автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка информационно-технического обеспечения сейсмоакустической диагностики структурной устойчивости горных пород в массиве

РГ6 од

/ п; АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И МЕХАНИКИ ГОРНЫХ ПОРОД НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫП ЦЕНТР «ГЕОПРЙБОР.

11ц правах рукописи

ТОРГОЕВ ИСАКБЕК АСАНГАЛИЕВИЧ

УДК 622.831.001.5

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЕИСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СТРУКТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД В Л1АССИВЕ

Специальность 05.15.11 — физические процессы горного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек — 1993

Работа выполнена в Институте физики и механики горных пород Академии наук Республики Кыргызстан.

Научные руководители: доктор технических наук, академик АН РК,

Айтматов Ильгиз Торокулович, кандидат технических наук Алешин Юрии Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мамбетов Шергазы Асамбаевич, кандидат технических нчук Тажибаев Кушбакали Тлжибаевич

>

Ведущая организация: Институт горного дела АН Республики

Казахстан

Защита диссертации состоится « » 1993 г.

а часов на заседании специализированного совета Д 009.09.01

Института физики и механики горных пород АН Республики Кыргызстан по адресу: 720815, г. Бишкек, ул. Медерова 98.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке института физики и механики горных пород.

Автореферат разослан « » 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д. т. н.

К. Ч. Кожогулов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАВОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость прогнозирования а пр'гдупреядетл таких опяпгах природно-техногетшх явлений как техногетше зрклстрясспия, горные удярм, оползни откосов требует, наряду с прнмепегшек пфф^ктнрннх и рациональных способов ведения горных ра<5от, скорейшнго создагшя иятодов вониторяпГв устойчивости геоструктур с целы заблаговременного распознавания рпг>личнчх отяттЯ и фаз снияения устойчивости структурных элементов блочного иасеива псрод под влпяттири рпялгтчя природных и техногенных воздействий.

В настоящее вреия в геомехашше применяется широкий арсенал методов и средств диагностики и контроля состояния массива горных пород (МГП), в том числе метод, основанный на регистрации и энзлизе параметров сейсмоакустической эмиссии (САЭ). 0дниц*из: недостяткоп этого метода является то, что при разработка практических методик и технических средств сейсиоакустического геоконтроля используется традиционная модель среда, базирующаяся-на механике контаниумя и линейной упругости. При этом совершенно не принимались во вш-шание такие основные особенности к спойстря горных пород в мпссиве как их дискретное, блочно- иррярхичеокое строение, нелинейность, временная изменчивость, существенно влияндав на характер эмиссиотгой активности, и затруднлкщте интерпретацию данных.

Поэтому изучение закономерностей процессов САЭ в. реальном блочном МГП при изменении еГо структуры и напряженно-дофершропзшюго состоя1Мя, напраалегагах на разработку физически оОосновятшх принципов и методоп ссйсноакустичеокой диагностики и контроля, является актуальным научным направлениеи, причем на первый план выдвигается задача информационно-технического

обеспечения диагностики структурной устойчивости, которая мокет быть решена путем разработки иетодов и средств получения, обработки и интерпретации сейсмоакустической эмиссионной информации, учитывающих совокупность перечисленных выше особенностей реального МГП и обеспечивающих заблаговременное распознавание различных фаз и стадий снижения структурной устойчивости элементов консолидированной блочной системы МГП в процессе ведения горных работ.

В настоящей работе представлены результаты исследований, выполненных автором в соответствии с планами НИР Института физики и механики горных пород АН Республики Кыргызстан по темам: "Разработка оперативных методов, создание и освоение в производстве технических средств геофизического мониторинга и локализации опасных и структурно-неустойчивых участков массивов горных пород", "Автоматизированная сейсмоакустическая система приборов контроля и анализа динамических явлений с целью локального прогноза удароопасности массива гор; ¡их пород". (ГР N 01.89.0002264).

Целью работы является разработка физически обоснованных принципов, практичеоких методик, программных и технических средств информационного обеспечения диагностики структурной устойчивости массива горных пород на основе использования комплекса информативных параметров САЭ.

Осношая____идея работы заключается в обосновании и

использовании для синтеза контрольно-диагностических процедур, идентификации неустойчивости геоструктур сейсмоакустической информации на основе статистического анализа параметров эмиссионного отклика контролируемого участка блочного МПТ на малые естественные и искусственные возмущения условий его

равновесного состояния.

Методы ^исследовэнйй. В работе использовался комплекс методов, включающий: натурные измерения параметров САЭ в процессе контролируемого нлгружения горных пород; обработку и анализ экспериментальных данных методами математической статистики; аналитические исследования методами теории вероятностей и распознавания образов с применением ЭВМ; метода оптимального синтеза электронно-акустической аппаратуры. Научные положения, выносимые на защиту;

деформирование горных пород в массиве с блочным строение« носит преимущественно толчкообразный характер, обусловленный относительными смешениями (подвижностью) блоков друг относительно друга, инициирующими возникновение высокоэнергетических импульсов САЭ сдвигового типа;

диагностика устойчивости геоструктур осуществляется путем контроля и анализа комплекса информативных параметров, характеризующих сейсмозкустическую эмиссионную реакцию контролируемого участка массива горных пород на малое возмущение условий его динамического равновесия;

комплексирование параметров импульсов и режима САЭ в единую систему информативных признаков неустойчивости контролируемой геоструктуры, определение граничных значений информативных параметров для выделенных классов устойчивости и выбор оптимальных решающих правил классификации осуществляется на основе концепции распознавания образов.

Научная новизна получаемых результатов заключается; в научной актуализации проблематики информвционио-технического обеспечения мониторинга структурной устойчивости элементов блочно-иерархической систеш ияссива гортаис пород и

использовании в качестве критерия структурной устойчивости характера сейсиоакустической эмиссионной реакции геосистемы на малые изменения условий ее динамического равновесия;

в установлении полимодального характера распределения импульсов САЭ, излучаемых при формировании неустойчивых состояний по их энергии; длительности, максимальной амплитуде, обусловленных спецификой дискретности и характером деформирования горных пород в массиве с блочным строением;

в установлении закономерности изменения статистических характеристик параметров импульсов и режима естественной и вызванной САЗ, отражающих переход контролируемых участков МГП из устойчивого состояния в неустойчивое и выявлении ^ комплекса информативных параметров САЭ, имеющих диагностическую значимость для оценки структурной устойчивости участков блочного горного массива;

в разработке статистического описания трех различных классов структурной устойчивости в виде вектора средних значений модифицированных информативных признаков САЭ и их взаимной ковариационной матрицы, отличающегося тем, что произведено ранжирование признаков по информативности и учтены особенности . корреляционных связей между информативными признаками;

в разработке экспериментально-аналитического метода и алгоритмов распознавания различных классов структурной устойчивости, использующих в качестве решающих правил линейную и квадратичную дискриминантные функции, и определении условий эффективного применения различных композиций информативных признаков.

Личный вклад автора состоит: в проведении экспериментальных исследований САЭ в условиях действующего рудника с использованием аппаратуры, разработанной и изготовленной при участии автора; в

разработке сейсмоакустического метода распознавания различных классов структурной устойчивости горных пород; в разработке способов комплексного геофизического мониторинга проявление неустойчивости на геотехнических обт-^ктях;. - в • разработке технических требований «а ппнаратуру рргнстряцхи САЗ ' и

организации ее мелкосррпйнсго гшпускя. .....лму тм.-^.,;....

Дс.'товдргга^ть нятчиих нолозепнй. и внрлосв подагверздяетсгп -. ■ щеДСТЯВИТ<?ЛНШМ 0С-ЬеМ0М ИССл'еЛОР.ЯНИЙ СР8СМОЙЙ$'СТ«Г»теМ«*?11 я д-г-^рияшонных процессов, полученных в ходе, иноголвтнегокрупномасштабного пкстгерименга по яягпулекиа рг.т*** п«гЛййов;ш8"ягру?лдаа "Карнасурт" Ловозерского ГОКа; ..1 ...... ■ .. .

сходимостью результатов сейсмоакустичесгаи иизблюданий'^г е данными о состоянии массива, полученными.''рясчетгаш'^.путем и прямыми независимыми методами ко1ггроля.!ГорноЕо:1Давяений^в«"»'Дг.-;:-А Практическая ценность работы; ¡еййТ.ш^З)

разработаны иетодягл т;о!т«"«сного". сййсыочкусточсского мониторинга опасных проявлений струг,-урной .в^ЙтоЯчиростн участков массива горных порол в производствогашх условиях -т подземных геотехнических объектах; ■ • •

обоснованы технические требования И-' ОСПНвОТВЯвН' ШШЬ аплпрптурн, предназначенной для регистрации:Йомплекся:ша^ормятив-ных параметров САЗ в пахтти условиях для .. ретаняя ' яодяч рз»;попизв8ния нсустоЛчипоотичгчясйЮв'иассявв'торни* пород?-;.

разработаны ррксмчндяции и методики использования ййлппмл САЭ в сочетании с другими иетодаш.геокдгггроля'для ..ссу^чстплогшл коот-гроиого геофизического мониторинга критических состояний массива в усл-.виях действугаях РУЯШПОЗ Я "»ЯХТ." ■ ■ • ■

Рея читателя работы^ При утчстни рпторп разработаны, изготовлены п яилтаеиы в виде опытных нгфтнЯ • ряд 'модификаций

а

портативных регистраторов сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии, в том числе, во взрывобезопасном исполнении для применения на шахтах опасных по газу и пыли. Приборы типа АЭР, АЭР-2Ш, АЭР-КОМВИ используются при мониторинге состояния МГП, контроле устойчивости, оценке опасности динамических проявлений горного давлений на горнодобывающих предприятиях России, Казахстана, Украины, Грузии, а также научно-исследовательскими организациями при изучении процессов деформирования и разрушения горных пород. Общий объем выпуска приборов за период с 1908 но 1992 г.г. составил 500 тыс. рублей, при этом экономический эффект у производителя приборов составил 82 тыс. руб.

Апробация работы. основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных семинарах по горной геофизике (Сухуми,1983; Боржоми,1987; Телави.1987) I Всесоюзной школе-семинаре по системам контроля горного давления (Боржоми, 1987), II Всесоюзной школе-семинаре по акусто-змиссионным преобразователям (Телави,1989), IY Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе,1989), YII Международном конгрессе по Маркшейдерскому делу (Ленинград,1988), II Всесоюзном семинаре-"Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья (Бишкек, 1991).

Приборы для регистрации САЭ демонстрировались в I987-I99I гг. на ВДНХ СССР, Международных выставках и ярмарках в Г.Бухаресте (Румыния), Салоники (Греция), Ленинграде (СССР), Пекине и Урумчи (Китай) и отмечены дипломами и медалями.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, получено 7 авторских свидетельств на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, t г«яп и заключения, изложенных на 250 стр. машинописного

текста. содержит 42 рисунка, ТТ таблиц, список литературы из 143 наименований, приложения.

Автор считает 'споим долгом вяравить глубокую благодарность коллегам и* W»3, ГИ КНЦ Российской академии нчук. ИФ и ЧГП АН Кыргмястяив, способствонавяшм проведению зкоперикеятяяьян* и • ттгчяп»ипвтим участие и олытно-вонетрукторекзх

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

UwtfJS. Г^^НчиЧйСКиЯ __w «»ОИНЦЩШ й'^орцвнионно-

техничсского обеспечения _ мониторинга^проявлений пеустойчи1.<осгл геоструктур. На основе анализа совреиешмх. представлений о блочно-иерархической, дискретной структуре, временной изменчивости, нелинейности и эмиссионной активности геофизической среда предложена формулировка структурной устойчивости геосистем, в которой в качестве критерия устойчивости выбран характер 1 • ейгмояку» :тиче ской мтссиоииой рочкшш и ии отклик? геосистемы и я

ВЛИЯНИЕ !?С1.ЧМУ1ЯЧ)!ИЯ, ППС-С.ИМОГО II Г'ИГТГ'Му,

Обращено внимание на то, что структурная неустойчивость олементог» блочного мтссчвч различных рангоя является общей первопричиной таких явлений как землетрясения, горныр и горно-тектонические удары, толчкообразные ппдвшгкн блоков. !' связи с нробходамоотьр' прогно-яровяния и предупреждения подобны* проявлений неустойчивости геоструктур, рпсядох в рядя случаев катастрофический характер, обосновывается потребность в ря-фрботчр оперативных методов и средств мониторинга структурной устойчивости, обпепечивпших заблаговременное выгтпгтоге различных стадий и фаз снижения устойчивости ронтролируячга госструктур, как периодов, в которые деже прзнячительинв естествепгагв и техногенные воздействия могут привести к потере устойчивости.

На основе анализа опыта использования явления САЭ для контроля устойчивости геоструктур показано, что информативные возможности метода используются недостаточно полно и без учета особенностей потока сигналов упругих колебаний, генерируемых в блочно-иерархической среде. Стохастический характер потока сигналов САЭ, связанный с неоднородностью, дискретностью и временной изменчивость!) геофизической среды, а также сложность, малоизученность и уникальность МГП как объекта сейсмоакустичес-кого мониторинга предопределили необходимость применения в процессе диагностики устойчивости статистических методов обработки и интерпретации комплекса параметров САЭ в сочетании с вероятностным подходом к оценке и классификации устойчивости на базе концепции распознавания образов.

На основе анализа и обобщения литературных данных сформулированы основные положения информационной модели сейсмоакустического мониторинга неустойчивости геоструктур, в рамках которой поставлены и решены следующие задачи:

установлены закономерности изменения статистических; характеристик параметров импульсного потока сигналов естественной а вызванной САЭ, отражающие переход контролируемых участков блочного МГП из устойчивого состояния в неустойчивое;

определены информативные параметры импульсного потока сигналов САЭ, имеющие диагностическую значимость для распознавания стадий снижения структурной устойчивости контролируемого участка массива и сформирован словарь информативных признаков распознающей системы; .

разработан и исследован экспериментально-аналитический метод сейсмоакустического распознавания различных классов устойчивости геоструктур в варианте с предварительным обучением распознающей

системы и соответствующее программное обеспечение г

разработаны mrtoдики комплексного геофизического мониторинге опасных проявлений структурной неустойчивости участков «посипи rrpinj;; 'юрод, приспособленные для иирояого применения на др£стг»*»в»х подземных гео!ехшпрских объект?*;

рз-фоботаня и о»;иорнв и мелкосерийном производстве портятяиняя ияхттгая яппаратура регистрации комплекса параметров САЗ» оЯ'-епе-птяшяя получение веобходииой информация длч родгги.чяшш процедуры распознавания неустойчивости госструктур. Экспсра««птвльиыв иссддсвэддая туя возбуждении

неустойчивых.....гфрцессоп _ в .Jíaccme_ ropi«íx_ пород. 17рсдстзрл«>нч

результаты комплексных исследований сейсыоякустических и деформационных процессов, полученные п ходе крупномасштабного эксперимента поэтапного нягрунения целиков вплоть до их разрушния на руднике "Кярнясурт" Ловозерского ГОКа, отнесенного к категорга тдчртюпвсних. Из з«г?!агп«"»л».иои этап«« яксперинента в лщх7 гг. дая иптатуршх рулими тликэ, в которых «или гстацлидрнн яптчики для регистрации САЭ и д«?Ф')ркомг>тря, погружались па сют последовательного удаления с ПОМОЧЬЮ Г)?.рНЙСВ окрувп»*яяя ряутриблоко»»х пвлякоч, т.е. перераспределения t*ecs подработанной толки пород ппд экспприментальшм блоком.

С П<->«-!Л.!> сяшялгдак тетяичвских средств, в том число аппаратуры, ра;:ргботглшоЯ при участии явторч. ротеютрпровалея и анализировался комплекс параметров'САЭ в диапазоне чвоют от 0,1 "о кГц. включаадай амплитуяпо-эиергетмчвскяе, частотная, j>pPMPiti«v« пярпметрм как отделышя »чти лов, так ?* стохастического потряя САЭ. а такта характер ч продолжите яьвость

затухания, вс?буждетюй ппрнмии сейсиоякугтичеокоЯ ¡»ктивиости.

Для контроля и идентификация состояния устойчивости испытуемых целиков по фактору горного давления одновременно в нескольких точках проводились непрерывные измерения продольной деформации • обоих целиков. Информация о характере и скорости деформирования целиков, а также данные, получешше с помощью других геофизических и геомеханичееких методов коллегами из И$3 им.О.Ю.Шмидта, ГИ КНЦ, ЛФТИ Российской академии наук имели важное значение при интерпретации косвенной по своей природе сейсмоакустической информации.

В процессе нагружения целиков выявлен толчкообразный характер деформирования, проявляющийся по мере возрастания нагрузки и приближении целиков к предельно напряженному состоянию (о>0,7Сра3р>), обусловленный подвижками блоков порода, слагающих целики, и инициирующий возникновение высокоэнергетических импульсов САЭ сдвигового типа. Сигналы САЭ сдвигового типа и разрыва сплошности (разрушения) породы составляют две основные группы сигналов, выявленные при деформировании участков блочного массива. Их отличительным признаком может служить длительность, которая для сигналов сдвигового типа в 5-10 раз больше длительности сигналов.САЭ, вызванных растрескиванием породы.

Обработка результатов сейсмоакустических наблюдений процессов деформирования, разрушения и структурной перестройки в целиках статистическими методами с применением вычислительной техники позволила установить ряд закономерностей и особенностей САЭ, обусловленных спецификой блочно-иерархического строения контролируемого массива. В частности, впервые установлен многомодальный характер распределений импульсов САЭ, излучаемых на стадии формирования неустойчивости, по их энергии, длительности, максимальной амплитуде, обусловленный тем, что по

мере возрастания нагрузки и снижения устойчивости в процессы структурной перестройки постепенно вовлекаются элементы блсчноА системы более высотах рангов. Поскольку характерные р8.">ме}?и блоков и межблочных трегакн образуют дискретный спектр, то постепенное вовлечение в процессы перестройки структура элгипитр* все более высоких рангов, приводит к появлении соответстг>ош>с более высоких дискретннх мод в статистически* распределения'! энергетических и временных параметров импульсов САЭ.

Йзушляе характера изменения статистических оценок параметров импульсного потока сигналов САД, саяэашого а постепенным переходом целиков в неустойчивое состояния, позволило выявить:

увеличение средних значений энергии, длительности, максимальной амплитуды импульсов САЭ по мере снижения и потеря устойчивости целиков за счет появления шсокоэнергетических сейомоякустичеоких импульсов сдвигового типа я, няттрстев. уменьшение средневремеютого интерввла ояидапия ютульеов, адекватное возрастанию активности САЭ;

синхронное с увеличением средних значений увеличение дисперсии, длительности и максимальной амплитуда импульсов САЭ.

Установлено, что динамические явления в целиках (стреляния, ынкротолчки), число которых возрастает при увеличении скоростя деформирования и переходе целика в оппско неустойчиво?» состояние» предварялись увеличением коэффициентов вариации максимальной амплитуды, энергии, длительности и времени ожидания ишулъоой САЭ.

Изучение парных корреляционных евя-ей меяду пярвмйтрпми импульсов н реяимэ САЭ показало, что гсремя ожидания импульсов I? параметры самих импульсов (длительность, энергия и ашлзтудя)

и&шюгск статистически незвйиОмшии, т.к. модуль коэффициента корреляции между параш указанных параметров' не превышает значения lrt-0,3, в то вреив как иежду энергией (амплитудой) и длительностью импульсов существует достаточно тесная корреляционная связь г-0,74-0,96. •

lia примере совместных гистограмм распределения информативных параметров САЭ, полученных в различных состояниях устойчивости (рисЛ) показано, что совокупность параметров импульсов и решша САЭ образует многомерное пространство признаков, в котором различные классы устойчивости образуют довольно компактные множества.

Сравнительный анализ характера и продолжительности сейсмоакустического отклика целиков, находящихся в различных состояниях устойчивости, на возмущающее воздействие взрывов показал, что по мере снижения устойчивости отмечается возрастание начального уровня сигналов возбужденной САЭ в высоко- и низкочастотном диапазонах при одновременном возрастании длительности и нестабильности спада активности САЗ, вызванной взрывами, до фонового уровня, т.е. возбужденная взрывом или другим возмущающим - воздействием САЭ является индикатором изменяющейся во времени устойчивости, геоструктур.

В целом результаты экспериментальных исследований позволили сформировать рабочий словарь информативных сейсмоакустических признаков снижения устойчивости геоструктур с предварительным ранжированием их по информативности с целью минимизации описания различных классов устойчивости.

Разработка сейсмоакустического метода распознавания состояний устойчивости геоструктур. Эффективное применение метода сейсмойкустической эмиссии в задачах распознавания устойчивости

Устойчивое состояния

со

и е*

о &

Неустойчивое состояние

О &

Л '----_

< I / ! Л»- »«.1

Г >"" .........

,.....

юсш.чз«'1**? •'•«л,;«'' •.'.-••::

ел

Гис. 1Л. ^рехнврпкв гагл<.пт^глн длительности и времени атдянпл икну.чьзор ОАЭ в устойчивом и неустойчивом соотояших целика.

геоструктур в значительной степени определяется тем, насколько правильно и полно выбрана система информативных признаков САЗ применительно распознаванию в конкретной совокупности классов устойчивости и состояний реальных массивов. Для определения критериев комплексашш параметров САЭ в единую систему информативных признаков, изучения эффективности различных композиций параметров, выбора маршрута и алгоритма распознавания нами разработан поэтапный экспериментально-аналитический метод исследования с использованием принципов распознавания образов (рис.2).

На первом этапе, исходя из конкретной геомеханической задачи и технико-экономических требований создания распознаыцей системы, было выделено три основных класса устойчивости геоструктур: устойчивый, неустойчивый и опасно неустойчивый. Особенность предложенной классификации устойчивости состоит в том, что классификацию состояния контролируемого учвстка приходится осуществлять на основе косвенной информации ~ параметров импульсного потока сигналов САЭ, не имея точных данных об уровне напряжений в массиве. Отмеченная особенность предопределяет необходимость введения при классификации образов этапа обучения распознающей системы, т.е. введения в банк данных распознающей системы описания состояний массива (своеобразных эталонов) с указанием значений наблюдаемых сейсмоакустических признаков и того класса устойчивости, к которому относятся эти состояния. Указанные описания представляют собой обучающие выборки трех классов устойчивости, в качестве которых были выбраны регистограммы (записи парметров и режима) возбужденной взрывами

"Ч протяжении I чеса после взрывов в каждом из трех классов - исйнтифицируемых на основе прямых данных контроля

Выделение основных классов устойчивости для распознавания

[ Формирование обучавдих' [___________выборок_________

Составление рабочего " словаря информативных признаков

Описание классов на языке информативных признаков

Исследование корреляционных связей меаду признаками

Разработка алгоритма распознавания____________

Выбор критерия эффективности композиции параметров САЭ_______

3 класса состояний: Нр устойчивое

Н2- неустойчивое

Нд- опасно неустойчивое

3 обучающихвыборки соответствующие трем классам _устойчивости_______________

4 информативных признака: 1п г! т (11; 1п Е; 1п ^

1.Вектор средни* значений комплекса информативных признаков

Х1=( Ш? х; ШТ1! ШЕ1; }

2.Матрица попврных ковари-аций информативных признаков

51(1п11;1п«1;1пЕ1;1пА1)

Процедура йрипятия решения-верна гипотеза Н^гй принадлежит 1-му классу.если в(г,х,у)<>С, где g(z,x,y)-

линейная или квадратичная дискриминантные функции,С-некоторое дискрниинантное число

Достоверность распознавания Р{я(2,ж,у)} <> 0/1^

Рис.2.Структура методики исследований эффективности комплекса параметров САЭ в задачах распознавания структурной устойчивости

торного давления и деформаций в испытуемых целиках.

Словарь информативных признаков распознающей системы составлен из временных параметров импульсов и режима САЭ (длительность импульсов t и время ожидания импульсов dt), а также параметров энергии Е и максимальной амплитуды импульсов Ащ. .Установлено, что одномерные функции плотности вероятности каждого из перечисленных параметров САЭ наиболее точно аппроксимируются логарифмически нормальным распределением. В этой связи в целях упрощения последующих расчетных операций взамен втих параметров были введены модифицированные информативные параметры, в именно логарифмы исходных параметров САЭ, т.е. Int, lndt, InE, lnA^ что позволило привести лопюрмвльтае распределения исходных параметров к удобному в использовании - нормальному закону распределения модифицированных параметров.

Описание классов устойчивости па языке информативных признаков осуществлялось в виде вектора средних значений модифицированных информативных признаков X1=ilfvf1, Ittöfj, IiiEj, ШД^) и матрицы ковариэции S^dntj, lndtp lnEp lnAm). IIa основе установленных особешюстей корреляшошшх свпзей в дальнейшем осуществлена минимизация описания классов на языке информативных признаков за счет исключения одного или двух взаимосвязанных признаков без потери информации.

На втором этапе проводились аналитические исследования г.&$ектквпостн комплекса информативных параметров при решении г.пдач распознавания длл двух и трех классов устойчивости применительно к разработанным алгоритмам, построенным на основе линейной и квадратичной дискриыинантной функции. В качестве критерия эффективности использовалась достоверность распознавания 1-го класс я устойчивости: из заданного множества классов.

Сравнительная оценка эффективности различных правил на оонош; рассчитанных дискримилантшх функций показала, Ччч) гцш распознавании ь рамках двух классов состояний устойчиьоог» Н( н Н2 наиболее аффективно решахцее привило, лосчрованой ни ^■■¡¡•¡т-линейной дискршлшантной функции:

й=2<й-и1+ (I)

где и Б2~ковариационные матрицы классов Н1 и ({.¡;

X и У-векторы средних значений информативных параметрон дли классов Нг и Н2, полученные по данным обучающих выборок 1 - классифицируемый вектор, символ Т означает

транспонирование. При распознавании ь райках 1р>;х классов cipyicfypMi.il устойчивости Нр Н2 и Н3 предпочтительнее рьшавицеи праиияо, построенное на основе квадратичной дискриминантной функдин:

1*2= -|-(г-х2)т321(г;-х2)+ -¿-ги аг ш

Нз= (?,I )п 5а

где Х^, Х2, Х3-векторы средних значений информативных периметрии соответственно для классов Нр Н2, Ид, полученных по данный оОучашодих выборок. Классифицируемый вектор 7, относится к тому классу, для которого величина П^ оказывается шншеньыеА.

С помощью разработанных программных средств, рассчитаю»« на

применение ПЭВМ, исследована достоверность распознавания для различного количества и комбинаций информативных признаков при использовании решающих правил (I) и (2). При этом, установлено, что минимальным и достаточным набором информативных признаков, обеспечивающих достоверность распознавания двух или трех классов устойчивости не хуже 755?, являются тройка слабокоррелированных между собой модифицированных информативных параметров САЭ -времени ожидания lndt, максимальной амплитуда 1пАт и длительности Int импульсов САЭ.

Методические основы . комплексного сейсмоакустического мониторинга структурной устойчивости геотехнических объектов.

Многоцелевой характер проблем диагностики критических состояний горных пород, возникающих при интенсивном техногенном воздействии на массив, сложные горно-геологические условия, неоднозначный характер их влияния в сочетании с конкретными технологическими схемами разработки на устойчивость структурных и конструктивных элементов блочного массива горных пород предопределяют необходимость разработки комплекса

взаимодополняющих методик мониторинга. Предложен рациональный комплекс таких методик, легко приспосабливаемых к различным условиям функционирования геотехнических объектов с учетом различия их масштабов, а также требований режима наблюдений по времени, оперативности и надежности принятия решений, помеховой обстановки. На основе разработвнного автором сейсмоакустического метода распознавания неустойчивости геоструктур комплекс методик объединяет:

-оперативную методику контроля устойчивости участков массива, основанную на периодической регистрации и последупцем сопоставлении параметров затухания искусственно возбужденного

сейсмоакустического излучения в диапазонах высоких и низких частот (A.C. I710732 Е2Т С 39/00);

-методику сейсмоакустичьокого распознавания удвроонасного состояния массива горных пород но вариации комплекса временных параметров САЭ и времени пробега упругих колебаний, возбуждаемых при периодическом акустическом зондировании контролируемой зоны массива г.е. основанную на сочетании пассивного и активного режимов оейсмоакуотических наблюдений (A.C. 1652609 E2I F5/D0);

-методику мониторинга процесса разрушений горных пород в массиве: (A.C. 1645514 Е21 С ЗЭ/00) и предупреждения горно-тектонических ударов (A.C. 1645558 E2J F 5/00), базирующиеся на одновременной регистрации и контроле соотношения активности парных сигналов сейсмоакустической и электромагнитной эмиссии;

-методику распознавания опасного состояния локальных участков массива горных пород, заключаюцуяся в совместной регистрации САЭ и относительных изменений горного давления (Полож. реш. но заявке на изобретете 489Г529/03/12062&3).

Отличительная особенность предложенных методик состоит в том, что в процессе режимных наблюдений осуществляют совместный контроль параметров САЗ в различных комбинациях с параметрами электромагнитной эмиссии либо относительными изменениями горного давления, а тает о. регулярно возбуждаемых при акустической зондироьсш-йи упругих волн. За счет совместной регистрации и анализа разнородных геофизических параметров, несущих информацию о различных сторонах геомеханических процессов в реальной среда, достигается повышение достоверности своевременной идентификации опасных состояний массива е неблагоприятных с точки зрения яснйх yc/KiBHitx функционировании геотехнических объектов. Методики

рассчитаны на широкое и систематическое применение как в комплексе, так и по отдельности. Совокупность рассмотренных методик, научная и техническая новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами • на изобретения, составляет методическую основу комплексного сейсыоакустического мониторинга проявлений неустойчивости геоструктур.

Разработка и создание регистраторов СДЭ для диагностики устойчивости геоструктур в шахтных условиях.

Для реализации методов сейсмоакустического мониторинга устойчивости геоструктур в условиях действующих рудников и шахт потребовалась разработка специализированных шахтных приборов, обеспечивающих одновременное измерение и регистрацию активности и динамической шумности САЗ, тесно связанных с выбранными кнформативныш параметрами - временен ояидания и длительностью импульсов СДЭ,

С учетом сформулированных требований разработан и создан ряд приборов типа АЭР, построенных на современной микроэлектронной базе и представляющих собой двухквнальный портативный цифровой регистратор активности и динамической шумности САЭ в диапазоне частот 0,2-60 кГц. В различных модификациях приборов типа АЭР предусмотрена возможность изменения амплитудного и частотного диапазонов регистрации САЭ. Приборы позволяют регистрировать выделенные параметры САЭ в автоматическом и деяурноы режимах с регулируемой длительностью интервала регистрации Основные схемяо-техиические решения прибора АЭР защищены авторским свидетельством на изобретение. Разработана и освоена в производстве модификация прибора АЭР-КОМБЙ позволяющая наряду с сейсмоакустической ■ эмиссией регистрировать электромагнитную ешссию горных пород в диапазонах частот 2-50 и 60-200 кГц.

Разработан унифицированный комплект первичных измерительных преобразователей САЗ на основе пьезокерамикм ЦТС--1Э в вариантах крепления на свободных поверхностях горных пород, в шпурах и скважинах с механическим и пневматическим прижимом.

Приборы типа АЭР в полном объема обеспечены конструкторской н эксплуатационной документацией, изготовлены вспомогательные приспособления для калибровки приборов и унификации их основных технических характеристик. Проведена государственная экспертиза взрывозащшцышости прибора АЭР с видом взрывозащиты Ро Иа. Прибор успешно прошел ведомственные испытания на шахтах НО "Воркутауголь". За период 1988-1992 г.г. изготовлено по заказан научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий горнодобывающих отраслей более 200 комплектов приборов типа АЭР. При этой экономический эффект у производителя приборов за все года выпуска приборов АЭР составил 82 тыс.рублей. Использование приборов на месторождения* отнесенных к категории удароопасных или угрожаемых по горным ударам имеет социальный эффект, т.к обеспечивает безопасные условия труда при подземной разработке этих месторождений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена актувльная научная и практическая задача - разработаны метод и средства информационно-технического обеспечения сейсмоакустнческой диагностики структурной устойчивости горных пород в массиве с блочным строением иа основе распознавания образов по комплексу параметров сейсиоякустической эмиссии, отраяащих проявления неустойчивости ялеиантоп блочно-иерархической системы массива горных пород. Разработка обеспечивает повышение достоверности мониторинга еостояняя

высоконапряяенных участков блочного массива в процессе техногенных воздействий. Основные результаты исследований заключаются в следующем:

1. Предложены способ и критерии диагностики устойчивости геоструктур, базирующиеся на статистической интерпретации комплекса сейсмоакустических параметров, характеризующих эмиссионную реакцию контролируемого участка массива горних пород на малое возмущение условий его динамического равновесия,

2. Выявлен полимодальный характер распределения импульсов САЭ по их энергии, длительности и максимальной амплитуде, обусловленный спецификой протекания деформационных процессов в горном массиве с выраженной блочно-иерархической структурой. Установлены закономерности изменения статистических характеристик энергетических, амплитудных и временных параметров импульсного потока сигналов естествешгой и вызванной САЭ, отражающие переход контролируемого участка массива из устойчивого состояния в неустойчивое, и имеющие диагностическую значимость для выявления различных фаз структурной устойчивости блочного массива.

3. Разработан и исследован экспериментально-аналитический метод сейсмоакустического распознавания среди трех классов устойчивости геоструктур, основанный на классификации состояния по комплексу параметров САЭ с использованием обучающих выборок и рассчитанных' значений квадратичной и линейной дискриминантных Функций. На основе выбранных алгоритмов распознавания разработано и опробовано программное обеспечение вычислительных процедур принятия решения об идентификации состояния устойчивости в вариантах с изменением яисла распознаваемых классов от двух до трех и набора информативных признаков от одного до четырех.

4. Показано, что достаточным для достоверного распознавания

среди трех классов структурной устойчивости является набор информативных признаков САЗ, представляющих тройку слабокоррелированных модифицированных параметров: время ожидания lndt, длительность импульсов САЭ Int и максимальная амплитуда огибающей импульса 1нАт. При использовании указанного набора информативных признаков достоверность распознавания составит в среднем 85% и будет не хуже 75*.

5, Для надежной идентификации опасных или критических состояний массива горных пород в сложных прозводственных условиях действующих шахт и рудников предложен ряд методик геоконтроля, отличительная особенность которых состоит в том, что в процессе режимных наблюдений осуществляет совместный контроль параметров САЗ в различных комбинациях с параметрами электромагнитной эмиссии, величинами относительного изменения горного давления, либо регулярно возбуждаемых при активном зондировании упругих волн.Совокупность предложенных методик, научная и техническая новизна которых подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения, составляет методическую основу комплексного геофизического мониторинга неустойчивости геоструктур.

6. При участии автора разработаны, изготовлены и переданы горнодобывающим предприятиям и научно - исследовательским организациям специализированные средства регистрации САЗ, представляющие собой унифицированный ряд портативных, шахтных двухканальных приборов с автономным питанием, оснащенных первичными измерительными преобразователями различных модификаций и, позволяющих регистрировать различные параметры САЭ в широкой частотном диапазоне (0,2-60 кГц), в том числе, применительно к распознаванию неустойчивости участков массива гортл пород в шахтных взрывоопасных условиях. Общий объем выпуска разработанных

приборов за период с 1988 по 1992 составил 500 тыс.рублей, при этом экономический эффект у производителя приборов составил 82 тыс.рублей.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Автоматизированная система контроля устойчивости массива горных пород // Горная геофизика. Тбилиси. 1983. с.154. Соавторы В.Я.Степанов, Н.Т.Попов.

2. Разрушение как источник информации о напряженно-деформированном состоянии // Применение геофизических методов для изучения скальных оснований. Сб.науч.трудов Гидропроекта. ЙД1Л14.-Москва. 1987. с.90-93. Соавтор В.А.Мансуров.

3. Сейсыоакустический контроль процесса разрушения целиков и выделения упругой энергии /./ Горная геофизика. Тбилиси. 1987. с.167-168. Соавторы В.А.Мансуров, В.И.Медведев, Н.С.Орлов.

4. Метод контроля состояния участков массива горных пород и его аппаратурное оформление // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии. Кишинев. 1987. с.91. Соавтор В.А.Мансуров.

5. Возможности акустической эмиссии при прогнозировании деформирования и разрушения горных пород // Сб.докладов YII Международного конгресса по маркшейдерскому делу. т.XIII Ленинград. 1988. с.3-13. Соавторы В.С.Куксенко, Г.Б.ГаЙваронский, Б.Ц.Мвнжиков, В.А.Мансуров.

6. Шахтный портативный регистратор акустической эмиссии //Информационный листок N22(4339). сер. 52.01.85. ©рунзе:КиргизНИИНТИ. 1989.-0,23 п.л. Соавторы Ю. Г.Алешин, М.Н.Лейцян.

7. Экспресс-метод и аппаратура диагностики устойчивости

участков массива горних пород // Информационный листок о НТД. сер.52.12.25. ОТО.-Фрунзе :КнргизШШТИ, 1989. -0,23 п.л. Соавторы Ю.Г.Алешин, Т.А.Зеленина, Е.Ч.Жыйдебаев.

8. Шахтный двухканальный регистратор акустической и электромагнитной эмиссии АЭР 2 // Инфориациошшй листок о НТД. сер.52.13.25. Ш1-Фрунзе:Кир1тоШШТ11. 1999. -0,23 п.л. Соавтор Ю.Г.Алешин.

9. СеЙсмоакустическая диагностика критических состояний массива горних пород /' Горная геофизика. Тбилиси. 1989. ч.П. с.151-156. Соавтор Ю.Г.Алешин.

10. Сейсмоакустические комплексные исследования динамических процессов в блочных структурах // Системы контроля горного давления.-Москва¡Ротапринт ИПКОН АН СССР. 1989. с.115-136. Соавторы И.Т.Айтматов, Ю.Г.Алешин, М,Н.Лейцин, В.А.Мансуров.

11. Оперативный контроль устойчивости по методу возбужденной эмиссионной активности // Проблемы горного давления на больших глубинах при ведении подземных и открытых работ. Тез.докл. Всесоюзного научно-технического семинара.-Кривой Рог. 1990. с.63-64. Соавтор Ю.Г.Алешин.

12. Переносной взрывозащшценный цифровой регистратор кинематических параметров упругих волн // горный журнал. 1990.-Н2. с.66. Соавторы Ю.Г.Алешин, М.Н.Лейцин.

13. Рудничный взрывобезопасный интенсиметр акустической эмиссии // Преобразователи акустической эмиссии к систеиан контроля горного давления.-Москва:Ротапринт ИПКОН АН СССР. 1990. с.41-46.

14. Способ геофизического мониторинга тектонически удароопасннх зон // Информационный листок о НТД. срр.52.13.04. N31 - Бишкек:Кырг1ШИНТЙ. 1991.-0,23 п.л. Соавторы П.Г.А.пешн,

Т.А.Зеленина, Е.Ч.Жыйдебаев.

15. Автоматизированная система мониторинга разрушения горных порол // Информационный листок о НТД. сер.52.13.07. N34.-Бишкек: КнргШЙНТИ. 1991. -0,20 п.л. Соавтор Ю.Г.Алешин.

16. Способ распознавания опасного состояния горных пород вблизи выработок // Информационный листок, сер.52.13.25. N144 (4819), -Бишкек:КыргНЙИНТИ. 1991.-0,2 п.л. Соавтор Ю.Г.Алешин.

17. Изучение закономерностей 'импульсного потока САЭ при разрушении горных пород // Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья. 16-19 сентября.1991. Тез.докл. 4.1. Бишкек. 1991. с.36-37. Соавтор Ю.Г.Алешин.

18. Мониторинг динамических процессов и автоматизированная система контроля разрушения горных пород в массиве. В сб. "исследование; прогноз и предотвращение горных ударов. -Бишкек:КЛИМ. 1991. с.440-444. Соавтор Ю.Г.Алешин.

19. Способ контроля напряженного состояния участков массива горных пород. А,С.1375816 МКИ Е 21 С 30/00, БИ N7. 1988. Соавтор В.А.Мансуров.

20. Устройство для определения степени удвроопасности участков массива горных пород. A.C.I456562 МКИ Е 21 С 39/00, БИ N5. 1989. Соавторы А.С.Бляхман, В.М.Проскуряков, В.Г.Пущанский, А.П.Снакун.

21. Способ мониторинга процесса разрушения горных пород в массиве и автоматизированная система для его -нествлешя. A.C. 1645514 МКИ Е 21 С 39/00, БИ N16. 1991. Соавтор Ю.Г.Алешин.

22. Способ предотвращения горно-тектонических ударов. A.C. 1645558 МКИ F 21 Е 5/00, БИ N16. 1991. Соавторы И.Т.Айтматов, Ю.Г.Алешин..

23.Способ сейсмоакустического распознавания удароопасного

состояния массива горних пород и устройство для его осуществления. А.С. 1652609 Мкл. Е 21 Р 5/00,Е 21 С 39/00, БИ N20. 1991. Соавторы Ю.Г.Алешин, М.Н.Лейцин.

24. Способ контроля устойчивости горных пород. А.П.1710732 Мкл. Е 21 С 39/00, БИ N5. Соавторы Ю.Г.Алешин, В.А.Мансуров.

25. Способ распознавания опасного состояния горных пород в пассиве. Полол, рош. по заявке на иэобр. 4891529 /03/ 1206288 ос 17.12.90. Соавтор (О,Г.Алешин.

>