Введение к работе
Актуальность проблемы.
Горнодобывающая, нефтяная и газовая промышленность являются сегодня и будут оставаться в будущем одним из основных источников благосостояния человечества. В первую очередь это относится к таким странам, как Россия, США, Канада, ЮАР, Германия, Англия. Сегодня подземные работы ведутся на глубинах, превышающих 1000 м, планируемая глубина некоторых карьеров превосходит 500 м. В будущем ожидается дальнейшее углубление горных работ, что заставляет уделять все большее внимание нежелательным проявлениям горного давления в различных гсомехапических объектах. Под геомеханнческпм объектом (ГО) в данном случае подразумевается природно-техпогснное образование (структура), размешенное в массиве горных пород, являющееся его составной частью и представляющее собой предмет изучения гсомеханикп. Таким образом, ГО являются массив пород вокруг подземных горных выработок, борта карьеров, подземные хранилища нефтепродуктов, породная толща над разрабатываемыми месторождениями газа или нефти, а также образны пород, извлеченные из массива пород и характеризующие его свойства.
Разрабатываются технологические меры, направленные на уменьшение последствий нежелательных явлений, однако сложность горно-геологических условий и высокие темпы отработки могут сделать их малоэффективными без достаточного количества сведении о состоянии ГО. В то же время весь опыт развития горной п газонефтедобывающен промышленности говорит о необходимости не только создания высокоэффективных технологий добычи полезных ископаемых, совершенствования расчетов, но также и о необходимости развития инструментальных способов и технических средств диагностики состояния ГО. Диагностика геомеханического объекта— установление и изучение признаков, характеризующих наличие дефектов в горных породах, элементах и конструкциях, образуемых ими, для предсказания возможных отклонений в их состояниях, а также разработка методов, средств
обнаружения, локализации дефектов и установления состояний геомеханических объектов. Диагностика может рассматриваться как операция, в результате которой получают более полную характеристику объекта, чем при контроле.
Все многообразие задач горного производства может быть разделено на две группы. Первая группа связана с требованием наиболее полного извлечения полезного ископаемого из недр. Вторая — с обеспечением устойчивости породных массивов и уменьшением вредного влияния на окружающую среду. Обе группы задач находятся в противоречии по отношению друг к другу, и решить их сегодня невозможно без применения эффективных способов диагностики и контроля состояния ГО. Разработанное к настоящему времени достаточно большое количество способов и технических средств, как правило, применяется без детального учета необходимости контроля в том или ином месте массива пород. Не разработаны в достаточной степени методы обоснования и выбора технических решений диагностики и контроля геомеханических объектов. Такой подход должен базироваться на учете многих вопросов из совершенно различных областей — механики и физики горных пород, технологии добычи полезных ископаемых, измерительной техники, приборостроения, радиоэлектроники и т. д. Его отсутствие приводит или к необоснованным затратам па контроль, или же к полному отказу от наблюдения за состоянием массива, что часто имеет катастрофические последствия. В связи с этим данная диссертационная работа, посвященная разработке способов и технических средств диагностики состояния геомеханнческих объектов на глубоких горизонтах па основе учета особенностей этих объектов, качества информативных параметров диагностики и величины возможных потерь или выигрыша от принимаемых решений, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств диагностики состояния ГО на больших глубинах с учетом требований, обусловленных этими объектами, возможных катастрофических последствий от принятия неадекватных решений об их состоянии и имеющихся ограничений на возможность проведения измерений.
Идея работы состоит в использовании информационных критериев для количественной оценки необходимости диагностики состояния ГО, а также для выбора методов, способов, информативных параметров и технических средств контроля.
В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе решаются следующие задачи.
1. Разработка методов-расчета коэффициентов необходимости использования диагностики и контроля состояния ГО в зависимости от их напряженного состояния на основе соответствующего информационного критерия.
-
Разработка методов расчета коэффициентов эффективности информативных параметров и технических средств диагностики и контроля состояния ГО, а также выбор информативных параметров в соответствии с рассчитанными значениями указанного коэффициента.
-
Разработка способов диагностики п контроля состояния ГО и опенка информационной эффективности их параметров.
-
Обоснование принципов построения и разработка аппаратуры контроля и диагностики состояния ГО, ее испытание в производственных условиях.
Основные научные положения, выносимые на защиту: среди многих факторов, определяющих количество информации, необходимое для надежного диагностирования ГО, основным является его напряженное состояние, причем с уменьшением коэффициента запаса прочности количество информации, необходимое для диагностики геомеханнческих объектов с заданной надежностью, возрастает;
степень потребности в проведении операций диагностики и контроля напряженного состояния ГО целесообразно оценивать коэффициентом необходимости Л', представляющим собой отношение количества информации, требуемого для уменьшения значения априорной энтропии состояния до заданной допустимой величины, к величине априорной энтропии состояния; значения -V>0 свидетельствуют о необходимости проведения диагностики, причем, чем ближе эта величина к единице, тем больше необходимость в проведении диагностики и тем качественнее должны быть используемые информативные параметры;
для опенки качества информативных параметров контроля в условиях коррелированных погрешностей измерения, что часто встречается в горном производстве, следует использовать коэффициент информационной эффективности Э, представляющий собой отношение количества информации, даваемого используемыми параметрами, к априорной энтропии состояния ГО; значения 'коэффициента эффективности, более близкие к единице, свидетельствуют о более высоком качестве используемых параметров; для реальных ГО величина Э изменяется незначительно в пределах ^погрешности, достаточных для инженерных расчетов, п .поэтому результаты, полученные в одних условиях, могут быть использованы в расчете п проектировании методов и средств для других условий;
выбор информативных параметров диагностики следует проводить из условия 3>/V, устанавливающего нижнюю границу допустимой области качества информативных -параметров п позволяющего обоснованно выбрать их с заданным уровнем надежности решения о состоянии геомеханнчеокого объекта, не -привлекая дополнительных методов и затрат;
существует оптимальное значение полосы частот регистрации сигнала, обеспечивающее 'максимум коэффициента информационной эффективности Э сейсмоакустпческих методов диагностики состояния ГО, которое может быть различным при использовании одного или двух информативных параметров; для объектов размерами около нескольких метров при диагностике с использованием одного .параметра (амплитуды или энергии сейсмоакустического события) указанный .максимум достигается при значении верхней граничной .частоты регистрируемого спектра около 1700 Гц, а при использовании двух параметров — около 1000 Гц.
значення коэффициентов эффективности Э различных информативных .параметров и их сочетаний, получаемых с помощью .деформационных и акустоэмисснонных методов диагностики и контроля состояния ГО н определенных на основе экспериментального материала, занимают широкую шкалу значений от ппзкоэффективных (0,03—0,5) до высокоэффективных (0,85—0,97); значения коэффициента Э зависят как от того, .какие стадии напряженно-деформированного состояния геомеханнческих объектов распознаются., так и от того, в каких сочетаниях используются соответствующие информативные параметры;
при ступенчатом изменении напряженного состояния пород в ГО наблюдается эффект изменения времени спадания активности акустической эмиссии, причем зависимость времени спадания, от величины напряжений имеет, по крайней мере, две экстремальные точки;
при ступенчатом нагруженпи ГО, вызванном взрывным разрушением соседних объектов, наблюдается эффект задержки деформационного отклика, который может характеризовать напряженное состояния этих объектов, причем информативный параметр—промежуток времени от момента взрыва до максимума скорости деформаций обладает достаточно высоким для практического применения значением коэффициента эффективности Э (около 0,96).
Достоверность и обоснованность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждаются:
корректностью постановки задач исследований;
использованием для решения поставленных задач апробированных методов механики горных пород, неразрушающего контроля, теории информации; математической статистики, распознавания образов;
положительными результатами практической проверки в производственных условиях результатов расчетов, методов контроля и диагностики, а также аппаратурных решений;
представительным объемом результатов измерений, использованных в качестве исходного материала для расчетов
(всего более 30000 лабораторных, 1700 модельных и 500 натурных измерений);
удовлетворительной сходимостью теоретических расчетов и результатов лабораторных и натурных измерений;
применением в лабораторных и натурных экспериментах измерительных устройств с метрологическими характеристиками, достаточными для решения поставленных задач; тщательным тестированием как приборного, так и программного обеспечения, используемого при расчетах и обработке результатов измерений.
Научное значение работы заключается в разработке методов количественной опенки необходимости диагностики ГО, методов выбора параметров контроля в соответствии с необходимостью, экспериментальном определении коэффициентов эффективности параметров контроля, получаемых с помощью деформационных и акустоэмиссиопных методов; разработке новых, отличающихся повышенной достоверностью методов диагностики и контроля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны информационные основы диагностики и контроля ГО, где впервые предлагается осуществлять расчет коэффициентов необходимости контроля и производить выбор параметров в соответствии с ними;
определены значения коэффициентов эффективности различных параметров и методов контроля и диагностики состояния ГО;
обоснованы принципы построения аппаратуры беспроводного деформометрического контроля, а также способы контроля и диагностики состояния ГО;
обоснованы методы повышения помехоустойчивости при использовании сейсмоакустических методов для контроля и диагностики состояния ГО; получены количественные характеристики, оценивающие степень повышения помехоустойчивости;
установлены эффекты задержки деформационного отклика и изменения времени спадания активности акустической эмиссии в ГО при их ступенчатом нагружении.
Практическое значение диссертации заключается в:
разработке методологии проектирования диагностики геомеханических объектов в соответствии с их напряженно-деформированным состоянием, позволяющей минимизировать затраты на измерения при заданном уровне достоверности принимаемых решений;
создании способов и средств диагностики ГО, обеспечивающих повышение ее достоверности в производственных и лабораторных условиях.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при совместной разработке п выпуске системы «Массив» МГГУ и НПО «Сибцвет-мставтоматика».
Разработанные способы контроля испытаны и внедрены на комбинате «Ачполнметалл».
Метод и устройство пространственной селекции для повышения помехоустойчивости при сейсмическом контроле и диагностике массива горных пород испытаны в промышленных условиях па шахтах АО СУБР.
Разработанное программное обеспечение использовано в МГГУ при выполнении НИР и в учебном процессе в курсах «Обработка и интерпретация геофизической информации», «Средства передачи и обработки измерительной информации» и др.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1984), всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе — Бишкек, 1989), Международ-пом акустическом форуме «FORUM ACUSTICUM» (Бельгия, Антверпен, 199G), 6-й Международной (конференции по акустической эмиссни/микросенсмикс в горных породах (США, Пенсильвания, 1996), 5-й сессии Российского акустического общества «Проблемы геоакустики. Методы и средства» (Москва, 1996), Международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), Всероссийской конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» (Новосибирск — Екатеринбург, 1994), Всесоюзной научной конференции вузов с участием НИИ (Москва, 1984), Научно-техническом семинаре в Институте месторождений, геодезии и прикладной геофизики (DMC-ILG) (Германия, Бохум, 1993). Система беспроводного контроля устойчивости горных выработок «Массив» экспонировалась на ВДНХ СССР.
Публикации. По диссертационной работе опубликовано самостоятельно и в соавторстве 54 работы, в том числе 15 авторских свидетельств па изобретения.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и содержит 336 стр. текста, 131 рисунок, 5 приложений и список литературы из 200 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе над диссертацией Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, профессору, доктору техническнх^наук, академик)' Российской инженерной академии j В._С. _Ямтцикову_ |
профессору, доктору технических наук В. Л. Шкуратпику, коллективам кафедры «Физико-технический контроль процессов горного производства» МГГУ, лаборатории разрушения горных пород МГГУ, лаборатории прочности подземных сооружений НТЦ «Подземгазпром», лаборатории вибродинами-чеоких испытаний Института транспортного строительства (ЦНИИС), Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, комбината «Ачполиметалл», АО СУБР, коллегам из ДМТ — Института месторождений, геодезии и прикладной геофизики (г. Бохум, Германия), совместно с которыми были получены экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, а также сотрудникам МГГУ, института «Цветмет-автоматнка» (Москва) и НПО «Сибцветметавтоматика» (Красноярск), совместно с которыми разработана аппаратура «Массив».