автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-технические основы сейсмического мониторинга горного массива для повышения эффективности производства на угольных предприятиях

Министерство топлива и энергетики Российской Федерации Российская академия наук ^ Институт горного дела им. А.А.Скочинского

сп

с --

Э >==

«4

СО I

На правах рукописи

УДК 622.012:550.34(043.3)

Кандидат технических наук Анатолий -Дмитриевич РУБАН

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРНОГО МАССИВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА НА УГОЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Специальность 05.15.11. - "Физические процессы горного производства"

Автореферет диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Официальные оппоненты:

проф., докт.техн.наук С.Б.Чирков, проф., докт.техн.наук В.Л.Шкуратник, проф., докт.техн.наук Д.В.Яковлев.

Ведущее предприятие - Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва.

Автореферат разослан " " ¿Зуг/сАсЛ ¿1 1995 г.

Защита диссертации состоится "" £-¿-¿¿2 [ 995 г. в

на заседании специализированного совета Д 135.05.03 Института горного дела им. А.А.Скочинского (140004, г. Люберцы Московскойобл.).

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета института.

Отзывы в двух экземплярах просим направлять по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. А.А.Скочинского.

Ученый секретарь специализированного совета проф.,докт.техн.наук

Н.Ф.Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Усложнение горно-геологических условий разработки угольных месторождений подземным и открытым способом отчетливо проявляется во всех основных бассейнах страны. В условиях перехода к рыночной экономике, предъявляющей жесткие требования к снижению издержек производства в угольной промышленности, особое значение приобретает проблема надежной и масштабированной оценки строения и состояния разрабатываемого углепородного массива.

Эффективность использования высокопроизводительной очистной п проходческой техники резко снижается при переходе от разработки участков с относительно благоприятными условиями к участкам тех же шахтопластов, характеризующихся ростом тектонической нарушенности, наличием зон неустойчивой кровли, повышенного горного давления и других объектов, нарушающих строение и состояние массива. Аварийность и издержки производства существенно возрастают при отсутствии заблаговременного и надежного прогноза напряженного состояния и .строения разрабатываемого массива, в этом случае по различным данным себестоимость добычи возрастает на 20-50%, производительность труда снижается на 50-60%. От 80 до 95% внезапных выбросов угля и газа, горных ударов и других горнодинамических явлений также происходит в зонах влияния различных аномалий геологического строения и напряженно-деформировавшего состояния массива.

В связи с этим интенсивное развитие получили шахтные геологические, геофизические и геотехнические методы контроля среды. Геофизические методы имеют ряд несомненных преимуществ, из которых следует выделить возможность получения пространственной оценки характеристик строения и состояния массива, технологичность и возобновляемость измерений, воз-

можность контроля объема массива различного масштабного уровня. В наибольшей степени этим требованиям отвечает сейсмический мониторинг, методы которого практически инвариантны относительно масштаба исследуемого объема массива. Вместе с тем подавляющее большинство известных исследований по созданию и развитию методов геофизического мониторинга, в т.ч. сейсмического, выполнялось некомплексно, без учета информации об изменчивости строения разрабатываемого массива.

В этих условиях создание научных основ, способов и средств сейсмического мониторинга, обеспечивающего повышение эффективности горного производства на основе значительного роста надежности и качества прогноза строения и состояния углепород-ного массива, является крупной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель работы заключается в разработке физико-технических основ комплекса средств и методов сейсмического мониторинга углепородного массива, применение которого обеспечивает повышение надежности и качества информации о напряженном состоянии, строении и свойствах массива при отработке угольных пластов.

Идея работы состоит в изучении и использовании пространственно-временных характеристик сейсмических активных и пассивных полей, позволяющих создать комплексную систему сейсмического мониторинга массива при ведении горных работ.

Методы исследований. Для достижения поставленной дели исследования использован комплекс методов, включающий анализ и обобщение данных научно-технической литературы по рассматриваемым вопросам, математическое описание задачи и математическое моделирование параметров сейсмического волнового поля в неоднородном горком массиве, методы математической статистики, методы машинной графики для восстановления аномалий строения и состояния массива по сейсмическим данным и положения очагов сейсмоимпульсов (СИ) в пространстве, экспериментальные работы, опытную и промышленную эксплуатацию созданных технологии н технических средств.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1 .Аномалии упругих свойств, строения и напряженного состояния массива корректно описываются обобщенными геофизическими моделями с интегральными кинематическими характеристиками монотипных волн, отражающими изменение

структурных и физических свойств и строения массива в данных аномалиях, при томографическом восстановлении их пространственного положения, которое для аномалий с резкими границами реализуется последовательно в два этапа, заключающихся в:

- выделении зоны аномалий с использованием апробированных алгоритмов линейной сейсмической томографии;

- решении прямой задачи для семейства лучей, прошедших через выделенную зону, с использованием процедуры трассировки по задаваемым значениям кинематических параметров целевых типов волн с последующим итерационным решением обратной задачи для выделенной зоны.

Для слабых аномалий решение ограничивается первым этапом.

2. Для обобщенных геофизических моделей аномалий установлены закономерности изменения кинематических и динамических параметров сейсмических волн в неоднородном уг-лепородном массиве, согласно которым устойчивое выявление и оценка характеристик аномалий строения и состояния массива обеспечиваются:

- для разрывных нарушений сбросо-взбросового типа комплексом параметров: модуль максимума амплитуды (ММА) и ширина спектра волн Я и Ь, скорость ММА и длительность волнового пакета волн Ц

- для разрывных нарушений сдвиго-надвигового характера комплексом параметров: амплитуда и скорость ММА волн Ре, ширина спектра волн Я и Ц

- для зон структурной нарушенное™ комплексом параметров: ММА, скорость ММА и ширина спектра волн Я и длительность волнового пакета боковых волн Ре;

-для морфологических нарушений типа утонение комплексом параметров: ММА воли Н и Ь, ширина спектра волн К и длительность волнового пакета волн Ц

- для зон потенциально неустойчивой кровли - ММА и частота ММА, ширина спектра боковых волн Ре;

- для зон повышенного горного давления (ПГД) - амплитуда, скорость и частота ММА боковых волн Ре, волн Я и Ь. 1

3. Методология дискретного сейсмического контроля, согласно которой пространственное восстановление и оценка параметров аномалий упругих свойств, строения и состояния неоднородного углепородного массива достигается последовательно:

- разработкой геофизических моделей основных типов аномалий геологического и техногенного происхождения;

- математическим моделированием параметров волн в неоднородном массиве с целью установления их зависимостей от характеристик аномалий и определения комплекса информативных параметров волн;

- использованием регулярных систем сейсмических наблюдений с необходимой плотностью лучей, обеспечивающих регистрацию целевых типов волн и возможность последующей томографической обработки данных;

- корректным применением адекватных решаемой задаче алгоритмов томографического обращения информативных параметров целевых типов волн;

4. Пространственно-временная оценка сейсмического режима углепородного массива при подземной разработке осуществляется на основе:

- рационального комплекса информативных параметров импульсов сейсмической эмиссии, обеспечивающего устойчивое выделение сейсмоимпульсов на фоне техногенных помех, включающего времена вступления волн Ре и максимума модуля амплитуды внутрипластовых волн, энергетическую характеристику и эффективную частоту волнового пакета;

- статистической оценки точности решения задачи восстановления координат очагов сейсмоимпульсов, в соответствии с которой наиболее точные и устойчивые решения обеспечивают методы "окружностей" и "заданных скоростей" и устойчивых алгоритмов локализации сейсмоимпульсов в пространстве;

- эффективных алгоритмов идентификации сейсмоимпульсов на фоне техногенных помех в режиме реального времени с использованием критериального подхода и в фоновом режиме - с использованием методов распознавания образов.

5. Методология создания программной и технической структур автоматизированных систем контроля (АСК) состояния углепородного массива по параметрам сейсмической эмиссии в режиме реального времени, основанная па принципах иерархичности, модульности ¿1 последовательного функционирования системы в трех режимах - самонастройки, исследовательском и технологическом, выходная информация каждого из которых является входной для последующего.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые предложена и реализована в виде расчетной схемы и программного комплекса математическая постановка задачи восстановления пространственного положения и параметров тех-

нологически опасных аномалий строения, состояния и свойств углепородного массива, корректно реализующая задачу сейсмической томографии слоистого массива, в т.ч. при наличии низкоскоростного волновода. Для объектов, характеризующихся сильным градиентом изменения кинематических параметров волн в зоне влияния объекта, задача решается в два этапа, для слабых аномалий - в один этап;

- на основе результатов экспериментальных исследований, обобщения геолого-геофизических данных шахтных и сква-жинных измерений предложены обобщенные геофизические модели основных типов технологически опасных аномалий строения, состояния и свойств массива;

- установлены закономерности изменения параметров сейсмического волнового поля в неоднородном углепородном массиве в зависимости от геометрических характеристик, показателей свойств и строения массива в зонах влияния основных типов технологически опасных аномалий, - мелкоамплитудных разрывных и морфологических нарушений, зон потенциально неустойчивой кровли, ПГД и др.;

- определен комплекс информативных параметров сейсмических волн в неоднородном массиве, обеспечивающих статистически уверенное выделение технологически опасных аномалий и оценку их основных геометрических характеристик;

- впервые сформулирована методология восстановления положения и геометрических параметров технологически опасных аномалий строения, свойств и состояния углепородного массива на подземных и открытых горных работах с использованием эффективных алгоритмов сейсмической томографии и закономерностей изменения параметров сейсмического волнового поля в слоистом неоднородном массиве;

- с учетом специфики волнового поля в слоистых средах, шсличающих низкоскоростиой волновод, выполнена оценка точности и устойчивости решения задачи восстановления координат очагов импульсов сейсмической эмиссии и на этой основе предложены рациональные алгоритмы определения координат при сейсмическом контроле массива в шахтных условиях;

- установлены рациональные комплексы информативных кинематических, динамических параметров импульсов сейсмической эмиссии массива применительно к задаче идентификации сейсмонмпульсов на фоне техногенных помех, предложены и реализованы эффективные алгоритмы идентификации сейс-

моимпульсов с использованием критериального подхода в режиме реального времени, и в фоновом режиме - с использованием аппарата методов распознавания образов;

- впервые сформулированы принципы и методология построения технической структуры автоматизированных систем сейсмического мониторинга объемов массива различного масштабного уровня в режиме непрерывных измерений, учитывающая особенности разработки и развития методического и программного обеспечения АСК, при ее функционировании последовательно в режиме адаптации (самонастройки), исследовательском и технологическом режимах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации подтверждается:

- высокой сходимостью результатов натурных измерений и применения разработанных технологий, с одной стороны, и фактическими данными отработки участков контроля (более 40 выемочных столбов и участков угольных пластов);

- методическими предпосылками работы, основанными на корректном использовании математического аппарата механики сплошных сред, математического моделирования, компьютерного моделирования технических средств;

- сопоставимостью данных численного моделирования и аналитических расчетов с фактическими данными, полученными инструментальными методами в условиях шахт и разрезов.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- создан программный комплекс моделирования и томографической обработки данных, обеспечивающий высокоразрешающее восстановление положения и параметров технологически опасных аномалий строения и состояния горного массива;

- разработана технология сейсмической томографии угле-породного массива на подземных и открытых горных работах для решения задач выявления, определения конфигурации и оценки параметров:

а) мелкоамплитудных разрывных и морфологических нарушений;

б) зон повышенного горного давления от целиков в надрабо-танном массиве;

в) зон потенциально неустойчивой кровли;

г) зон изменения структурных свойств и строения углепо-родного массива на разрезах;

- созданы программная и техническая структуры цифровой сейсмической аппаратуры нового поколения для дискретного

контроля состояния и строения горного массива, соответствующей современному мировому уровню;

- разработан алгоритм системы непрерывных наблюдений сейсмической и сейсмоакустической эмиссии массива, объединяющего процедуры селекции сейсмоимпульсов, расчета параметров его очага и технологической оцен.сн параметров эмиссии для создания программной структуры АСК;

- созданы технические структуры функциональной и распределенной автоматизированных систем сейсмических и сейсмо-акустических наблюдений, а также системы передачи данных, обеспечивающей интеграцию системы сейсмического мониторинга в режиме РВ в шахтную систему контроля и управления технологическими процессами.

Реализация работы. Полученные лично и под руководством автора, при его непосредственном участии результаты исследований доведены до практического использования и внедрены в практику контроля строения, свойств и состояния углепородного массива в основных угольных бассейнах.

Разработанные основные научные положения, практические рекомендации, программные средства шахтной сейсмической томографии использованы при создании ряда нормативных документов по выявлению мелкоамплитудных нарушений, зон аномального напряженного состояния массива и неустойчивой кровли угольных пластов и проведении шахтных сейсмических работ более чем на 40 выемочных столбах и участках шахтонлас-тов Донецкого, Воркутииского, Карагандинского и Кизеловского бассейнов.

Технические решения по созданию автоматизированных систем сейсмического и сейсмоакустического непрерывного контроля горного массива внедрены в институте "Инсистеммаш" при создании системы передачи данных с использованием волоконно-оптической линии связи, в ИГД им. А.А.Скочинского при создании автоматизированной многоканальной компьютеризованной системы "Массив" для контроля состояния массива в пределах шахтного поля по параметрам сейсмической эмиссии.

Комплекс решений по созданию программной и технической структур сейсмической аппаратуры внедрен в Российском НИИ Космического приборостроения при создании шахтной цифровой сейсморазведочной аппаратуры с твердотельной памятью "Пласт",

Апробация работы. Основные научные положения работы докладывались на Всесоюзных научных конференциях ВУЗов

СССР с участием научно-исследовательских институтов по физическим процессам горного производства (Москва, 1977,1981, 1987), IX Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1977), Научном совете при ГКНТ СССР по проблеме "Новые процессы и способы производства работ в горном деле" (Москва, 1978), Всесоюзных семинарах по инженерной и горной геофизике (Батуми, 1985, Тбилиси, 1987), Международной конференции "Системный подход в горном деле. Проблемы, теория, решения" (Москва, 1991), 2-м Международном симпозиуме по горной науке и технологии (КНР, Юйчжоу, 1991), УП Всесоюзной научной школе "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические проявления в горных породах и выработках" (Симферополь, 1990), У1 Международном семинаре по горной геофизике. (Пермь, 1993), II сессии РАО и Международной школе-семинаре "Акустический мониторинг сред", Международной научной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993), Международной научной конференции по геомеханике (Москва, 1993), секциях Ученого совета ИГД им. А.А.Скочинско-го, научных семинарах отделения горно-технических проблем ИГД им. А.А.Скочинского.

Публикации. 32 печатные работы, в том числе 1 монография и 6 авторских свидетельств на изобретения отражают основное содержание исследований.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения и содержит 285 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 27 таблиц, 4 приложения и список литературы из 171 наименования.

Автор выражает искреннюю благодарность академикам Ю.Н.Малышеву, ЮЛ.Худину, К.Е.Вшшцкому за советы и консультации, которые способствовали подготовке работы. Решению отдельных вопросов, из числа рассмотренных d данной работе, посвящены исследования проф.,докт.техн.наук. Ватолина Е.С., кандидатов технических наук Круглова Н.Т., Чернякова А.Б., Потапова A.M., Карпинской Ю.А., Королевой Л.И,, Загорского Л.С., Анциферова A.B., Тпркеля М.Г., КенжинаБ.М., Глухо-ва A.A., инж. Новикова А.Н., Архипова В.П., Благовадова A.C., Захарова В.Н., Шухмана Б.В., с которыми автора связывает многолетнее сотрудничество и которым автор выражает признательность за участие в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы создания средств и методов сейсмического мониторинга углепородного массива

Основная роль в решении проблемы контроля состояния и строения горного массива при ведении горных работ посредством создания средств и методов сейсмического мониторинга с использованием непрерывных и дискретных наблюдений принадлежит в нашей стране коллективам ведущих институтов РАН - ИФЗ им. О.Ю.Шмндта, ИПКОН, ГоИКФ РАН, ЛФТИ им. А.М.Иоффе, ИГД СО РАН, ИУ СО РАН, отраслевых научно-исследовательских организаций и учебных заведений - ВНИМИ, ИГД им. А.А.Скочинского, МГГУ, НПО "Сибцветметавтоматика", Гидропроект, НПО "Дальстандарт", Атомэнергопроект, НПО "Нефтегеофизика", ВНИИГеосистем", МГУ. Этим вопросам посвящены работы - Анцыферова М.С., Азарова Н.Я., Ватоли-на Е.С., Гильберштейна П.Г., Гречухина В.В., Данилова В.Н., Кузнецова O.JI., Смирнова В.А., Савича А.И., Шкуратника B.JI., Яковлева Д.В., Ямщикова B.C., Якобашвили О.И. и др.

Интенсивное развитие данное направление приобрело в работах ряда институтов, государственных организаций и фирм за рубежом, таких как Prakla-Seismos GmbH (ФРГ), EMAG, GIG (ПР), VVUU (4P), ВНР (Австралия), Cershar (Франция), AITEMIN (Испания), ELGI (Венгрия), УкрНИМИ, ДонНИИ (Украина), ИГМ АН Грузии, ИФ и МГП АН'Киргизии.

Широкое распространение сейсмические методы контроля получили в силу инвариантности относительно всех трех масштабных уровней объема массива, выделяемых при разработке планировочных и технологических решений при подземной и открытой разработке угольных пластов, способов прогноза выбро-со- и удароопасности массива:

а) зона ведения горных работ;

б) выемочный столб, участок шахтопласта;

в) шахтопласт, шахтное поле.

Анализ современного состояния методических возможностей и тех!шческих средств сейсмического мониторинга показывает, что основными нерешенными проблемами являются:

- при мониторинге массива с использованием систем дискретных наблюдений - установление закономерностей изменения параметров волнового поля п неоднородном углепородном

массиве, содержащем технологически опасные аномалии строения, свойств и напряженного состояния массива, разработка и программная реализация рациональных алгоритмов сейсмической томографии массива с использованием интерференционных волновых пакетов различной поляризации и создание на этой основе эффективной технологии сейсмической томографии неоднородного углепородного массива, включающей новое поколение шахтной компьютеризованной аппаратуры;

- при мониторинге с использованием непрерывных наблю-юений - оценка надежности и точности существующих, создание и программная реализация новых эффективных процедур идентификации и оценки пространственных параметров сейсмоимпуль-сов, в т.ч. в режиме реального времени, обоснование и разработка рациональных программной и технической структур автоматизированных систем контроля параметров сейсмической эмиссии массива.

Проведенный в диссертации анализ проблемы позволил сформулировать цель работы, поставить и решить следующие задачи:

- установление и исследование закономерностей изменения кинематических и динамических параметров сейсмического волнового поля в неоднородном углепородном массиве, содержащем технологически опасные аномалии строения, свойств и напряженного состояния;

- разработка обобщенных геофизических моделей основных типов технологически опасных аномалий строения, свойств и напряженного состояния углепородного массива и установление комплексов информативных параметров волн, обеспечивающих выявление и оценку параметров данных аномалий;

- разработка математического аппарата задачи восстановления пространственного положения и параметров аномалий с различной резкостью границ на основе корректного использования алгоритмов сейсмической томографии с учетом использования и качестве целевых типов волн интерференционных волновых пакетов;

- разработка методологии создания технологий сейсмического мониторинга массива в режиме дискретных наблюдений, включающей в качестве основных элементов томографическую обработку данных измерений, эффективные системы наблюдений, рациональный комплекс информативных параметров волн, компьютеризованную шахтную аппаратуру, удовлетворяющую современным требованиям;

- установление основных информативных параметров импульсов сейсмической эмиссии и разработка с их использованием эффективных алгоритмов идентификации и локализации сейсмоимпульсоа в пространстве;

- создание методологии построения технической и программной структур автоматизированных систем сейсмического мониторинга в режиме непрерывных наблюдений и разработка данных структур, реализующих автоматический ввод и обработку сейсмической информации в режиме реального времени.

Разработка методических л программных средств дискретного сейсмического контроля состояния, строения и свойств массива

Решение проблемы создания систем дискретных наблюдений сейсмического мониторинга массива на угледобывающих предприятиях в соответствии с поставленными задачами исследований предполагает последовательное решение прямой задачи для неоднородного углепородного массива, содержащего наиболее типичные технологически опасные аномалии строения, свойств и напряженного состояния углепородного массива, с использованием геофизических моделей данных аномалий, установление на основе полученного решения прямой задачи закономерностей изменения параметров волн а неоднородном массиве и определение комплекса информативных параметров целевых типов волн для выявления и оценки характеристик аномалий, выбор и разработку метода решения обратной задачи, обеспечивающего восстановление местоположения и характеристик выявляемых объектов с удовлетворительной для целей производства точностью и надежностью.

Решение прямой задачи в условиях многообразия типов аномалий, их геометрических и физических характеристик определяет необходимость обобщения результатов изучения характеристик пород в зонах влияния данных аномалий и формирования на этой основе набора обобщенных моделей исследуемых аномалий.

Методика формирования моделей реализуется в два этапа. На первом этапе на основе анализа геологических разрезов угле-вмещагащей толщи по имеющимся результатам разведочного бурения, полевых скважшшых и шахтных геофизических исследований определяется базовая расчетная модель однородного угле-

породного массива, включающая упругое, плотностные и геометрические характеристики угольного пласта и пород основной и непосредственной кровли и почвы.

На втором этапе в базовую модель однородного массива вводятся сейсмогеологические модели основных типов геолого-геофизических аномалий строения, состояния и свойств массива. При разработке сейсмогеологических моделей нами рассматривались три основных класса нарушений строения, состояния и свойств массива:

- разрывные нарушения, имеющие тектоническое происхождение и зоны структурной нарушенности пород;

- литологические нарушения, включающие выклинивания, замещения пласта и пород кровли, в т.ч. осложненные изменением структурных свойств замещаемого литотипа;

- зоны повышенного горного давления от целиков в надра-ботанном массиве, представляющие собой технологически опасные аномалии при ведении очистных и проходческих работ. Каждый из классов характеризуется весьма большим разнообразием форм и формирование моделей, учитывающих их особенности, затруднительно.

На основе анализа экспериментальных геолого-геофизических данных о физических свойствах, строении и напряженном состоянии массива в зонах влияния аномалий сформировано 10 базовых сейсмогеологических моделей для наиболее типичных технологически опасных аномалий (табл. 1). Данные модели использовались при составлении базовых расчетных моделей для моделирования волнового поля в неоднородном углепородном массиве.

Основным подходом к моделированию волнового процесса в однородной и неоднородной угленосной толще в настоящее время в силу его достаточной универсальности признан метод конечных разностей (МКР). Однако использование этого подхода в задачах моделирования волнового поля, являющегося суперпозицией колебаний различной природы, связано с рядом проблем, ограничивающих точность решения, т.к.. колебания различных типов моделируются с различной точностью.

Поэтому ключевым моментом в точности МКР при моделировании волнового поля в неоднородном массиве является правильность передачи явлений, возникающих на границах раздела сред, что важно прежде всего для волн типа Лив особенности для Рс. Волны типа БН и £ моделируются с достаточной

Сейсногеологнчесхив подели основных типов нарушвнности углепородного массива

1. Зона структурной на-рушенноста пласта

2. Зона структурной на-рушенности П и непосредственной кровли

(Ш

3. Сбросо-взброс суОзертикальнкП '

4. Сбросо-взброс

наклонный сдвиг-надвиг

5. Уиеиьшенкз мощности

гигаста

6. Уменьшение мощности пласта с зоной структурной нарушенкости

(СИ)

7. Изменение коцности

IHK'

3. Изменэяла литогипа Kit С ЗОНОЙ СН

9. Зона ПГД а)

10. Зойа ПГД Ö) •

Й

Vo

Л,У

кг

V

Vi

Таблица 1

Vn

Vi

А

i

ft

V, v„

Vs

v„ и , H , L V' Vn,V3

Г1 * г

H L

Ул, У,

■ V>

h,

H . 'i

V»

h,

. H .. . L

Vxc —....... г..

H L

V» fL V,

' H 1 L

точностью при т.н."однородной" схеме, когда для расчета волнового поля в узле с координатами m, п используются только коэффициенты, описывающие параметры среды в этом узле. Для учета поверхностных эффектов, обуславливающих природу боковых волн Ре и частично волн типа R, были получены расчетные соотношения для данных типов колебаний и разработана про-, граммная реализация схемы расчета:

ir р +1 = л ri р _r/P I 1. о II Р I 4-

и т,п •Пт,пи т,п и т,п ~£>т+0.5,пи т + 1,«~

+ В>п — 0.5,n U Р + Ст,п — 0.5 U т,п — 1 +

+ On,и +0.5 U т,п +1 + Dm + 0.5,п +0.5 W m + l,n +1 +

+ Цп — 0.5,п ~0.SWm — l,n—l + -°/îj + 0.5,п — 0.5 Х

X^Pm + i,n~i+Dm -0.5)П +о.5 Wfn- ип -(1)

w Р + * =zE W р — W р ~1 + С «- IV р л. 1 + " т,п 111,11 уу т,п '' т,п ~^т+0.5,п" m +1,« ~

+ Ст —0.5,и W р +*т,п -0.5 W ?„,„ _ 1 +

+ Вт,п +0.5 W т,п +1 ^т +0.5,и +0.5 U m + +1

+ Цп —0.5,п -0.5 U m —l,n — \ +0.5.П -0.5 Х

m +1.л — 1 + Dm — 0.5.» — 0.5 U m — 1.« — 1»

Am,n —2 ~УРт,п (Л» +0.5.П — 0.5,п + +Иш,п + 0.5^т,п — 0.5 +0.5,« — 0.5,n)î

Ет,п = 2 — У Ptn<n (A,n„ -j- 0 5 + А„(>„ _ 0 5 + +Ит,п +0.5/хм,п — 0.5 + 0.5,« ^И-т — 0.5,н)»

где 2?ш +o.5,)i. Ят—0.5,п> Ст,п-0.5 > Сш,п+0.5» А)!+0.5.П+0.5. —0.5,« —0.5 " - значения коэффициентов в дополнительных узлах, смещенных па пол-шага в соответствующую сторону по отношению к центральному узлу с индексами m = 1 ,...Л-/; п» 1,,..//; у = (Ai//i)2;yO- плотность;/¿иЛ-модули сдвига и сжатия; А/ - шаг дискретизации по времени; Л -шаг пространственной дискретизации счетной решетки; р - номер шага по времени.

Выполненные тестовые расчеты показали, что использование соотношений (1) обеспечивает удовлетворительное совпа-

дение теоретических сейсмограмм с экспериментальными по волновым пакетам Ре и К.

Установление закономерностей изменения кинематических и динамических параметров сейсмических волн в зависимости от геометрических и физических характеристик аномалий строения, свойств и состояния углепородного массива производилось с использованием программного обеспечения, реализующего МКР в соответствии с выражениями (1).

В результате математического моделирования решения прямой задачи относительно представленных в табл. 1 аномалий установлены закономерности изменения комплекса основных параметров боковых волн Ре и волн типа Я и Д таких как: V -скорость модуля максимума амплитуды волнового пакета; А -величина модуля максимума амплитуды; /- частота максимума спектра; О - длительность волнового пакета; IV - ширина спектра, в зависимости от изменения упругих свойств пород и пласта в зонах влияния данных аномалий, а также в зависимости от изменения мощности пласта в зоне его замещения породами кровли и мощности слоя пород непосредственной кровли в зоне их замещения породами оснозной кровли. Таким образом, изменение физических, структурных и других свойств пород в зоне влияния аномалий моделировалось изменением кинематических параметров монотипных волн.

На основе полученных зависимостей для каждого типа технологически опасных аномалий установлены комплексы информативных параметров целевых типов волн <табл. 2) для выявления, идентификации и оценки параметров аномалий по полу- . ченным зависимостям.

Условные обозначения в табл. 2: знак"+" в первой позиции означает возможность использования параметра в качестве информативного для значений мощности пласта пг •= 0,6-3,0 м; знак в первой позиции означает возможность использования параметра в качестве информативного для конкретного значения мощности пласта; знак ">" или "<" во второй позиции означает соответственно тенденцию увеличения или уменьшения параметр ра волнового поля в зависимости от степени нарушенное™ пласта для значений мощности пласта т- 0,6 - 3,0 м; знак ":" означает, что данный параметр не используется в качестве информативного при обеих мощностях пластов.

Особенности постановки задачи сейсмической томографии для измерений на шахтах и карьерах езязаны со спецификой

ИН5ЮРКАТИВ1ШЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛН ПРИ ВЫЯЗЛЕНИИ И ОЦЕНХЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНОМАЛИЙ

Таблица 2

Типа аномалий Параметры вол»

Ре К Ь

А V г Н 0 А V 1 н 0 А V f н 0

1. Зона структурной •

варуканности пласта - — - ♦< +< - : +< - ■ ; - - -

2. Зова структурной

наруиенности пласта

к непосредственной

кровля - ■ — -. : - +< — - - т — ; >

3. Сбросо-взбрсс •

субаертихальный ■к : - - : ■к : - ■К - - +<

4. СХШИГ-надзиг,

ебросо-взброс

кахлонный +< *< — - — •к ♦< - +< ; - - -

5. Утонение пласта : 1 1 - - - ; -- - : - - : : -

6. Утонение пласта

с зоной структурной

наруиенности - I ; - ■ ; - - - — — ! —

7. нзкекеяие нсщности

непосредственной

кровли - -

8. Изменение литотипа

непосредственной

кровли с зоной

структурной наруиен-

ности -к +< +<

Э. зона пгд а) - - - - ■к - - - *< - :

10. Зона пгд б) - *> - ; - - - - - — -

обычно применяемых неполных корреляционных систем наблюдений с малой вариацией угла выхода луча на профиль наблюдений. Чтобы иметь возможность реконструкции субпараллельных к профилю наблюдений объектов и хотя бы частично компенсировать неполноту данных по параметрам длины лучей и углу выхода, предложено применять регулярные системы наблюдений с высокой плотностью и перекрытием не менее длины расстановки СП. Основные параметры систем наблюдений установлены исходя из рассмотрения допустимости принимаемых аппроксимаций с учетом стандартных для шахтной сейсморазведки условий измерения. При длине луча L ~ 200-500 м и длине волны X > 5 м шаг установки СП составит ~ 10 м, шаг перемещения пункта возбуждения ПВ - 30 м при размере ячейки восстановления 10 м. Применительно к условиям и задачам шахтной сейсморазведки математический аспект задачи сейсмической томографии распадается на два основных варианта, т.к. неучет лучевых траекторий возможен только в случае достаточно гладких функций распределения кинематических параметров, когда градиент этих параметров < 20%. В этом случае допущение прямолинейности лучевых траекторий будет правомерным. Для этих условий имеется ряд апробированных в полевой и рудничной сейсморазведке алгоритмов - ART, SIRT, CGG и других, которые позволяют удовлетворительно решать задачу.

Практика показывает, что для ряда аномалий - разрывные нарушения, замещение пласта и пород кровли - приведенное условие не соблюдается, поэтому математическая постановка задачи должна учитывать иепрямолинейность траекторий.

Для решения задачи в подобных средах нами предложена математическая постановка, реализующая томографическую обработку данных в два этапа:

1-й - решение "стандартной" задачи линейной томографии (методами SIRT, ART, Гаусса, др.) и приближенное окон-ту ривание зон, в которых кинематические параметры значительно отличаются от фоновых значений;

2-й - решение прямой задачи для семейства лучей, прошедших через аномальную зону, и их трассировка по 2 точкам по задаваемым значениям скорости.

Схема процедур 2-го этапа заключается в следующем.

Уравнение сейсмического луча в среде, характеризующейся моделью медленности С (у):

сводится к системе линейных алгебраических уравнений семейства лучей (СЛАУ) в исследуемой среде. Решение СЛАУ дает искомый результат - С (у) в каждом элементе восстанавливаемого томографического изображения.

Кривая Ь(у, х) (траектория луча) определяется путем трассировки луча по 2-м точкам, трассировка лучей заключается в следующем: нужно найти углы в, <р, когда интегральная кривая из точки М0 пройдет через Мк, т.е. минимизируется функционал С (в, (р) в двумерном пространстве углов:

а (в, 0 = 0,5 (х(в, <р) -хк)2+(у(в, <р) -ук)2 +

+ (г(в,<р)-гк)2. (3)

Далее применяется "метод спуска", когда значение функционала убывает с ростом числа итераций, т.е.

С(/к + 1)£С(/к), 0,1.... (4)

Это возможно с использованием процесса Флетчера-Паузл-ла, для него имеем

<5>

где матрицы Вк - из соотношения

в + -в ,г*(г*У У

+ 1 (д'Увкяк ' (>

(Е - единичная матрица) выбирают так, чтобы минимизировать функционал вдоль прямой /=/*—акРк> гДе

Рк=вк(ру%

Восстановление возможно, когда имеется семейство лучей, не пересекающих аномалию, вдоль которой распределение скоростей незначительно отличается от априорного. Тогда в итерационном процессе используется прямая задача и правило останова по обратной задаче. Итерационный процесс продолжается пока 1С,—С I <<5.

Разработанное методическое и математическое обеспечение систем дискретных наблюдений сейсмического мониторинга неоднородного углепородного массива на основе сейсмической томографии программно реализовано в автоматизированной системе обработки данных шахтных и полевых (на разрезах) наблюдений. Автоматизированная система состоит из 7 автономных программ и связывающей их оболочки, что создает возможности для се дальнейшего развития и модификации. Программы последовательно реализуют операции моделирования волнового поля в однородном и неоднородном массиве, обработку ¡5 анализ исходных сейсмограмм, расчет и отображение схемы наблюдений, расчет кинематических и динамических параметров волн по лучам, томографическое восстановление поля информативных параметров при одноэтапном и двухэтапном решении задачи, отображение полученных сечений. Автоматизированная система обработки имеет гибкую структуру, позволяющую модифицировать ее как для обработки данных шахтной сейсморазведки, так и полевой сейсморазведки на разрезах.

Разработка технических средств систем дискретных наблюдений

К началу 90-х годов стало очевидным, что эффективная реализация разработанных методических и программных средств шахтной сейсмической томографии при использовании существующей аппаратуры связана с резким ростом затрат на полевые работы из-за низкой производительности аппаратуры. Поэтому были разработаны техническая и программная структуры компьютеризованной сейсмической аппаратуры нового поколения "Пласт". Рассматривались следующие варианты технической структуры аппаратуры:

а) блочно-модульная схема, где функции ввода, преобразования аналог/код и упаковки сигнала реализуются двух- или трех канальным модулем, соединяемым с центральным блоком, реализующим функции предварительного анализа и памяти дан-, ных; '

б) моноблока с твердотельной памятью, где вышеназванные функции реализованы в одном устройстве.

Учитывая повышенные требования к надежности функционирования в шахтных условиях и возможности технической реализуемости была принята вторая схема.

Техническая структура реализована как микро-ЭВМ особой конструкции с твердотельной памятью, которая декомпозируется на:

а) аналоговую часть с основными характеристиками:

- гальваническая развязка входной части;

- число аналоговых входов - 12;

- нормированный уровень шума - не более 0,2-0,5 мкв;

б) цифровую часть с основными характеристиками:

- число разрядов АЦП - 14;

- программируемый коэффициент усиления - до 96 Дб;

- программируемая частота опроса канала измерения -8, 6, 4, 2 КГц;

- способ индикации - ЬСД - экран с разрешением не хуже 240x128;

- объем памяти данных - 2 Мб;

- принцип управления - микропрограммный;

- способ записи информации - прямойдоступ в память;

- модуль коммуникационный - интерфейс RS 232,

Программная структура включает в себя следующие блоки

программ:

а) тестовые программы (TEST) - проверка всех функциональных модулей изделия, в т.ч. аналогового;

б) программы анализа (ANALISZ);

в) программы измерения;

г) программы работы с ОЗУ (MEMORY).

Разработка методических и программных средств системы непрерывных наблюдений сейсмического мониторинга

Сейсмический мониторинг с использованием систем непрерывных наблюдений основывается в настоящее время на измерении параметров сейсмической эмиссии массива для оценки его состояния. Оценка изменения сейсмического режима носит пространственно-временной характер, поэтому комплекс параметров потока сейсмической информации для последующей оценки состояния углепородного массива должен включать:

- времена вступления целевых типов волн и момент возникновения сейсмоимпульса (СИ), определяемый с их использованием;

- энергия или энергетическая характеристика и координаты СИ в пространстве.

Комплекс исследований по разработке методического и программного обеспечения для определения данных параметров выполнялся нами применительно к задачам контроля объемов массива "выемочный столб" и "зона ведения горных работ" в т.н. сейсмоакустическом частотном диапазоне. Ввиду частичного наложения частотных диапазонов основных техногенных помех и СИ и соизмеримости их энергий особое значение приобретает задача идентификации СИ на фоне техногенных помех.

На основе шахтных измерений, выполненных нами, и анализа данных других исследователей установлено, что в диапазоне мощности пластов 0,6-3 м СИ характеризуются следующими параметрами:

- длительность СИ - до 80-300 мс (на уровне 2(7, где С -фоновый уровень техногенных помех);

- частотный диапазон -150-800 гц;

- максимум модуля амплитуды СИ в целом соответствует фазе Эйри интерференционных волн соответствующей поляризации, что позволяет достаточно просто определять момент вступления цуга волн Ь или Я, соответствующего фазе Эйри этих типов волн.

С учетом данных характеристик определен комплекс каталогизируемых параметров СИ для использования в процедурах их идентификации в режиме реального времени (РВ):

- время превышения критериального уровня амплитуды сигнала, соответствующего вступлению волн Л или Ре;

- время достижения модуля максимума амплитуды СИ;

- энергетическая характеристика сигнала, рассчитываемая как 2Д-2 во временном интервале ДГ, где Л - амплитуда сигнала; ДГ -длительность сигнала;

- временной интервал, за который происходит заданное количество изменений знака сигнала, что позволяет оценить видимую частоту сигнала.

Задача определения момента прихода СИ решалась как задача о критериях принятая статистических решений для гипотез отсутствия сигнала и наличия сигнала. Рассматривались два метода - метод последовательного анализа и метод максимального правдоподобия. Анализ установленных зависимостей количества отсчетов сигнала п для его идентификации на фоне техногенных помех в зависимости от соотношений сигнал/шум - А Л? и величины ошибки первого и второго рода СС и /?, соответственно,

позволил установить, что принятие решения о наличии сигнала по методу последовательного анализа для равнозначных ошибок а =р = осуществляется при более низких значениях соотношения А /б, чем для второго метода, что имеет важное значение при высоком уровне технологических шумов на участке контроля.

Используя условие принятия решения для метода последовательного анализа, момент первого вступления сигнала в режиме автоматического ввода и реального времени определяется по условию:

11|-(21<Г, (8)

где - время регистрации сигнала методом последовательного анализа; ^ ~ время превышения порогового уровня амплитуды; Т - максимально возможный период регистрируемых колебаний (~5 мс), тогда для регистрации сигнала принимаются t¡.

Разработанная блок-схема алгоритма идентификации СИ на фоне техногенных помех с использованием критериев параметров (рис. 1) включает, кроме того, дополнительные процедуры, основанные на использовании полного комплекса установленных основных параметров импульсов.

Для повышения эффективности работы алгоритма идентификации СИ на фоне сложных техногенных помех типа одиночный удар был йспользован и программно реализован аппарат методов распознавания образов (М РО). Математическая постановка задачи заключается в данном случае в поиске разделяющей функции, обеспечивающей выполнение условна максимума расстояния между центрами тяжести на числовой оси точек, принадлежащих множествам сигналов от СИ и помех Ма и Мв.

Распознавание сигнала производится по правилу; если разделяющая функция/ > 0 г объект принадлежит к СИ, если/ < 0 -к помехам, где

/= £ С1 — = / — I

I - номер объекта в обучающей выборке (номер сигнала); п - число примеров в обучающей выборке.

Метод главных компонент, реализованный как часть алгоритма, позволяет вводить систему независимых параметров дна ' описания сигналов и оценивать их на значимость для распозна-

| Определение уровня срабатывания | | системы (самонастройка) | 1-1-1

">1 _и

Ожидание превышения уровня текущей помехи

-1---

/ \ / \ / \ нет /уровень\

--«превышен >

\ / \ / \ / \ / да

"1

J

Определение времени прихода сигнала

Определение вранени заданного количества переходов через 0

Определение амплитуды МАХ сейсмического сигнала

I /длительность \

} нет / на превышает \

1--< допустимую или >

\достигнуто число/

\ переходов / -г-

I Да

г-—:-1

| Запись сигнала в каталог событий | и_I

Рис. 1. Структура алгоритма идентификации СИ

вания СИ. Выполненный анализ значимости параметров СИ показал, что в данном алгоритме целесообразно использовать комплекс параметров:

ДХ/> — ^ Л - временной интервал между первым вступлением (Ре - волна), и моментом достижения максимума модуля амплитуды (Ь или У? волны);

&Г5 - временной интервал, соответствующий 5 переходам через ноль;

ДТ-длительность сигнала;

ММА - максимум модуля амплитуды сигнала.

Для оценки эффективности алгоритма и, соответственно, программы идентификации СИ с использованием МРО осуществляется скользящий контроль программы. При неудовлетворительных результатах контроля используется усиление алгоритма за счет применения метода нахождения набора разделяющих функций или метода последовательной фильтрации, заключающегося в нахождении последовательности разделяющих функций //,/г,и последовательностей границ усечения <7/, ¿2, и Г/, Т2, TJ,...Tn, выбор которых на каждом этапе

итерационного процесса усечения определяется таким образом, чтобы как можно больше СИ удовлетворяло условию/; > t^ и как можно больше помех - условию< Сг{, и соответственно, чтобы количество СИ и помех, удовлетворяющих условиям <С,' и /1 > Т(, соответственно, было минимальным. На каждом этапе сигналы, удовлетворяющие данным условиям, исключаются из дальнейшего рассмотрения. Номер п соответствует последнему этапу итерационного процесса усечения, после которого все СИ и помехи идентифицированы правильнаСовместное использование обоих алгоритмов, как показали результаты их апробации на экспериментальных выборках в шахтных условиях, позволило достичь надежности выявления СИ до 95%.

Оценка различных методов локализации очага СИ с целью последующей разработки алгоритма и его программной реализации производилась по критериям методической погрешности, определяемой схемой расстановки СП на контролируемом участке и величиной ошибки момента регистрации целевых типов волн. Установлено, что минимальная величина ошибки определения координат очага СИ по указанным критериям соответствует т.н. методам "окружностей" и "заданных скоростей". Данные методы были реализованы в виде модулей программной структу-

ры системы непрерывного контроля параметров сейсмической эмиссии.

Разработка программной и технической структур автоматизированной системы контроля параметров сейсмической эмиссии массива

Методология создания структур АСК включает, прежде всего, определение функциональных задач «функций систем. На основе анализа технической (ТС), программной (ПС) и логической структур различных сейсмических систем контроля и прогноза состояния массива определены функциональные задачи и основные функции системы:

1. Автоматический сбор данных в режиме реального времени от сейсмопрцемников и сейсмометров, размещенных в пределах шахтного поля.

2. Обработка данных, хранение массивов информации о параметрах сейсмической эмиссии справочной информации, включая карты изолиний кинематических параметров сейсмических волн и томографические сечения для контролируемых участков массива, полученные с использованием технологии дискретного контроля.

3. Представление информации и сигнализация о параметрах сейсмического режима массива в виде протоколов нормативного контроля и прогноза, ретроспективный анализ параметров сейсмического режима для установления новых прогностических зависимостей.

Решение функциональных задач реализуется технологическим процессом преобразования данных, включающем следующие основные функции системы:

а) управляющие функции - инициализация спстемы, отсчет реального временя, обработка прерываний прикладных задач от внешних устройств, распределение свободной памяти между прикладными задачами и обмен данными между ними;

б) прикладные функции - автоматический ввод аналоговых сигналов от датчиков, обработка данных о сейсмической эмиссии массива, включая идентификацию сейсмопмпульсов и определение их параметров, формирование каталогов сейсмических событий и построение прогностических зависимостей параметров сейсмического режима за анализируемый временной интервал, ведение каталогов сейсмических событий и специализированных

файлов их параметров, графическое отображение прогностических событий и горнотехнической ситуации.

С учетом функциональных задач, основных функций АСК и вычислительных возможностей стандартной компьютерной техники были определены основные принципы построения ПС АСК:

1, Иерархичность обработки входной сейсмической информации:

а) непрерывная предварительная обработка информации в режиме РВ, включая идентификацию СИ на фоне техногенных шумов, с буферизацией промежуточных результатов обработки;

б) обработка промежуточной информации о выделенных сейсмических событиях по прерываниям с целью получения прогностических временных зависимостей параметров;

в) решение в фоновом режиме задач прикладной обработки информации с целью получения технологической оценки состояния массива, углубленного ретроспективного анализа параметров сейсмических событий, представления результатов наблюдений, создания специализированных файлов.

2, Модульность ПС, определяемая как ее иерархичностью, так и различием требований, предъявляемых к созданию ПС на стадиях проектирования, разработки и эксплуатации системы, что создает возможность для выбора оптимальных параметров и критериев режимов работы, адаптации к усложнению и развитию методического обеспечения системы.

3, Разделение программных модулей структуры по функциональному назначению на три основные программные подсистемы - обработки, моделирования и отображения. Обрабатывающая подсистема включает в себя программы управления вычислительным процессом, подсистема моделирования - программные средства моделирования вычислительного процесса с целью выбора оптимальных параметров и режимов обработки входной информации.

Формирование ПС АСК, отнесение программных модулей к реализуемым в режиме РВ или в фоновом режиме выполнялось на основе оценки статистических характеристик информационного потока данных и длительности работы отдельных программ. Установлено, что временной интервал на обработку сейсмической информации не должен превышать 0,1 сек.

Максимальную длительность счета для программ идентификации и расчета параметров сейсмоприемников имеют программы расчета координат очага —0,07 сек.

ПС реализует четыре основных группы процедур методического обеспечения контроля параметров сейсмической эмиссии массива (рис. 2):

- автоматический сбор и идентификация СИ на фоне техногенных помех;

- расчет основных информативных параметров СИ, используемых для их идентификации и построения соответствующих прогностических зависимостей;

- расчет параметров очагов СИ - координат и энергии (интенсивности);

- оценка состояния массива по критериям технологической опасности ситуации.

В соответствии с функциональными задачами ТС шахтной АСК параметров сейсмической эмиссии декомпозируется на шахтную сеть сбора и передачи данных (СПД) и наземный вычислительный комплекс (НВК). Шахтная сеть сбора в разработанной нами конфигурации ТС включает сейсмоприемники и сейсмометры, шахтную кабельную сеть с разветвителями. Для реализации разработанной ПС и необходимого резервирования вычислительных возможностей НВК был сформирован нами в составе;

- аппаратура аналогового ввода, обеспечивающая в т.ч. искробезопасность шахтной СПД;

- препроцессор на базе модульного микропроцессорного комплекта 5АР1-86;

- ПЭВМ, начиная с серии 1ВМ РС/АТ 286/287 в стандартной конфигурации с необходимой периферией.

Двухпроцессорная техническая структура позволяет ликвидировать т.н., "мертвое время" системы, т.к. препроцессор осуществляет опрос 1 б физических каналов СПД и предварительную обработку сигналов в кольцевом буфере, основной процессор - остальные программно реализуемые функции.

Основным ограничением, накладываемым на характеристики функциональной АСК в разработанном варианте ТС, является ограничение по информационной емкости, которая при частотном диапазоне 4-2500 Гц не превышает 16 сообщений и, соответственно, 16 физических каналов СПД, т.е. количество контролируемых участков при установке 3-4 СП на участок составляет 4-5. Для увеличения количества физических каналов регистрации была разработана СПД с применением волоконно-оптического кабеля, которая практически не имеет ограничений

Рис. 2. Программная структура АСК сейсмической эмиссии горного массива

по информационной емкости и обеспечивает интеграцию АСК параметров сейсмической эмиссии в шахтную распределенную систему контроля и управления. Стендовые и производственные испытания системы на ш/у "Донбасс" ПО "Донецкуголь" показали необходимую достоверность передачи сейсмической информации в соответствии с ГОСТ 26.205-88 при длине ВОК линии ПУ-КП - 4,5 км.

Разработка «апробация технологий сейсмического мониторинга строения, напряженного состояния и свойств углепородного массива

Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований создают физико-технические основы технологий сейсмического мониторинга углепородного массива с использованием систем дискретного и непрерывного контроля параметров сейсмических волновых полей. С учетом наших результатов и анализа результатов других авторов по разработке процедур предварительной оценки параметров волнового поля в массиве и обработки сейсмического материала была предложена структурная схема технологам дискретного контроля строения и состояния массива на основе сейсмической томографии (рис. 3).

Первая группа операций по моделированию волнового поля реализует разработку геофизических моделей неоднородного углепородного массива, содержащих типы нарушений, прогнозируемых на участке контроля, и установление информативных параметров целевых типов волн, используемых для томографического восстановления параметров волнового поля. Обработка шахтного п полевого сейсмического материала для выделения зон изменения волновых параметров, идентификации типа нарушения в пределах выделенных зон и оценки их основных параметров осуществляется посредством томографического восстановления поля целевых типов воли по комплексу информативных параметров с использованием специальных процедур обработки <А.с, СССР №1179240, 1378608, 1400309, 1644057).

Результаты применения разработанной технологии в основных угольных бассейнах представлены в табл. 3. Надежность выявления аномалий оценивалась как по ошибкам II рода, заключающимся в пропуске зон аномалий, так и по ошибкам I рода, заключающимся в обнаружении ложных аномалий. Достаточно высокая надежность выявления аномалий определяется, в том

I. Моделирование параметроо IX• Шахгные (полевыа)

волнового поля В углепо- сейсмические

родном массиве работы

Рис- 3. Структурная схема технологии дискретного контроля строения и состояние массива на основе сейсмической томографки

Результат» применения технологии дискретного контроля строения и напряженного состояния углепородного массива

Таблица 3

Шахтопласт, иахта, ПО

Объект контроля

Результат

1. Шахтопласт "Мощный"

ПО "Воркутауголь"

2 участка

2. Шахтопласг 13 ПО "Кизелуголь" иахта "Шумихинская"

4 участка

3. Шахтопласт Км ПО "Карагандауголь"

г участка

4. Шахтопласт 1, ПО "Ростовуголь"

3 участка

5.- Шахтопласты

ПО "Донецкуголь" 12 участков

6. Шахтопласты ha» l^i i • 1з

ПО "Ровенькиантрацит" 12 участков

7. Шахтопласты

h- li ПО "красноариейск-уголь" 2 участка 0. Шахтопласт С, ПО "Павлогралуголь" 2 участка

3. Шахтопласты

1г. К7 ПО "Донбассантрацит"

2 участка 10. Разпез Юнбошань КНР

Зоны потенциально неустойчивой кровли. разрывной нарушенное™ зоны разрывной нарушенное™

Зоны разрывной нарушенное™

Зоны разрывной и

морфологической

нарушенности

Зоны изменения НДС углепородного массива, строение закладочного массива, разрывной и морфологической нарушенности Зоны разрывной и морфологической нарушенности

Зоны потенциально неустойчивой кровли, морфологической нарушенности

Зоны потенциально неустойчивой кровли

Зоны разрывной и

морфологической

нарушенное™

Строение углепородного массива

Надежность выявления - 100%. надежность оценки параметров - 85% Надежность выявления - 100%, надежность оценки параметров - 87% Надежность выявления - 100%, надежность оценки параметров - 87,5% Надежность выявления - 93%, надежность оценки параметров - 82% Надежность выявления - 90%, надежность оценки параметров - 85%

Надежность выявления - 87%, надежность оценки параметров - 82% Надеиюсть выявления - 100%, надежность оценки параметров - 75%

Надежность выявления - 100%, надежность оценки параметров - 85% Надежность выявления - 100%, надежность оценки параметров - 75% Надежность восстановления строения массива - 100%. наденность оценки параметров - 90%

числе, установленными параметрами применяемых систем наблюдений, в частности, высокой плотностью сейсмических лучей в контурах аномалии, поскольку в этом случае при количестве лучей л > 14 вероятность ошибки при идентификации аномалий по критерию максимального правдоподобия«, /8 -»0. Оценка надежности параметров аномалий, прежде всего, конфигурации зоны аномалий в плане местоположения разрывного нарушения производилась по критерию несовпадения прогнозируемого положения от фактического по данным обработки более чем на 2 ячейки томографического восстановления.

Технология непрерывного контроля параметров сейсмической эмиссии массива реализуется разработанными алгоритмами методического обеспечения, программной и технической структурой АСК. Однако значительные вариации сейсмического режима углепородного массива б различных горно-геологических условиях определяют необходимость адаптации компонентов технологии к измерению сейсмического режима. Поэтому предусмотрена по-следовательная работа АСК в трех режимах:

а) режим самонастройки - для выбора и задания количественных уставок при идентификации СИ с использованием критериального подхода;

б) исследовательский режим - идентификация, расчет параметров СИ и каталогизация сейсмических событий для текущего и ретроспективного анализа;

в) технологический режим - реализация нормативных и исследовательских методов прогноза состояния массива по параметрам сейсмической эмиссии. Исследовательский и технологический режим образуют рабочий режим АСК.

Апробация разработанной технологии проводилась в условиях ш/у "Донбасс".

После определения уставок сигналов в режиме самонастройки для каждого физического канала АСК переводилась в режим текущего контроля с ведением каталога СИ часового и сменного протоколов регистрации параметров СИ,

На рис. 4 представлены зависимости параметра нормативного сейсмопрогноза - средней часовой шумности Хср (среднее количество СИ/час) по операторскому контролю и по данным АСК за временной интервал 23 суток. Оценка достоверности автоматизированного контроля параметров сейсмической эмиссии в соответствии с разработанной технологией относительно данных

с? г

ч ■

X

/

Т1 /1

-:-1-г

15

Ы

20 25

N

11

403 «с

заде

г

Рис. 4. Зависимости часовой шумносш при автоматизированном л операторском ко!пролс параметров сейсмической активности:

— — — - данные АСК --данные операторского контроля

нормативного операторского способа регистрации СИ с использованием критерия Стьюдента свидетельствует о совпадении тенденций изменения параметров по обеим методам с вероятностью 95%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - создание физико-технических основ и технологий сейсмического мониторинга, являющегося одним из основных направлений разработки системы геомеханического мониторинга массива на угледобывающих предприятиях для эффективногог применения высокопроизводительного очистного оборудования и безопасности труда по фактору горно-геологических условий.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Предложена и обоснована методология создания систем дискретных наблюдений сейсмического мониторинга массива, обеспечивающая восстановление пространственного положения и оценку основных характеристик технологически опасных аномалий строения и состояния углепородного массива при подземкой угледобыче, возникших как в результате геологических и физических процессов - зон тектонической и морфологической нарушенности угольного пласта, зон потенциально неустойчивой кровли, так и в результате техногенного воздействия - зон повышенного горного давления от целиков в надработанном массиве, а также строения массива при открытой угледобыче. Методология основана на корректном использовании известных алгоритмов сейсмической томографии и новых расчетных схем их реализации, включающих решение прямой задачи, разработке геофизических моделей основных типов аномалий, применении установленных закономерностей изменения информативных параметров целевых типов волн в неоднородном углепородпом массиве, использовании регулярных систем наблюдений с высокой плотностью и необходимым перекрытием, многоканальной компьютеризованной аппаратуры, обеспечивающей эффективную реализацию технологии дискретных сейсмических измерений.

2. Разработаны обобщенные геофизические модели технологически опасных аномалий строения, свойств и состояния неоднородного углепородного массива типа:

- разрывные мелкоамплитудные нарушения сбросо-взбро-сового и сдвиго-надвигового характера;

- зоны морфологической и структурной нарушенное™;

- зоны ПГД от целиков в надработанном массиве, учитывающие наличие градиентных слоев изменения физических и структурных свойств массива в данных аномалиях использованием слоев с интегральными кинематическими характеристиками монотипных сейсмических волн. На основе математического моделирования волнового поля в неоднородном углепородном массиве установлены закономерности изменения кинематических и динамических параметров боковых и внутрипласто-вых сейсмических волн и определены следующие комплексы информативных параметров, обеспечивающие устойчивое выделение и оценку основных характеристик аномалий:

- для разрывных нарушений сбросо-взбросового характера - модуль максимума амплитуды и ширина спектра золн поляризаций Я и Ь, скорость ММА и длительность волнового пакета волн Ц

- для разрывных нарушений сдвиго-надвигового характера - амплитуда и скорость ММА волн Ре, ширина спектра волн Я и ширина спектра волн Ц

- для зон структурной нарушенное™ - ММА, скорость ММА, и ширина спектра волн Я и длительность волнового пакета боковых волн Ре;

- для морфологических нарушений типа утонение - ММА волн Я и Ц ширина спектра волн Я и длительность волнового пакета волн Ц

-для зон потенциально неустойчивой кровли - ММА и частота ММА, ширина спектра боковых волн Ре\

-для зон ПГД - ММА, скорость и частота ММА боковых волн Рс и волн Я и Ь.

3. Разработан эффективный алгоритм метода конечных разностей и его программная реализация, обеспечивающая вычисление компонент волнового поля и основных кинематических п динамических параметров сейсмических волн в неоднородном углепородном массиве, содержащем аномалии строения, напряженного состояния н упругих свойств. Повышение точности н устойчивости решения в данном алгоритме достигается прнме-

пением новых расчетных процедур нормирования функции источника, заданием значений коэффициентов уравнений в дополнительных узлах расчетной решетки и апробированных способов экстраполяции решения.

4. Предложена и программно реализована математическая постановка задачи восстановления пространственного положения и оценки геометрических параметров технологически опасных аномалий строения и состояния в углепородном массиве при подземной угледобыче, а также зон изменения структурных свойств и строения пород при открытой угледобыче. Для геолого-геофизических объектов, характеризующихся градиентом изменения кинематических параметров волн >20%, обосновано решение задачи в два этапа: 1) выявление зон, в которых изменение информативных параметров волн существенно превышает методическую погрешность определений этих параметров, посредством решения стандартной задачи линейной томографии; 2) восстановление пространственного полохсения и оценка геометрических параметров аномалий посредством решения прямой сейсмической задачи для семейства лучей, прошедших через аномальную зону. Для слабых аномалий решение задачи осуществляется в один этап с использованием итерационных и неите-рацнонных алгоритмов сейсмической томографии. Из рассмотрения соответствия допустимых аппроксимаций линейной томографии услойиям распространения целевых типов волн -интерференционных виутрипластовых поляризаций R и Ln боковых, предложены системы шахтных наблюдений и получена оценка их основных параметров с учетом последующей томографической реконструкции волнового пола используемых информативных параметроа. Установлено, что при сейсмапроевечива» нии выемочных столбов наиболее рациональным является применение регулярной системы наблюдений с высокой плотностью и перекрытием ие менее длины расстановки и параметрами: шаг установки СП «»10 м, шаг перемещений ПВ >30 и при длине сейсмических лучей более 150 м.

5. Разработана технология сейсмической томографии угле-породиого массива, включающая следующие основные элементы:

- программный комплекс моделирования параметров целевых типов волн, томографической обработки и графического представления данных, обеспечивающий высокоразрешающее восста-

ноиление пространственного положения и оценку параметров технологически опасных аномалий;

- комплекс информативных параметров волнового поля;

- регулярную систему наблюдений с высокой плотностью и необходимым перекрытием;

- шахтную компьютеризованную аппаратуру нового поколения, реализованную как микро-ЭВМ особой конструкции с твердотельной памятью.

6. Обоснованы принципы и разработана методология построения технической и программной структур функциональной и распределенной автоматизированной систем сейсмического мониторинга массива в режиме непрерывных измерений. Разработан алгоритм обработки сейсмической информации в составе программной структуры АСК, включающий последовательно процедуры автоматического ввода данных, программные модули идентификации сейсмоимпульсов на фоне техногенных помех, программы расчета координат очага сейсмоимпульсов в пространстве, программы архивации и технологической оценки данных контроля сейсмического режима массива. Для выбора рациональных алгоритмов определения координат впервые выполнена статистическая оценка точности решения задачи восстановления координат сейсмоимпульсов при контроле объемов массива второго и третьего масштабного уровня и определено, что наиболее точные и устойчивые решения обеспечивают методы "окружностей" и "заданных скоростей".

7. На основе анализа данных экспериментальных наблю-дешш сейсмической эмиссии массива с учетом условий задачи идентификации сейсмоимпульсов на фоне техногенных помех установлен рациональный комплекс информативных параметров, использование которых позволяет создать сравнительно простые алгоритмы идентификации при сейсмическом контроле объемов массива второго и третьего масштабного уровня. Предложены, реализованы и апробированы в виде программных модулей алгоритмы идентификации сейсмоимпульсов з режиме реального времени с использованием критериального подхода и в фоновом ре;киме с псполъзоплнием методоз распознавания образов.

3. Разработаны физико-технические основы создашм зф-фехстишшх технологий сейсмического мониторинга углепородно-го массива для повышения эффективности и безопасности горных работ на угольных предприятиях. Технологии реализуют как спстемн дискретных наблюдений с использованием сейсмической

томографии в модификациях сейсмопросвечивания и методики "псевдоотраженных волн", так и в режиме непрерывных наблюдений параметров сейсмической эмиссии с осуществлением процедур идентификации сейсмоимпульсов на фоне техногенных помех и расчета характеристик импульсов, в т.ч. координат их очагов, в режиме реального времени. В свою очередь, разработка данных технологий и методологии построения программной и технической структур автоматизированных систем сейсмического мониторинга создает возможность для перехода к качественно новому уровню информации о состоянии, строении и свойствах массива, основанному на томографическом обращении данных сейсмических эмиссионных наблюдений, что позволит реализовать пространственное представление о напряженном состоянии, строении и упругих свойствах разрабатываемого массива в режиме реального времени.

9. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований создают научное обоснование новых решений по созданию методического обеспечения, программных и технических решений систем сейсмического мониторинга угле-породного массива. Решения по созданию технических структур этих систем внедрены в РНИИКП при создании шахтной компьютеризованной сенсморазведочной аппаратуры "Пласт" с твердотельной памятью, в институте Инсистеммаш и ИГД им. А.А.Скочинскогх) - при создании АСК "Массив". Методическое и программное обеспечение системы дискретных наблюдений с использованием сейсмической томографии внедрено, в ряде производственных и научно-исследовательских организаций - ПО "Ростовуголь", экспедиции "Печоруглеразведка",ВостНИИ, трест "Карагзндауглеразведка", УкрНИМИ, ПО "Докецкуголь". Результаты исследований использованы при проведении шахтных сейсмических работ на более чем 40 участках шахтопластов в условиях Донецкого, Печорского, Карагандинского и Кнзелов-ского бассейнов РФ, на разрезах Китая.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Рубан А.Д., Черннкаа Л.Б. Опыт применения сейсмического просвечивании угольного пласта для прослеживания разрывных нарушений // В сб.: Рами ■ не и совершенствование технологии и средств комплексной механизации . при разработке угольных месторождений, - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1976. - С. 16 17.

2. Ватолин Е.С., Рубан А.Д. Кинематическая модель малоамплитудного тектонического нарушения угольного пласта // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского. - Вып. 209. - М., 1982. - С. 124-130.

3. БеронАЖ., Вапюлин Е.С., Рубан А.Д., ЧерняковА.Б. Метрологическое обеспечение шахтной сейсмической аппаратуры. // В сб.: Совершенствование научной и организационной основ метрологического обеспечения угольной промышленности. - М.: ИГД им. Л.А.Скочинского. - 1984. - С. 26-27.

4. Баталии Е.С., Рубан А.Д. Сейсмический прогноз параметров малоамплитудных разрывных нарушений угольных пластов // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского. - Вып. 235. - М., 1935. - С. 72-77.

5. Вапюлин Е.С., Рубан А.Д., Черняков A.B. Оценка информативности внутрипластовых интерференционных волн при шахтной сейсморазведке // Деп. в ЦНИЭИУголь. - N22924,1984.

6. Рубан А.Д., Черняков A.B. Выявление разрывных нарушений при сейс-мопросвечивании угольных пластов // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского. Вып. 244. - М., 1986.- С. 32-37.

7. Рубан А.Д. Шахтная сейсморазведка малоамплитудной нарушенности угольных пластов на основе эффективных сейсмических моделей // В сб.: Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов. IX Всесоюзная научная конференция вузов СССР с участием НИИ. - М.: МГИ, 1987.

8. Семенов Ю.И. Рубан А.Д.„ Новиков А.Н., Потапов A.M. Выявление неоднородностей строения угольного пласта с целью повышения эффективности очистных работ //В сб.: Повышение надежности и качества технологических процессов в угольной промышленности. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1987. -С. 107-108.

9. Рубан А.Д. Особенности комплексировакия шахтных сейсмоакусти-ческих наблюдений при изучении состояния нарушенного углепородного массива // В сб.: Творчество молодых - научно-техническому прогрессу в угольной промышленности. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1988. - С. 13-18.

10. Рубан А.Д. Функциональные задачи и основные функции автоматизированной системы контроля состояния и строения углепородного массива сейсмоакустичесхим методом II Веб.: Нетрадиционные способы добычи и использования угля. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1986. - С. 79-83.

11. Ватолин Е.С., Потапов A.M., Рубан А.Д., Черняков A.B. Методы и средства контроля состояния и свойств горных пород п массиве. - М.: Недра, 1989.- 173 с.

12. Рубан А.Д., Черняков A.B., Карпинская ¡O.A. Принципы построения алгоритма обработки данных контроля состояния углепородного массива // В сб.: Математические методы и вычислительная техника в горном деле. - М.: ИГД им. А.А.Скоч!шсхого. - 1988. С. 23-27.

13. Рубан А.Д., Васильев А.Г., Карпинская 10. Л. Физическая и программ-пап структуры экспериментальной автоматизированной сейсмоакустмческой системы контроля динамических явлений игорном массиве //В сб.: Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. УП Всесоюзная научная школа. - Симферополь, 1990. - С. 170.

14. Рубан А.Д., Загорский Л.С. Применение мстгдоз томографии для изучения состояния и строения углепородного массива // Научные сообщения ИГД им. А.Л.&сочпнского. Горио-тсхшпсскио проблемы. -М.: 1990. - С. 47-54.

15. Р} баи Л .Д., Загорский. Л.С. Определение функции времени источника сенсмоакустнчсских нмчульсоз о горном массиве //В сб.: Системный подход п горном деве. Проблемы, теория, решения. Тегисы докладов Международной конференции. - М., 1991. С. 41-42.

16. Загорский JI.C., Рубан А.Д. Алгоритм нахождения функции времени точешою источника сейсмснмпулъсоз в горном массиве // Деп. в ЦНИЭИуголь. - №5355, 24.02.1592.

XI. A. D.Rouban. Seismic monitoring of s truc ture state of rock mass under adverse mining geological conditions. Proceedings of the 2-nd international Symposium of Mining Technology and Science. China University of Mining and Technology. - 1991.-pp. 1456-1464.

18. Рубан. Л.Д., Черняков А.Б., Новиков A.H., Загорский. Л.С. Томографические методы восстановления волновых полей в задачах геомеханического контроля // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -1993. -№3. -С.37-44.

19. Круглое Н.Т., Рубан А.Д., Карпинская Ю.А. Аппаратное и программно-методическое обеспечение систем сейсмоакустнческого контроля состояния углепородного массива // Труды VI Международного семинара по горной геофизике. - Пермь, Издание ГИ УО РАН. - 1993. - С. 78-79.

20. Рубан А. Д., Круглое Н.Т., Карпинская ¡O.A. Компьютеризованная многоканальна» система сейсмоакустнческого мониторинга горного массива // Труды К Международной конференции по механике горных пород. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1993. -С.

21. Малышев Ю.Н., Рубан А.Д. Изучение напряженно-деформированного состояния и строения горных пород при геомеханических процессах в углепород-ном массиве // Горный вестник. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1993. - N21. -С. 48-53.

22. Рубан А.Д. Контроль строения и состояния горного массива с использованием сейсмического мониторинга при подземной и открытой угледобыче // В сб. Меэйду народна я конференция. Геофизика и современный мир. - М.: МГУ. -1993.-С. 148.

23. Рубан А.Д., Черняков A.B., Королева Д.И. Методика выявления зон неустойчивой кровли угольного пласта с использованием шахтной сейсмической томографии. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского, 1993. - 19 с.

24. Рубан А. Д. Разработка технологий сейсмического мониторинга углепородного массива II Горный вестник. - М.: ИГД им. А.А.Скочинского. - 1994. - N21. -С. 21-25.

25. Рубан А.Д., Глухое A.A., Захаров В.И. Моделирование волнового пола в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей // Горный вест-кик. - 1994. - N22.- С. 16-18.

26. Рубап А. Д., Захароа В.П., Глухое A.A. Анализ решения прямой задачи при сейсмопросвечивании нарушенного углепородного массива // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, вып. 300. - М., 1990. - С. 55-62.

27. A.c. 1179240. G01 V1/40//G01 V1/00. Способ определения направления линии скрещении дизъюнктивного нарушения угольного пласта / Вато-лин B.C., Рубан А.Д., Черняков A.C. - Опубл. в СИ. - 1985. - N234.

28. A.c. 1378608. G01 VI/00. Способ определения параметров разрывных нарушений угольных пластов на проходящих волнах / Ватолин Е.С., Рубан А.Д., Черняков А.Б. ,

29. A.c. 14003Û9. G01 VI /00. Способ выявления и определенна местоположения и параметров разрывных нарушений в неокоитуренном угольном массиве / Рубан А.Д., Вартанов А.З., Черняков A.C. ,

30. A.c. 1608729. G08 С 19/28. Устройство передачи информации по воло-конмо-отичсской линии связи /Чехлатый H.A., ДемченкоН.П., Корнейчук В.И., Рубан А.Д., Черняков А.Б. - Опубл. в БИ. - 1990. - N243.

31. A.c. 1644057. G01 V1/00. Способ контроля состоянии тектонически нарушенного массива / Рубан А.Д., Черняков А.Б. - Опубл. в БИ. - 1991 » - N215.

32. A.c. 1675919. G0â С 19/28. Устройство передачи информации поволо-конно-оптнчгской линии связи / Чехлатый H.A., Демченко Н.П., Рубан А.Д., Шацур А.Р., Захаров С.А. - Опубл. в БП. - 1991. - N233.