CC BY
8
Новые методы, измерительные приборы и мониторинговые системы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния горных пород
УДК 622.236: 622.278
А.Ю. Искра
ИСКРА АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ - старший научный сотрудник (Институт горного дела ДВО РАН, Хабаровск). Е-таН; ihomme@pochta.ru
Методы повышения достоверности локационного анализа событий в многоканальных системах контроля горного давления
Предложены процедура и количественная мера для сопоставления качества локационных решений в многоканальных системах контроля горного давления при обеспечении лучших показателей по точности и простоте реализации в целях более достоверного определения положений дефектов сплошности в массиве горных пород.
Ключевые слова: горное давление, контроль, многоканальные системы, повышение достоверности, методы.
Многие научные и производственные подразделения в России и ряде других стран в течение многих лет наблюдений проводят сейсмоакустический мониторинг удароопасных зон массива горных пород на основе контроля изменения естественной геоакустической активности перенапряженных областей горной породы при добыче рудных минералов на удароопасных рудниках, что требует обнаружения, накопления и интерпретации множества естественных сигналов сейсмоакустической эмиссии (САЭ с излучением квазисферических звуковых волн) по большому числу параметров. Такие сигналы должны быть выделены из непрерывной сейсмоакустической реализации (потока данных от аналого-цифрового преобразователя с частотой преобразования /п от 1 до 50 кГц) в реальном масштабе времени [1-3] в достаточно широком частотном диапазоне регистрируемых сигналов 0,02-12 кГц. В эксплуатируемых на рудниках ОАО «ППГХО» в г. Краснокаменске многоканальных системах контроля горного давления (МСКГД) данная задача решается с использованием накопления параметров электрических импульсов от геофонов различных типов (акселерометры и велосиметры) - не превышая в среднем 100 мс по длительности. На рис. 1 приведен пример алгоритма обнаружения фронта упругой волны (УВ), реализованного в цифровом приемном преобразователе (ЦПП) для системы контроля горного давления акустического рабочего диапазона частот - АСКГД, подробно описанной в [1]; даже при резком начале сигнала возможна погрешность в 1/3 мс определения начала САЭ-импульса.
Импульсный сейсмоакустический сигнал выделяется с использованием разнообразных принципов и алгоритмов в программном обнаружителе импульсных сигналов (ИС), а локация источника АЭ (ИАЭ) зарегистрированной группы импульсов (рис. 2) производится разностно-временным методом (или РВП-методом) по разнообразным алгоритмам, из которых наиболее общеизвестен поисковый алгоритм «семи точек» [5]. Любой из подходов к измерению первого прихода ИС началу каждого импульса ставит в соответствие уникальную метку времени Mг■ (/=0, 1, 2,..), а диапазон вариации погрешности составляет типично 1 мс (интервалы между вертикальными штрихами на рис. 2), сопоставимый с длительностью первой полуволны ИС. Исходными данными для локации в МГП с известной скоростью звука являются компоненты вектора-строки длиной п: Т=^о, tl, t2, ..¿п-!), где и= Mг-Mo, /=0, 1, 2.. (и поэтому 1о=0). В общем случае 15>п>3.
© Искра А.Ю., 2014
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2014. № 3 (20)
Рис. 1. Обнаружение и обработка сейсмоакустического импульса в ЦПП (знаком • отмечено возможное
ложное обнаружение конца импульса)
Использование данных с антенны п>10 может кратно ухудшать качество локации по количественному параметру. Поскольку возможны малосущественные изменения в записи формулы для его вычисления (в метрах), примером может служить невязка у-го решения для п РВП в виде:
(") ~
V
Р л, 2
Е V,
(1)
п \| 0
где \р - модельная скорость звука в массиве для р-типа УВ,
А^г = у-и - отличие РВП проверяемой точки-решения [мкс],
у - вычисленная РВП прихода импульса АЭ от пробной точки у на геофоны-приемники г=0, 1, 2, .., п-1 от решенияу=1, 2, 3,
Л - измеренная РВП прихода фронта УВ на приемнике с г>0 (¿0=0).
Рис. 2. Сигналограмма первых сейсмоакустических импульсов (п=8). Наиболее заметны амплитудные
различия в группе импульсов
Оговорим особо, что для п=4 нередко существует 2 «точных корня», т.е. математически неразличимых решения обратной задачи с использованием (1) в самом широком классе алгоритмов, что на практике означает sl < Э2< д для достаточно малого ¿-0,1 м. На рис. 3 ниже эти решения могут оказаться на малых расстояниях в радиусе не более 1 м от точек А и В, расположенных на разных удалениях Rx0 (х = А,В,С) от геофона «0», ближайшего к акту ИАЭ.
Рис. 3. Пересечение однополостных гиперболоидов вращения в плоскости (0, 1 и 2 - индексы постов, через которые проходит плоскость сечения; I и L - середины отрезков '0-1' и '0-2' соответственно)
Рис. 4. Результат локации 5-точечными антеннами из геофонов D1 ...йб в проекции (Z=const) на плоскость
координат Х-У
Случайные комбинации погрешностей в каждом канале регистрации (геофоне) приводят к увеличению рассогласования результатов локации ИАЭ по отношению к искомому дефекту с ростом количества задействованных в расчете РВП (т.е. постов); при этом воспроизведение одинаковых локаций фиксированного источника приводит к росту дисперсии пространственной ошибки. На рис. 4, приведенном в достаточно качественной работе [6], показано изменяющееся в различных участках МГП при заданном положении ИАЭ рассеяние решений, связанное с расположением дефекта, - вычисляемых значительных множествах его локаций в произвольной заданной антенне (при фиксированном положении излучающего модельного ИАЭ); вычислительный эксперимент произведен для анализа погрешностей, обусловленных скоростной анизотропией в МГП и другими факторами, вносящими существенные погрешности в Т. На
рисунке исходные положения ИАЭ для некоторых областей рассеяния отмечены знаком «+» для иллюстрации характера смещения от «эталонного» ИАЭ центров полей рассеяния локаций, содержащих однотипные, со статистически одинаковыми показателями возмущения исходных данных (т.е. всех компонент вектора Т).
Алгоритмы РВП-локации различной сложности [5] и с результирующей «скоростью счета» при расчете (в целях обеспечения необходимой точности) часто используют разное число первых компонент в Т, что иллюстрирует таблица, где верхняя строка отображает исходный набор данных Т (измеренные РВП), а остальные с номерами 1-7 - варианты решений различными алгоритмами, обозначенными в таблице индексами, в пределах указанного числа п компонент Т, считая от нулевой То, величины которых приведены в микросекундах в столбцах Т1 ... Тб.
Пример количества сопоставлений невязок в малых антеннах
№ Х м У, м м Невязка, м Индекс п, шт. Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6
0 - - - 7 10083 11027 12907 14453 14288 17877
1 174,999 866,447 130,27 0,005 30 4 10083 11027 12907 14906 10813 17093
2 175,302 865,751 129,91 0,068 11 4 10074 11036 12870 14883 11022 17256
3 167,30 880,548 131,25 0,084 10 4 10040 11054 12910 14456 6116 13835
4 176,15 862,939 128,66 0,472 15 5 9965 11116 12754 14747 11790 17908
5 175,657 865,23 129,4 0,541 12 5 10087 11025 12803 14855 11197 17375
6 174,275 867,939 130,85 0,64 14 5 10105 11032 12978 14936 10365 16761
7 167,30 880,548 131,25 0,063 10 5 10040 11054 12910 14456 6116 13835
Указанная в таблице невязка рассчитывается простым определением среднеквадратичного отклонения по (1) всех использованных компонент Т (/<п), измеренных для импульсов, от вычисленных для точки модельных задержек (РВП: Т1...Т6) при распространении УВ от]-
го решения (с номером ] - в столбце «№»). Две последние колонки содержат прямые расчетные РВП для предпоследнего и последнего значения исходных РВП и в данном примере указывают на рассогласование «возрастающей последовательности» Т1...Т6 .
Отметим, что по методике измерений РВП погрешности первого измерения Мо самым существенным образом сказываются на величине пространственной ошибки локации, так как одинаково искажают сразу все компоненты, которые могут быть использованы в любом расчете координат.
Однако, как видно из сопоставления строк для решений алгоритма с индексом «1о» с исходной строкой компонентов Т, малое значение невязки может соответствовать неудовлетворительному интегральному качеству локационного решения (в колонке Т5 - неверное значение РВП). При подобном подходе росту качества локационного решения на полном наборе данных не соответствует снижение величины стандартной невязки, что не позволяет считать ее количественной мерой точности локационного решения и исходить из ее величины при выборе оптимального решения, что в целом также затрудняет работу операторов МСКГД.
Для обеспечения такой количественной меры оптимального физического локационного решения для исходного вектора Т автором предложена функция Е(Ко,АТ7) безразмерной стереометрической невязки (СН), учитывающей соотношения расстояния от анализируемой точки до ближайшего к ней приемника Ко и дистанций до всех остальных приемников, заданная функцией (1), полагая, что они пронумерованы порядком прохода УВ через посты:
V "-1
\п 2 • 2Я,Г
.I1
Б(Ко,АТ) У---—, (2)
где АТр = р -%
р - вычисленная РВП прихода импульса АЭ от решения р на геофоны-приемники /=0, 1, 2, ..., п-1 (всего п) от решенияу=1, 2, 3,... для модельной максимальной скорости звука \р,
Л - измеренная РВП прихода фронта УВ на приемнике /-го поста, Еуг - расстояние от'-го решения до приемника г, включая ближайший /=0, Я/с=(Я]о+К)1+--+К](п-1))/п - среднее расстояние оту'-го решения до приемника /, П1 - количество слагаемых, для которых 'Фи, т.е. П=П1+П0 (по - число слагаемых с '=и с учетом округления до микросекунд либо дискретов).
В краткой записи |ДТ/г| означает модуль разностей соответственных компонентов Т и вычисленных РВП для каждой из сопоставляемых локаций. Согласно решаемой задаче, Е(Ео,ДТг) обеспечивает снижение влияния на значение СН наиболее удаленных от «источника» геофонов, так как их измерения наименее точны из-за существенного снижения отношения сигнал/шум. Достоинством (2) является также безразмерность параметра Б.
Пробные расчеты СН были произведены в Ехсе1-форме, однако в среде компьютерной математики удалось организовать системный анализ стереометрического аспекта сличений (приближенных решений по более густой сетке точек). Ниже показаны графики невязок вдоль прямой Ь, проходящей через 4-точечную антенну в область внешних решений (справа от абсциссы 250 м), причем прямая проведена через точку «внутреннего решения» (в пределах зоны внутри граней 4-гранника антенны) и лучшее «внешнее решение».
Рис. 5. Минимумы невязки sj в 2 областях потенциальных решений (верхняя кривая). Нижние линии показывают изменения слагаемых в (1)
На рис. 5 показаны области потенциальных решений локационной задачи, справа - более обширная на удалении в несколько размеров антенны (подробнее эта область МГП обсуждена ниже). СН обладает кратно меньшим «размытием» области минимума - до 1-2 м по линии анализа Ь.
Для применения в сейсмоакустических системах после ряда испытаний была выбрана более локализующая сигнатура невязки, учитывающая дополнительно измеренные или вычисленные запаздывания ^-вступлений УВ в приемниках по отношению к первым р-вступлениям волновых цугов (в нижеприведенной формуле сохранены все обозначения из (2)), вычисляемая как
а(Яо,дт,и^)=- X
1 ^ №
п 7=0 а, + г,
(3)
где иг = изг -ирг - измеренное или вычисленное запаздывание прихода р-волн; показатель степени к -изменяемый (по постам) в порядке прохода УВ: к=5 для первой пары приемников, к=4 для второй пары приемников, к=1 для остальных постов;
0<а<1 - эмпирический коэффициент для приемника г, включая ближайший /=0.
к
Рис. 6. Минимумы невязок (1)-(3) в области потенциальных решений (третья кривая задана и обсуждена ниже; шкала L в миллиметрах)
Как свидетельствует рис. 6, область внешнего минимума синтетической невязки (3) -вертикальный пунктир - на порядок меньше области минимума стандартной невязки c CH, что в данном сопоставлении и минимизирует погрешность локации - в зависимости от дистанции до антенны Я0 она уменьшается в 4...12 раз. Здесь ценно также, что новая сопоставительная схема сличения итерационных (пробных) локаций с входным набором данных сдвигает локализацию подобных решений ближе к антенне, т.е. в область большей вероятности обнаружения ИАЭ (САЭ-события).
В структуру формулы (3) введены очень простые и быстрые операции, что позволяет эффективно встраивать эту количественную меру математического качества решений локационной задачи в любые программы обработки сейсмоакустических данных, значительно сокращая затраты времени операторов систем МСКГД для локационной обработки и снижая вероятности грубых ошибок в локации. Наиболее точная локационная обработка САЭ-событий необходима для получения интегральных показателей удароопасности зон наибольшей геодинамической активности [4]. Однако учет геофизических особенностей каждого события и окончательный выбор оптимальной локационной антенны в ближайшие годы, по-видимому, останется прерогативой высококвалифицированных операторов подобных систем, учитывающих также детали сигнальных форм импульсов САЭ для получения окончательных (верных) локационных решений и их энергетических оценок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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: сб. тр. XVI сессии Российского акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС, 2005. С. 351-354.
2. Канасевич Э.Р. Анализ временных последовательностей в геофизике. М.: НЕДРА, 1985.
3. Кушнир А.Ф. Трехкомпонентный анализ сейсмограмм для оценивания параметров P- и S-волн. Обработка изображений геофизической среды / под ред. В.Ф. Писаренко, В.В. Радужного. М.: Наука, 1989.
4. Рассказов И.Ю., Аникин П.А., Цициашвили Г.Ш. Прогноз динамических проявлений горного давления на месторождении «Антей» по данным геоакустического мониторинга // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 10. С. 162-169.
5. Рассказов И.Ю., Искра А.Ю., Кянно К.А. Алгоритмы и программное обеспечение для локации источников акустической эмиссии в системе геомеханического мониторинга // Горный информационно-аналитический бюлл. 2007. № ОВ15. С. 130-142.
6. Трубецкой К.Н., Бронников Д.М. и др. Локация источников акустической эмиссии // Физика Земли. 1994. № 7-8. С. 77-83.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
New methods, measurement instrumentation and monitoring schemes for stress-strain state prognosis and control in rocks
Iskra A.Yu.
ALEKSANDR Yu. ISKRA, Mining Institute, Russian Academy of Sciences, FEB RAS, Khabarovsk, e-mail: ihomme@pochta.ru
Methods for improving the reliability of the spatial analysis of events in multichannel rock pressure monitoring systems
The article presents a procedure and a quantitative measure to compare the quality of location solutions in multichannel control systems for dynamic rock pressure providing the best performance in terms of accuracy and ease when determining in a more reliable way the defects of continuity in rock masses.
Key words: reliability, discrepancy, multichannel passive systems, monitoring, rock pressure.
REFERENCES
1. Kalinov G.A., Rasskazov I.Yu., Iskra A.Yu, Kulikov D.A., Kharitonov K.O. Acoustic measuring and computing complex for geomechanical monitoring of rock mass during mining. Physical Acoustics. Propagation and diffraction of waves. Geoacoustics: Trns. XVI Session of the Russian Acoustical Society. Vol. 1. M., GEOS, 2005, pp. 351-354. (in Russ.). [Kalinov G.A., Rasskazov I.Yu., Iskra A.Yu., Kulikov D.A., Haritonov K.O. Akusticheskij izmeritel'no-vychislitel'nyj kompleks dlja geomehanicheskogo monitoringa massiva porod pri vedenii gornyh rabot // Fizicheskaja akustika. Rasprostranenie i difrakcija voln. Geoakustika: sb. tr. XVI sessii Rossijskogo akusticheskogo obshhestva. T. 1. M.: GEOS, 2005. S. 351-354].
2. Kanasevich E.R. The analysis of time series in geophysics. M., Nedra, 1985. (in Russ.). [Kanasevich Je.R. Analiz vremennyh posledovatel'nostej v geofizike: M.: NEDRA, 1985].
3. Kushneer A.F. Three-component analysis of seismograms for estimating the parameters P- and S-waves. Image processing geophysical environment, ed. V.F. Pisarenko, V.V. Raduznyj. M., Science, 1989. (in Russ.). [Kushnir A.F. Trehkomponentnyj analiz sejsmogramm dlja ocenivanija parametrov P- i S-voln. Obrabotka izobrazhenij geofizicheskoj sredy / pod red. V.F. Pisarenko, V.V. Raduzhnogo. M.: Nauka, 1989].
4. Russkazov I.Yu., Anikin P.A., Tsitsiashvili G.S. Forecast dynamic manifestations of rock pressure in the field "Antey" according to geoacoustical monitoring data, Mining information-analytical bulletin. 2013;10:162-169. (in Russ.). [Rasskazov I.Ju., Anikin P.A., Ciciashvili G.Sh. Prognoz dinamicheskih projavlenij gomogo davlenija na mestorozhdenii «Antej» po dannym geoakusticheskogo monitoringa // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. № 10. S. 162-169].
5. Russkazov I.Yu., Iskra A.Yu., Kyanno K.A. Algorithms and software for location determining of acoustic emission sources in the geomechanical monitoring, Mining Information and Analytical Bulletin. 2007; Spec.Release 15: pp.130-142. (in Russ.). [Rasskazov I.Ju., Iskra A.Ju., Kjanno K.A. Algoritmy i programmnoe obespechenie dlja lokacii istochnikov akusticheskoj jemissii v sisteme geomehanicheskogo monitoringa // Gornyj informacionno-analiticheskij bjull. M.: MGGU, 2007. № OV15. S. 130-142].
6. Troubetskoy K.N., Bronnikov D.M. et al. Locating of acoustic emission sources. Physics of the earth. 1994;7-8:77-83 pp. (in Russ.). [Trubeckoj K.N., Bronnikov D.M. i dr. Lokacija istochnikov akusticheskoj jemissii // Fizika Zemli. 1994. № 7-8. S. 77-83].
