Введение к работе
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 нарушенное, 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 горно-динамических явлений также происходит в зонах влияния различных аномалий геологического строения и напряженно-деформированного 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 простран-ственно-временных характеристик сейсмических активных и пассивных полей, позволяющих создать комплексную систему сейсмического мониторинга массива при ведении горных работ.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели исследования использован комплекс методов, включающпй 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 посстановлешш аномалий строения и состояния массива по сейсмическим данным и положения очагов сейсмоимпульсов (СИ) в пространстве, экспериментальные работы, опытную и промышленную эксплуатацию созданных технологии и 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 уста-
новлены 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) н ширина спектра волн R и L, скорость ММА и длительность волнового пакета волн L;
для разрывных нарушений сдвиго-надвигового характера комплексом параметров: амплитуда и скорость ММА волн Ре, ширина спектра волн R и L;
для зон структурной нарушенное комплексом параметров: ММА, скорость ММА и ширина спектра волн R и длительность волнового пакета боковых волн Ре;
-для морфологических нарушений типа утонение комплексом параметров: ММА воли R и L, ширина спектра волн R и длительность волнового пакета волн L\
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 R п L. '
3. Методология дискретного сейсмического контроля, со
гласно которой пространственное восстановление н оценка пара
метров аномалий упругих свойств, строения и состояния неодно
родного углепородного массива достигается последовательно:
- разработкой геофизических моделей основных типов ано
малий 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 осуще
ствляется 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 на принципах иерар
хичности, модульности и 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 схе
мы 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, включающих низкоскоростной 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 3f.fflccim массива применительно к задаче идентификации сейсмоимпульсов 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 по
строения технической структуры автоматизированных систем
сейсмического мониторинга объемов массива различного мас
штабного уровня в режиме непрерывных измерений, учитываю
щая особенности разработки и развития методического и про
граммного обеспечения АСК, при ее функционировании последо
вательно в режиме адаптации (самонастройки), исследователь
ском и технологическом режимах.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций 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 нару
шений;
б) зон повышенного горного давления от целиков в надрабо-
ташшм массиве;
п) 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 оценки параметров эмиссии для создания программной структуры АСК;
созданы технические структуры функциональной и распределенной автоматизированных систем сейсмических и сейсмо-акустическнх 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 шахтоилас-тов Донецкого, Воркутинского, 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 техничег ской 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), УІ 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 ЙГД 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. Ватолнна Е.С., кандидатов технических наук Круглова Н.Т., Чернккова А.Б., Потапова A.M., Карпинской Ю.А., Королевой Л.И., Загорского Л.С., Анциферова А.В., Тпркеля М.Г., КенжинаБ.М., Глухо-ва А.А., инж. Новикова А.Н., Архипова В.П., Благовидова А.С., Захарова В.Н., Шухмана Б.В., с которыми автора связывает многолетнее сотрудничество и которым автор выражает признательность за участие в проведении исследований.