De Universiteit van Nottingham heeft een instrument voor monitoring op afstand ontwikkeld om autoriteiten te helpen bij het beheren van de openbare veiligheid en milieukwesties in onlangs verlaten kolenmijnen.

De tool maakt gebruik van satellietradarbeelden om op millimeterschaal metingen van veranderingen in terreinhoogte vast te leggen. Dergelijke metingen kunnen worden gebruikt om grondwaterstanden en veranderingen in geologische omstandigheden diep onder het aardoppervlak in voormalige mijngebieden te monitoren en te voorspellen.

Met een lange geschiedenis van steenkoolwinning, het project is op regionale schaal getest in het VK, maar heeft wereldwijde implicaties gezien de wereldwijde afname van de vraag naar steenkool ten gunste van meer duurzame energiebronnen.

De methode werd toegepast over de bekkens van Nottinghamshire, die pas in 2015 werden verlaten, wanneer de laatste diepe mijn, Thoresby-mijn, sloot voorgoed de deuren.

Als diepe mijnen worden gesloten, het grondwater dat eerder naar de oppervlakte werd gepompt om de mijnbouw veilig te maken, mag weer stijgen totdat het wordt hersteld naar zijn natuurlijke niveau in een proces dat rebound wordt genoemd.

Het terugkaatsen van grondwater door voormalige mijnwerkingen moet zorgvuldig worden gecontroleerd; vaak met verontreinigingen kan het waterwegen en drinkwatervoorzieningen vervuilen; leiden tot plaatselijke overstromingen; mijnbodemdaling vernieuwen, land opheffing en reactiveer geologische fouten als het te snel stijgt. Dergelijke problemen kunnen kostbare en gevaarlijke problemen veroorzaken die moeten worden aangepakt voordat het land een nieuwe bestemming krijgt.

De Coal Authority heeft daarom gedetailleerde informatie nodig over de rebound-snelheid in de uitgestrekte mijnsystemen die ze beheert, zodat ze precies weet waar ze moet ontspannen of meer moet pompen om de grondwaterstanden te beheersen.

Het meten van de snelheid en locatie van het terugkaatsen van mijnwater is daarom van vitaal belang om de milieu- en veiligheidsrisico's in voormalige bekkens effectief te beheersen, maar moeilijk te realiseren. Grondwater kan in onverwachte richtingen stromen via holtes in en tussen naburige kolenmijnen en aan de oppervlakte lozen in gebieden waarvan men denkt dat ze geen gevaar lopen.

Vroeger, voorspellen waar mijnwater zal stromen was sterk afhankelijk van mijnplannen; onnauwkeurige of onvolledige documenten die soms meer dan een eeuw oud zijn; en boorgatgegevens. Kost ongeveer €20,- 000 tot £ 350K elk, boorgaten zijn duur om te boren en zijn vaak schaars gelegen over uitgestrekte bekkens, meetgaten achterlaten.

Meer recentelijk verheffen, bodemdaling en andere geologische bewegingen zijn gemonitord door Interferometrische Synthetic Aperture Radar (InSAR) toe te passen op beelden die zijn verkregen van radarsatellieten. Echter, deze interferometrietechniek heeft in het verleden alleen gewerkt in stedelijke gebieden (in tegenstelling tot landelijke), waar de radar stabiele objecten kan oppikken, zoals gebouwen of spoorlijnen, op de grond om regelmatig terug te reflecteren naar de satelliet.

Deze studie maakt gebruik van een geavanceerde InSAR-techniek, intermitterende kleine basislijnsubset (ISBAS) genoemd, ontwikkeld door de Universiteit van Nottingham en haar spin-outbedrijf Terra Motion Ltd. InSAR gebruikt om de paar dagen of weken stapels satellietbeelden van dezelfde locatie, waardoor het mogelijk is om zelfs de kleinste topografische veranderingen in de loop van de tijd op te pikken. uniek, ISBAS InSAR kan landvervormingsmetingen berekenen over zowel stedelijk als landelijk terrein. Dit is handig bij het in kaart brengen van voormalige mijngebieden, die zich vaak op het platteland bevinden. Over de kolenvelden van Nottinghamshire, bijvoorbeeld, de bodembedekking is overwegend landelijk, met bijna 80 procent landbouwgrond, weilanden en halfnatuurlijke gebieden.

Een dergelijke dichtheid van metingen betekende studielood, Universiteit van Nottingham Ph.D. student David Gee kon een kosteneffectieve en eenvoudige methode ontwikkelen om het terugkaatsen van grondwater uit veranderingen in oppervlaktebewegingen te modelleren. De studie vond een definitief verband tussen metingen van grondbewegingen en stijgende mijnwaterstanden. Vaak treedt bodemdaling of -opheffing op als gevolg van veranderingen in het grondwater, waar de lagen een beetje als een spons werken, uitzetten bij het vullen met vloeistof en samentrekken bij het leeglopen.

Met bijna volledige ruimtelijke dekking van de InSAR-gegevens, hij kon de meetgaten tussen boorgaten opvullen om de verandering in mijnwaterstanden over het hele bekken in kaart te brengen. Het model houdt rekening met zowel de geologie als de diepte van het grondwater om de werkelijke reboundsnelheid te bepalen en te helpen identificeren waar problemen in verband met rebound kunnen optreden.

De studie is getiteld "Modelleren van grondwaterrebound in recent verlaten kolenvelden met behulp van DInSAR, " gepubliceerd in het tijdschrift Remote sensing van de omgeving .

David Gee, die is gevestigd in het Nottingham Geospatial Institute aan de universiteit, zei, "Er zijn momenteel verschillende kolenmijnen in het VK die mijnwater terugkaatsen, waar de opwaartse kracht is gemeten met behulp van InSAR. In de bekkens van Nottinghamshire, de kwantitatieve vergelijking tussen de vervorming gemeten door het model en InSAR bevestigt dat de deining wordt veroorzaakt door het herstel van mijnwater."

In eerste instantie werd een voorwaarts model gegenereerd om de oppervlakte-opvoer te schatten als reactie op gemeten veranderingen in grondwaterstanden uit het monitoren van boorgaten. David heeft het model gekalibreerd en gevalideerd met behulp van ISBAS InSAR op ENVISAT- en Sentinel-1-radargegevens. Vervolgens keerde hij de InSAR-metingen om om een ​​schatting te maken van de verandering in grondwaterstanden. Vervolgens, de omgekeerde snelheden werden gebruikt om de tijd te schatten die het grondwater nodig heeft om terug te komen en om de gebieden van het bekken te identificeren die het meeste risico lopen op oppervlaktelozingen.

"InSAR-metingen, in combinatie met modellering, kan helpen bij de karakterisering van de hydrogeologische processen die plaatsvinden op voormalige mijnsites. De techniek heeft het potentieel om een ​​belangrijke bijdrage te leveren aan de geleidelijke stopzettingsstrategie van recent gesloten bekkens, ' zei Davy.

De bevindingen van InSAR bieden een aanvullende bron van gegevens over grondwaterveranderingen die de boorgatmetingen vergroten. Het betekent dat monitoring op afstand kan worden gedaan en dus minder arbeidsintensief is voor nationale instanties zoals het Milieuagentschap (dat gevaren zoals overstromingen, vervuiling en verontreinigde grond) en de Coal Authority (die een mandaat heeft om de erfenis van ondergrondse kolenwinning te beheren in termen van openbare veiligheid en bodemdaling).

Het model heeft al aangegeven dat sommige delen van de kolenvelden die zich niet gedragen zoals eerder voorspeld, die van invloed kunnen zijn op bestaande saneringsplannen.

David legt uit, "Het diepste deel van het bekken van North Nottinghamshire, bijvoorbeeld, herstelt zich niet zoals verwacht, wat suggereert dat de mijnplannen hier misschien niet helemaal nauwkeurig zijn. De stabiliteit wordt bevestigd door de InSAR en het model - toekomstige monitoring van dit gebied zal helpen bepalen of en wanneer er uiteindelijk een herstel optreedt.

"De volgende stappen voor het project zijn om onze resultaten te integreren in een bestaande screeningtool die is ontwikkeld door de Environment Agency en Coal Authority om lokale planningsautoriteiten te helpen, ontwikkelaars en adviseurs ontwerpen duurzame drainagesystemen in bekkengebieden. De eerste resultaten, op regionale schaal gegenereerd, het potentieel hebben om op te schalen naar alle kolenvelden in het VK, met behulp van nationale InSAR-kaarten, ’ voegt Davy eraan toe.

Luke Bateson, Senior remote sensing geoloog van de British Geological Survey, zei, "InSAR-gegevens bieden een fantastische kans om te onthullen hoe de grond beweegt, we hebben echter studies zoals die van David nodig om te begrijpen waar deze grondbewegingen mee te maken hebben en wat ze betekenen. Davids studie, biedt niet alleen dit inzicht, maar biedt ook een hulpmiddel dat InSAR-grondbewegingen kan omzetten in informatie over mijnwaterniveaus die kan worden gebruikt om weloverwogen beslissingen te nemen."

Dr. Andrew Sowter, Chief Technical Officer bij Terra Motion Ltd, verklaart, "Studies als deze tonen de waarde aan voor ons, als klein commercieel bedrijf investeren in samenwerking met de universiteit. We hebben nu een opmerkelijke gevalideerd, resultaat dat is gebaseerd op onze ISBAS InSAR-methode en aantoonbaar wordt ondersteund door een reeks belangrijke belanghebbenden. Dit zal ons in staat stellen om de markt verder te penetreren in een groot aantal kritische toepassingen die tot nu toe als moeilijk werden bestempeld voor meer conventionele InSAR-technieken, met name die markten met betrekking tot ondergrondse vloeistofextractie en injectie in meer gematigde, begroeide zones."