шалтырском нефелиновом руднике» . Отчет по НИР. ООО «НЕДРАПРОЕКТПЛЮС» , 2017. – 107с.
16. Kruzhilin, S. N., & Mishenina, M. P. (2019). Substantiation of rejuvenating tree pruning of representatives of the genus Рopulus l. In the urban city aglomerations. World Ecology Journal, 9(2), 1-20. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.1
17. Tereshkin, A. V., Kalmykova, A. L., & Andrushko, T. A. (2019). Relevance of enrichment of landscaping plantings with lianas in the conditions of urban ecosystems of the Saratov region. World Ecology Journal, 9(2), 21-38. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.2

References

1. Instrukciya po nablyudeniyam za deformaciyami bortov, otkosov ustupov i otvalov na kar`erax i razrabotka meropriyatij po obespecheniyu ix ustojchivosti. // L., VNIMI, 1971, – 187 s.
2. Itogovy`j texnicheskij otchet o rezul`tatax nablyudenij po dogovoru RA-D-19-053 ot 17.01.19. «Markshejderskie nablyudeniya po profil`ny`m liniyam nablyudatel`noj stancii» // Krasnoyarsk, OOO NIP «SIBMARKPROEKT», 2019, 47 s.
3. Instrukciya po razvitiyu s«emochnogo obosnovaniya i s«emki situacii i rel`efa s primeneniem global`ny`x navigacij sputnikovy`x sistem GLONASS i GNSS GKINP (ONTA)-02-262-02. // Moskva, 2002g
4. Metodicheskie ukazaniya po nablyudeniyam za deformaciyami bortov razrezov i otvalov, interpretacii ix rezul`tatov i prognozu ustojchivosti. // Izd. VNIMI, L., 1987, – 116 s.
5. Antonovich, K.M. A11 Ispol`zovanie sputnikovy`x radionavigacionny`x sistem v geodezii. V 2 t. T. 2. Monografiya / K.M. Antonovich; GOU VPO «Sibirskaya gosudarstvennaya geodezicheskaya akademiya». – M.: FGUP «Kartgeocentr», 2006. – 360 s.: il.
6. Federal`ny`e normy` i pravila v oblasti promy`shlennoj bezopasnosti «Pravila bezopasnosti pri vedenii gorny`x rabot i pererabotke tverdy`x polezny`x iskopaemy`x» // Moskva «ZAO NTCz PB», 2018
7. Pustovojtova T.K., Kagermazova SV. Vliyanie struktury` massiva skal`ny`x porod na ustojchivost` bortov kar`era.- V sb. statej №51. L.: VNIMI, 1964, s.161-174.
8. Fisenko G.L. Ustojchivost` bortov zhelezorudny`x kar`erov KMA -Gorny`j zhurnal, 1969, №4, s.41-43.
9. Belousov V.V. Osnovny`e voprosy` tektoniki.- M.: Gosgeoltexizdat, 1962, s.608.
10. Okatov R.P., Popov I.I., Popov V.N. Nekotory`e voprosy` ucheta treshhi¬novatosti gorny`x porod.- Izv. vuzov, Gorny`j zhurnal, 1970, №3, s.21-29.
11. Okatov R.P. Issledovanie ustojchivosti prikonturny`x ustupov (na primere Karagajlinskogo kar`era).- Avtoreferat diss. na soisk. uch. step. kand. texn. nauk. M.: MGI, 1972, s. 16.
12. Ry`zhov P.A. Matematicheskaya statistika v gornom dele.- M.: Vy`sshaya shkola, 1973, 286 s.
13. Okatov R.P., Popov I.I., Popov V.N. O prognozirovanii parametrov ustupov na Karagajlinskom kar`ere.- Izv. vuzov, Gorny`j zhurnal, 1971, №9, s.33-42.
14. «Issledovanie i obosnovanie ustojchivy`x parametrov otkosov ustupov i bortov kar`era Kiya-Shalty`rskogo nefelinovogo rudnika pri otrabotke mestorozhdeniya na polnuyu glubinu». Otchet po NIR. FGAOUVPO SFU, 2011. – 200s.
15. «Geomexanicheskoe obosnovanie parametrov ustojchivosti otkosov bortov, ustupov i otvalov na Kiya-Shalty`rskom nefelinovom rudnike» . Otchet po NIR. OOO «NEDRAPROEKTPLYuS» , 2017. – 107s.
16. Kruzhilin, S. N., & Mishenina, M. P. (2019). Substantiation of ejuvenating tree pruning of representatives of the genus Ropulus l. In the urban city aglomerations. World Ecology Journal, 9(2), 1-20. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.1
17. Tereshkin, A. V., Kalmykova, A. L., & Andrushko, T. A. (2019). Relevance of enrichment of landscaping plantings with lianas in the conditions of urban ecosystems of the Saratov region. World Ecology Journal, 9(2), 21-38. https://doi.org/10.25726/worldjournals.pro/WEJ.2019.2.2