применение спутниковой радарной интерферометрии при

ПРИМЕНЕНИЕ СПУТНИКОВОЙ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
ПРИ НАБЛЮДЕНИИ ЗА ОСЕДАНИЯМИ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
КАРАГАНДИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА
Мозер Д.В., Гей Н.И.,Туякбай А.С., Каранеева А.Б.
Научный технический центр «KazGeoScan»
Карагандинский государственный технический университет
Карагандинский угольный бассейн - крупнейший угольный бассейн Республики
Казахстан. Основные центры добычи - города Караганда, Сарань, Абай, Шахтинск.
Шахты находятся на близком расстоянии друг к другу и к городу Караганда, а
интенсивная подземная добыча полезных ископаемых приводит к оседаниям земной
поверхности и обрушениям. При этом для восстановления требуются большие средства
на ремонт оборудования, техники и ликвидации последствий аварий.
Выявление процесса сдвижения земли и предотвращение угрозы обрушения
возможно при проведении масштабного мониторинга. В последние годы наиболее
актуальными и эффективными являются методики с использованием дистанционного
зондирования Земли с применением спутниковой радарной интерферометрии.
Для мониторинга процессов сдвижений земной поверхности на подработанных
территорий Карагандинского угольного бассейна в ТОО «НТЦ «KazGeoScan» начаты
работы по использованию технологии спутниковой радарной интерферометрии.
Обработка данных производилась в программном комплексе ENVI модуль
SarScape Interferometric Stacking по технологии SBas. Применяемая технология
обработки «SBas» – интерферометрия малых базовых линий, предусматривает
попарную
интерферометрическую
обработку
большого
количества
перекрещивающихся во времени интерферометрических пар.
Первый шаг обработки в SARscape выбор пар из общего числа возможных пар по
некоторым критериям: максимально допустимой базовой линии, максимально
допустимого временного промежутка между съемками. 15 повторных съемок – это 105
возможных пар снимков. Инструмент «Connection Graph» позволяет в интерактивном
автоматизированном режиме выбрать пары для дальнейшей обработки с учетом
вышеуказанных критериев (рисунок 1).
а)
б)
Рисунок 1 – а) Определение базовых линии снимков относительно друг друга;
б) Определение пространственного положения снимков относительно друг друга
Для каждой из пар в автоматизированном режиме были построены
интерферограммы, дифференциальные интерферограммы, выполнены фильтрация
интерферометрической фазы, расчет когерентности и развертка фазы. На выходе была
получена
интерферограмма смещений земной поверхности на всю площадь
космического снимка.
После анализа дифференциальной интерферограммы были выявлены участки, на
которых образовались мульды оседания, для дальнейшего наблюдения за данной
территорией. Данные мульды оседаний поверхности расположены в районах добычи
угля шахты имени И. А. Костенко, имени Т.Кузембаева, Абайская и Саранская.
Мульда оседания образовалась на территории шахта имени И. А. Костенко крупнейшем угледобывающем предприятии угольного департамента компании АО
«Арселор Миттал Темиртау». Шахта расположена в городе Караганда. На рисунке 2
отчетливо видно образование мульд оседаний, ускоряющихся во времени.
Рисунок 2 - Дифференциальная интерферограмма в районе шахты имени
Костенко
По результатам обработки серии радарных снимков, был построен график
оседаний земной поверхности по точке его максимального оседания, что составляет
130см за исследуемый период (рисунок 3).
Рисунок 3 - Максимальная величина оседания земной поверхности в районе
ведения работ на шахте имени И. А. Костенко за все время наблюдения
Полученная интерферограмма (рисунок 4) показала образование мульды оседания
на территории шахты «Абайская», которая находится в г.Абай Карагандинской области
и входит в состав «Арселор Миттал Темиртау».
Рисунок 4 - Дифференциальная интерферограмма в районе шахты «Абайская»
Динамика оседания земной поверхности по точке его максимального значения на
территории шахты «Абайская» проиллюстрирована на рисунке 5. Из графика видно,
что оседание за период с апреля по август 2014 года составляет 135см.
Рисунок 5 - Максимальная величина оседания земной поверхности
в районе ведения работ на шахте «Абайская»
Шахта «Саранская» угледобывающее предприятие в г.Сарань. Входит в состав
угольного департамента АО «АрселорМиттал Темиртау».
11.04-25.05
27.04-25.05
09.05-25.05
25.05-10.06
25.05-18.06
25.05-12.07
25.05-20.07
25.05-29.08
Рисунок 6 - Дифференциальная интерферограмма в районе шахты «Саранская»
По графику динамики оседания на шахте «Саранская», построенному по точке его
максимального оседания на данной территории видно, что оседания составляют 150см
(рисунок 7).
Рисунок 7 - Максимальная величина оседания земной поверхности в районе
ведения работ на шахте «Саранская»
Группой исследователей «НТЦ «KazGeoScan» были проведены комплексные
работы по определению сдвижения земной поверхности подработанной горными
выработками в районе шахты имени Кузембаева. Выполнен геотехнический расчет,
определены сдвижения земной поверхности методом нивелирования и спутниковой
радарной интерферометрии.
Результаты обработки радарных снимков показали, что с апреля по август
происходило интенсивное образование оседаний в районе железнодорожного переезда
и трассы А17. Данные мульды оседаний поверхности расположены в районах добычи
угля шахты имени Т.Кузембаева (рисунок 8).
Рисунок 8 - Несколько дифференцированных интерферограмм шахты имени
Т.Кузембаева построенных по разным парам снимков
По результатам обработки серии радарных снимков, был построен график
оседаний земной поверхности по точке его максимального оседания, из которого
видно, что максимальное оседание за период наблюдения составило более 150 см
(рисунок 9).
Рисунок 9 - Максимальная величина оседания земной поверхности
в районе ведения работ на шахте имени Т.Кузембаева за все время наблюдения
После получения результатов обработки радарных данных, был произведен
геотехнический расчет сдвижения земной поверхности подработанной горными
выработками в районе шахты имени Т.Кузембаева. На рисунке 10 приведена граница
мульды сдвижения земной поверхности, построенная в соответствии с известными
методиками.
а)
б)
а – вкрест простирания пласта; б – по простиранию пласта
Рисунок 10 - Мульды оседаний земной поверхности.
На рисунке 10 видно, что максимально возможная величина оседания составляет
1,23м. В данной работе максимальная скорость оседания в исследуемом районе,
вычисленная по формуле:
H
m * c * cos
(1)
12
1 0,3 1
0
H
H
где H - глубина разработки, m - вынимаемая мощность пласта, - угол падения
пласта, с - скорость продвигания очистного забоя, H1 - мощность ранее подработанной
толщи.
Общая продолжительность процесса сдвижения составила:
Н
(2)
Т 1,4 ≈8 месяцев
U
где Н, м- глубина разработки скорости, U, м/мес - подвигания забоя лавы.
Границы опасного участка были нанесены на планы горных работ шахты им. Т.
Кузембаева и представленные кругом на рисунке 11. Они были получены путем
наложения планов горных работ шахты на карту, взятую с Google maps. В центре
данного участка находится пересечение железнодорожного пути и трассы А17.
Рисунок 11 - Определение границ выработанного пространства и
трансформирование плана добычи в Google maps
В границах этого участка были заложены 2 профильные линии, по которым
проводилась повторное нивелирование. Согласно правилам охраны сооружения и
природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных
месторождениях интервал времени между повторным нивелированием устанавливают,
исходя из ожидаемых скоростей современных вертикальных движений земной коры.
Для получения детальных данных о процессе сдвижения, кроме начальных и конечных
наблюдений, проводится не менее 5 серий наблюдений через интервал
t
H
= 36 , суток,
6c
(3)
где H - глубина разработки у нижней границы выработки, м; с - скорость
продвигания забоя, м/сут
Интегрированные результаты 5 серий нивелирования приведены на графиках
рисунка 12.
Рисунок 12 - График оседаний земной поверхности по профильным линиям по
результатам нивелирования
Работа в границах опасного участка проводилась с апреля по сентябрь, что
составляет 6 месяцев. В этот период на данном участке велась добыча угля.
Максимальное значение оседаний за этот период по результатам нивелирования
составило 150 см. Для сравнения результатов, полученных различными методиками,
был построен график оседаний земной поверхности по точке его максимального
значения за период с апреля по июнь 2014 года (рисунок 13). Из графика видно, что в
точке максимального оседания
поверхности наблюдается хорошая сходимость
результатов при измерении оседаний земной поверхности при помощи нивелирования
и спутниковой радарной интерферометрии.
Рисунок 15 - Максимальная величина оседания земной поверхности в районе
ведения работ на шахте имени Т.Кузембаева за все время наблюдения
Величины оседаний поверхности земли, полученные различными методами,
показали хорошую корреляцию. При этом спутниковая радарная интерферометрия при
мониторинге сдвижений подработанных территорий земной поверхности имеет ряд
преимуществ по сравнению с традиционными методами съемки и расчета оседаний.
Следует также отметить, что она позволяет вести наблюдения на больших по площади
территориях и получать наглядные результаты и регламент наблюдений зависит только
от заказчика. Это позволяет рекомендовать для мониторинга оседаний и деформаций
спутниковую радарную интерферометрию как надежную методику наблюдения за
сдвижением массива горных пород.