Автоматизированная система геомеханического мониторинга подземных сооружений и горных конструкций при их эксплуатации

УДК 622.831

Автоматизированная система геомеханического мониторинга подземных сооружений и горных конструкций при их эксплуатации

И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, В.А. Луговой, И.А. Барашиков Аннотация

Рассмотрены состав, основные конструктивные особенности и технические характеристики современной автоматизированной системы геомеханического мониторинга подземных опасных производственных объектов, эксплуатирующихся в сложных горно-геологических условиях. Изложены методические подходы к прогнозированию опасных ситуаций по результатам геоакустических наблюдений.

Ключевые слова: проявления горного давления, геомеханическое состояние, акустическая эмиссия, системы геоакустического мониторинга, акустически активные зоны, критерии, прогноз динамических явлений.

Computerised System for Geomechanical Monitoring of Uderground Workings and Mining Structures Under their Exploitation

I. Rasskazov, ^ Iskra,V. Lugovoy, I. Barashikov Abstract

The composition and main construction peculiarities and technical characteristics of the modern computerised system for geomechanical monitoring of dangerous industrial objects, which are being exploited in complicated mining-geological conditions, are overviewed. Methodic approaches are described aiming to dangerous situations forecast based on geo-acoustical monitoring.

Key words: rock pressure manifestations, geomechanical state, acoustic emission, geo-acoustical monitoring systems, acoustically active zones, criteria, dynamic phenomena forecasting.

Проблема геомеханического контроля подземных сооружений (тоннелей, шахтных стволов, хранилищ углеводородного сырья и опасных отходов и иных горных выработок различного назначения) в сложных горно-геологических условиях сохраняет свою актуальность на протяжении многих лет. Наиболее опасными формами проявления горного давления являются внезапные выбросы породы и газа, горные и горнотектонические удары, нередко приводящие к катастрофическим последствиям [1]. Прогнозирование этих динамических явлений представляет собой весьма сложную научно-техническую проблему, обуслов-

ленную существенной неоднородностью естественных полей напряжений, предопределяемой сложностью и особенностями тектонической структуры месторождений, которая еще больше усиливается при техногенном воздействии на породный массив в результате ведения горных работ.

В последние годы для прогнозирования опасных проявлений горного давления и техногенных катастроф широкое применение находят геофизические методы. К их числу следует отнести геоакустический метод, основанный на регистрации параметров акустической эмиссии (АЭ) в диапазоне частот 0,2...20 кГц, возника-

ющей в горных породах вследствие концентрации в них механических напряжений, сопровождающейся структурными изменениями материала, а также вследствие появления и роста в нем микротрещин разрушения [2]. Важным достоинством этого метода является возможность наблюдений за развитием процесса формирования очагов разрушения непосредственно от начальных стадий их образования, что существенно повышает надежность прогноза динамических явлений. С помощью геоакустического метода, в зависимости от применяемых технических средств, можно осуществлять как локальный, так и региональный контроль состояния массива горных пород (в прилегающих областях зоны контроля).

Эффективность геоакустического мониторинга объектов во многом зависит как от возможностей применяемой измерительной техники, так и от объективности интерпретации результатов измерений, надежности и обоснованности используемых критериев состояния массива горных пород.

Среди известных в настоящее время технических средств контроля массива горных пород наиболее широко представлены приборы и аппаратура для пассивной локации и измерения энергии источников АЭ, детальный обзор которых приведен в работе [3]. Они представляют собой многоканальные устройства, имеющие независимые или взаимозависимые каналы приема с пространственно разнесенными или локально установленными приемными преобразователями, число которых изменяется от 5 до 24 и более. Анализ опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления (АСКГД) и тенденций их развития свидетельствуют о том, что дальнейшее совершенствование методов и технических средств в данной области в значительной степени связано с разработкой информационно-компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность процесса контроля. Использование микропроцессорной техники и программного обеспечения современного уровня дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды,

но и обеспечить необходимую степень их компьютерной обработки и интерпретации.

С использованием современных достижений в области системотехники, информационных технологий и построения измерительно-вычислительных комплексов в ИГД ДВО РАН была разработана цифровая система геоакустического мониторинга «Prognoz ADS». Она состоит из подземной и поверхностной частей и включает в себя цифровые приемные преобразователи (рис. 1а) скважинного типа, объединенные в одном блоке ретранслятора, источник питания и синхронизатор, многопортовый расширитель RS-485 (рис. 1б) и центр приема и обработки потока АЭ-импульсов, управления датчиками и контроля всех узлов и трактов системы на базе персонального компьютера (ПК). Более подробно конструктивные особенности аппаратуры рассмотрены в работе [4].

Основные технические характеристики системы геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS»:

— число каналов приема акустических сигналов 6—32;

— чувствительность приемных преобразователей, V/g не менее 2;

— мощность потребления цифрового приемника, Вт не более 5;

— динамический диапазон по входному напряжению, дБ 100;

— максимальная скорость обработки акустических событий, имп./с 5;

— точность регистрации времени прихода АЭ сигнала, мкс не более 50;

— рабочий диапазон частот, кГц 0,3—15;

— энергетический диапазон регистрируемых АЭ-источников, Дж 0,1—100;

— скорость передачи данных, Кбит/с до 512;

— дистанция от ретранслятора до ПК, м до 1500;

— обмен с ПК в полудуплексном режиме по стандартному каналу RS-485.

Работа системы осуществляется с использованием специально разработанных алгоритмов и программного обеспечения для распространенных ПК. Программа «Master» предназначена для сбора информации (в виде АЭ-импульсов и их локационных серий) об акустиче-

Рис. 1. Основные элементы системы геоакустического мониторинга «Prognoz ADS»: а - цифровые приемники акустических импульсов; б - ретрансляторы, источник питания и синхронизатор

ских событиях, регистрируемых в массиве горных пород цифровыми первичными приемными преобразователями и записи их в реляционную базу данных (БД-формата Microsoft SQL Server ).

Параметры регистрируемых источников АЭ определяются оператором расчетным путем с помощью программы обработки АЭ-данных «GeoAcoustics-ADS», которая выполняет следующие операции:

— первичную селекцию сигналов по нескольким критериям;

— расчет координат источников импульсной АЭ (дефектов);

— оценочный расчет акустической энергии указанных источников;

— группировку источников АЭ в очаги микроразрушений;

— расчет параметров очагов;

— формирование отчетов о результатах геоакустического мониторинга.

Положение источника АЭ в пространстве определяется по разности вступления упругих волн в точку приема (РВП), а его энергия и ряд дополнительных параметров — на основе измерений амплитуды, длительности и других детальных характеристик принятых сигналов. Пример отображения зарегистрированных естественных акустических импульсов АЭ в окне программы анализа групповых данных «GeoAcoustics-ADS» приведен на рис. 2.

По результатам измерений строятся карты акустической активности, отражающие процесс перераспределения напряжений в массиве под влиянием горных работ. Одна из таких карт, построенная для одного из участков массива месторождения урановых руд «Антей», показана на рис. 3. Результаты мониторинга посредством программы MineFrame импортируются в 3D-

модель месторождения и могут быть представлены в наглядном объемном виде [5].

Одним из важных компонентов геоакустического контроля массива горных пород является выявление надежных критериев, характеризующих различные стадии его деформирования и разрушения. К настоящему времени разработан ряд методик прогноза динамических проявлений горного давления, использующих различные прогнозные критерии. Считается, что применение какого-то одного критерия не всегда обеспечивает надежный прогноз из-за сложного пространственно-временного характера процесса разрушения горных пород и перераспределения напряжений. В работе [6] в числе прочих предлагается использовать интегральный критерий, базирующийся на комплексе показателей состояния массива, что представляется достаточно продуктивным, так как позволяет учесть целый ряд признаков предельно напряженного состояния массива горных пород, и соответственно более надежно спрогнозировать начало процесса его неуправляемого разрушения.

Для оценки геомеханического состояния контролируемых объектов прошел успешную апробацию метод геоакустического мониторинга очагов микроразрушений, базирующийся на трехстадийной модели разрушения горных пород и выявленных закономерностях проявления акустической активности при различных соотношениях действующих и разрушающих напряжений [7].

Состояние массива в пределах акустически активных зон отражает сравнительная характеристика совокупности прогностических признаков: концентриро-ванность очагов и степень локализации источников АЭ, повторяемость периодов акустической активности и ее незатухающий характер, скорость и направление

Рис. 2. Локационная серия (только первые 3 импульса) акустического события, зарегистрированного системой АСКГД

«Ргодпог-АйБ» в удароопасном массиве горных пород

Рис. 3. Карта акустической активности участка массива месторождения «Антей», построенная по данным геоакустического мониторинга

миграции очагов, близость очаговой зоны к обнажению и другие, количественно-качественные значения которых устанавливаются экспериментально для условий конкретного месторождения или его части.

Дополнительным критерием удароопасности может являться величина удельной энергии Б^3, выделившейся в пределах акустически активной зоны, которая может служить критерием для оценки полноты разрушения [7]:

1 N

бАЭ = 0, 05 - Тшт X 13, Дж/м3,

V i=1

где: V — объем контролируемой зоны, м3;

L — дилатансионный объем трещин, м3;

Тиит — касательные напряжения в окрестности разрабатываемого участка массива горных пород, МПа.

При бАэ > 0, 7 Б^3рит наступает III (опасная) предраз-рушающая стадия, за которой следует лавинообразный неуправляемый процесс разрушения геоматериала. В результате предварительных оценок получены следующие критические значения Е^КЭит для различных горных пород; они изменяются от 0,5 до 2,5 кДж/м3.

Решение об отнесении контролируемого участка горного массива или промышленного объекта к определенной категории принимается по результатам компьютерной обработки данных геоакустического мониторинга. При их отнесении к категории «опасно» все работы в пределах данных объектов прекращаются, и принимаются соответствующие меры по разгрузке

опасных участков и предупреждению внезапных разрушений горных конструкций [8].

В целом применение современной автоматизированной системы геомеханического мониторинга «Prog-noz-ADS» обеспечивает эффективную и безопасную эксплуатацию подземных опасных производственных объектов в сложных условиях, позволяет решать задачи оперативного и перспективного планирования горных работ, осуществлять необходимую корректировку параметров, принятых технологий, и более обоснованно применять профилактические мероприятия по предотвращению техногенных катастроф.

Литература

1. Рассказов И.Ю. Контроль и управление горным давлением на рудниках Дальневосточного региона. М.: Издательство «Горная книга», 2008.

2. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982.

3. Искра А.Ю., Рассказов И.Ю., Калинов Г.А., Болотин Ю.И. Совершенствование систем геоакустического мониторинга при ведении подземных горных работ // Горный журнал. 2006. № 6. С. 72—77.

4. Калинов Г.А., Рассказов И.Ю., Искра А.Ю., Куликов Д.А., Харитонов К.О. Акустический измерительно-вычислительный комплекс для геомеханического мониторинга массива пород при ведении горных работ // Физическая

акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика. Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС. 2005. Т. 1. С. 351—354.

5. Морозов К.В., Просекин Б.А. Создание геомеханической модели месторождения Антей на основе цифровых технологий // Горный журнал, 2008. № 8. С. 47—49.

6. Тимофеев В.В. Технические и программно-методические средства мониторинга опасных состояний массивов горных пород Хибинских апатитовых рудников // Геодинамическая безопасность при освоении недр и земной поверхности. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2003. С. 168—190.

7. Рассказов И.Ю., Мирошников В.И. Прогнозирование опасных проявлений горного давления на основе трехстадий-ной модели разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. № 4. С. 234—240.

8. Инструкция по безопасному ведению горных пород на рудниках и нерудных месторождениях, объектах строительства подземных сооружений, склонных и опасных по горным ударам (РД 06-329-99). М.: ГП НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2000. 66 с.

Сведения об авторах:

Рассказов Игорь Юрьевич, д.т.н., Институт горного дела ДВО РАН (ИГД ДВО РАН), директор, г Хабаровск, ул. Тургенева, 51.

Луговой Владимир Александрович, д.ф.-м.н. Институт горного дела ДВО РАН (ИГД ДВО РАН), главный научный сотрудник, г Хабаровск, ул. Тургенева, 51.

Искра Александр Юрьевич, Институт горного де-лаДВО РАН (ИГДДВО РАН), с.н.с., г.Хабаровск, ул.Тургенева, 51.

Барашиков Игорь Алексеевич, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), начальник Дальневосточного филиала. E-mail: dvf@vniigochs.ru.

Разработки ФГУ ВНИИ ГОЧС

/97

УДК 551.5

ББК 26.23

А 39

Акимов В.А., Дурнев Р.А., Соколов Ю.И. Опасные гидрометеорологические явления на территории России / МЧС России. — М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2009. — 316 с.: ил.

ISBN 978-5-93970-038-2

В книге рассматриваются опасные гидрометеорологические явления, характерные для территории Российской Федерации.

Основные главы книги посвящены опасным метеорологическим, агрометеорологическим, гидрологическим и морским гидрометеорологическим явлениям.

Отдельные разделы книги посвящены вопросам организации защиты от опасных гидрометеорологических явлений и вопросам активного воздействия на гидрометеорологические процессы и явления.

Книга может быть полезна широкому кругу лиц, интересующихся данными явлениями, а также учащимся общеобразовательных учреждений при изучении курса «Основы безопасности жизнедеятельности» и студентам вузов при изучении дисциплины «Безопасность жизнедеятельности».

© Акимов В.А., Дурнев Р.А., Соколов Ю.И., 2009

© ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Общая характеристика опасных гидрометеорологических явлений

1.1. Основные метеорологические величины

1.2. Атмосферные явления

1.3. Метеорологические станции и приборы

1.4. Опасные гидрометеорологические явления

ГЛАВА 2. Опасные метеорологические явления

2.1. Ветер

2.2. Атмосферные осадки

2.3. Экстремальные значения температуры воздуха ГЛАВА 3. Опасные агрометеорологические явления

3.1. Агрометеорология

3.2. Сельское хозяйство и агрометеорология

3.3. Влияние изменения климата на агрометеоусловия

3.4. Примеры воздействия опасных явлений на сельское хозяйство России в начале XXI века

ГЛАВА 4. Опасные гидрологические явления

4.1. Гидрология суши

4.2. Колебания уровня воды

4.3. Сели

4.4. Снежные лавины

ГЛАВА 5. Опасные морские гидрометеорологические явления

5.1. Общие сведения об опасных морских гидрометеорологических явлениях

5.2. Сильные волнения на море

5.3. Цунами

5.4. Сгонно-нагонные явления

5.5. Ледовые явления на море

5.6. Сильное проникновение морских вод в устье реки

ГЛАВА 6. Организация защиты от опасных гидрометеорологических явлений

6.1. Государственная наблюдательная сеть Росгидромета

6.2. Функциональные подсистемы единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, создаваемые Росгидрометом

6.3. Координация деятельности МЧС России и Росгидромета

6.4. Прогнозы погодных условий

6.5. Порядок действий учреждений и организаций при угрозе возникновения и возникновении опасных природных явлений

6.6. Специализированное гидрометеорологическое обеспечение

ГЛАВА 7. Мероприятия по защите от опасных явлений

7.1. Мероприятия по устранению и сокращению лавинной опасности

7.2. Мероприятия по защите от селевых потоков

7.3. Защита побережья от действия волн

7.4. Служба предупреждения цунами

7.5. Страхование от опасных погодных явлений

ГЛАВА 8. Активные воздействия на гидрометеорологические процессы и явления

8.1. Противоградовая защита сельского хозяйства

8.2. Искусственное увеличение атмосферных осадков

8.3. Борьба с туманами

8.4. Предупреждение и ликвидация ледовых заторов ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

Электронная версия книги в формате PDF

http://elibrary.ru/item.asp?id=15017838