Studiul subsidenţei zonelor miniere Pieleșteanu Oana [307717]

LISTA FIGURILOR

Figura 1.1. [anonimizat]…………………………………………………………………………………………………………………………….7

Figura 1.2. Schița geologică a bazinului Petroșani……………………………………………………………….8

Figura 1.3. Schema deschiderii minei Livezeni……………………………………………………………………9

Figura 2.1. Diferite tipuri de scufundări discontinue…………………………………………………………..14

Figura 2.2. Scufundare continuă deasupra unui front lung de abataj…………………………………….14

Figura 3.1. Tipuri de grosimi ale unui zăcământ………………………………………………………………..18

Figura 3.2. Reprezentarea direcției și a înclinării unui zăcământ………………………………………….19

Figura 4.1. Constelații de sateliți……………………………………………………………………………………..25

Figura 4.2. Satelit GPS…………………………………………………………………………………………………..25

Figura 4.3. Stațiile de control ale sistemului GPS………………………………………………………………25

Figura 5.1. Schița unui reper GPS (stânga sus), vedere de sus a reperului (dreatpa sus), poziționarea, instalarea în teren a reperilor GPS (partea de jos)…………………………………………….27

Figura 5.2. Amplasarea reperilor GPS……………………………………………………………………………..30

Figura 5.3. Echipament utilizat în procesul de achiziție. Antena, placuța triunghiularea și receptorul Leica SR530……………………………………………………………………………………………………31

Figura 6.1. Exemplu de fișier RINEX………………………………………………………………………………39

Figura 6.2. Exemplu de foaie de teren (log file)…………………………………………………………………41

Figura 6.3. Amplitudinea mareelor…………………………………………………………………………………..45

Figura 6.4. Câmpul de viteze al sistemului de referință ITRF 2008………………………………………46

Figura 6.5. Exemplu de fișier .X al stației PIRA………………………………………………………………..49

Figura 7.1. Patru exemple cu regresia liniară a soluțiilor 3D GPS………………………………………..53

Figura 7.2. Vectorii mișcării orizontale cu elipsa erorii 2-sigma obținuți din observațiile GPS.54

Figura 7.3. Vectorii mișcării verticale cu eroarea 2-sigma obținuți din observațiile GPS………..55

Figura 7.4. Seismicitatea de adâncime normală (h < 60 km) ……………………………………………..56

Figura 7.6.Harta geologică a României cu distribuția evenimentelor seismice în zona studiată.59

LISTA TABELELOR

Tabelul 1.1. Geometria stratelor de cărbune în Perimetrul Livezeni……………………………………..10

Tabelul 5.1. Privire de ansamblu asupra campaniilor GPS efectuate in E.M Livezeni, [anonimizat]…………………………………………………………………………………………………32

Tabelul 6.1. Exemplu de fișier sta_svec cu informații privind tipul de antena utilizat în prezentul studiu…………………………………………………………………………………………………………………………….47

Tabelul 7.1. Estimarea câmpului de viteze pentru E. M. Livezeni, puțul Maleia, bazinul minier Petroșani………………………………………………………………………………………………………………………..52

Tabelul 7.2. Evenimente seismice din zona bazinului minier Petroșani…………………………………58

Tabelul 8.1. Deplasăriile 3D cumulate și eroriile 2-sigma…………………………………………………..61

LISTA SIMBOLURI

GPS – Sistem Global de Poziționare

GNSS – Global Navigation Satellite System/ Sistemului Satelitar de Navigație Globală

RINEX – Receiver Independent Exchange Format

EUREF – rețeaua Sistemului Geodezic European de Referință

SOPAC – Scripps Orbit and Permanent Array Center

APC – centrul de fază al antenei

ARP – centrul mecanic

IGS – International GNSS Service

SINEX – Solution Independent Exchange Format

NGS – National Geodetic Survey

VLBI – Very Long Baseline Inferometry

DORIS – Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite

SLR – Satellite Lase Ranging

PPP – poziționare precisă pe punct

JPL – Jet Propulsion Laboratory

GIPSY GNSS – Inferred Positioning System

OASIS – Orbit Analysis and SImulation Software

ITRF – Rețeaua de Referință Terestră Internațională

FFRDC – Federally Funded Reasearch and Development Center

NANU – Notice Advisory to Navstar Users

PRN – amprenta satelitului recepționat

SVN – numărul satelitului

C/A – Coarse Aquisition

P – Precision

a – factorul de scufundare

λ – factorul de mărime a ariei exploatate

e – factorul de influență

k – factorul de adâncime

z – factorul de timp

H – adâncimii de exploatare

m – grosimea stratului

k – factorul de adâncime

m – grosimea reală (sau normală)

m0 – grosimea orizontală

mv – grosimea verticală

δ – direcția zăcământului

α – înclinarea unui zăcământ stratiform

Hs – înălțimea de siguranță

Ks – coeficientul de siguranță

m – grosimea exploatată a stratului

Kr – coeficientul de afânare remanentă

f0 – frecvența fundamentală

L1, L2, L3 – lungimi de undă

R01A….R19A – reperi

PIRA – reper geodezic vechi

L – expeditorul de fază

P – falsul rând

p – șirul dintre receptor și satelit

R și r – șirul geocentric către satelit, respectiv receptor

c – viteza luminii

dt și dT – offsetul de ceas al sateliților, și a receptoarelor

λb – integrata bias a lungimi de undă inițială

dion și dtrop – întârzieri cauzate de ionosferă, respectiv troposferă

P – intervalul de observare

– vectorul care se referă la poziția centrului de fază, măsurată față de poziția reperului

– înălțimea antenei

– vectorul de la ARP la media centrului de fază al antenei

– locația centrului de fază față de elevația sateliților

INTRODUCERE

În urma exploatării subterane a zăcămintelor de substanță minerală utilă se produce deplasarea rocilor din acoperiș, afectând integritatea terenului de la suprafață. Astfel golurile create în urma exploatării zăcămintelor de substanțe minerale utile, cu cât sunt mai mari, cu atât afectează prin scufundare, deplasare, deformare, și chiar crăpături, suprafața terenului de deasupra exploatării.

Deplasarea suprafeței este rezultatul redistribuirii tensiunilor din masivul de roci, sub influența excavațiilor subterane create de activitățile miniere, ori ca efect al asecării unor formațiuni acvifere.

Scufundarea terenului de la suprafață poate provoaca: pierderea de rezerve de apă potabilă, pierderea stabilității unor pilieri de protecție, alunecarea unor taluzuri datorită schimbării stării de tensiuni din masiv etc.

Parametrii procesului de deplasare se stabilesc în urma măsurătorilor efectuate în stații de urmărire a deplasării terenului. Evoluția fenomenului de deplasare și deformare a terenului depinde de parametrii caracteristici ai masivului de rocă, ai zăcământului și de factorii tehnico-minieri. Toți acești factori dau un mod de comportare unic pentru fiecare zăcământ în parte.

Studiul influenței exploatării subterane asupra suprafeței este necesar pentru punerea în evidență a fenomenului de mișcare și luarea măsurilor de protejare a obiectivelor executate la suprafață și chiar a suprafeței însăși.

Prin prezenul proiect se prezintă studiul deplasărilor verticale și orizontale în terenurile de deasupra și din imediata vecinătate a zonelor miniere exploatate intensiv, nerațional și cu lucrări de lungă durată care reprezintă o componentă importantă a evaluării majore la care sunt supuse ariile industriale și de locuit în zone puternic afectate de activități miniere puțin controlate ca dezvoltare spațială, în contextul socio-economic din aceste areale. Cazul bazinului minier Petroșani este notoriu din acest punct de vedere, ca să nu menționăm dezastrul de la Ocnele Mari sau cel de la Ocna Mureș.

Această investigare nu s-a putut realiza profesional decât studiind zona de inters pe o perioadă lungă de timp, cu tehnologii satelitare de tip Sistem Global de Poziționare. Acest sistem de determinare satelitară are ca principiu determinarea coordonatelor punctului în care se staționează cu o antenă specială prin recepționarea semnalelor provenite de la un sistem de 24 de sateliți care navighează la altitudinea de 22.200 m. Având traiectoriile cunoscute, se pot determina coordonatele x si y cu o precizie excelentă, de ordinul a câțiva mm, care crește pâna la sub 1mm, dacă durata staționării este semnificativă. Precizia pentru coordonata z (cotă) este însă mai mică, de cca. 4-5 mm, în funcție de durata staționării în punct.

Rezultatele obținute în prezenta lucrare pot fi integrate în contextul preocupărilor actuale privind monitorizarea globală a mediului. De asemenea, rezultatele obținute în urma utilizării metodei GYPSY-OASIS constituie o bază de plecare pentru realizarea unor hărți cu vectorii deplasării suprafeței la nivel local, deplasări care pot avea urmări severe asupra zonelor miniere, dar și asupra comunității din zonă, asupra arterelor de circulație, podurilor, pădurilor, plantațiilor și altor obiective agro-economice. Aceste deplasări pot deveni adevărate catastrofe pentru detaliile naturale (lacuri, râuri).

GEOLOGIA REGIUNII

1.1. Caracteristici generale geologice și tectonice ale Bazinului Petroșani

Bazinul carbonifer Valea Jiului numit și Bazinul Petroșani este situat în partea de sud-vest a României, în județul Hunedoara, între latitudinea nordică de 45°17' – 45°22' și longitudine estică 23°13' – 23°33'. Acesta este înconjurat de munții Retezat, Parâng, Vulcan și străbătut de cei doi afluenți mari ai Jiului: Jiul de Vest și Jiul de Est. Are o suprafață de 163 km2 având o lungime de 45 km și o lățime de 2 km, la vest, 9 km, la est și se prezintă sub forma unei depresiuni triunghiulare, fiind orientat aproximativ NNE-SSV (Pop, 1993).

Figura 1.1. Poziția bazinului Petroșani pe teritoriul României, precum și unitațiile tectonice majore. Dreptunghiul roșu indică zona studiată, E.M. Livezeni,Puțul Maleia, bazinul Petroșani

Bazinul este dezvoltat pe un fundament cristalin, cu o ramă discontinuă de calcare jurasice și de depozite cretacice. Bazinul Petroșani are un fundament alcătuit din șisturi cristaline și din calcare mezozoice, peste care apar formațiuni Oligocene acvitaniene, burdigaliene, tortoniene și sarmațian-pliocene (Lupei, 1968).

Figura 1.2. Schița geologică a bazinului Petroșani (după N. Gherasi și Gh. Manolescu)

Formațiunile sedimentare de pe flancul sudic al Bazinului Petroșani repauzează pe roci ce aparțin seriei metamorfice de Sebeș – Lotru din cuprinsul Pânzei Getice (Proiect CEEX 722/2006). Dat fiind caracterul torențial al formațiunilor, separarea lor pe vârste este oarecum convențională. În suita acestora s-au separat trei complexe litofaciale: inferior, mediu și superior.

Din punct de vedere tectonic, Bazinul Petroșani ia forma unui sinclinal puternic fracturat, mai ales pe flancuri. Un sistem de falii majore orientate de-a lungul bazinului (pe direcție vest–est) delimitează sinclinalul astfel încât depresiunea apare ca un graben. Un al doilea sistem de falii compartimentează umplutura sedimentară a bazinului în numeroase blocuri decroșate unele peste altele, atât pe verticală cât și pe orizontală. Flancul nordic al bazinului este reprezentat de o falie inversă din cuprinsul sistemului Cerna – Jiu (Proiect CEEX 722/2006).

1.2. Perimetrul pilot

1.2.1. Câmpul minier E.M. Livezeni, Puțul Maleia

Din punct de vedere minier, întreg bazinul este împarțit în câmpuri de exploatare miniere: Câmpul lui Neag, Valea de Brazi, Hobiceni, Uricani, Bărbăteni, Lupeni, Vulcan, Paroșeni, Aninoasa, Dâlja, Petrila, Livezeni, Lonea, Sălătruc, Jieț (Pop, 1993).

Perimetrul de exploatare Livezeni este amplasat în partea estică a bazinului Petroșani și este mărginit de perimetrele miniere Petrila și Petrila Sud în partea nordică, Sălătruc la Sud, Dâlja la Vest și Lonea la Est.

E. M. Livezeni deține mai multe incinte, din care: incinta principală Livezeni cu puțurile: Principal (cu schip), Auxiliar (transport) și Orb nr. 6 – care deservește activitatea din perimetrul minier Iscroni și Incinta Maleia cu puțurile: Nr. 1 (aeraj), Nr. 2 (aeraj), Auxiliar Est (rambleiat) (Proiect CEEX 722/2006).

Figura 1.3. Schema deschiderii minei Livezeni (după Almășan B., 1984)

1.2.2. Extindere în suprafață și adâncime a lucrărilor miniere

Lucrările miniere principale din blocul VI A au fost executate la orizonturile 575 pentru stratul 5 și 475 și 350 pentru stratul 3. Extinderea în suprafață a lucrărilor miniere pentru blocul VI A este: 550 m pe direcția N-S și 620 m pe direcția E-V. Lucrările miniere sunt situate la adâncimi cuprinse între 290 și 415 m (Proiect CEEX 722/2006).

1.2.3. Geometria depozitelor de cărbune (înclinare, grosime, metoda de minerit folosită)

Informațiile privind geometria startelor de cărbune au fost preluate din proiectul CEEX 722/2006.

Înclinarea stratelor măsurată în lucrări miniere în câmpul Livezeni variază de la 15 – 20˚ în flancul nordic și scade spre sud la 8 – 10˚. Zăcământul Livezeni a fost compartimentat în IX blocuri tectonice, numerotate de la E la V și de la N spre S. În blocul VIA s-a exploatat integral și pe întreaga grosime exploatabilă stratul 5 (2,5 – 2,8 m) și parțial stratul 3, în câmpurile de abataj aferente panourilor 3 – 4 și 5.

Având în vedere dezvoltarea pe direcție și înclinare a stratului 3 în blocul VIA, precum și grosimea exploatabilă de 10-10,5 m, metoda de exploatare aplicată a fost cu stâlpi lungi pe direcție, abatajele frontale cu susținere mecanizată, tăiere cu combina și dirijarea presiunii miniere a acoperișului prin prăbușire totală. Adâncimea limită de exploatare este de 300 m.

Tabelul 1.1. Geometria stratelor de cărbune în Perimetrul Livezeni (Proiect CEEX 722/2006)

Începerea exploatării stratului 3 în blocul VIA a condus la manifestarea procesului de transmitere a scufundării din subteran spre suprafață și afectarea suprafeței și a construcțiilor de la suprafață. Terenul de la suprafață, corespunzător blocului VIA, este o zonă deluroasă, cu fânețe, pomi și păduri. Construcțiile de la suprafață, care au intrat sub influența exploatării subterane, sunt situate la o distanță mai mică decât adâncimea de siguranță, motiv pentru care a avut loc deformarea lor, acestea fiind fisurate (Proiect CEEX 722/2006).

1.2.4. Tectonica zăcământului perimetrului pilot

Sub aspect tectonic, perimetrul se înscrie în ansamblul tectonic al bazinului Petroșani, fiind situat în zona estică a acestuia. Structural, se caracterizează prin prezența unei cute anticlinale, cu zona de maximă ridicare a depozitelor în extremitatea nord-estică.

În partea nord-estică și în vest, depozitele se afundă spre sinclinalul Dâlja-Petrila, iar la sud și sud-est coboară brusc, formând flancul nordic al sinclinalului Sălătruc.

Elementele tectonice rupturale sunt foarte numeroase și complică structura zăcământului. Ele produc discontinuitatea stratelor atât pe orizontală cât și pe verticală. Se remarcă prezența a două sisteme principale de falii, cu orientare NNV-SSE și ENE-VSV, respectiv falii longitudinale și falii transversale.

Faliile prezintă variații în ceea ce privește pasul, unghiul de înclinare, deplasarea compartimentelor de acoperiș și culcuș, pe verticală și orizontală. Se întâlnesc preponderent falii normale.

În zona Livezeni, se remarcă coborârea în trepte a formațiunilor, cu înclinări generale cuprinse între 10°-15° spre sud vest. În zona Iscroni compartimentele se afundă către N-NV, cu înclinări cuprinse între 5°-10° (Proiect CEEX 722/2006).

EVOLUȚIA DEFORMĂRII UNUI MASIV SUB INFLUENȚA EXPLOATĂRILOR MINIERE SUBTERANE

2.1. Date generale

Prin deschiderea, pregătirea și exploatarea în subteran a zăcămintelor de substanțe minerale solide, în scoarța terestră rămân o serie de goluri care stau la originea redistribuirii tensiunilor gravitaționale și care determină, în punctele lor de concentrare, depășiri ale rezistenței rocilor, urmate deseori de deformarea și cedarea formațiunilor din tavanul și pereții lucrărilor miniere respective.

Principalele categorii de solicitări și deplasările (deformațiile) corespunzătoare ale rocilor supuse unui astfel de proces sunt de tipul comprimare – contracție, întindere – alungire, forfecare – alunecare și încovoiere (Proiect CEEX 722/2006).

La un anumit raport între dimensiunile golurilor și mărimea tensiunilor, procesul de solicitare deformare conduce inevitabil la una din următoarele forme de cedare:

încovoierea formațiunilor acoperitoare și lăsarea lor lină spre vatra excavațiilor;

fisurarea, ruperea și surparea în interiorul golurilor a formațiunilor de roci situate deasupra.

Fiind vorba de o deranjare a structurii scoarței terestre, aceste deformații, caracterizate prin ruperea și deplasarea „din loc” a rocilor se mai numesc și dislocări. Raportate la suprafața crustei terestre, deformațiile rocilor situate deasupra excavațiilor subterane pot fi deformații sau dislocări parțiale sau totale.

Dislocările parțiale se extind pe verticală numai pe o anumită grosime din pachetul de roci situate deasupra golurilor, iar în plan se limitează la suprafața spațiului excavat.

Dislocările totale sunt reprezentate de surpările în masă ale rocilor acoperitoare care se transmit până la suprafața scoarței terestre și depășesc ca întindere suprafața spațiilor excavate în subteran.

Studiul influenței exploatării subterane asupra suprafeței este necesar pentru punerea în evidență a fenomenului de mișcare și luarea măsurilor corespunzătoare de protejare a obiectivelor existente la suprafață și chiar a suprafeței. Aceste măsuri au un caracter unitar și se concretizează prin stabilirea unor pilieri de siguranță (Proiect CEEX 722/2006).

Studiul geodezic al deformării, deplasării și scufundării suprafeței trebuie efectuat pe toată durata exploatării, mai ales că rezultatele pot fi utilizate în prognozarea fenomenului în bazine, câmpuri miniere asemănătoare cu cele deja studiate. Golurile create în urma exploatării zăcămintelor de substanțe minerale utile, cu cât sunt mai mari, cu atât afectează prin scufundare, deplasare, deformare, și chiar crăpături, suprafața terenului de deasupra exploatării.

De altfel, golurile subterane de dimensiuni mari rezultate în urma exploatării combinate cu roci care prezintă un anumit grad de instabilitate, creează rupturi mari.

Ca efect al exploatării și prin crearea golurilor subterane, suprafața poate înregistra anumite deplasări date de redistribuirea tensiunilor din masivul de rocă perturbat de lucrările miniere, uneori și datorită asecării formațiunior acvifere. Aceste deplasări provoacă apariția unor deranjamente sau chiar scufundări ale suprafeței terenului; scufundările pot avea un caracter continuu sau discontinuu (Onica, 2001).

2.2. Scufundările discontinue

Din punct de vedere al amplitudinii deplasărilor, scufundările discontinue sunt caracterizate prin deplasări importante ale suprafeței peste aria suprafeței exploatate și prin formarea de discontinuități în profilul suprafeței de la zi, ce se pot dezvolta brusc sau progresiv și se pot manifesta la scări diferite, uneori chiar însoțite de mișcări seismice relativ importante. Scufundările discontinue includ fisurile, surpările în trepte, etc., reprezentând fenomene de rupere locală a rocilor.

Ca exemple de scufundări discontinue, se pot aminti (fig. 2.1.): golurile de coroană (a); coșurile de surpare (b); golurile de prăbușire (d) și o serie de scufundări discontinue generate de exploatarea prin metoda cu surparea rocilor înconjurătoare (Onica I., 2001).

Figura 2.1. Diferite tipuri de scufundări discontinue (după Onica et al., 2006)

2.3. Scufundările continue

În categoria scufundărilor continue sau propriu-zise se includ deformări ale suprafeței care formează un profil întins al albiei de scufundare și care se extinde progresiv, odată cu creșterea suprafeței exploatate.

În categoria scufundărilor continue sau propriu-zise se includ deformări ale suprafeței care formează un profil întins al albiei de scufundare și care se extinde progresiv, odată cu creșterea suprafeței exploatate (fig.2.2.).

Figura 2.2. Scufundare continuă deasupra unui front lung de abataj (Onica et al., 2006)

Scufundările continue apar în fiecare punct al albiei de scufundare, fiind caracterizate de cinci mărimi importante: scufundarea verticală, înclinarea și curbura albiei de scufundare și deformațiile orizontale de compresiune și de întindere. (Onica, 2001).

3. ANALIZA FACTORILOR CARE INFLUENȚEAZĂ PROCESUL DE DEFORMARE A SUPRAFEȚEI

Exploatarea în subteran a zăcămintelor de substanțe minerale utile duce la crearea unor goluri în masiv, goluri care determină o schimbare a forțelor de echilibru în rocile înconjurătoare. Pentru reechilibrarea acestor forțe, rocile se pun în mișcare și umplu golul creat. Această umplere a golurilor rezultate în urma activității de extracție se face prin prăbușirea tavanului lucrărilor miniere, a rocilor aflate deasupra spațiului exploatat (Proiect CEEX 722/2006).

Până unde, cum și după cât timp se face simțită această mișcare a rocilor pe verticală, depinde de o mulțime de factori care influențează fiecare separat procesul de deplasare a rocilor. În funcție de aceștia, fenomenul de surpare a rocilor sub influența spațiului exploatat se poate sau nu transmite până la suprafață. Dacă fenomenul se transmite până la suprafață trebuie determinată zona în care se va manifesta, pentru a se lua măsuri de protecție a construcțiilor și rețelelor existente în zonă și a suprafeței.

Nici o măsură de protecție nu poate fi luată fără a cunoaște toți factorii care influențează procesul de deplasare și deformare a suprafeței (Proiect CEEX 722/2006).

În diferite condiții geologico-miniere acești factori se întâlnesc sub diverse combinații și influențează în mod diferit caracterul și parametrii procesului de deplasare. Unii factori pot intensifica sau slăbi influența altor factori. De aceea, determinarea relațiilor care reprezintă dependența parametrilor procesului de deplasare de un factor este dificilă și de cele mai multe ori acești factori trebuie examinați în mod complex în diferite combinații.

La stabilirea parametrilor procesului de deplasare trebuie cunoscută extinderea acestor factori pentru condiții geologico-miniere diferite. De asemenea, trebuie să se cunoască particularitățile structurale, tăria rocilor, unghiul de înclinare a rocilor înconjurătoare, grosimea corpului de zăcământ etc. (Proiect CEEX 722/2006).

3.1. Clasificarea factorilor de influență asupra deplasării

Factorii implicați în fenomenul de deplasare se pot grupa în:

Factorii care caracterizează principalele proprietăți ale rocilor înconjurătoare. În acest grup intră caracteristicile fizico-mecanice și reologice ale rocilor (tăria, structura, elementele de poziție etc). Acești factori naturali condiționați de geneza zăcământului reprezintă caracteristica de bază a oricărui zăcământ;

Factorii de geometrizare a zăcămintelor, definiți de forma și dimensiunea zăcământului, unghiul de înclinare, grosimea și adâncimea acestora;

Factorii de natură minieră, caracterizați prin: metoda de exploatare, dimensiunile lucrărilor miniere pe înclinare și direcție, modul de dirijare al presiunii miniere, viteza de avansare a fronturilor de lucru și gradul de exploatare a zăcămintelor;

Factorii perturbatori – care pot influența mult caracterul și parametrii procesului de deplasare. Din categoria acestor factori fac parte: faliile, nivelul hidrostatic, relieful terenului etc.;

Factorii derivați rezultați din relațiile reciproce stabilite între factorii geo minieri individuali. Din categoria acestor factori putem aminti: factorul de scufundare „a”; factorul de mărime a ariei exploatate „λ”; factorul de influență „e”; factorul de adâncime „k”; factorul de timp „z” etc. (Proiect CEEX 722/2006).

3.2. Caracteristicile fizico-mecanice și reologice ale rocilor

Istoria dezvoltării construcțiilor a dovedit că în timp ce tehnica inginerească, de proiectare și execuție a structurilor, a ajuns la un grad înalt de perfecționare, tehnica de investigare și adaptare la condițiile masivelor de roci a rămas în urmă, astfel există un factor de risc.

Ca parte constitutivă a scoarței terestre masivele de roci reflectă un episod din geneza și evoluția de lungă durată a acesteia, ceea ce face ca însușirile lor să fie complexe. Referindu-ne la caracteristicile geomecanice, principalele particularități ale masivelor de roci sunt: neomogenitatea, stările de tensiune, anizotropia și deformabilitatea (Proiect CEEX 722/2006).

Conform lui V. D. Arad (2013) necesitatea studierii proprietăților fizice este condiționată de faptul că parametrii de soliditate ai rocilor depind, în general, într-o mare măsură de starea fizică a lor și odată cu trecerea timpului acești parametri se modifică sub influența diverșilor factori externi.

3.3. Adâncimea de exploatare

Adâncimea de exploatare este unul din parametrii esențiali care caracterizează caracterul deplasării și deformării suprafeței terenurilor. La adâncimi mici deplasările și deformările sunt discontinue. Odată cu creșterea adâncimii de exploatare, deplasările sunt continue, iar mărimea acestora scade. De la o anumită adâncime, în concordanță cu alți factori, mărimea deplasărilor și deformărilor suprafeței devine practic nulă (Proiect CEEX 722/2006).

Raportul adâncimii de exploatare (H) la grosimea stratului (m) va determina factorul de adâncime (k). Acesta este unul dintre cei mai importanți indicatori la stabilirea condițiilor de subminare a construcțiilor, la protejarea lucrărilor miniere capitale, la stabilirea condițiilor de extracție sub cursurile de ape etc.

La adâncime mică a lucrărilor miniere, respectiv pentru factorul de adâncime k≤30, indiferent de înclinarea stratului, suprafața de deasupra lucrărilor miniere se deplasează foarte intens (Proiect CEEX 722/2006).

La adâncimea lucrărilor miniere mai mare de 30-50 ori decât grosimea stratului, procesul de deplasare a suprafeței decurge foarte lin în timp și spațiu.

Cu cât este mai mare adâncimea lucrărilor miniere cu atât sunt mai mari unghiurile limită de scufundare. Unghiurile limită se schimbă cel mai clar până la adâncimea de 200 m, de la care unghiurile limită rămân constante, cu ușoare tendințe de creștere, odată cu creșterea adâncimii de exploatare (Proiect CEEX 722/2006).

Întrucât dimensiunile albiei de scufundare se măresc proporțional cu adâncimea de exploatare, iar scufundarea maximă la exploatarea completă nu se schimbă semnificativ, deformațiile suprafeței se micșorează odată cu creșterea adâncimii de exploatare.

Adâncimea lucrărilor miniere exercită o influență esențială asupra duratei și vitezei de deplasare a suprafeței. La adâncimea lucrărilor miniere de până la 50 m, procesul de deplasare a suprafeței durează 2-3 luni, iar la adâncimea de peste 500 m procesul de deplasare durează 4-5 ani. Viteza de scufundare a suprafeței se găsește în relație invers proporțională cu adâncimea lucrărilor miniere. La adâncime mică, procesul de deplasare a suprafeței decurge foarte activ și se termină repede, iar la adâncime mare procesul de deplasare decurge mai lin și durează mai mult (Proiect CEEX 722/2006).

3.4. Forma geometrică a stratelor

3.4.1 Grosimea stratelor

Grosimea reprezintă distanța minimă dintre planul de acoperiș și culcuș al zăcământului sau distanța măsurată pe perpendiculara comună a planelor de acoperiș și culcuș.

Figura 3.1. Tipuri de grosimi ale unui zăcământ (pr. CEEX 722/2006)

În minerit, se folosesc următoarele tipuri de grosimi (fig. 3.1):

– grosimea reală (sau normală ) – m – este distanța minimă dintre acoperișul și culcușul zăcământului, măsurată după normala dintre planele acoperișului și culcușului; valoarea acesteia influențând indicatorii economici de extragere și prelucrare.

– grosimea orizontală – m0 – este distanța măsurată după orizontala dusă între acoperișul și culcușul zăcământului;

– grosimea verticală – mv – este distanța măsurată după verticala dusă între acoperișul și culcușul zăcământului.

(1); (2)

În funcție de grosime, zăcămintele stratiforme se clasifică, în general, în:

zăcăminte foarte subțiri, cu grosimi sub 0,8 m;

zăcăminte subțiri, cu grosimi între 0,8…..1,5 m;

zăcăminte cu grosime medie, între 1,5…..3,5 m;

zăcăminte cu grosime mare, peste 3,5 m (Proiect CEEX 722/2006).

Grosimea și înclinarea zăcământului sunt factori importanți în procesul de deplasare-deformare a rocilor acoperitoare. Cu cât zăcământul este mai gros, oricare ar fi înclinarea lui, cu atât deplasarea și deformarea rocilor înconjurătoare va fi mai accentuată, iar terenul de la suprafață va suferi mai mult de pe urma fenomenului de tasare-scufundare.

La înclinări mari, oricare ar fi adâncimea de exploatare, când rocile înconjurătoare au rezistență și stabilitate mică, dislocările și surpările se fac simțite la suprafață.

3.4.2. Direcția și înclinarea

Prin direcția zăcământului (δ) se înțelege unghiul pe care îl formează o dreaptă orizontală conținută în planul de acoperiș sau culcuș al zăcământului cu direcția nordului (meridianului locului) magnetic. Direcția unui zăcământ poate să ia valori cuprinse între 0 și 360ș sexagesimale sau 0 și 400ș centezimale, măsurându-se de la direcția N, în sensul de rotire a acelor de ceasornic (Proiect CEEX 722/2006).

Figura 3.2. Reprezentarea direcției și a înclinării unui zăcământ (pr. CEEX 722/2006)

Înclinarea unui zăcământ stratiform (α) este unghiul format din linia de cea mai mare pantă a planului acoperișului sau culcușului cu proiecția sa pe planul orizontal, sau unghiul diedru format de planul acoperișului sau culcușului cu un plan orizontal. Acest unghi poate să ia valori între 0 și 90 ș sexagesimale sau 0 și 100 ș centezimale.

După valoarea unghiului de înclinare, zăcămintele se clasifică în: zăcăminte orizontale (α=0…..5ș), zăcăminte cu înclinare mică (α=5…..25ș), înclinare medie (α=25…..45ș) și înclinare mare (α=45…..90ș) (Proiect CEEX 722/2006).

4. METODE DE DETERMINARE A PARAMETRILOR DE DEFORMARE ȘI DEPLASARE A SUPRAFEȚEI TERESTRE

4.1. Analiza metodelor de studiu a deplasărilor și deformărilor suprafeței terenurilor

Protecția obiectivelor industriale, sociale și naturale de la suprafața perimetrelor miniere se face prin trasarea și dimensionarea pilierilor de siguranță (protecție). În multe din cazuri se pune problema valorificării rezervelor de substanță minerală utilă, imobilizate în acești pilieri de siguranță, deci punerea în exploatare și introducerea lor în circuitul economic. În această situație se întreprind studii pentru cunoașterea deplasărilor și deformărilor suprafeței terenurilor sub influența exploatării unui zăcământ situat în anumite condiții geologo-miniere și de exploatare (Proiect CEEX 722/2006).

Determinarea valorilor parametrilor de deplasare și deformare se realizează prin măsurători directe și indirecte, care se grupează în următoarele metode:

• geodezice;

• topografice;

• fotogrammetrice.

Metodele geodezice de determinare a parametrilor de deplasare și deformare a suprafeței terenurilor se aplică după instrucțiuni riguroase, obligatoriu de respectat, stabilite și aprobate de resort. Conform instrucțiunilor, metodele geodezice cuprind măsurători regionale, pentru întregul bazin minier și măsurători locale, deasupra fiecărui perimetru minier (Proiect CEEX 722/2006).

Măsurătorile regionale se fac periodic, prin măsurători de nivelment de înaltă precizie, în raport cu anumite repere stabilite, situate în afara zonelor de influență a exploatărilor miniere.

Măsurătorile locale constau în determinarea coordonatelor (x, y, z) ale reperelor rețelelor sau aliniamentelor de urmărire, din care se determină parametrii procesului de mișcare (Proiect CEEX 722/2006).

Metodele topografice au cea mai mare aplicabilitate în măsurătorile locale, și încă de la început au stat la baza urmăririi deplasării suprafeței și a construcțiilor de la zi. Acestea constau în amplasarea, la suprafața terenurilor, de stații de măsurare topografică a parametrilor de deplasare și deformare. Stațiile topografice sunt formate din aliniamente de măsurare amplasate deasupra perimetrelor miniere în exploatare, după direcția și înclinarea stratului, adică perpendicular și paralel cu direcția de avansare a frontului de abataj, în funcție de scopul urmărit și de condițiile locale privind morfologia terenurilor. Pe fiecare aliniament sunt materializate puncte sub forma unor repere situate la anumite distanțe (Proiect CEEX 722/2006).

În aceste aliniamente se fac măsurători de nivelment și distanțe orizontale dintre repere. Prin măsurători de nivelment se determină scufundările verticale ale suprafeței terenului și se ridică curba scufundărilor verticale sau albia de scufundare. Din calcule se determină curba înclinării și curba curburii albiei de scufundare.

Executând măsurători de distanțe orizontale dintre repere, se determină deplasările orizontale și se ridică curba acestora. Totodată, în urma tuturor măsurătorilor efectuate se determină unghiurile de scufundare și de rupere (Proiect CEEX 722/2006).

Metodele fotogrametrice sunt cele mai recente metode, oferă date suplimentare în înțelegerea unor fenomene ce nu pot fi surprinse prin măsurători topografice.

Metodele fotogrametrice se utilizează în cazul conurilor adânci de scufundare, întâlnite cu predilecție în cazul exploatărilor de minereuri și mai rar în cazul exploatărilor de cărbune. Ele oferă o precizie mai mare la determinarea albiei de scufundare, însă cu o precizie mai mică la determinarea parametrilor specifici deplasării, fapt pentru care nu au cunoscut o răspândire mai largă.

Metodele matematico-analitice de calcul constau în adoptarea unor relații de calcul de prognoză a parametrilor de deplasare și deformare a suprafeței terenurilor. În această situație se aplică una din metodele de calcul ce a fost elaborată pentru condiții geologo-miniere asemănătoare cu zăcământul ce trebuie exploatat și care, verificată în practică a condus la rezultate satisfăcătoare.

În prezent literatura de specialitate pune la dispoziție o multitudine de metodologii de calcul de prognoză a parametrilor de deplasare și deformare a suprafeței terenurilor sub influența exploatării subterane, ale căror rezultate au fost confirmate de practica inginerească (Proiect CEEX 722/2006).

Definite mai larg ca metode matematico-analitice, teoriile mecanicii mediului continuu constau dintr-o serie de relații de calcul de prognoză a parametrilor de deplasare și deformare ale suprafeței terenului. Aici se pot aminti: teoria lui Bayer, teoria lui King-Wardell, metoda de calcul a lui Averșin, teoria lui Martoș, teoria Knothe-Budryk etc. Odată cu evoluția computerelor și perfecționarea programelor ce au la bază metode numerice de calcul, acestea se utilizează tot mai mult în evaluarea parametrilor albiilor de scufundare (Onica, 2001).

Analizând datele obținute în urma efectuării unui număr de măsurători în teren, se determină o funcție, dependentă de adâncimea de exploatare și de caracteristicile geologice, funcție care se stabilește experimental pentru fiecare bazin în parte. După stabilirea ecuației matematice care definește funcția deplasărilor verticale se pot deduce ecuațiile celorlalți parametrii ai albiei de scufundare. Înălțimea de siguranță este data de relația:

Hs = Ks ⋅ m (3)

unde: Ks = Kr / (Kr − 1) și este coeficientul de siguranță;

m – grosimea exploatată a stratului;

Kr – coeficientul de afânare remanentă.

În cazul zăcămintelor de cărbune, Agoșkov (1952) stabilește coeficientul de siguranță ca având valori cuprinse între 501 și 101. Pentru cazul zăcămintelor de minereuri același autor recomandă utilizarea următoarelor valori: KS ≥ 200 în cazul dirijării presiunii prin surpare totală; KS ≥ 90 în cazul dirijării presiunii prin rambleiere uscată; KS ≥ 30 în cazul dirijării presiunii prin rambleiere hidraulică.

Când adâncime de exploatare este importantă, gradul de afânare al rocilor este mare, iar grosimea și înclinarea sunt reduse, fenomenul de propagare a deformației în masivul de roci, spre suprafață, se oprește la o anumita înălțime a rocilor din acoperiș, adică la o distanță față de suprafață, numită “adâncime de siguranță”. Deci, adâncimea de siguranță (HS) este distanța normală, măsurată de la suprafață, de la care exploatarea subterană nu afectează terenul (Covaci, 1983).

În cazul exploatării zăcămintelor de cărbuni, Șeviakov exprimă valorile coeficienților de siguranță (KS) în funcție de tipul de construcții și de înclinarea stratelor, astfel: pentru cazul construcțiilor civile: Ks = 50–350, când α <45o și Ks = 50–450, când α > 45o; pentru alte tipuri de construcții: Ks = 100–400, când α <45o și Ks = 100–500, când α > 45o (Fotă, 1981).

Raportând adâncimea de siguranță (HS) la adâncimea de exploatare (H), deosebim următoarele trei cazuri, și anume: pentru Hs > H, are loc surparea terenului de la suprafață; pentru Hs = H, terenul este afectat fără consecințe importante; pentru Hs < H, terenul de la suprafață nu va suferi deformări. Adâncimea de siguranță se definește pentru situațiile în care mărimea absolută a deplasărilor orizontale sau verticale ale rocilor, la marginile albiei de scufundare, nu depășește 20 mm, respectiv pentru care nu se produce distrugerea construcțiilor situate la suprafață (Onica, 2006).

4.2. Sistemului Satelitar de Navigație Globală (GNSS – Global Navigation Satellite System) utilizat în monitorizarea fenomenlui de subsidență

Metoda geodezică utilizată în cazul E.M. Livezeni, Puțul Maleia, bazinul minier Petroșani este metoda sistemului global de navigație prin satelit (GPS). În cele ce urmează se va face o descriere pe scurt a acestui sistem.

Sistemul NAVSTAR GPS este cel mai utilizat sistem global de navigație. Pe lângă acesta mai există sistemul de navigație rusesc, GLONASS, sistemul dezvolatat de chinezi COMPASS și cel european, GALILEO.

GPS-ul s-a dezvoltat sub coordonarea Joint Program Office din cadrul U.S. Air Force Command’s, Los Angeles Force Base. Primul satelit GPS a fost lansat în 1978, sistemul fiind disponibil la nivel global din 1994, iar în România după 1992. La origine este un sistem de poziționare realizat în scopuri și pentru utilizare militară, care a devenit în scurt timp accesibil și sectorului civil (Păunescu et al., 2011).

GPS-ul funcționează pe principiul recepționării de către utilizator a unor semnale radio emise de o constelație de sateliți de navigație specializați, care se mișca în jurul Pământului pe orbite circumterestre.

Tehnologia GPS are o mare aplicabilitate în domeniul geodeziei și geodinamicii, prin realizare unor rețele geodezice la nivel global și național, la determinarea deplasării plăcilor tectonice, precum și contribuții la determinarea formei și dimensiunilor Pământului și a câmpului său gravitațional (Păunescu et al., 2011).

Precizia unui astfel de sistem trebuie înțeleasă în funcție de utilizator, astfel, pentru un turist ea reprezintă în jur de 15 m, pentru o navă în ape de coasta reprezintă cca 5 m, iar pentru un topograf precizia înseamnă 1 cm sau chiar mai puțin. În cazul monitorizării fenomenelor de subsidență, deformații crustale, vorbim de o precizie de ordinul milimetrilor.

Sistemul de poziționare GPS, este constituit din trei segmente principale: segmentul spațial, care este alcătuit din constelația de sateliți GPS; segmentul de control, format din stațiile de la sol, care monitorizează întreg sistemul; segmentul utilizatorilor, compus din utilizatorii civili și militari, care folosesc receptoare GPS dotate cu antenă și anexele necesare (Păunescu et al., 2011).

Constelația de sateliți GPS (figura 4.1.) conține un numar de 24 de sateliți (actualmente funcționează un numar de 30 de sateliți), amplasați pe orbite aproximativ circulare fața de suprafața Pământului. Planurile orbitale ale sateliților au o înclinație de 55° față de planul ecuatorial terestru, sateliții evoluând la o altitudine de cca. 20200 km, câte 4 sateliți în fiecare dintre cele 6 planuri orbitale. Rotația completă a unui satelit in jurul Pământului este de 12 ore siderale, respectiv în 11 ore și 56 de minute locale, zilnic răsăritul și apusul fiecărui satelit se face cu 4 minute mai devreme. Durata de funcționare a fiecărui satelit este de cca. 7 ani, durată care, în general, a fost depășită, asigurându-se astfel o siguranța în plus în exploatarea sistemului. (Păunescu et al., 2011).

Sateliții se reorientează în permanentă, astfel încât panourile lor solare să fie orientate către Soare, iar antena lor să fie orientată tot timpul către Pământ. Fiecare satelit poartă patru ceasuri atomice, având mărimea unei mașini și o greutate de 1000 kg (Guochang, 2007).

Segmentul spațial asigură ca la ora actuală, în orice loc de pe suprafața Pământului, indiferent de condițiile meteorologice, de perioada din zi sau din noapte, să se poată recepționa semnale radio de la minim 4 sateliți sau chiar mulți, 6 sau 8, sub un unghi de elevație de 15° deasupra orizontului, condiții absolut necesare pentru poziționare (Păunescu et al., 2011).

Informațiile sunt transmise utilizatorilor prin intermediul semnalului radio, cu frecvență nominală fundamentală de 10.23 Hz. Segmentul spațial menține referință de timp foarte precisă, recepționează și stochează informațiile primite de la segmentul de control. Sateliții sistemului au fost lansați la diferite perioade de timp și aparțin diferitelor „block-uri”, ultimii fiind sateliții din „Block-III” (Păunescu et al., 2011).

Figura 4.1.Constelații de sateliți Figura 4.2. Satelit GPS

(GIPSY user group class, 2014) (GIPSY user group class, 2014)

Segmentul de control al sistemului GPS este constituit din stațiile specializate de la sol, fiind în număr de cinci și dispuse aproximativ uniform în jurul Pământului, în zona ecuatorială. În figura 4.3. se pot observa stațiile de control ale sistemului GPS, acest segment executând întregul control asupra sistemului.

Figura 4.3. Stațiile de control ale sistemului GPS (http://unstats.un.org)

Segmentul utilizator este constituit din totalitatea utilizatorilor deținători de receptoare GPS cu antenă, în funcție de calitățile receptorului și antenei, rezultând acuratețea preciziei de poziționare sau a elementelor de navigație.

Dacă la nivelul anului 1990 existau cca. 9000 de utilizatori GPS, la nivelul anului 2000 se estimau cca. 500000 utilizatori GPS, în prezent acest număr fiind greu de precizat, întrucât tehnologia este răspândită iar aplicațiile sunt din ce în ce mai accesibile (Păunescu et al., 2011).

În ceea ce privește acuratețea, aceasta este asigurată de ceasurile atomice, de foarte mare precizie, care controlează toate componentele semnalului satelitar. Ceasurile asigură realizarea frecvenței fundamentale f0 = 10.23 Mhz, în banda L, frecvență care este la originea a trei părți fundamentale ale semnalului transmis de sateliții GPS, componenta portantă care conține cele două unde sinusoidale L1 = 1575.42 Mhz și L2 = 1227.60 Mhz; componenta activă, cu cele două coduri C/A (Coarse Aquisition) și P (Precision) și componenta mesaj care conține codul D. În prezent s-a implementat și a treia lungime de undă L3 = 117645 Mhz, disponibilă exclusiv utilizatorilor civili.

Pentru a determina o poziție se compară timpul când semalul a fost transmis de satelit cu timpul cand acesta a ajuns la receptor, astfel prin calcularea diferenței de timp putându-se determina distanța dintre un receptor și satelit. Dacă poziția unui satelit poate fi obținută din efemeride, poziția unui utilizator poate fi calculată folosind metoda triangulației. Pentru determinarea poziției sunt necesare măsurători la trei sateliți, dar pentru a elimina anumite erori ce pot aparea este necesar să se facă măsurători la cel puțin patru sateliți.

Contribuția de bază a sistemului GPS este de a furniza informații unui utilizator privind poziția în care se află, viteza cu care se deplasează și timpul (Păunescu et al., 2011).

Metoda de măsurare GPS în perimetrul minier Livezeni, Puțul Maleia, bazinul minier Petrosani, a fost cea statică, astfel că pe fiecare reper s-a staționat cel puțin 2 ore in cadrul unei sesiuni de observații, în decursul a șase ani de măsurători efectuate în bazin.

5. STUDIU DE CAZ

5.1. Proiectarea rețelei geodezice satelitare în zona E.M. Livezeni, Puțul Maleia

Pentru realizarea unui studiu geodezic complet trebuie parcurse următoarele etape: caracterizarea geologică a zonei de interes pentru depistarea locațiilor în care se vor planta reperii considerați ficși; stabilirea tipului reperilor; recunoașterea terenului pentru stabilirea locului reperilor; marcarea și semnalizarea reperilor; mãsurãtori geodezice și înregistrarea datelor; prelucrarea datelor și elaborarea lucrării (Proiect CEEX 722/2006).

Reperii proiectați trebuie să asigure stabilitatea punctului în timp, centrarea forțată a antenei, determinarea înălțimii instrumentului de măsurat cu precizie de zecime de milimetru.

Pentru măsurătorile GPS s-au construit reperi subterani din beton armat, în formă de trunchi de piramida cu urmatoarele dimensiuni: 1.5 m înălțime, latura de la suprafațã de 0.20 m, la subsol de 0.40 m (conform figurii 5.1.). Pentru a asigura centrarea perfectă, la partea superioară a reperului s-a amplasat un surub în care să se înfileteze perfect antena de tip GPS. Partea superioară a pilastrului este protejată cu un capac și un șurub care se înfiletează în locul antenei GPS. Reperul este îngropat astfel încât partea superioară să fie chiar la suprafața solului. Pentru a-i asigura stabilitatea reperul acesta a fost fixat cu pământ și beton.

Figura 5.1. Schița unui reper GPS (stânga sus), vedere de sus a reperului (dreatpa sus), poziționarea, instalarea în teren a reperilor GPS (partea de jos) (Muntean et al., 2008)

Reperii propuși au fost amplasați atât în arealul studiat, care suportă modificări pe orizontală și verticală, cât și în zone din afara arealului, considerate stabile. În urma concluziilor studiului geologic și al confruntării planurilor de subteran cu cele de suprafață, s-au stabilit zonele considerate “fixe” și zonele considerate “în mișcare”. Reperii GPS au fost amplasați în zonele considerate stabile, perechi, pentru a avea variantă în cazul distrugerilor (este cunoscut faptul ca reperii geodezici sunt distruși sistematic). Astfel, avem 4 reperi de acest gen și 3 reperi solitari. În interiorul zonei au mai fost proiectați o pereche și alți 5 reperi solitari.

Nu este nevoie ca reperii să se vadă între ei, receptoarele GPS putând determina coordonate pe baza sateliților, fără vizibilitate între punctele staționate. Astfel, trebuiesc respectate condițiile impuse la măsurători GPS:

– să nu fie amplasate în apropierea obstrucțiilor;

– să nu fie amplasate în apropierea stâlpilor de înaltă tensiune;

– să nu fie amplasate în apropierea surselor de emisie radio sau radar.

Plantarea reperilor s-a realizat în cursul lunii noiembrie 2006. Din acest motiv nu au fost efectuate măsurători în cursul anului 2006, reperii urmând a se stabiliza cel puțin o jumatate de an.

Tipul de repere este detaliat în figura 5.1.. Avantajul îl reprezintă faptul că reperii sunt stabili pe termen îndelungat și asigură permanență în timp. Nu este nevoie de marcaj subteran deoarece refacerea punctului nu ar asigura precizia necesară determinărilor.

Semnalizarea nu este necesară deoarece ar atrage atenția asupra punctelor îngropate. Fiecare punct a fost determinat cu receptoare GPS în timp real pentru a putea fi găsiți apoi ușor cu un GPS de mâna, de la o măsurătoare la alta aceștia fiind acoperiți de vegetație.

5.2. Achiziția datelor GPS

Scopul principal al studiului este de a obține rezultate cu un grad de încredere ridicat privind deplasarea și deformarea terenului din zona exploatării miniere Livezeni, Puțul Maleia, bazinul Petroșani.

În acest scop a fost creată o rețea densă de reperi geodezici pentru a putea monitoriza zona prin măsurători GPS, pe o perioadă mai lungă de timp.

Ca și amplasare zona studiată este situată în partea estică a bazinului minier Petroșani, iar din punct de vedere administrativ, perimetrul se situează pe teritoriul județului Hunedoara, în zona limitrofă orașului Petroșani.

Rețeaua GPS constă din 19 reperi, notați R01A….R19A, și un vechi reper geodezic din zona, PIRA.

Figura 5.2. Amplasarea reperilor GPS (după Toma Dragoș, comunicare personală)

În primii ani de măsurători aceste puncte au fost staționate atât cu trepied cât și cu un sistem de centrare forțată (plăcuță triunghiulară, cu o tijă de 12 cm) a antenei, precum și cu receptoare GPS de tip Leica și Topcon. În campaniile de măsurători efectuate în perioda 2009-2012 au fost utilizate doar sisteme de centrare forțată a antenei și receptoare Leica 500.

Figura 5.3. Echipament utilizat în procesul de achiziție. Antena, placuța triunghiularea și receptorul Leica SR530 (Muntean et al., 2014)

Zona studiată este greu accesibilă, la unele puncte se poate ajunge doar mergând pe jos. O constrângere importantă a fost faptul că, punctele măsurate nu trebuie sa aibă în jur obstacole care se obstrucționeze recepționarea semnalului GPS. De asemenea, zona nu a fost considerată sigură, echipamentul neputând fi lăsat nesupravegheat. Bugetul alocat a fost limitat, la fel ca și numărul de persoane și echipamentul utilizat. Toate acestea au condus la măsurarea punctelor in mini campanii, pe perioade scurte de timp. Perioada minimă de staționare pe punct a fost de cel puțin două ore pe fiecare reper, excepție făcând doar câteva puncte care au fost măsurate mai puțin de o oră, în anul 2009. Cu siguranță nu este cea mai bună soluție pentru a obține rezultate de o înaltă precizie, dar luând în calcul limitările avute, a fost cea mai bună soluție aleasă. Așa cum se va arată mai târziu, deplasările sunt foarte mari, deci nu a fost nevoie de o precizie milimetrică. În perioada 2007 – 2012 au fost efectuate șase campanii de măsurători (tabelul 5.1.). În anul 2010 nu au fost efectuate măsurători. Toate punctele au fost măsurate de cel puțin patru ori.

Tabelul 5.1. Privire de ansamblu asupra campaniilor GPS efectuate in E.M Livezeni, Puțul Maleia, bazinul Petroșani (Muntean et al., 2014)

6. METODA UTILIZATĂ ÎN PROCESAREA DATELOR

Datele GPS achiziționate în E.M Livezeni, Puțul Maleia, bazinul minier Petroșani, au fost procesate cu softul GIPSY – OASIS 6.2., folosind strategia poziționarii precise pe punct (PPP) (Zumberge et al., 1997) generând soluții individuale pentru fiecare fișier de observație. Acesta este un aspect unic al softului GIPSY – OASIS (în comparație cu alte softuri,) deoarece permite analiza unui set de date fragmentat fără a avea nevoie de stații de referință. GIPSY – OASIS este un soft care conține modele capabile să corecteze diferite efecte. Plecând de la influența segmentului uscat și umed al atmosferei până la parametrii privind influența sarcinii oceanului. Modelele prezintă o acuratețe de sub 1 mm. S-au folosit produse privind orbitele și ceasurile sateliților de la Jet Propulsion Laboratory (JPL), precum si informații privind ambiguitatea, pentru a invoca ambiguitatea fixă pe stații. În primul pas se obțin rezultate într-un sistem de referință liber, denumite ,,non-fiducial,, apoi aceste soluții sunt transformate în sistemul internațional terestru de referință ITRF2008, folosind cei 7 parametrii Helmert furnizați de JPL, la fel ca și datele privind ceasurile și orbitele sateliților. Ulterior, aceste soluții individuale ale locațiilor sunt grupate în soluții zilnice combinate. În pasul următor soluțiile zilnice obținute sunt convertite în sistemul de referință Euroasiatic stabil prin scaderea mișcării plăcii Euroasiatice față de ITRF, utilizând modelul rotației polilor. Astfel, rezultă soluții ale seriilor de timp ale poziției coordonatelor față de placa Euroasiatică. În pasul final, sunt calculate deplasările 3D utilizând regresia liniară a soluției poziției fiecărui punct individual. S-a testat această metodă la câteva stații permanente de pe placa Euroasiatică stabilă, mișcările obținute sunt aproape de zero, demonstrând validitatea metodei (Muntean et al., 2015).

6.1. Softul GIPSY OASIS

Seminificația acronimului GIPSY OASIS este: GIPSY GNSS – Inferred Positioning SYstem; OASIS – Orbit Analysis and SImulation Software.

GIPSY – OASIS este un soft care rulează sub sistemul de operare Linux/Unix. Pachetul de prelucrare este dezvoltat de către o echipă de specialiști, din cadrul JPL, cu o experiență de peste 25 de ani în prelucrarea datelor GPS. Inițial a fost dezvoltat pentru determinarea precisă a orbitei satelitului Topex/Poseidon (lansat la 10 august 1992). În prezent este utilizat de sute de persoane din domeniul educației și cercetării din peste 20 de țări.

JPL este un Centru Federal de Cercetare si Dezvoltare, (FFRDC – Federally Funded Reasearch and Development Center), un laborator NASA, manageriat de către California Institute of Technology, Pasadena, USA (Gipsy course, 2014).

Softul GIPSY-OASIS a fost proiectat și este în permanență îmbunătățit ca făcând parte dintr-un proiect de cercetare – dezvoltare privind investigarea tehnicilor satelitare cu acuratețe superioară a poziționării relative și determinării orbitelor folosind datele sistemului GPS.

Softul este folosit într-un mod de post-procesare, în opoziție cu timpul real de procesare. Deoarece sarcinile de modelare și estimare se separa în programe diferite care trebuie să ruleze consecutiv, nu este posibil sa se facă o analiză în timp real.

Programul a fost conceput având precizia și stabilitatea numerică ca scop primordial.

În continuare se va face o scurtă prezentare a modulelor folosite. Informațiile despre aceste module au fost extrase din manualul GIPSY OASIS II, How it works (Gregourius, 1996).

Cele două ecuații care sunt modelate de Gipsy și care trebuie rezolvate sunt: L (expeditorul de fază) si P (falsul rând):

L = p + c(dt – dT) + λb – dion + dtrop (4)

P = p + c(dt – dT) + dion + dtrop (5)

unde: p reprezintă șirul dintre receptor și satelit (dat de formula p = ׀׀R-r׀׀, R și r reprezintă șirul geocentric către satelit, respectiv receptor), c reprezintă viteza luminii, dt și dT, offsetul de ceas al sateliților, și a receptoarelor, λb reprezintă integrata bias a lungimi de undă inițială, iar dion și dtrop reprezintă întârzierile cauzate de ionosferă, respectiv troposferă. Datele privitoare la zgomot, fenomenul multipath și alte efecte perturbante sunt încorporate în p ca un șir bias.

P – intervalul de observare – reprezintă diferența de timp dintre timpul receptorului și timpul mesajului primit din semnalul GPS. Șirul p este o funcție de timp, sateliții care orbitează Pământul sunt afectați de radiația solară, gravitație, rotația Pământului, nutația, precesie.

Scopul softului GIPSY – OASIS este acela de a modela observațiile în acest context și de a estima corecțiile modelului.

Pentru a înțelege se va face o scurta descriere a modulelor GIPSY – OASIS în ordinea în care sunt folosite: datele de intrare, modelarea, estimarea parametrilor și rezoluția ambiguitații. Ultima etapă o reprezintă modulul de post procesare, care permite utilizatorului să analizeze datele pentru aplicarea geofizică.

Datele de intrare

Modulul ninja citește fișierul de observație GPS care este în format RINEX (Receiver Independent Exchange Format) și pe care îl transformă într-un format binar. Acest fișier este pus într-un algoritm Turboedit care detectează automat și elimină întreruperile de semnal și datele eronate din înregistrările GPS. Datele sunt decimate în intervalul de timp dorit iar falsul rând, pseudorange, este netezit și scris într-un fișier de măsurare rapidă denumit quick measurement file (qm file). Folosind comanda merg_qm se pot fuziona mai multe fișiere qm dacă există. Tot în această etapă, dacă utilizatorul dorește, se pot elimina anumiți sateliți din datele de observație.

Modelarea fizică

Qr_nml crează o listă pentru qregres, unde qregres este modulul care încorporează modelele fizice: locația a priori a receptoarelor GPS, mișcările Pământului si ceasurile sateliților GPS.

Estimarea parametrilor și post procesarea

Wash_nml creează o listă de nume care va fi folosită de modulele următoare și conține setări care pot fi modificate de utilizator. Preprefilter-ul pregătește modulul următor, și anume prefilter, iar acesta creează la rândul lui un fișier cu evenimente stocastice care sunt necesare pentru modulul filtru, cum ar fi: actualizarea ceasurilor zgomotului alb, actualizarea troposferei și diferite procese legate de zgomot.

Cel mai important modul, nucleul, este reprezentat de programul filtru care rulează filtrul matricei medie pătratice, fiind un filtru Kalman. Aceasta este partea programului care rulează estimarea parametrilor actuali. Pentru a obține cea mai bună convenție între datele de observație, modele și parametri, se aplică metoda celor mai mici pătrate. Metoda celor mai mici pătrate implică însă inversarea unor matrici mari (50000 cu 12000 de elemente pentru rețele GPS globale), ceea ce duce la un timp de calculare foarte lung. Matricea medie pătratică împarte această problemă secvențial, procesând serii mici de date. Filtru estimează parametrii pentru prima serie de date, rezultate care vor fi folosite ca date de intrare pentru urmatoarea serie de date.

Soluțiile se acumulează până când filtru procesază toate seriile de date. În loc să inverseze matrici mari, filtrul inversează secvențial matrici mici ale fiecărei serii de date, astfel îmbunătățindu-se timpul de calculare. Filtrul se caracterizează prin faptul că folosește procesul de zgomot pentru a estima efectele erori de modelare. În acest fel GIPSY – OASIS permite tuturor parametrilor sa aibe un comportament stocastic, care este aplicat în particular parametrilor ceasurilor, întârzierilor troposferice, accelerației navelor spațiale.

Următorul modul denumit smapper calculează și cartează matricea soluțiilor parametrilor estimați. Modulul postfit calculează rezidurile, iar modulul postbreake verifică dacă în datele obținute mai sunt prezente întreruperi de semnal. Dacă întreruperile sunt descoperite, modulul postbreak rescrie fișierul qm și reia rularea programului GIPSY – OASIS de la partea de modelare. Modulul edtpnt2 utilizează rezidurile obținute după rularea modulului postfit pentru a determina datele care au o anumită abatere, acestea fiind înlăturate din soluții. Utilizatorul stabilește care este limita pentru care un set de date poate fi considerat ca având o abatere față de restul celorlalte date. După ce punctele considerate eronate-greșite sunt eliminate din setul de date, modulele smapper și postfit trebuie reluate. Acest proces poate fi repetat până când sunt elimnate din setul de date toate valorile considerate greșite.

Rezoluția ambiguitații: ambigon2

Programul GIPSY – OASIS oferă utilizatorului posibilitatea da a fixa sau nu ambiguitatea de fază în procesul de prelucrare a datelor, pentru aceasta folosindu-se modulul ambigon2. Este singurul pas din procesare în care se folosește dubla diferența. Modulul ambigon2 rezolvă ambiguitatea de fază printr-un proces secvențial. În primul pas combinația banda largă se face o estimare a parametrilor cu un numar redus de parametri. Înclinările de fază sunt estimate din nou cu combinația bandă scurtă care poate fi făcută cu un interval de încredere mare, deoarece, inițial au fost utilizați un număr mai mic de parametri. Estimarea parametrilor este făcută pentru ultima dată cu newly fixed biases din combinația bandă scurtă.

Rezoluția ambiguității este posibilă doar pentru rețelele unde mai multe stații sunt observate simultan. Fixarea ambiguității este un proces consumator de timp, dar acest proces îmbunătățește repetabilitățile, în principal, pe componenta orizontală (pe longitudine). Prin rezoluția ambiguității a înclinărilor (distorsiunilior) de fază, erorile în poziționare datorate parametrilor orbitei, scad.

Post procesarea: poziții, linii de bază, deplasări, serii de timp

Softul stacov include programele: stacov, heightfix, stamrg, project, statictics și transform. Cel mai important program este stacov, deoarece extrage informațiile legate de coordonatele stației pentru fiecare zi de observație. Programul stacov produce un fișier care poate fi folosit pentru viitoarele postprocesări. Heightfix actualizează înalțimea antenei în fiecare zi cu informații corecte, stamrg combină soluții pentru a estima viteze și poziții, și de asemenea poate combina și media coordonatele statiilor într-un singur fișier. Datele de intrare pot fi fișiere din aceeași zi ale mai multor stații sau pot fi fișiere ale aceleași stații dar, din zile diferite. Programul stamrg permite aplicarea unui model de viteze soluțiilor obținute. Project definește sistemul de referință, statistics calculează coordonatele, componentele linie de bază și repetabiltațile lor în diverse sisteme de coordonate. Transform face trecerea de la un sistem de coordonate la altul, utilizând cei 7 parametrii Helmert.

Loose constraints

Metoda prin care se aplică un sistem de referință unor soluții ale unei rețele este aceea de a fixa coordonatele “a priori” a unei anumite stații folosite în procesare, făcând-o pe aceasta așa numita fiducial stație. Folosind această metodă erorile coordonatelor a priori ale stației fixate se propagă în întreaga rețea. În loc să fixeze întreaga rețea, programul GIPSY – OASIS folosește loose constraints, care permite stațiilor să se abată de la valoarea a priori (10m la 1 km). În acest fel soluția finală zilnică a rețelei va avea o înclinare pe direcție și în poziția geocentrică față de sistemul global de referință ITRF-2008. Pentru a rezolva această problemă, rezultatele finale vor fi transformate cu comanda transform în sistemul ITRF-2005. Cu ajutorul aceste strategii toate constrângerile zilnice pot fi cartate în același sistem de referință global fără a fi necesară fixarea constrângerilor.

6.2. Structura bazei de date, strategia de procesare

Procesarea și analizarea datelor GPS obținute în perimetrul Maleia, mina Livezeni, bazinul minier Petroșani, reprezintă partea cea mai importantă a acestui studiu. Scopul principal este de a estima deplasările orizontale și verticale în terenurile de deasupra și din imediata vecinătate a zonelor miniere exploatate extensiv, nerațional și cu lucrări de lungă durată. Înainte de rularea programului trebuie efectuate câteva setări pentru ca programul să ruleze corect. De asemenea, se va face o scurtă prezentarea a acestor etape. Cel mai important pas constă în obținerea datelor GPS, a datelor de la JPL și actualizarea tabelelor folosite de softul GIPSY – OASIS.

Softul rulează într-un mediu în care datele și rezultatele sunt organizate în structuri de directoare predefinite. Softul a fost modificat ținând cont de cerințele avute în procesare.

6.2.1. Datele de intrare

Datele GPS folosite în procesare sunt în format Receiver Independent Exchange Format (RINEX). Datele obținute în cazul puțului Maleia, E.M. Livezeni, bazinul miner Petroșani au fost transformate din diferite formate ale receptoarelor în formatul RINEX.

Figura 6.1. Exemplu de fișier RINEX

Datele din alte rețele, utilizate în procesare, cum ar fi: rețeaua Sistemului Geodezic European de Referință (EUREF), Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) au fost obținute gratuit, prin descărcarea de pe site-ul organizației, ele fiind în format Hatanaka. Pentru descărcarea lor se utilizează un script special conceput, descarcarea facându-se automat atunci când datele sunt disponibile pe serverul instituției.

Fișierele de observație RINEX conțin urmatoarele informații: măsurători de fază L1 și L2; măsurători de cod C/A (Coarse Acquisition) și P (Precision), la un interval de prelevare de 30 secunde, timpul măsurătorilor și pentru fiecare observație se dă numărul satelitului (PRN). Ca timp de înregistrare se folosește timpul GPS, care este setat dupa coordonatele timpulul universal UTC, timpul Greenwich la ora 00:00 – 6 Ianuarie 1980. Deoarece timpul GPS nu include secundele, acesta prezintă un offset față de timpul UTC. Fișierele RINEX conțin date pe o singură zi, începând de la ora 00:00 până la ora 23:59 în aceeași zi, timpul GPS.

Unele fișiere RINEX (figura 6.1.) pot avea informații greșite în header/antet, ducând la erori în urma procesării. Folosind un program teqc, aceste informații pot fi editate și modificate, este foarte important de făcut acest lucru deoarece utilizatorul folosește aceste informații ca date de intrare în procesare.

Denumirea standard a fișierului ,,Hatanaka RINEX,, este STATdoy?.yyD.Z unde:

STAT : numele stației

day : ziua din an

? : număr arbitrar (de obicei dar nu necesar 0)

yy : ultimele două zile ale anului

D.Z : fișier Hatanaka (D) sistem de comprimare (Z)

Pentru estimarea parametrilor și pentru modelare este important să se noteze poziția stației, tipul antenei, înălțimea antenei (vectorul de la reperul locației până la punctul de referință al antenei). Aceste informații pot fi găsite în partea superioară a fișierului RINEX, daca stația a fost setată corespunzător, fiind trecute lângă numele agenției care a făcut înregistrările, tipul receptorului și un sumar al observaților. Pentru stațiile din rețeaua permanentă EUREF, SOPAC, aceste informații pot fi obținute din fișierele fiecărei stații aflat pe site. Pentru punctele din cadrul mini rețelei GPS din zona perimetrului minier Maleia, aceste informații mai pot fi obținute si din foile de teren (log sheets) din timpul campaniei de măsurători.

Figura 6.2. Exemplu de foaie de teren (log file)

6.2.2. Centru de fază al antenei

Un alt pas important de care trebuie să se țină cont este legat de centrul de fază al antenei. Antena recepționează undele electromagnetice transmise de sateliții GNSS situați deasupra orizontului, convertește energia undelor în impulsuri electrice, le amplifică și le transmite către receptor (Păunescu et al., 2011). Putem spune că antena este punctul de legătură între semnalul primit de la sateliții GPS și receptorul GPS. Punctul în care semnalul este recepționat poartă denumirea de centrul de fază al antenei (APC). În măsurătorile noastre nu centrul de fază ne interesează ci locația reperului pe care este montată antena, centrul mecanic (ARP). În timpul măsurătorilor centrul mecanic și punctul de stație trebuie să se afle pe aceeași verticală. Punctul de referință al antenei (ARP) este definit de IGS ca fiind intersecția axei de simetrie verticală a antenei cu partea inferioară a antenei (Ebner R., 2008). Aceasta înseamnă că este important să știm poziția relativă a centrului de fază pentru a obține poziția geodezică a reperului. Este foarte important de știut ce tip de antenă este folosit, dacă s-au folosit diferite tipuri de antenă în aceeași locație și la diferite epoci.

Centrul de fază diferă în funcție de observații (L1, L2, C1, P2) și depinde puternic de direcția din care vine semnalul GPS, în care elevația satelitului joacă un rol foarte important. Pentru fiecare antenă se pot adăuga informații privitoare la locația nominală a centrului de fază, variația centrului de fază depinde de elevația sateliților. Ignorarea acestor variații poate duce la erori verticale însemnate, mai mari de 10 cm (Broerse, 2007).

Pentru a obține cele mai bune estimări pentru poziția stațiilor este important ca variația centrului de fază să fie modelată. Informațiile privind calibrarea antenei pot fi accesate pe site-ul, http://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL, National Geodetic Survey – NGS.

NGS efectuează pentru cele mai comune (utilizate) tipuri de antene o procedură de calibrare, pentru a obține o medie a centrului de fază. Distanța de la reper la centrul de fază actual poate fi descrisă de următoarea sumă de distanțe:

(6)

unde este vectorul care se referă la poziția centrului de fază, măsurată față de poziția reperului, reprezintă înălțimea antenei, declarată în fișierul sta_svec, vectorul de la reperul stației la punctul de referință al antenei (ARP), un punct fizic în antenă; vectorul de la ARP la media centrului de fază al antenei; reprezintă locația centrului de fază față de elevația sateliților. Condițiile locale pot influența variația centrului de fază, pot duce la variații de elevație și azimut, însă aceste variații nu sunt incluse în modelare.

Calibrarea antenelor efectuată la NGS este realizată în condiții ideale, eliminându-se influența suprafețelor reflectatoare din împrejurimi care să ducă la crearea efectului multipath. Aceste condiții nu sunt întotdeauna realizabile în teren, astfel putând exista diferențe între antene de același tip (Broerse, 2007).

6.2.3. Parametrii de orientare ai Pământului

În procesarea datelor GPS se folosește strategia Poziționarii Precise pe Punct (PPP). Strategia PPP folosește informațiile legate de orbitele sateliților (efemeridele) și datele privitoare la ceasuri postprocesate, în locul utilizării acestor informații din datele brute, obținute din semnalul primit de către receptorul GPS de la satelit, deoarece precizia acestor informații nu este mare. Informațiile privind sateliții și parametrii de orientare ai Pământului pot fi obținute zilnic de la Jet Propulsion Laboratory – JPL, ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/JPL_GPS_Products/, și folosiți în metoda poziționării precise pe punct.

JPL's Precise Orbit and Clock Estimates for GPS Constellation in GIPSY Format:

Există trei tipuri de produse: cele obținute la două zile, denumite Ultra-Rapid, cu o precizie de 5 cm; cele obținute ziua următoare, denumite Rapid, având o precizie de 3.5 cm și cele obținute după 14 zile, denumite Final, cu o acuratețe de 2.5 cm.

Cu cât latența este mai mare în obținerea acestor produse, cu atât crește gradul de încredere al preciziei. În procesarea datelor din prezentul studiu au fost utilizate produsele denumite Final, cu latența de 14 zile, întrucât avem nevoie de precizie ridicată în rezultatele finale. Pentru obținerea lor se utilizează un script, get_flinnR_nf_orbits. Aceste date sunt accesibile în mod liber și includ efemeridele sateliților, ceasurile sateliților, informațiile privind perioada în care un satelit a fost în eclipsă și coordonatele globale de transformare ITRF. Pentru rețeaua GPS din perimetrul minei Livezeni, Puțul Maleia, Petroșani au fost folosite următoarele fișiere de la JPL:

reference.frame : numele sistemului de referință

peci : efemeridele sateliților GPS (orbitele)

TDPfile : ceasurile sateliților GPS

shadow : perioada în care un satelit GPS este în umbră

tpeo.nml : orientarea Pământului și mișcările polare

xfile : transformarea parametrilor sistemului în ITRF-2005

Fișierele privind orbitele precise peci conțin informații legate de numărul satelitului SVN, secundele GPS după calendarul iulian J2000, poziția x, y, z în km și vitezele x, y, z în km/sec în Sistemul Inerțial de Referință al Pământului, (ECI). Fișierul TDPfile conține informații privind ceasurile sateliților, iar fișierul shadow conține informații privind timpul, data de început și de sfârșit a perioadei în care unul sau mai mulți sateliți se află în umbra Pământului. Tpeo.nml conține informații privind orientarea Pământului. Fișierul xfile conține parametrii de rotație, translație și scalare folosiți pentru transformarea soluților zilnice ale rețelei in ITRF (Broerse, 2007).

6.2.4. Parametrii privind sarcina oceanului (ocean loading parameters)

Prin maree (flux și reflux) se înțelege o oscilație periodică a nivelului mării sau oceanului, în raport cu o poziție medie, datorită forței de atracție combinate a Lunii și Soarelui. Deplasarea apei oceanelor și mărilor determină o încărcare periodică a fundului oceanului. Deoarece Pământul nu este un corp rigid, fundul oceanului este deformat de încărcările periodice ale masei de apă. Deformațiile Pământului nu se limitează numai la fundul oceanului și al mării, de asemenea apar și în crusta continentală, rezultând deplasări orizontale și verticale periodice. Aceste deplasări sunt mai mici atunci când stațiile măsurate se află la o distanță mai mare de țărm, în interiorul continentului.

Aceste deplasări sunt modelate cu softul GIPSY – OASIS folosind parametrii sarcinii oceanului, M.S. Bos și H.G. Scherneck de la Observatorul Spațial Onsala, Universitatea Chalmers, Suedia (http://holt.oso.chalmers.se/loading/loadingprimer.html). Parametrii privind sarcina oceanului pentru o anumită poziție de pe Pământ pot fi luați în considerare pe un areal de 10 km în jurul locației respective. Parametrii sunt radiali și tangențiali (est-vest și nord-sud), amplitudinea este în metri și fazele sunt în grade pentru unsprezece maree (M2 S2 N2 K2 K1 O1 P1 Q1 Mf Mm Ssa) pentru o singură stație. În figura 6.3. se reprezintă un exemplu de hartă cu maree. Culorile reprezintă amplitudinea, iar liniile de contur arată întârzierea de fază a mareelor cu o distanță de 60 de grade, a amplitudinii mareei celei mai importante (http://holt.oso.chalmers.se).

Figura 6.3. Amplitudinea mareelor

(http://holt.oso.chalmers.se)

Parametrii privind sarcina oceanului ai oricărei stații noi apărută în procesare trebuie calculați. Aceștia sunt calculați pe baza modelului FES2004. După calculare sunt trimiși prin e-mail utilizatorului și sunt adăugați în fișierul ocnld_coeff_cm_fes04.

6.2.5. Rețeaua de Referință Terestră Internațională (ITRF)

Rețeaua de Referință Terestră Internațională este folosită pentru a carta poziția soluțiilor zilnice obținute și pentru a înlătura diferențele din soluțiile zilnice rezultate în urma folosirii metodei loose constraints. Mișcările punctelor măsurate pot fi calculate, doar după exprimarea soluțiilor zilnice într-un sistem de referință stabil și precis.

ITRF este un sistem de coordonate cartezian care este folosit pe o scară largă în scopuri geodezice. Sistemul ITRF este fixat la pământ iar originea lui coincide cu geocentrul Pământului, unde centrul de masă include masa oceanelor și a atmosferei. Orientarea inițială a fost dată de Biroul Internațional de l’Heure (BIH) în 1984.

Sistemul ITRF a rezultat în urma combinării mai multor tehnici ale observatoarelor spațiale cum ar fi Very Long Baseline Inferometry (VLBI), Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS) și Satellite Lase Ranging (SLR). S-au folosit observațiile de la aproximativ 800 de stații din 500 de locații de pe întreg globul. Una sau mai multe din tehnicile menționate anterior sunt combinate pentru a creea un singur sistem de referință. Deoarece sunt folosite multiple tehnici precizia va fi mai mare decât în cazul în care s-ar folosi o singură tehnică (Broerse, 2007).

Figura 6.4. Câmpul de viteze al sistemului de referință ITRF 2008

(http://itrf.ensg.ign.fr/)

Numărul stațiilor IGS folosite în procesare este de 30-35 stații, în funcție de funcționalitatea lor. Poziția (la o anumită perioadă), vitezele și incertitudinile în sistemul ITRF 2008 pentru o stație GPS de la IGS (International GNSS Service) sunt disponibile în format SINEX (Solution Independent Exchange Format) de pe pagina de web de la ITRF. În figura 6.4. este reprezentat câmpul de viteze al sistemului ITRF.

După ce fișierele de date sunt descărcate fișierul stacov folosit de softul GIPSY – OASIS poate fi extras cu ajutorul scriptului stacovitrf/snx2cov. Fișierele stacov descărcate de la ITRF conțin informații legate de coordonate și viteze ale stațiilor GPS alese de utilizator. În cazul nostru a 30-35 de stații (Broerse, 2007).

Poziția ITRF a stațiilor din sistemul de referință se bazează pe poziția la o anumită epocă și pe viteza locației. Pozițiile și vitezele sunt folosite pentru a calcula poziția unei locații ITRF la o anumită dată. Întrucât în cazul determinărilor vitezei ne putem baza pe observațiile anterioare putem spune că în cazul stațiilor ITRF poziția este prezisă.

Deoarece actualele poziții au tendința de a se abate de la pozițiile prezise este recomandabil să se facă actualizarea sistemului de referință ITRF atunci când aceasta este disponibilă. Cea mai recentă versiune ITRF este ITRF-2008. Deoarece în realizarea acestei versiuni s-au folosit cele mai recente observații GPS de la stațiile sistemului de referință această versiune trebuie să fie compatibilă cu coordonatele stațiilor rețelelor GPS estimate recent (Broerse, 2007).

6.2.6. Actualizarea fișierelor folosite în procesare

Modulul qregres are nevoie de trei fișiere pentru a rula corect. Aceste fișiere conțin informații esențiale legate de stațiile care vor fi procesate. Cele trei fișiere sunt:

sta_id – conține codul stațiilor din rețea format din patru litere;

sta_pos – pozițiile a priori a stațiilor din rețea;

sta_svec – o listă cu toate stațiile conținînd informații legate de tipul și înălțimea antenei.

Aceste fișiere trebuie create, sau dacă ele există din alte procesări trebuie actualizate. Fișierul care conține informații legate de tipul și înălțimea antenei necesită o atenție specială, trebuie în permanență actualizat orcând o nouă antenă este instalată sau când este schimbată înălțimea antenei într-o locație. Erorile cauzate de înălțimea și tipul antenei vor determina erori în estimarea poziției, de aceea este foarte important ca fișierul sat_svec sa fie corect. Informațiile din fișierul sta_svec sunt: cele 4 caractere ale stației (codul); perioada de începere a măsurătorii, durata măsurătorii în secunde, tipul antenei, offsetul antenei (vectorul de la reperul geodezic la punctul de referință al antenei).

Tabelul 6.1. Exemplu de fișier sta_svec cu informații privind tipul de antena utilizat în prezentul studiu

Atunci când într-o locație este schimbată antena sau înălțimea antenei, în fișierul sta_svec se adaugă o nouă linie cu informațiile actualizate, atât cele legate de antenă cât și informațiile privitoare la perioada de validitate. Informațiile legate de tipul și înălțimea antenei pentru stațiile permanente externe sunt actualizate din fișierul jurnal (log file) al fiecărei stații. Aceste informații pot fi găsite pe paginile de internet ale agențiilor GPS. Fișierele conțin informații legate de tipul și înălțimea antenei, data instalării și schimbării antenei într-o locație. Numele antenei așa cum a fost stabilit/convenit este dat în fișierul gipsy.tab.

6.2.7. Actualizarea tabelelor utilizate în procesare

Sateliții GPS nu pot fi folosiți zilnic în scopul determinării unei poziții precise. Deseori apar erori cauzate de manevrelor sateliților, erori cauzate de componentele calculatorului sau de semnalul sateliților, astfel semnalul GPS nu mai este atât de precis, pentru a putea fi folosit în determinarea unei poziții.

Pentru a se evita astfel de erori Navigation Center of the U.S. Coast Guard publică mesaje intitulate NANU (Notice Advisory to Navstar Users) care listează întreruperile sateliților. Mesajele NANU sunt disponibile la adresa de internet http://tycho.usno.navy.mil/ftp-gps. Un satelit cu probleme este listat ca fiind inutilizabil. În mesajul NANU informațiile legate de un satelit și ziua în care acesta este inutilizabil sunt puse în fișierul delsats.inp, satelitul fiind exclus din procesare în ziua respective (Broerse, 2007).

Pentru identificarea sateliților GPS se folosesc două coduri: codul PRN (amprenta satelitului recepționat) și codul SVN (numărul satelitului). Numărul satelitului SVN este unic, în timp ce amprenta PRN a acestuia este reciclată, ceea ce înseamnă procesul prin care un satelit este dezafectat și înlocuit cu un alt satelit. Observațiile sunt raportate la un număr PRN specific, în timp ce fișierele cu informații legate de ceas și efemeride sunt raportate la numărul SVN. Tabelul PRN_GPS disponibil de la JPL este folosit pentru ambele coduri și trebuie actualizat atunci când un satelit nou este lansat.

Un salt în secunde este adăugat timpului UTC atunci când există o diferență între coordonatele acestuia și coordonatele timpului rotațional al Pământului. Acest salt este introdus de obicei o dată la câțiva ani, dar timpul GPS nu include saltul în secunde. Pentru aceste informații se folosește un tabel care este disponibil de la JPL, făcându-se actualizarea acestuia atunci când un salt în secunde este adăugat la UTC (Broerse, 2007).

După ce toți acești pași sunt efectuați, se rulează softul pentru a procesa datele. Interfața pentru a rula acest soft este gd2p – GNSS data 2 position, o unealtă care poate procesa datele de la o singută stație fară a avea nevoie de stații de referință. Pentru a eficientiza munca, programul a fost automatizat, fiind scrise mai multe scripturi de către prof. B.A.C. Ambrosius, Facultatea de Inginerie Aerospațială, Universitatea din Delft, bazându-se pe scriptul original de la JPL, dar fiind modificat în funcție de necesități, cum ar fi: unghiul de elevație de 15°, structura bazei de date care este bine definită.

Structura bazei de date este (“root-name” == ~user/GPS_dbase, unde user este ID-ul utilizatorului): ~user/GPS_dbase/proiect/an/zi. GPS_dbase este un nume predefint, pe care scriptul trebuie să-l găsească în directorul (user) utilizatorului. Următorul director proiect, se alege în funcție de ce date sunt procesate, în cazul nostru Petroșani. Mai poate fi utilizat rom_perm, pentru stațiile permanente, igs_etc pentru datele IGS, Vrancea, Vidraru, Hațeg, Galați, rețele de monitorizare al unor zone importante din punct de vedere al cercetării, studiate. Toate acestea sunt organizate în sub-sub-directoare AN/ZI (YYYY/DOY).

În primul pas se obține un fișier unic pentru fiecare stație implicată în procesare, utilizând scriptul rungd2p_multi_day_dbase. Fișierul rezultat este denumit STAT*.X, și este scris într-o bază de date cu rezultate, denumită: GPS_gd2p/proiect/AN/ZI.

Figura 6.5. Exemplu de fișier .X al stației PIRA

Soluțiile zilnice sunt obținute în ITRF, cordonatele X, Y, Z sunt coordonate carteziene, erorile 1σ în metri, linia cu PIRA ANTENNA LC indică faptul că aceste coordonate se referă la centrul de fază al antenei. Aceste fișiere sunt foarte importante deoarece sunt folosite ca date de intrare în procesare.

Următorul script, multi_stat_vel calculează poziția și vitezele pentru fiecare stație utilizând soluțiile zilnice din GPS_gd2p. Rezultatele se prezintă sub formă de fișiere STAT.stacov. Inițial se obține o soluție zilnică cu toate stațiile utilizate în procesare, aceste soluții fiind ulterior combinate într-o soluție săptămânală, luându-se ca zi, ziua de mijloc a unei săptămâni GPS. Un avantaj al sriptului este că se pot calcula deplasările relative față de de o placă tectonică, în acest caz placa eu08 (ITRF2008).

Soluțiile obținute sunt cartate în sistemul de referință international terestru ITRF2008. Pentru a obține o cartare coerentă în timpul procesării datelor, este de preferat utilizare aceluiași set de stații de referință. Folosirea unor stații de referință diferite poate duce la diferențe in coordonatele finale de câțiva mm.

Cu toate acestea nu se poate folosi același set de date deoarece unele stații prezintă probleme de hardware, probleme care duc la o calitate mai proastă a datelor sau datele de la unele stații ar fi incomplete. Aceste probleme sunt inevitabile deoarece stațiile de referință sunt alese la începutul studiului. Singurul mod de a elimina această problemă constă în alegerea unui număr de stații care au prezentat soluții stabile în trecut.

Pentru vizualizare seriilor de timp și a vitezelor liniare se folosesc două programe velplot și develplot care utilizează scriptul GMT, 3time.gmt. Acest script produce grafice ale coordonatelor în timp și direcția (trendul) lineară pe nord, est, vertical pentru fiecare stație a soluției finale, produse de stacov_itrfvel. Sunt reprezentate, de asemenea, și outliers și incertitudiniule coorodonatelor.

Pe lângă obținere vitezelor în sistemul global de referință ITRF, este interesant de obținut deplasarea punctelor din România față de placa Euroasiatică. Comanda stacov_plate scade viteza locală a plăci Euroasiatice, rezultând un fișier stacov care este fix față de placa Euroasiatică, care se mișcă.

Atât în cazul procesării stațiilor permanente cât și a celor din campanie (cu stațiile permanente eliminate) viteza plăcii în conformitate cu modelul DEOS2k este scăzută. Acest model folosește un pol situat la 54.61ș N și 103.78ș W și o rată de rotație de 0.2490ș∕Myr.

Folosind softul GMT se poate vizualiza deplasările verticale și orizontale ale întregii regiuni. Se face o plotare pentru deplasările pe orizontală și incertitudini, și o alta pentru deplasările pe verticală.

Capitolul 7. REZULTATE

Rezultatele numerice de bază sunt prezentate în tabelul 7.1. De asemenea, se prezintă rădăcina medie pătratică ponderată a regresiei liniare pentru fiecare stație, precum și deplasările 3D estimate cu incertitudinile lor (68% nivel de încredere). Pentru multe locații, valoarea rădăcinii medii pătratice prezintă valori destul de mari în comparație cu valorile tipice ale stațiilor GPS permanente ~ 2 mm pentru componenta orizontală și 8 mm pentru componenta verticală versus ~18 mm și 42 mm pentru stațiile din E.M Livezeni, puțul Maleia. Această diferență în rezultate, poate fi interpretată ca fiind un rezultat al perioadei scurte de ocupare pe punct, utilizării mai multor tipuri de antene și probabil din cauza configurării necorespunzător a antenei. Alți factori care pot influența rezultatele sunt: stabilitatea reperului și informațiile greșite privind înălțimea antenei. În același tabel se mai găsesc informații referitoare la vitezele estimate pentru componentele NS, EV și vertical, pentru fiecare stație în parte. Așa cum se poate vedea vitezele variază de la +40 la -260 mm/an pe toate cele trei componente. Aceste numere sunt mult mai mari decât incertitudinile formale 2 sigma. Incertitudinile au fost calculate pe baza erorilor formale estimate ale fiecărei soluții individuale a rădăcinii medie pătrată ponderată a unei linii drepte și durata perioadei de observație a fiecărui punct (Muntean et al., 2015).

Tabelul 7.1. Estimarea câmpului de viteze pentru E. M. Livezeni, puțul Maleia, bazinul minier Petroșani

Din acest motiv considerăm că vitezele estimate prezintă un grad de încredere de circa 5 mm/an pentru componenta orizontală și 15 mm/an pentru componenta verticală. O evidență a calității rezutatelor se poate vedea în figura 7.1.. Figura prezintă patru exemple cu seriile de timp ale următoarelor stații: R03A, R08A, R10A, R19A, două aflate în zona afectată de fenomenul de subsidență, iar două aflate în afara zonei afectate de fenomenul de subsidență, și anume în zona de ridicare (Muntean et al., 2015).

Figura 7.1. Patru exemple cu regresia liniară a soluțiilor 3D GPS. Valorile trendului sunt relative față de ITRF2008.

Graficele sunt la aceași scară pentru a evidenția diferențele în magnitudine a direcției. Însă este foarte clar faptul că punctele individuale se potrivesc foarte bine direcției liniare. Numărul punctelor și distribuția lor în timp este prea puțin raspândită pentru a fi analizată, cu scopul de a trage o concluzie privind mișcarea, dacă este redusă sau nu, dacă există o corelație cu activitatea minieră.

Vitezele liniare estimate sunt reprezentate grafic în figurile 7.2. și 7.3. (Muntean et al., 2015). Acestea arată distribuția geografică a componentelor orizontale și vericale ale vitezelor estimate. Contururile colorate umplute din figura 7.2. reprezintă distribuția spațială a magnitudinii absolute interpolate a vitezei orizontale, variind de la un albastru deschis (viteze mici) la roșu (viteze mari).

Figura 7.2. Vectorii mișcării orizontale cu elipsa erorii 2-sigma obținuți din observațiile GPS. Conturul colorat reprezintă câmpul de viteze interpolat. Conturul întrerupt, hașurat în interior, indică amplasarea perimetrului minier (Muntean et al., 2015)

În perioada Iulie 2007 – Septembrie 2008 au fost efectuate cinci campanii de nivelment. Rezultatele nu au fost publicate deoarece au fost probleme privind calitatea datelor la câteva puncte. Cu toate acestea, luând în calcul perioada scurtă de observații, doar 14 luni, rezultatele obținute pentru punctele R06A, R14A, R19A, se coreleză foarte bine cu rezultatele GPS. Acestea confirmă rata de subsidență puternică a punctelor menționate, precum și magnitudinea ratei de scufundare. Măsurătorile de nivelment confirmă de asemenea și rata mica de ridicare a punctelor R12A și R18A (Muntean et al, 2015).

Figura 7.3. Vectorii mișcării verticale cu eroarea 2-sigma obținuți din observațiile GPS. De reținut că axele orizontale ale elipsei erorii verticale sunt toate setate ca procent al incertitudinii verticale și sunt incluse pentru a evidenția incertitudinea verticală. Conturul colorat reprezintă câmpul de viteze interpolat. Conturul întrerupt, hașurat în interior, indică amplasarea perimetrului minier

7.1. Seismicitatea României, seismicitate locală

Zonele seismogene se definesc ca arii cu seismicitate grupată, în interiorul cărora activitatea seismică și câmpul de tensiuni sunt considerate a fi relativ uniforme.

Seismicitatea României este rezultată în urma producerii cutremurelor în mai multe zone seismice: zona seismogenă cu cel mai ridicat potențial distructiv este situată în litosfera subcrustală, la curbura Carpaților Orientali – regiunea Vrancea. Alte zone seismice, cu activitate seismică crustală, cu importanță locală sunt zonele: Est – vrânceană, Făgăraș – Câmpulung, Danubiană, Banat, Crișana – Maramureș, depresiunea Bârlad, depresiunea Predobrogeană, falia Intramoesică, depresiunea Transilvaniei (Radulian et al., 2000). Seismicitatea de fond – evenimente crustale cu magnitudine Mw < 5.0 – se observă sporadic, cu precădere în nordul Olteniei, Depresiunea Hațeg, partea estică a Câmpiei Române, Platforma Moldovenească și Orogenul Carpaților Orientali.

Figura 7.4. Seismicitatea de adâncime normală (h < 60 km),(catalogul ROMPLUS, Oncescu et al., 1999, actualizat). Zonele seismogene – după Radulian et al. (2000) și Ardeleanu et al. (2005)

Zonele seismice definite în studiile cele mai recente (Radulian et al., 2000) sunt identificate pe baza informațiilor tectonice și seismice, fiind corelate cu principalele unități tectonice, falii active și distribuția epicentrelor. Ele reprezintă, în mod schematic, proiecția la suprafață a sistemului de falii active.

Stresul acumulat în roci este rezultatul cumulării efectelor câmpului gravific și ale condițiilor geologice, geomecanice, tectonice din subsol. Procesul de exploatare al substanței de minereuri utilă conduce la schimbări în câmpul de stres, ducând la depășiri ale concentrației de stres care pot depăși rezistența la rupere sau forfecare a rocilor. Astfel se crează condiții pentru apariția de dislocări ale unor mase mai mici sau mai mari de material, dislocări ce se manifestă prin așa-zisele explozii de rocă (rock bursts), fie prin lovituri de mină (bumps) (Enescu and Almășan, 1987).

Din punctul de vedere al geofizicii, cele două fenomene sunt procese seismice (cutremure sau șocuri seismice) induse de activitatea umană.

În cazul E.M. Livezeni, Puțul Maleia, bazinul minier Petroșani activitatea seismică este una redusă, cu evenimente crustale. În tabelul 7.2. sunt prezentate principalele evenimente seismice care au avul loc în zona bazinului mineir Petroșani. Magnitudinea evenimentelor seismice este în jur de 2.3 [ML].

În acest sens s-a făcut o corelație între activitatea seismică din zona și activitatea minieră, ca să vedem dacă există sau nu o legătură între aceste două fenomene.

După acest studiu am ajuns la concluzia, că nu există nicio legătură între activitatea seismică și galeriile miniere. Majoritatea evenimentelor seismice înregistrate în ultimii 5 ani se datorează creșterii numărului de stații seismice (Muntean et al, 2014).

Tabelul 7.2. Evenimente seismice din zona bazinului minier Petroșani

Figura 7.6. Harta geologică a României cu distribuția evenimentelor seismice în zona studiată (după Toma Dragos, comunicare personală)

Cutremurele de pâmânt și exploziile (împușcările) puternice produse chiar în alte zone decât cea în care se află câmpul minier studiat, dar care se simt în zona minieră, pot constitui factori declanșatori ai exploziilor de rocă, lovituri de mină și simple prăbușiri de rocă din minerit. De aceea, în zonele miniere, mai ales în cele cu mine adânci, este necesară funcționarea unor mici observatoare seismologice cu aparatură care sa efectueze înregistrări în domeniul frecvențelor joase (0.1 – 20 Hz). Aceste înregistrări sunt utile la determinarea altor parametri ai acestor seisme (Enescu and Almășan, 1987).

CONCLUZII

Concluzia principală ce se desprinde din lucrare, se referă la studiul fenomenului de subsidență în cazul unui bazin minier ce a fost monitorizat pe o perioadă lungă de timp (6 ani), cu măsurători care au fost efectuate la un număr atât de mare de stații (19 reperi), studiu necesar pentru punerea în evidență a fenomenului de mișcare și luarea măsurilor de protejare a obiectivelor executate la suprafață și chiar a suprafeței însăși. Este clar că partea centrală a zonei studiate, situată deasupra vechilor galerii miniere, este afectată de deformații atât pe direcție orizontală cât și pe direcție verticală cu rate foarte mari de 250 mm/an. Aceste valori sunt mult mai mari decât cele publicate în studii anterioare de către Mancini et al. (2013) și Can et al. (2013), care arată rate de aproximativ 100 mm/an. Un studiu compatibil a fost efectuat de Dolezalova et al., în 2009 și 2010.

Vectorii cu o rată de subsidență mare sunt grupați în centrul perimetrului minier, în timp ce vectorii cu mișcării de ridicare sunt situați în zona exterioară perimetrului. Sectorul central, aflat în subsidență, ia forma unei depresiuni cu un diametru de aproximativ 500 m.

În contrast, punctele aflate pe marginea rețelei, în exteriorul zonei afectate de subsidență arată o ridicare consistentă, însă cu o rată mică. Surprinzător, sectorul central arată și o puternică mișcare pe orizontală pe direcție SV, cu valori absolute comparabile cu mișcările pe vericală. Punctele aflate în exteriorul rețelei par a fi fixe pe placa Euroasiatică, dacă luăm în considerare rația mică S/N pe direcție orizontală.

Tabelul 8.1. arată deplasările acumulate pe fiecare componentă pe întreaga perioadă de măsurători. Deformația 3D acumulată a fost obținută pentru reperul R14A. Raportul semnal-zgomot al componentei verticale pentru reperii aflați în zona de subsidență este foarte mare, variind de la 13 la 45. Deplasarea acumulată pentru componentele orizontală și verticală a reperilor aflați în zona de ridicare este mult mai mică, la fel și raportul semnal zgomot. Cu toate acestea, exceptând reperii R01A și R13A, raportul semnal-zgomot al deplasării vericale a locaților este >1, confirmând încrederea statistică în semnalul ridicat al acestor locații.

Tabelul 8.1. Deplasările 3D cumulate și eroriile 2-sigma (68% nivel de încredere) pentru fiecare stație în timpul celor 6 ani de măsurători (2007 – 2011)

Subsidența din zona centrală (figura 7.3) este cu siguranță o cauză a geologiei de suprafață, prin existența unui anticlinal a 12 strate de cărbune în culcuș. Putem spune că există o legătură între scufundarea activă, lucrările de lungă durată și rețeaua densă de galerii. Poziția reperului R05A, situat în exteriorul zonei considerate instabile, dar fiind afectat de fenomenul de subsidență cu o rată destul de mare, ne indică faptul că structura geologică se extinde dincolo de perimetrul minier afectat de subsidență. O altă explicație ar fi aceea că, comportamentul elastic al unor formațiuni sedimentare poate determina extinderea fenomenului de scufundare în exteriorul galeriilor miniere.

Așa cum am menționat, sectorul central (incluzând reperul RO5A) pe componenta orizontală, arată o deplasare către VSV cu o rată de 200mm/an (figura 7.2) Această zonă se scufundă și se înclină cu +35 grade față de componenta orizontală. Poate fi interpretat ca fiind un efect combinat între topografia locală, structura formațiunilor sedimentare și distribuția tridimensională a galerilor miniere.

De asemenea, este important de arătat faptul că toate punctele situate în jurul arealului considerat instabil, prezintă o tendință constantă de ridicare ușoară de câțiva centimeri pe an. Interpretăm acest fenomen ca fiind răspunsul mecanic al structurilor geologice de suprafață la redistribuirile de masă, cauzate de tasări sau de forțe interne. Poate fi ,,water bed’’, un efect similar ca cel descris de Can et al. (2012).

Ca și concluzie, putem spune că am atins țelul ales, și anume obținerea măsurătorilor de o calitate înaltă a deplasărilor orizontale și verticale cauzate de activitatea minieră din exploatarea minieră Livezeni, Puțul Maleia, bazinul Petroșani. Am arătat că se pot obține rezultate după mini-campanii GPS scurte, făcute la un interval de un an de zile. Rezultatele sunt concludente și de o bună calitate. Am arătat că partea centrală situată în apropierea vechilor galerii miniere este afectată de fenomenul de subsidență, luând forma unui castron cu un diametru aproximativ de 500 m. Rata maximă de subsidență este de 250 mm/an, în timp ce zona marginală prezintă o ușoară tendință de ridicare cu o rata maximă de 40 mm/an. De asemenea, am obținut valori destul de mari, de aproximativ 300 mm/an, ale deplasării componentei orizontale în zona centrală. Direcția de deplasare este constantă, dacă luăm în calcul și deplasarea pe componenta verticală și se poate trage concluzia că, zona este afectată de fenomnenul de alunecare de teren.

Este foarte clar că aceste deformări ale suprafeței pot determina apariția hazardului în zonă. Din fericire, zona nu este populată sau traversată de infrastructuri importante. Credem că este important ca zona sa fie monitorizată în continuare pentru a urmări evoluția deplasărilor crustale prin măsurători de GPS și chiar prin măsurători de nivelment. De asemenea, ar fi util instalarea unei stații permanente GPS în zona centrală, pentru a detecta posibilele variații temporale ale mișcării de suprafață. Întrucât nu am avut acces la unele informații (nivelul apei subterane, informații privind galeriile abandonate, perioada de minerit) nu s-au utilizat rezultatele pentru modelare.

BIBLIOGRAFIE

Agașkov M.I., 1952 – Exploatarea zăcămintelor de minereuri (treducere din limba rusă), Editura Tehnică, București

Fotă D., 1981 – Influența lucrărilor subterane asupra stabilității construcțiilor de la suprafață. Geologie inginerească, vol II, Editura Tehnică, București

Covaci Ș., 1983 – Exploatări miniere subterane (vol. I), E.D.P., București

Nestor, Lupei, 1986 – Geologie Minieră. Editura Tehnică, București 522 p

Peng S.S., 1986 – Coal Mine Ground Control. Second Edition, Jhon Wiley&Son, New York

Enescu D., Almășan B., 1987 – Seismologia exploziilor controlate din industrie. Editura Tehnică, București, 324 p

Almășan, Bujor, 1984 – Exploatarea zăcămintelor minreale din România. Editura Tehnică, București, 494 p

Kovacs F., Jambrik R., 1992 – Predictable Effects of the Drainage of Open-Pit Workings. ETSIMM (UPM), AITEMIN, Directeur de l`Edition Manana. R., Congres Minier Mondial, Madrid, Spain

Pop, Emil, 1993 – Monografia geologică a bazinului Petroșani, Editura Academiei Române, București, 300 p

Ratschbacher L., Linzer H., Moser F., Strusievicz R., Bedelean H., Har N. and Mogoș P., 1993 – Cretaceous to Miocene thrusting and wrenching along the central South Carpethians due to a corner effect during collision and orocline formation. Tectonics 12: doi: 1029/93TC00232.issn:0278-7407

Berza T., Balintoni I., Iancu V., Seghedi A., Hann H.P., 1994a – South Carpathians. ALCAPA II Field Guidebook. Romanian Journal of Tectonics and Regional Geology, 75/2, pp. 37– 50

Arad D., Victor 1995 – Geotehnică minieră. Editura Tehnică, București, 150 p

Thierry Gregourius 1996 – GIPSY OASIS II How it works. University of Newcastle upon Tyne, Departament of Geomatics.

Ortelecan, 1997 M – Studiul deplasării suprafeței sub influența exploatării subterane a zăcămintelor din Valea Jiului, zona estică. Teză de doctorat, Petroșani

Zumberge J., Heflin M., Jefferson D., Watkins M., Webb F., 1997 – Precise Point Positioning for the efficient and robust analysis of GPS data from large networks. J. Geophys. Res. 102, B3, pp. 5005-5017

Radulian M., Vaccari F., Mândrescu M.N., Panza G.F., Moldoveanu C.L., 2000. Seismic Hazard of Romania: Deterministic Approach, Pure Appl. Geophys., 157, 221–247

Onica I., 2001 – Impactul exploatării zăcămintelor de substanțe minerale utile asupra mediului, Editura Universitas, Petroșani

Anghiuș S. 2002 – Studiul deplasării suprafeței sub influența exploatării subterane a zăcămintelor de lignit din bazinul Olteniei, Teză de doctorat, Petroșani

Ardeleanu L., Leydecker G., Bonjer K. P., Busche H., Kaiser D., Schmitt T., 2005 – Probabilistic seismic hazard map for Romania as a basis for a new building code, Nat. Haz. Earth Syst. Sci., 5, 679–684

Onica, I., Cozma E., Goldan T., 2006 – Degradarea terenului de la suprafață sub influența exploatării subterane. Buletinul AGIR nr. 3/2006

Broerse D.B.T., 2007 – Surface motion modeling for the southeastern Carpathians. Master, Delft University of Technology, Olanda

Guochang, Xu, 2007 – GPS Theory, Algorithms and Applications. Second Edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 340 pp

Ebner R., 2008 – Validation and application of free-online and commercial post-processing PPP packages Masterarbeit, Institute of Navigation and Satellite Geodesy, Graz University of Technology

Păunescu C., Mocanu V., Munteanu L., Andrei G., Muntean A., Herebei O., Veres I., Dima N., Filip L., 2008 – Stability analysis of over-exploited mining areas by satellite geodesy, GEO 2008, The scientific meeting of the Faculty of Geology and Geophysics, University of Bucharest, Ed Vergiliu, 218-220, ISBN978-973-7600-49-3

Doležalová H., Kajzar V., Souček K., Staš L., 2009 – Evaluation of mining subsidence using GPS data. Acta Geodyn. Geomater., 6, 3, pp. 359–367

Mancini F., Stecchi F., Zanni M., Gabbianelli G., 2009 – Monitoring ground subsidence induced by salt mining in the city of Tuzla (Bosnia and Herzegovina). Environ Geol 58, pp. 381–389

Bertiger W., Desai S.D., Haines B., Harvey N., Moore A.W., Owen S., Weiss J.P., 2010 – Single receiver phase ambiguity resolution with GPS data. Journal of Geodesy, 84.5, pp. 327-337

Păunescu C., Dimitriu S.G., Mocanu V., 2011 – Sistemul de determinare a poziției utilizând sateliți (GNSS)

Can E., Kuscu S., Mekik C., 2012 – Determination of underground mining induced displacements using GPS observations in Zonguldak-Kozlu Coal Basin. International Journal of Coal Geology, 89, pp. 62-69

Arad D., Victor 2013 – Riscuri Geomecanice în ingineria minieră. Editura Universitas, Petroșani, 249

Can E., Mekik C., Kuscu S., Akcin H., 2013 – Monitoring deformations on engineering structures in Kozlu Hard Coal Basin. Nat Hazards, 65, pp. 2311-2330

Muntean A., Mocanu V., Ambrosius B., Năstase E., Surface deformation due to over-exploitation of subsurface natural resources. Study case: Petroșani mining area România, European Geosciences Union General Assembly 2014, EGU – 2014

Muntean A., Ambrosius B.A.C., Mocanu V., Andrei G., Năstase, E., 2014 – Satellite geodesy and geophysics used to study the land subsidence affected by extensive mining works, GEODOCT2014, Doctoral School of Geology, University of Bucharest, Faculty of Geology and Geophysics

Muntean A., 2015 – Studiul subsidenței terenurilor afectate de lucrări miniere extensive prin metode geodezice satelitare de investigație, teză de doctorat

Muntean A., Mocanu V., Ambrosius B., A GPS study of land subsidence in the Petroșani (România) coal mining area, Nat.Hazards, DOI10.1007/s11069-015-1997-y

UNSD (2015) – United Nations Statistics Division (http://unstats.un.org,)

EUREF – European Reference Frame – Rețea de Referință Europeană website. http://www.epncb.oma.be/

IGS, The International GNSS Service – Serviciul Internațional GNSS website. http://igscb.jpl.nasa.gov/

ITRF, International Terrestrial Reference Frame – Rețeaua de Referință Terestră Internațională website. http://itrf.ensg.ign.fr/

USNO (2008). GPS System Description, Availableat, ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpssy.txt

SOPAC, Scripps Orbit and Permanent Array Center website. http://sopac.ucsd.edu/

Scherneck H., G. Bos., M., S., Chalmers, ocean tide loading provider website. http://www.oso.chalmers.se/_loading/

Portal Valea Jiului, http://valeajiului.blogspot.ro/

Anexa 1

Serii de timp

În această anexă sunt prezentate seriile de timp ale stațiilor GPS din Puțul Maleia, E. M. Livezeni, bazinul Petroșani.

Este prezentată tendința liniară pe componentele latitudine, longitudine și pe componenta vericală. De asemenea, se poate vedea distribuția setului de date în raport cu această tendință.

În colțul din dreapta jos sunt arătate vitezele estimate în sistemul ITRF2008, precum și eroriile acestora, cu 68% nivel de încredere. Valorile sunt date în mm/an.