Введение к работе
Работа посвящена разработке и внедрению многоуровневой системы сейсмологического мониторинга на территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС).
Актуальность работы
За последние 20 лет на территории Верхнекамского месторождения калийных солей происходили многочисленные негативные геодинамические явления как результат увеличивающейся техногенной нагрузки на недра. Наиболее крупное событие – Соликамское землетрясение 1995 г. с магнитудой mb = 4.7 – сопровождалось массовым обрушением горных выработок в руднике СКРУ-2 на площади 500х600 м и оседаниям земной поверхности на 4.5 м. С другой стороны, образование трещин в несущих целиках или развитие карстовых полостей может вызывать генерацию крайне слабых сейсмических событий, минимальная магнитуда которых достигает -2. Все эти явления подтверждают необходимость создания такой системы геодинамического контроля, которая могла бы вести регистрацию сейсмических событий в максимально широком динамическом диапазоне.
Информативность сейсмологического мониторинга, в первую очередь, определяется техническими возможностями инструментальных средств. С одной стороны, развитие технологий сбора и передачи данных расширяет функциональность регистрирующего оборудования и позволяет интегрировать его элементы в сложные стационарные системы сбора сейсмологической информации. С другой стороны, расширение спектра задач и объектов мониторинга требует внедрения надежных мобильных средств измерений.
Организация сейсмологических наблюдений в условиях калийных рудников связана с преодолением таких трудностей, как значительная удаленность сейсмопавильонов от центра сбора данных, высокий уровень техногенных помех, агрессивная окружающая среда.
Исходя из вышесказанного, разработка многоуровневой системы сейсмологического мониторинга является актуальной задачей, решение которой позволяет повысить безопасность разработки месторождения полезных ископаемых.
Цель работы
Инструментальное обеспечение разномасштабного мониторинга сейсмических явлений на всей территории ВКМКС.
Идея работы
Использование многоуровневого подхода при внедрении технических средств, обработке и интерпретации сейсмологических данных.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Систематизировались основные технические требования к системе мониторинга.
-
Структурировалось все используемое оборудование и программные решения с целью выполнения технических требований таким образом, чтобы получилась многоуровневая, иерархически связанная система сбора сейсмологических данных.
-
Разрабатывалась специальная аппаратура для передачи сейсмических сигналов в пределах шахтных полей рудников ВКМКС.
-
Выполнялось проектирование специализированного мобильного комплекса, предназначенного для оперативных детальных исследований.
-
Обеспечивалось управление всеми элементами многоуровневой системы мониторинга с целью контроля качества работы и ведения сейсмологических наблюдений в режиме, близком к реальному времени.
-
Проводился анализ связей между деформационными аномалиями, измеряемыми в руднике, и техногенной сейсмичностью.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Иерархически построенная система сбора данных образует многоуровневую систему мониторинга, которая позволяет уверенно регистрировать весь спектр разномасштабных сейсмических событий (-2 < М < +5) на территории Верхнекамского региона.
-
Система телеметрической передачи сигналов с сейсмодатчиков в локальный обрабатывающий центр обеспечивает сейсмологический мониторинг в режиме реального времени, гарантируя уровень синхронности регистрации для всех рудников Верхнекамского региона не более 1 мс.
-
Мобильный исследовательский сейсмологический комплекс позволяет производить оперативные высокоразрешающие исследования опасных участков на различных масштабных уровнях в шахтных и наземных условиях, а также осуществлять экспресс-оценку микросейсмической обстановки при проектировании и оптимизации систем сейсмологического мониторинга.
Научная новизна
-
Использование автоматической балансировки обратной связи входных дифференциальных усилителей в системе телеметрической передачи сигналов и мобильном исследовательском комплексе позволяет постоянно поддерживать коэффициент ослабления входной синфазной помехи на уровне 120 дБ, обеспечивая необходимый динамический диапазон регистрируемых сейсмических сигналов.
-
Взаимодействие узлов телеметрической передачи сигналов основано на высокочувствительной схеме автоматического регулирования уровня, что гарантирует эксплуатацию оборудования без дополнительной настройки для передачи сигналов с сейсмодатчиков на расстояния до 15 км без потери качества.
-
Создана система связи элементов многоуровневого мониторинга, обеспечивающая защищенный удаленный доступ ко всем узлам разветвленной гетерогенной сети сбора данных из единого центра, позволяющая управлять основными параметрами регистрации и получать информацию в режиме, близком к реальному времени.
Практическая реализация
Программные средства позволяют оперативно реагировать на изменения в задачах мониторинга в пределах всего Верхнекамского региона.
Разработанная аппаратура активно используется при ведении сейсмологического мониторинга на всех рудниках ВКМКС. Мобильный комплекс неоднократно использовался как при проведении врменных измерений в шахтах рудников ВКМКС, так и сопровождал проведение мониторинга аварийной ситуации на руднике БКПРУ-1. Системы детального сейсмологического мониторинга активно используются для контроля аварийной ситуации на руднике БКПРУ-1 и при комплексном мониторинге устойчивости бортов карьера рудника «Железный» Ковдорского горно-обогатительного комбината.
Обоснованность научных положений и выводов
Результаты интерпретации более чем 6000 сейсмических событий, произошедших на территории ВКМКС за 17 лет, а также сильных природных и техногенных землетрясений Западного Урала подтверждают соответствие развернутой на ВКМКС многоуровневой системы мониторинга предъявленным техническим условиям. Использование современного цифрового оборудования совместно с телеметрической системой показало достаточный динамический диапазон и более высокий уровень надежности работы телеметрической системы на длинных линиях в условиях рудника. Современная элементная база, оперативность и возможность визуально-инструментального контроля сейсмических записей обеспечивают мобильному комплексу ИСК высокие эксплуатационные характеристики (частотный и динамический диапазон, наработка на отказ).
Личный вклад автора
Автор непосредственно участвовал во всех этапах развертывания многоуровневой системы сейсмологического мониторинга ВКМКС: разработке телеметрической системы ТМ3 и комплекса ИСК; установке и настройке всех сейс-модатчиков, регистраторов и систем передачи данных, серверов и рабочих станций сбора и обработки данных; разработке единой системы сбора данных и управления; первичной обработке сейсмологических данных; проектировании, установке, настройке лазерного деформографа; обработке и интерпретации непрерывных записей лазерного деформографа с 2005 по 2011 гг.
Апробация работы
Основные результаты работы в разное время докладывались на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999 – 2012 гг.) «Стратегия и задачи освоения георесурсов», на 5-й, 6-й и 7-й Международных сейсмологических школах, проводимых Геофизической службой РАН (Владикавказ, 2010 г., Апатиты, 2011 г., п.Нарочь, 2012 г.), на международной конференции «Мельни-ковские чтения» (Москва, 1999 г.), на VI Уральской молодежной школе по геофизике (Пермь, 2006 г.), на Всероссийском совещании «Мониторинг геологической среды на объектах горнодобывающей промышленности» (Березники, 1999 г.), Всероссийской конференции «Современная сейсмология: достижения и проблемы» (Москва, 1998 г.), 2-й Всероссийской конференции «Геофизика и математика» (Пермь, 2001 г.), международной научно-практической конференции «Кунгурская Ледяная пещера. 300 лет научной и туристической деятельности» (Кунгур, 2003 г.), конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Александра Кирилловича Маловичко «Вопросы обработки и интерпретации геофизических наблюдений» (Пермь, 2011 г.), на XXIX (Потсдам, 2004 г.) и XXXII (Монпелье, 2010 г.) Генеральных ассамблеях Европейского сейсмологического сообщества.
Исследования по теме диссертации были поддержаны и частично финансировались за счет грантов РФФИ: № 01-05-65509 «Математическое описание механизмов крупных техногенных сейсмических событий в рудниках и шахтах», № 04-05-96048 «Использование механизмов сейсмических событий на калийных рудниках для изучения состояния подработанного массива», № 10-05-96046 «Изучение влияния разработки месторождений на сейсмическую опасность прилегающих районов».
Публикации
Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 33-х публикациях, в том числе в 3-х статьях в журналах из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, член-корр. РАН А.А.Маловичко за постоянную поддержку, внимание и помощь в выполнении работы. Автор признателен сотрудникам лаборатории природной и техногенной сейсмичности ГИ УрО РАН к.ф.-м.н. Р.А.Дягилеву, к.т.н. Д.Ю.Шулакову, к.ф.-м.н. Д.А.Маловичко, Ф.Г.Верхоланцеву, Ю.В.Варлашовой, А.В.Верхоланцеву, Ю.В.Баранову за большое внимание, поддержку и творческую критику работы. Особенная благодарность инженерам, совместно с которыми разрабатывались, изготавливались и устанавливались элементы системы мониторинга: А.Л.Сахарному, К.В.Алехновичу, А.Н.Звереву, А.Н.Туснину. За помощь во внедрении результатов работы автор благодарит директоров рудоуправлений СКРУ-1 и СКРУ-2 Б.В.Серебренникова и Б.Л.Березина, главного геолога ОАО «Уралкалий» С.В.Глебова.
Структура и объем работы
Работа состоит из пяти глав, введения и заключения, составляет 144 страницы, 58 рисунков, 28 таблиц и списка литературы, насчитывающего 128 наименований.
