СПОСОБ МОНИТОРИНГА СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ДЕФОРМАЦИЙ СООРУЖЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
METHOD OF MONITORING DISPLACEMENTS OF EARTH'S SURFACE AND DEFORMATION OF STRUCTURES ON TERRITORY OF MINERAL DEPOSITS

Настоящее изобретение относится к области маркшейдерско-геодезического мониторинга территорий месторождений полезных ископаемых для обеспечения промышленной безопасности их освоения и охраны недр.
В настоящее время мониторинг территорий осуществляется различными методами.
В частности, в выложенной заявке Японии №2006-162308 (опубл. 22.06.2006) описан способ измерения смещений земной поверхности, в котором используются натяжные датчики в виде измерительной линии, натянутой между опорой и устройством измерения натяжения. Этот способ пригоден только для мониторинга небольших и преимущественно наклонных участков земной поверхности.
В патенте Украины №70868 (опубл. 15.10.2004) раскрыт способ дистанционного контроля земной поверхности, в котором дистанционное зондирование земли осуществляют одновременно в инфракрасном диапазоне и миллиметровыми радиоволнами. Использование инфракрасного излучения ограничивает возможности данного способа, поскольку требует достаточной прозрачности атмосферы (отсутствие облачности, тумана).
Патент США №6204800 (опубл. 20.03.2001) раскрывает способ мониторинга земной поверхности, в котором используется радар для радиолокационного зондирования земной поверхности с самолета, на котором принимают также радиосигналы со станций слежения для определения собственных координат и параметров полета этого самолета. Данный способ позволяет осуществлять мониторинг земной поверхности на больших площадях, но весьма дорог при его использовании для малых территорий, на которых иногда располагаются месторождения полезных ископаемых.
Наиболее близким к заявленному является способ мониторинга опасных карстовых и(или) оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог, раскрытый в патенте РФ №2333506 (опубл. 10.09.2008). В этом способе используют результаты радиолокационного космического зондирования пассивных поворотных отражателей радиолокационного сигнала, установленных на земной поверхности с достаточно малым шагом, сопоставимым с разрешающей способностью космического радиолокационного интерферометра. К тому же этот способ требует проведения множества наземных наблюдений. Т.е. данный способ получается весьма затратным как в стоимостном выражении, так и по трудозатратам, причем значительный объем полевых геодезических работ в сочетании с высокой периодичностью космических съемок для относительно малых участков земной поверхности сводит на нет преимущества дистанционного зондирования.
Таким образом, технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, состоит в разработке способа мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождения полезных ископаемых, который был бы достаточно недорогим и не требовал больших трудозатрат, но обеспечивал бы в то же время достаточную точность для повышения уровня безопасности и снижения рисков при разработке месторождений полезных ископаемых.
Данная задача решается с достижением указанного технического результата в настоящем изобретении, которое обеспечивает способ мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождения полезных ископаемых, заключающийся в том, что осуществляют радиолокационное космическое зондирование отражателей радиолокационного сигнала на земной поверхности на упомянутой территории месторождения полезных ископаемых и передают получаемые при этом результаты в центр обработки, принимают данные базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений, вычисляют цифровое поле смещений земной поверхности в упомянутом центре обработки по полученным результатам радиолокационного космического зондирования с помощью дифференциальной интерферометрической обработки радиолокационных данных, калибруют получаемое поле смещений земной поверхности по упомянутым данным GPS- и ГЛОНАСС-наблюдений, принятым в упомянутом центре обработки, осуществляют пространственное сопоставление разнородных данных с откалиброванным полем смещений земной поверхности по упомянутой территории месторождения полезных ископаемых для выявления причин, вызвавших зарегистрированные смещения и деформации, при этом плотность размещения на местности искусственных отражателей радиолокационного сигнала, специально устанавливаемых на земной поверхности, выбирают не менее одного искусственного отражателя на площадь одного кадра радиолокационного космического зондирования. GPS - это спутниковая система навигации, разработанная в США.
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что упомянутыми искусственными отражателями радиолокационного сигнала на земной поверхности могут быть как пассивные уголковые отражатели, так и транспондеры, т.е. активные радиолокационные отражатели. При этом упомянутыми отражателями радиолокационного сигнала на земной поверхности могут быть и естественные устойчивые отражатели радиолокационного сигнала, такие как здания, сооружения, дороги, крутые берега рек и озер, уступы оврагов, крутые склоны гор и холмов.
Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что вычисление цифрового поля смещений земной поверхности в центре обработки могут осуществлять с использованием предварительно найденного трехмерного цифрового рельефа территории месторождения полезных ископаемых.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что для калибровки поля смещений земной поверхности могут дополнительно использоваться данные ГЛОНАСС-наблюдений на базовых ГЛОНАСС-станциях и данные дифференциальных ГЛОНАСС-наблюдений на отражателях радиолокационного сигнала. ГЛОНАСС - это глобальная навигационная спутниковая система, разработанная в России. Кроме того, для калибровки поля смещений земной поверхности в центре обработки могут использовать также данные традиционных геодезических наблюдений за смещениями.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что прием данных с базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений и(или) базовых ГЛОНАСС-станций и станций дифференциальных ГЛОНАСС-наблюдений могут осуществлять в реальном времени как для оперативного контроля сейсмоактивности, так и для обеспечения максимальной синхронизации данных этих наблюдений с моментом космического радиолокационного зондирования.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что при пространственном сопоставлении разнородных данных с откалиброванным полем смещений земной поверхности используют аэрокосмические, маркшейдерско-геодезические, геолого-геофизические и промыслово-геологические данные на территории месторождения полезных ископаемых.
Наконец, еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что периодичность выполнения наблюдений для территории каждого конкретного месторождения полезных ископаемых могут определять индивидуально методом экспертной оценки.
Способ мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождения полезных ископаемых по настоящему изобретению может быть реализован следующим образом.
Для осуществления заявленного способа используют данные существующих средств радиолокационного космического зондирования, а также данные базовых GPS-станций и данные станций дифференциальных GPS-наблюдений. Кроме того, в данном способе могут быть использованы данные ГЛОНАСС-наблюдений на базовых ГЛОНАСС-станциях и данные дифференциальных ГЛОНАСС-наблюдений. Не исключается также использование данных, полученных в традиционных геодезических наблюдениях за смещениями земной поверхности и деформациями зданий и сооружений на территории месторождения полезных ископаемых.
При осуществлении заявленного способа может быть предварительно найден трехмерный цифровой рельеф территории месторождения полезных ископаемых (для застроенной территории матрица высот трехмерного цифрового рельефа должна учитывать высоты зданий и сооружений). Нахождение этого цифрового рельефа обеспечивается известными средствами и методами, например, теми, которые раскрыты в упомянутом патенте США №6204800. Цифровой рельеф территории месторождения полезных ископаемых может также быть построен по результатам тех измерений, которые лежат в основе способа по настоящему изобретению и которые раскрыты далее. Следует отметить, что нахождение цифрового рельефа территории месторождения полезных ископаемых не является обязательным этапом способа по настоящему изобретению и выполняется для обеспечения большей оперативности и дальнейшего повышения точности мониторинга по настоящему изобретению.
2
2
В способе мониторинга смещений земной поверхности и деформаций зданий и сооружений на территории месторождения полезных ископаемых осуществляют радиолокационное космическое зондирование отражателей радиолокационного сигнала на земной поверхности на исследуемой территории месторождения полезных ископаемых. Такое космическое радиолокационное зондирование позволяет получать данные по полям смещений земной поверхности на площадях от десятков км до тысяч км. Благодаря многопроходным космическим радиолокационным съемкам методом синтезированной апертуры с помощью дифференциальной интерферометрической обработки данных этих съемок получаются оперативные точные данные, по которым можно судить не только о наличии, но также и о природе возникающих смещений исследуемой земной поверхности.
Согласно настоящему изобретению в качестве искусственных отражателей радиолокационного сигнала на земной поверхности могут быть использованы известные из уровня техники активные радиолокационные отражатели, так называемые транспондеры. Транспондер генерирует ответный сигнал при поступлении на его вход опросного сигнала радиолокационного космического зондирования, посылаемого с аэрокосмического объекта, предпочтительно спутника. Наличие передатчика ответного сигнала в транспондере позволяет повысить надежность радиолокационного космического зондирования, поскольку этот ответный сигнал имеет существенно более высокую мощность, нежели сигнал, просто отраженный от пассивного искусственного (например, уголкового или кругового) отражателя. Однако использование активных ответчиков в качестве отражателей радиолокационных сигналов не всегда возможно, т.к. требует постоянного или хотя бы периодического ухода (проверка, смена батарей или подзарядка аккумуляторов и т.п.).
Однако в способе по настоящему изобретению не обязательно нужно использовать транспондеры в качестве искусственных отражателей радиолокационного сигнала. Искусственными радиолокационными отражателями могут быть и пассивные отражатели, в частности те, которые используются в упомянутом патенте РФ №2333506. Наиболее известным типом таких отражателей является так называемый уголковый отражатель, обеспечивающий высокий уровень мощности отраженного сигнала и не требующий специального ухода. Такой отражатель представляет собой, например, три плоских круга из металлического листа, расположенных взаимно перпендикулярно друг к другу так, что центр каждого круга лежит в общей точке пересечения всех трех кругов. Независимо от своего положения на земной поверхности такой отражатель практически полностью возвращает падающее на него радиолокационное излучение. Поэтому такие пассивные отражатели вполне пригодны для использования в труднодоступных местах. Могут быть использованы и круговые отражатели радиолокационного сигнала, представляющие собой металлический цилиндр.
Кроме того, в отличие от упомянутого ближайшего аналога (патент РФ №2333506), в котором в обязательном порядке должны использоваться искусственные пассивные отражатели радиолокационного сигнала, в способе по настоящему изобретению в качестве таких отражателей вполне можно использовать и естественные устойчивые отражатели радиолокационного сигнала. Такими естественными отражателями могут быть здания, сооружения, дороги, крутые берега рек и озер, уступы оврагов, крутые склоны гор и холмов, а также любые иные природные или техногенные объекты, имеющие в своей структуре по меньшей мере две сравнительно плоские поверхности, пересекающиеся под углом, близким к прямому. Такие объекты, благодаря своим размерам, во много раз превосходящим размеры вышеуказанных уголковых отражателей, и форме, обеспечивающей высокую интенсивность отражения радиолокационного сигнала, действуют как естественные пассивные отражатели радиолокационных сигналов.
Независимо от типа отражателей, используемых в способе по настоящему изобретению, важным является то, как они расположены на земной поверхности. В отличие от упомянутого ближайшего аналога (патент РФ №2333506), в котором искусственные отражатели радиолокационного сигнала на земной поверхности располагаются на расстояниях, соизмеримых с линейной разрешающей способностью используемых космических радиолокационных интерферометров, в способе по настоящему изобретению эти отражатели могут быть размещены на гораздо больших удалениях друг от друга. В способе по настоящему изобретению плотность этих искусственных отражателей радиолокационного сигнала на земной поверхности выбрана так, чтобы на площадь одного кадра радиолокационного космического зондирования приходилось не менее одного отражателя. Т.е. при зондировании земной поверхности космическим или аэрокосмическим радиолокатором в его поле зрения (в «кадре») будет находиться хотя бы один искусственный отражатель радиолокационного сигнала. При этом точность мониторинга будет определяться не только результатами космического радиолокационного зондирования, но и данными от GPS-наблюдений и(или) ГЛОНАСС-наблюдений.
Вышеуказанные GPS-наблюдения и(или) ГЛОНАСС-наблюдения являются важной составляющей способа по настоящему изобретению. Данные базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений передают в центр обработки по каналам спутниковой или наземной связи, для чего эти GPS-станции и станции дифференциальных GPS-наблюдений оснащают соответствующими передатчиками либо модемами. С помощью базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений осуществляют замеры планово-высотных координат вышеупомянутых искусственных отражателей радиолокационных сигналов. При этом передачу данных с базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений осуществляют еще и для обеспечения максимальной степени синхронизации этих наблюдений с моментом аэрокосмической радиолокационной съемки, а также для оперативного контроля сейсмической активности на исследуемой территории.
По полученным результатам радиолокационного космического зондирования с помощью дифференциальной интерферометрической обработки данных в центре обработки вычисляют цифровое поле смещений земной поверхности. Это вычисление проводят известными методами, например, как описано в упомянутых патенте США №6204800 или патенте РФ №2333506, либо любым иным подходящим образом, известным специалистам. Вычисление цифрового поля смещений земной поверхности в центре обработки могут осуществлять с использованием предварительно найденного трехмерного цифрового рельефа территории месторождения полезных ископаемых, как было описано выше.
Получаемое в результате поле смещений земной поверхности калибруют в центре обработки по данным, которые приняты от базовых GPS-станций и станций дифференциальных GPS-наблюдений. Для этой калибровки могут также использовать данные ГЛОНАСС-наблюдений на базовых ГЛОНАСС-станциях и данные дифференциальных ГЛОНАСС-наблюдений на отражателях радиолокационного сигнала в дополнение к данным GPS-наблюдений. Кроме того, если это необходимо, для калибровки полученного поля смещений земной поверхности в центре обработки могут также использовать данные традиционных геодезических наблюдений за смещениями.
Откалиброванное поле смещений земной поверхности по территории месторождения полезных ископаемых пространственно сопоставляют с разнородными данными для выявления причин, вызвавших зарегистрированные смещения и деформации. При этом, в дополнение к тем данным, которые упомянуты выше, при сопоставлении могут использовать аэрокосмические, маркшейдерско-геодезические, геолого-геофизические и промыслово-геологические данные на территорию месторождения полезных ископаемых. Использование таких дополнительных данных позволяет более точно определить причины, вызвавшие зарегистрированные смещения и деформации. В частности, эти причины легче разделить на природные и техногенные, хотя такое разделение можно провести и без использования указанных дополнительных данных.
Периодичность выполнения наблюдений для территории каждого конкретного месторождения полезных ископаемых определяют индивидуально методом экспертной оценки, с учетом уже накопленных статистических данных для этой или иных территорий.
Следует отметить, что при наличии каких-либо зданий и(или) сооружений на территории месторождения полезных ископаемых предлагаемый способ применим точно так же, поскольку цифровая модель местности будет включать в себя не только объекты естественного рельефа, но и техногенные объекты, которые, как правило, являются хорошими отражателями радиолокационного сигнала благодаря своему размеру, форме и материалу изготовления (постройки).
Следовательно, может быть выполнена классификация застроенной территории по степени опасности для зданий и сооружений с учетом критических значений кривизны отражающей поверхности, принятых для различных классов зданий и сооружений в государственных и отраслевых руководящих документах.
Таким образом, способ по настоящему изобретению получился недорогим за счет использования данных от автоматизированных GPS- и(или) ГЛОНАСС-наблюдений, и не требующим больших трудозатрат, поскольку устанавливать искусственные отражатели радиолокационного сигнала нужно на гораздо больших расстояниях друг от друга, нежели в ближайшем аналоге, или даже вообще обойтись природными отражателями. В то же время заявленный способ, благодаря совместному использованию космического радиолокационного зондирования и данных GPS-наблюдений, обеспечивает достаточную точность, необходимую для повышения уровня безопасности и снижения рисков при разработке месторождений полезных ископаемых.
Хотя настоящее изобретение описано посредством конкретных вариантов своего осуществления, специалистам понятно, что могут быть сделаны различные модификации, дополнения и уточнения, не выходящие за рамки настоящего изобретения, объем которого определяется только приложенной формулой изобретения с учетом эквивалентов.