Методы моніторингу короткопериодных деформацій масиву гірських порід

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геодезия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Методы моніторингу короткопериодных деформацій масиву гірських пород

Панжин Андрій Олексійович, старший науковий співробітник, Інститут гірського справи УрО РАН, Екатеринбург

В статті проведено огляд методів вивчення сучасної геодинамічної активності верхню частину земної кори. Особливу увагу приділено моніторингу геодинамічної активності ділянок масиву, що є на перетині тектонічних структур з об'єктами інженерної інфраструктури. Розглянуто методи діагностику і моніторингу локальних аномалій вертикальних і горизонтальних рухів, присвячених до розламах різного типу, і порядку. Детально розглянуті методи геодезичного моніторингу короткопериодных знакопеременных деформацій масиву гірських порід з допомогою комплексів супутникового геодезии.

В відповідність до основними положеннями теорії глобальної тектоніки плит, літосфера Землі є щодо жорстку оболонку, «плаваючу «лежить на поверхні досить в’язкому мантії. Ця оболонка розбита регіональними тектонічними порушеннями на цілий ряд великих літосферних блоків, лінійні розміри яких досягають тисяч кілометрів; ці, звані мегаблоки перебувають у постійному русі щодо друг друга. Кожен литосферный блок, своєю чергою, розбитий силою-силенною більш дрібних структурних блоків системами регіональних еліт і локальних тектонічних порушень, якими також відбуваються тектонічні зрушення. Отже, реальний масив гірських порід є складну ієрархічно блочну середу, кожної структурної одиниці якої притаманні свої деформаційні характеристики, кожна структурна одиниця якої у постійному русі щодо оточуючих її структурних одиниць. Вже встановлено, що тектонічні порушення навіть невисокого рангу мають достатньої рухливістю, що носить як трендовий спрямований характер, і представлена динамічними коливаннями різної природы.

В час досить ж добре відомо про рухах літосферних плит, що відбуваються із таких великим котрі живуть розламах як Сан-Андреас у Каліфорнії, Северо-Анатолийский у Туреччині та ін. Вивчення сучасних рухів земної поверхні виробляється шляхом постійного перевизначення просторових координат спеціальних моніторингових станцій. Нині існує менш 25 спеціальних моніторингових мереж, як-от мережу IGS — International GPS Service, які у цілому понад 1000 обсерваторій, розташованих всіх континентах нашої Землі. За даними інструментальних спостережень (internet трендовые швидкості переміщення літосферних плит і зрушень за регіональною розламах приблизно однакові, і вони становлять для різних місць спостережень від 10 до 50 мм/год. Крім трендовой складової досить чітко прослідковуються кілька короткопериодных складових з періодами 300, 100, 20 і менше суток.

Поскольку, відповідно до традиційної погляду сучасні руху літосферних плит відбуваються у основному їх кордонів, і навіть у внутриплитных сейсмоактивных областях, іншій території Землі масив гірських порід у більшості випадків подається як середовище статична і непорушна. Проте, як показують дослідження, навіть у невеликих ділянках масиву мають місце деформаційні процеси з різними періодами і амплітудою [1]. Такі процеси, які у земної корі, пов’язані з серйозною небезпекою для об'єктів, опинилися у зоні впливу рухливих тектонічних структур. Найбільш контрастно виявляється на протяжних об'єктах, як-от магістральні нафтопроводи і газопроводи, підземні колектори тощо., які, через свою геометрії, неодмінно перетинають безліч тектонічних порушень різних рангов.

Одними із перших з цією проблемою зіштовхнулися організації, займаються експлуатацією магістральних протяжних об'єктів. Нині по території Російської Федерації прокладено більш 200 тис. км. магістральних нафто- і газопроводів, що неминуче перетинають безліч регіональних еліт і локальних тектонічні розлами. За наявною статистиці, близько 80% всіх аварій магістральних продуктопроводів присвячені певним місцях — місцях перетину ними тектонически порушених зон. Причому відзначається досить великий відсоток повторюваності аварійних подій не одним і тієї ж ділянках — повторюваність двукратных аварій однією й тому самому локальній ділянці сягає 75−80%, а повторюваність трьох- і більше кратних сягає 95%. Яскравим прикладом такого роду аварійності служить 40-километровый ділянку магістрального 9-и ниткового газопроводу у районі р. Краснотурьинск, у якому із 1990 по 1995 рр. сталося 45 аварій, що близько 90% всіх аварій РАТ «Газпром «цей період. З 1996 р. аварії цьому ділянці практично припинилися, очевидно, масив гірських порід вже реалізував всю накопичену їм енергію та нині відбувається новий цикл її накопичення. Також, по наявної статистиці, до локальних тектонічним розламах приурочені аварії інших протяжних інженерних об'єктів — колекторів, систем каналізації і водопостачання і др.

При розслідуванні причин подібних аварійних ситуацій було встановлено, що технологічні параметри, такі як якість металу і залізобетонних конструкцій, зварних швів, ізоляції тощо. є істинними причинами багатократних аварій. Зазвичай, дефекти будівництва магістральних споруд виявляються півроку — рік експлуатації, далі відмови відбуваються у основному через старіння конструкції [2]. Встановлено, що істинними причинами багатократних поривань і руйнацій магістральних споруд є якісь чинники, що призводять до їх зниження технологічних усталостных властивостей стали труб і залізобетонних конструкцій. За результатами внутритрубных досліджень магістральних продуктопроводів було встановлено, що майже 70% всіх дефектів ставляться до категорії «втрат металу », що включає у собі тріщини, каверни, корозію тощо. [3]. Також цікавий те що, що у трубопроводах, виготовлених із більш пластичних матеріалів, тріщини з’являються лише крізь 25 років експлуатації, тоді як у трубопроводах, виготовлених із високоміцних матеріалів, тріщини з’являються через 3−4 року експлуатації [2]. Отже, аналізуючи вищесказане, можна припустити, причиною більшості аварій на магістральних трубопроводах виявляються зрушення земної поверхні, яка реалізується на межі тектонічних блоків різного ієрархічного уровня.

Как з’ясувалося згодом, геодинамическую активність тектонічних порушень як головний чинник формування напруг у заглубленных конструкціях розглядають та інші дослідники. Вперше інтенсивні локальні аномалії вертикальних і горизонтальних рухів, присвячених до зон розламів різних типів і порядку, зокрема й у вважаються асейсмичными равнинно-платформенных областях, в роботах Ю.О. Кузьміна [4]. Ці аномальні руху высокоамплитудны (50−70 мм/год), короткопериодичны (0. 1−1 рік), просторово локалізовано (0. 1−1 км) й володіють пульсационной і знакопеременной спрямованістю. Також треба сказати роботи, виконані дослідниками науково-практичного центру «Сургутгеоэкология «[5]. Ними було встановлено, що заглубленные довгі конструкції відчувають статичні напруги з допомогою зсувів тектонічних блоків в корінних породах і динамічні разнонаправленные напруги, викликані приливними коливаннями земної кори, причому, зі свого статистиці, кількість аварійних ситуацій на продуктопроводах, локалізованих на окремі ділянки не більше геодинамических структур, сягає 80 й більше відсотків. Зв’язок між сучасної геодинамикой і аварійністю нафто- і газопроводів простежують і інші видатні спеціалісти [6, 7].

Специалистами «Сургутгеоэкологии «було встановлено, що локальні геодинамические структури проявляються як локальні розломи у осадочном чохлі. Вони виявляються лежить на поверхні як линеаментов в ландшафті, у межах проявляється підвищена трещиноватость і проникність, аномалії магнітного поля і гама фону, підвищена концентрація радону і продуктів її розпаду в приземному прошарку атмосфери. Ширина виділених геодинамических структур коливається не більше 100 — 500 метрів, причому концентроване прояв динаміки деформаційних процесів відбувається у межблоковой частини. Ці дані були експериментально підтверджені у процесі дослідження геодинамических процесів на полигонном ділянці, що у 17 кілометрів північніше міста Сургут, період із 1998 по 1999 рр. і перевірені під час виконання дослідницьких робіт дільниці Східно-Таркосалінського месторождения.

На сургутском полигонном ділянці було досліджено ділянку законсервованого нафтопроводу, пересеченного локальним тектонічним розламом субмеридионального простирания. На ділянці, під час експлуатації продуктопроводу, спостерігалися багаторазові повторювані аварійним ситуаціям. Оскільки ділянці спостерігалося хороше зчеплення труби з породним масивом, то система трубопровід — порода розглядали як суцільна деформируемая середовище. Для оцінки змін напруженого стану в разломных зони і дослідженні динаміки деформаційних процесів було проведено комплекс досліджень, у яких трубопровід використовували лише як індикатора процесів, які у породном массиве.

В хід виконання дослідницьких робіт, в пунктах вимірів було виконано шурфование трубопроводу зі зняттям захисної ізоляції. На зачищених місцях були встановлено магнітні мітки, феррозондовые датчики і тензодатчики, якими вироблялося безупинне тензометрирование з дослідження динаміки деформацій у часі. Максимальні напруги, зафіксовані у процесі досліджень на трубопроводах, були значні і дорівнювали для цієї ділянки різні періоди часу від 80 до 120 МПа, що він відповідає деформаціям до 99 мм з урахуванням вимірів близько 500 метрів. Такі напруження і деформації хоча й здатні до руйнації трубопроводу, але де вони призводять до зниження прочностных властивостей стали труб з допомогою виникнення усталостных ефектів, викликаних багаторазовими впливами знакопеременных нагрузок.

Повторяемость успіхів у процесі проведених досліджень була висока, методи виміру досить точними, але вони припускають необхідність доступу до тіла труби з обов’язковим видаленням захисної ізоляції і зачищенням поверхні, що неприйнятно за умов безупинної транспортування продуктів. У умовах стає актуальним пошук високоточних і малотрудоемких методів виміру деформацій, які у локальних разломных зонах, без використання труби в ролі датчика деформацій.

Весной 2000 р. фахівцями ИГД УрО РАН спільно з фахівцями НВЦ «Сургутгеоэкология «було розглянуто зокрема можливість використання супутникового системи GPS геодезичного класу для безперервного моніторингу короткопериодных зсувів і деформацій разломных зон. Під безперервним моніторингом у разі розуміється тривале (від кількох основних годин до кількадобового) інструментальне стеження зміною просторових координат реперів спостережної станції і пространственно-геометрическими зв’язками з-поміж них у часі, з інтервалом між дискретними визначеннями від кількох секунд за кілька десятків хвилин. На відміну від на сьогодні видів геодинамічного моніторингу, коли виробляються моментные виміру величин зсувів і деформацій з періодичністю від однієї до кількох на рік [8, 9], безперервний моніторинг дозволяє детально вивчити короткочасні процеси, які у верхню частину земної кори. Період таких процесів становить від кількох основних тисячних герц до десятих герц, що ні дає змогу виробляти їх вивчення традиційними методами, хоча є досить великий досвід вивчення таких короткопериодных деформацій з допомогою наклонометров та інших приладів [10−11].

Для безперервного моніторингу зсувів і деформацій земної поверхні доцільно використання комплексів супутникового геодезії GPS, оскільки вони теж мають ряд переваг перед традиційними геодезичними методами. По-перше, геодезичні спостереження із застосуванням GPS-оборудования можна робити в час доби, за будь-якої погоди за відсутності прямий оптичної видимості між реперами. По-друге, моніторинг зсувів і деформацій можна виробляти без безпосереднього присутності оператора, позаяк у даному разі використовуються повністю цифрові технології, і прилади працюють у автоматичному режимі. По-третє, внаслідок моніторингу в заздалегідь поставлене час одночасно визначаються все три координати точки стояння приладу; у разі, коли моніторинг ведеться трьома або як GPS-приемниками, утворюються жорсткі просторові геометричні зв’язки з іншими реперами моніторингової GPS-сети, у яких виробляються измерения.

На першому етапі науково-дослідної роботи намічалися створення умов та апробація методики вимірів короткопериодных зсувів і деформацій з допомогою GPS апаратури геодезичного класу, і навіть методики оброблення і інтерпретації результатів вимірів. Ця методика мають забезпечувати довгострокове безупинне вимір зсувів і деформацій масиву з заданим рівнем дискретності вимірів і високої точністю. Під час розробки методики виміру короткопериодных деформацій масиву була спроба використання існуючих напрацювань на проблеми безперервного моніторингу стану масивів і інженерних споруд із використанням систем супутникового геодезії. До цього часу, вже були відомі роботи з моніторингу деформацій як природних об'єктів, як-от зсуви (система GOCA) [12], і великих інженерних споруд, як-от довгі мости та інші лінійні споруди [13, 14], при моніторингу яких виявлено короткопериодные руху земної поверхні з періодом за добу коротше, особливо чітко виявляються поблизу разломных зон. Ці програмно-апаратні комплекси вимірюють усунення і деформації досліджуваних об'єктів і конструкцій у системі реального часу (RTK — Real Time Kinematics) й нині переважно служать для раннього оповіщення персоналу про критичних деформації, що виникають у них. Конструктивно спостережні станції є мережу стаціонарно встановлених RTK GPS-приемников з постійними каналами кабельної і радіозв'язку, постійно передавальних дані вимірів на центральний комп’ютер, що у автоматичному режимі веде розрахунок сдвижений і деформацій. Точність визначення величин зсувів подібного роду системами становить 2−10 мм залежно від використовуваного устаткування.

Однако від цього досвіду вимірів довелося відмовитися з кількох причин. Розглянуті спостережні станції як і конструкції стаціонарні все період циклу експлуатації споруди чи існування природного об'єкта, позбавлені мобільності, вимагає наявності розвиненою інфраструктури, систем кабельної і радіозв'язку, центрального диспетчерського пункту, що дуже робить дорожчою вартість проведення моніторингових робіт. У нашому випадку з метою оцінки динаміки напружено-деформованого стану масиву не потрібно отримання даних як реального часу, всі розрахунки та інтерпретування результатів вимірів можна робити в постобработке, проте є потреба у мобільності і відносній низьку вартість виконуваних работ.

В розроблену ним методику безперервного моніторингу короткопериодных деформацій масиву використовувався мобільний комплект GPS-аппаратуры геодезичного класу фірми Trimble Navigation. Характеристика системи GPS і застосовуваного устаткування коротко дана на роботах [9, 15]. Точність автономного визначення просторових координат під час використання одночастотного GPS-приемника становить час близько 2−3 метрів, що не прийнято в геодезичної практики взагалі, а визначення зсувів в геомеханічних завдання у особливості. Як відзначалося вище, в розв’язуваної завданню точність виміру зсувів двох точок друг щодо друга маєш бути у межах 2−3 мм. Необхідну точність визначення координат забезпечує технологія диференціальної GPS, коли одночасно працює 2 або як приймача, встановлених різними точках, обмежують вимірюваний відрізок. У цьому вся разі один приймач вважається базовим (нерухомим), інші ж — определяемыми (рухливими). Одночасна робота мінімум двох приймачів дозволяє визначити величину ионосферной і тропосферного поправки, що компенсує спотворення супутникових радіосигналів під час проходження їх крізь іоносферу і тропосферу Землі. Головною умовою роботи у режимі диференціальної GPS є забезпечення одночасного прийому сигналів від самих і тієї ж супутників обома приймачами. У проведених дослідженнях брало участь 4 і більш приймачів Trimble, провідних одночасну роботу в досліджуваних інтервалах. При наступної попарной обробці це забезпечує вимір зсувів і деформацій одночасно по 6 і більше відрізкам на місцевості. Нагромадження даних від супутників вироблялося до одного безперервний файл даних, який за виконанні наступної камеральної обробці відповідним чином «нарізався «. Тобто, результати, видані на печатку через дискретні інтервали, виглядали усереднені значення зсувів цей проміжок часу. Забезпечення високої точності визначення зсувів GPS-технологиями досягалося з допомогою ретельного планування супутникових спостережень. Виконання цих вимог забезпечує визначення взаємного становища двох приймачів з точністю не нижче 2−3 мм. Ця точність підтверджувалася на спеціальних базисах, обладнаних стаціонарними пунктами з відомими координатами.

Камеральная обробка польових вимірів здійснюється з використанням пакетів фірмового програмного забезпечення GPSurvey і TGOffice, поставлених з GPS приймачами фірми Trimble Navigation, програмного комплексу Gamit, котрий використовує при обробці вимірів глобальних GPS-сетей, і навіть додаткового пакета авторських програм, значно які розширюють можливості самого комплексу. На першому попередньому етапі камеральних робіт вироблялося перетворення файлів даних із безперервними вимірами в файли даних із дискретними вимірами. Тобто безперервний масив даних примусово розділявся на точки вимірів і «кожної точці присвоювався власний унікальний ідентифікатор. Дане перетворення здійснювалося виходячи з існуючого нормативного документа [16]. За результатами обробки даних обчислюються вектора між точками та його компоненти (довжина вектора, перевищення, компоненти Північ-Південь і Захід-Схід). На цьому етапі, за результатами внутрішнього контролю, виробляється вибракування неякісних вимірів. По змін величин компонент векторів визначаються величини зсувів і деформацій відповідних інтервалів горизонтальної і вертикальної площинах, їх амплітуди і будуються графіки зміни цих величин. Надалі по ці даним виробляється аналіз напружено-деформованого стану експериментального ділянки. Докладніше методика вимірів короткопериодных зсувів і деформацій з використання GPS апаратури геодезичного класу, і навіть методики обробітку грунту і інтерпретації результатів вимірів наведені у роботі [17].

Разработанная методика була вперше випробувана влітку 2000 р. на сургутском полигонном ділянці, де раніше фахівцями «Сургутгеоэкологии «проводилися визначення короткопериодных деформацій масиву контактними способами. Основний метою експериментальних робіт було випробування розробленої методики в польових умовах, визначення величин короткопериодных деформацій разломных зон на еталонному ділянці і зіставлення його з измеренными раніше величинами деформаций.

Как уже відзначалося вище, експериментальний об'єкт перебуває у 17 кілометрів від міста Сургута на перетині магістрального нафтопроводу з локальним тектонічним порушенням, що має субмеридиональное простягання. Динаміка зсувів і деформацій досліджувалася методами супутникового геодезії по спеціально розроблену ним методику. Безпосередньо вимірювалися взаємні вертикальні і горизонтальні усунення точок спеціальної спостережної станції, обладнаної на досліджуваному ділянці. Спостережна станція являла собою систему точок, закріплених на місцевості з допомогою забивних металевих реперів, застосування яких забезпечує можливість повторення експерименту. На об'єкті було обладнано 15 точок спостереження. Додатково контрольні серії спостережень проводилися в недоторканому масиві гірських порід поза зони впливу тектонічного порушення. Отже, що спостерігається система точок, закріплених на місцевості реперами, охоплювала зону розламу, котра, за припущенням і даним попередніх експериментів, повинна мати найбільшу активність. На об'єкті протягом 7 діб провели 6 робочих серій безперервних вимірів величин короткопериодных деформацій разломной зони і 2 контрольні серії спостережень в недоторканому масиві. Тривалість безперервних серій вимірів становила різними реперах спостережної станції від 16 до 30 годин. При камеральної обробці результатів вимірів оцінювалася точність визначення довжин ліній і перевищень між реперами як за показниками якості отримання векторів в геоцентрической системі координат, і шляхом розрахунку невязок замикання замкнутих контурів. У цьому було встановлено, що помилки замикання становить величин 1 мм в горизонтальній площини і 2 мм в вертикальної площині.

В результаті виконаною експериментальної роботи, по-перше, отримали досить хороша кореляція результатів вимірів з цими попередніх дослідження, а по-друге, було доведено ефективність застосування комплексів супутникового геодезії як засіб безконтактного дослідження та контролю впливу динамічно напружених зон на трубопроводи шляхом безперервних спостережень за зміщеннями і деформаціями земної поверхні.

Полученные експериментальні дані про наявність динамічних форм руху на зонах тектонічних порушень сну і викликаних ними знакопеременных деформацій і сдвижений тягнуть у себе серйозні фундаментальні і прикладні наслідки. У фундаментальної області вони пов’язані з збільшенням поглядів на природному напряженно-деформированном стані масиву гірських порід. До встановленим сьогодні гравітаційним і тектонічним компонентами додається динамічна складова. У прикладної області вони пов’язані з впливом динамічних деформацій штучні об'єкти, які потрапляють на активні тектонічні порушення, які будуть під сумнів їхню впливом, відчуваючи вплив усталостных ефектів від цикличного навантаження.

Список литературы

1. Сашурин А. Д., Ручкин В.І., Панжин А. А., Дубовик В. В. Моніторинг напружено-деформованого стану верхню частину земної кори на шахті Сарановская-Рудная //Проблеми геотехнологии і недроведения (Мельниковские читання): Доповіді Міжнародної конференції 6−10 липня 1998 р. -Єкатеринбург, УрО РАН, 1998. -C. 192−198.

2. Про. Стєклов Аварійне попередження //Метали Євразії. -2000. -N5.

3. У. Канайкин Діагноз зсередини //Метали Євразії. -2000. -N5.

4. Кузьмін Ю.О. Сучасні суперинтенсивные деформації земної поверхні в зонах платформенных розламів. //Геологічне вивчення і надр: Інформаційний збірник. ¦4. М., 1996. -С. 43−53

5. Кострюкова М. К., Кострюков О. М. Динаміка припливних деформаційних процесів в локальних розламах земної кори — у зв’язку з безаварійної експлуатацією продуктопроводів //Геомеханика у справі - 2000: Доповіді міжнародної конференції. -Єкатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000. -С. 295−305.

6. Яковлєв Д.В. та інших. Система забезпечення геодинамічної й екологічної безпеки під час проектування і експлуатації об'єктів ПЕК //Геодинамическая і екологічна безпеку під час освоєння родовищ газу, його транспортуванні та збереженні: Матеріали III Міжнародного робочого наради. -Санкт-Петербург, ВНИМИ, 2001. -С. 139−147.

7. Якимів А.А. та інших. Екологічні аспекти виявлення геодинамических зон ризику на території республіки Комі. //Геодинамическая і екологічна безпеку при освоєнні родовищ газу, його транспортуванні та збереженні: Матеріали III Міжнародного робочого наради. -Санкт-Петербург, ВНИМИ, 2001. -С. 66−70.

8. Панжин А. А. GPS-технологии в геодезическом моніторингу ПДВ техногенного ділянки. //Геомеханика у справі /ИГД УрО РАН. Збірник наукової праці. -Єкатеринбург, 1999. -С. 68−85.

9. Панжин А. А. Спостереження за сдвижением земної поверхні на гірських підприємствах з допомогою GPS. //Вісті Уральській державної горно-геологической академії. Вып. 11. Серія: Гірське Річ. -Єкатеринбург. 2000 -С. 196−203.

10. Fengxiang Jin, Mayoud Michel. Situation Analysis and Stability Evaluation of Large Electron Positron Collider in CERN. Proceedings of the 10th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 19−22. March 2001, Orange, California, USA. -P. 346−353.

11. Robert P. S. Radovanovic, William F. Teskey. Dynamic Monitoring of Deforming Structures: GPS Versus Robotic Tacheometry Systems. Proceedings of the 10th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 19−22. March 2001, Orange, California, USA. -P. 61−70.

12. Kalber P. S., Jager R. Realization of a GPS-based Online Control and Alarm System (GOCA) and Preview on Appropriate System Analysis Models for an Online Monitoring. Proceedings of the 9th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 20. Sept. 1999, Olsztyn, Poland. -P. 98−117.

13. Brown C.J., Karuna R., Ashkenazi V., Roberts G.W. Monitoring of Structures Using the Global Position System. Proc. Instn. Civ. Engrs. Struct. & Bldgs, 1999. -P. 97−105.

14. Matteo Luccio. Monitoring Large-Structure Deformation. GPS World. August, 1, 2002.

15. Панжин А. А., Голубко Б. П. Застосування супутникових систем у справі. //Вісті Уральській державної горно-геологической академії. Вып. 11. Серія: Гірське Річ. -Єкатеринбург. 2000 -С. 183−195.

16. Werner Gurtner RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2. 10: Astronomical Institute of Berne. February 7, 2000.

17. Панжин А. А. Безперервний моніторинг зсувів і деформацій земної поверхні з застосуванням комплексів супутникового геодезії GPS //Геомеханика у справі - 2000: Матеріали Міжнародної конференції. — Єкатеринбург: ИГД УрО РАН. -2000. -С. 320−324.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой