Ett fjärrövervakningsverktyg för att hjälpa myndigheter att hantera allmän säkerhet och miljöfrågor i nyligen övergivna kolgruvor har utvecklats av University of Nottingham.

Verktyget använder satellitradarbilder för att fånga mätningar i millimeterskala av förändringar i terränghöjd. Sådana mätningar kan användas för att övervaka och förutsäga grundvattennivåer och förändringar i geologiska förhållanden djupt under jordytan i tidigare gruvområden.

Med en lång historia av kolbrytning, projektet testades i Storbritannien i regional skala, men har globala konsekvenser med tanke på den globala nedgången i efterfrågan på kol till förmån för mer hållbara energikällor.

Metoden implementerades över Nottinghamshires kolfält, som övergavs så sent som 2015, när den sista djupa gruvan, Thoresby Colliery, stängde dess dörrar för gott.

När djupa gruvor stängs, grundvattnet som tidigare pumpades upp till ytan för att göra gruvdrift säker, tillåts stiga igen tills den återställs till sin naturliga nivå i en process som kallas rebound.

Grundvattnets återhämtning genom tidigare gruvdrift kräver noggrann övervakning; innehåller ofta föroreningar det kan förorena vattendrag och dricksvattenförsörjning; leda till lokal översvämning; förnya gruvsättningar, landhöjning och återaktivera geologiska förkastningar om den stiger för snabbt. Sådana problem kan orsaka kostsamma och farliga problem som måste åtgärdas innan marken återanvänds.

Coal Authority behöver därför detaljerad information om återhämtningshastigheten över de enorma gruvsystem den hanterar så att den vet exakt var den ska koppla av eller öka pumpningen för att kontrollera grundvattennivåerna.

Att mäta hastigheten och platsen för gruvvattnets återhämtning är därför avgörande för att effektivt hantera miljö- och säkerhetsriskerna i tidigare kolfält, men svårt att uppnå. Grundvatten kan strömma i oväntade riktningar via hålrum inom och mellan angränsande kolgruvor och utsläpp vid ytan i områden som inte anses vara i riskzonen.

Förr, att förutsäga var gruvvattnet kommer att flöda var starkt beroende av gruvplaner; felaktiga eller ofullständiga dokument som ibland är mer än ett sekel gamla; och borrhålsdata. Kostar cirka 20 kr, 000 till 350 000 £ vardera, borrhål är dyra att borra och ligger ofta glest över stora kolfält, lämnar mätluckor.

Mer nyligen upplyft, sättningar och annan geologisk rörelse har övervakats genom att använda Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) på bilder som tagits från radarsatelliter. Dock, denna interferometriteknik har historiskt bara fungerat i stadsområden (i motsats till landsbygdsområden), där radarn kan fånga upp stabila föremål, såsom byggnader eller järnvägsspår, på marken för att regelbundet reflektera tillbaka till satelliten.

Denna studie använder en avancerad InSAR-teknik, kallas intermittent liten baslinjeundergrupp (ISBAS), utvecklad av University of Nottingham och dess spin-out-företag Terra Motion Ltd. InSAR använder högar av satellitbilder från samma plats tagna med några dagars eller veckors mellanrum vilket gör det möjligt att fånga upp även de minsta topografiska förändringar över tiden. Unikt, ISBAS InSAR kan beräkna markdeformationsmätningar över både stads- och landsbygdsterräng. Detta är fördelaktigt när man kartlägger tidigare gruvområden, som ofta ligger på landsbygden. Över Nottinghamshires kolfält, till exempel, marktäcket är övervägande på landsbygden, med nästan 80 procent bestående av jordbruksmark, betesmarker och halvnaturliga områden.

En sådan täthet av mätningar innebar studieledning, University of Nottingham Ph.D. Student David Gee skulle kunna utveckla en kostnadseffektiv och enkel metod för att modellera grundvattnets återhämtning från ytrörelseförändringarna. Studien fann ett definitivt samband mellan markrörelsemätningar och stigande gruvvattennivåer. Ofta sker sättningar eller landhöjningar till följd av förändringar i grundvattnet, där skikten fungerar lite som en svamp, expanderar vid påfyllning av vätska och drar ihop sig vid tömning.

Med nästan fullständig rumslig täckning av InSAR-data, han kunde fylla i mätgap mellan borrhål för att kartlägga förändringen i gruvvattennivåer över hela kolfältet. Modellen tar hänsyn till både geologi och grundvattnets djup för att bestämma den verkliga reboundhastigheten och hjälpa till att identifiera var problem associerade med rebound kan uppstå.

Studien har titeln "Modellering av grundvattenåterhämtning i nyligen övergivna kolfält med hjälp av DInSAR, " publicerad i tidskriften Fjärranalys av miljön .

David Gee, som är baserad på Nottingham Geospatial Institute vid universitetet, sa, "Det finns flera kolfält som för närvarande genomgår återhämtning av gruvvatten i Storbritannien, där ythöjningen har mätts med InSAR. I Nottinghamshires kolfält, den kvantitativa jämförelsen mellan deformationen som mäts av modellen och InSAR bekräftar att hävningen orsakas av återvinningen av gruvvattnet."

Först genererades en framåtmodell för att uppskatta ythöjningen som svar på uppmätta förändringar i grundvattennivåer från övervakningsborrhål. David kalibrerade och validerade modellen med hjälp av ISBAS InSAR på ENVISAT och Sentinel-1 radardata. Han inverterade sedan InSAR-mätningarna för att ge en uppskattning av förändringen i grundvattennivåerna. Senare, de inverterade hastigheterna användes för att uppskatta den tid det kommer att ta för grundvattnet att återhämta sig och identifiera områden i kolfältet med störst risk för ytutsläpp.

"InSAR-mätningar, i kombination med modellering, kan hjälpa till med karakteriseringen av de hydrogeologiska processer som förekommer vid tidigare gruvplatser. Tekniken har potential att ge ett betydande bidrag till den progressiva övergivandestrategin för nyligen stängda kolfält, " sa David.

InSAR-resultaten erbjuder en kompletterande källa till data om grundvattenförändringar som förstärker borrhålsmätningarna. Det innebär att övervakning kan göras på distans, så det är mindre arbetsintensivt för nationella organ som miljöbyrån (som hanterar faror som översvämningar, föroreningar och förorenad mark) och Coal Authority (som har mandat att hantera arvet från underjordisk kolbrytning när det gäller allmän säkerhet och sättningar).

Modellen har redan flaggat för att vissa delar av kolfälten som inte beter sig som tidigare förutspått, som skulle kunna påverka befintliga saneringsplaner.

David förklarar, "Den djupaste delen av North Nottinghamshires kolfält, till exempel, återhämtar sig inte som förväntat, vilket tyder på att gruvplanerna här kanske inte är helt korrekta. Stabiliteten bekräftas av InSAR och modellen – framtida övervakning av detta område kommer att hjälpa till att identifiera om eller när återhämtning så småningom inträffar.

"Nästa steg för projektet är att integrera våra resultat i ett befintligt screeningverktyg utvecklat av Environment Agency och Coal Authority för att hjälpa lokala planeringsmyndigheter, utvecklare och konsulter designar hållbara dräneringssystem i kolfältsområden. De första resultaten, genereras i regional skala, har potential att skalas till alla kolfält i Storbritannien, med hjälp av nationella InSAR-kartor, " tillägger David.

Luke Bateson, Senior fjärranalysgeolog från British Geological Survey, sa, "InSAR-data erbjuder en fantastisk möjlighet att avslöja hur marken rör sig, men vi behöver studier som Davids för att förstå vad dessa markrörelser relaterar till och vad de betyder. Davids studie, ger inte bara denna förståelse utan ger också ett verktyg som kan omvandla InSAR markrörelser till information om gruvvattennivåer som kan användas för att fatta välgrundade beslut."

Dr Andrew Sowter, Chief Technical Officer på Terra Motion Ltd, förklarar, "Studier som denna visar värdet för oss, som ett litet kommersiellt företag, att satsa på samarbete med universitetet. Vi har nu en anmärkningsvärd, validerat, resultat som är baserat på vår ISBAS InSAR-metod och bevisligen stöds av en rad viktiga intressenter. Detta kommer att göra det möjligt för oss att ytterligare penetrera marknaden i ett stort antal kritiska applikationer som hittills märkts som svåra för mer konventionella InSAR-tekniker, särskilt de marknader som hänför sig till underjordiska vätskeutvinning och injektion i mer tempererade, vegeterade zoner."