CC BY
82
© С.С. Кубрин, 2015
УДК 622.831.322 С.С. Кубрин
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО И ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД. ВОПРОСЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД
Описана многофункциональная система контроля геодинамического и газодинамического состояния массива горных пород. Подробно рассмотрены вопросы ее структуры, построения и применения. Приведен минимальный состав системы, включающий сейсмический и сейсмоакустиче-ский мониторинг и прогноза состояния массива горных пород. Представлен комплекс технических средств многофункциональной системы контроля, принцип его построения, состав. Описаны принципы расстановки сейсмических и сейсмоакустических датчиков-зондов. Представлены схемы расстановки. Приведены технические характеристики технических средств. Освящены вопросы оценки и прогноза состояния массива горных пород. Приводятся основные характеристики многофункциональной системе контроля геодинамического и газодинамического состояния массива горных пород. Перечислены анализируемые данные (информационные пакеты о сейсмической, сейсмоакустической эмиссиях, идентифицированные сейсмические и сейсмоакустические события, интенсивности сейсмической и сейсмоакустической эмиссий, соотношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющей спектра сейсмоакустиче-ского сигнала и т.д.) на основе которых производится анализ и выполняется прогноз состояния угольного пласта, вмещающих пород и массива горных пород в целом. Указаны способы выявления регулярных составляющих временного ряда данных. Описаны методы сглаживания данных, включая метод скользящего среднего, метод медианного сглаживания, метод наименьших квадратов, метод отрицательного экспоненциально взвешенного сглаживания и метод бикубических сплайнов Ключевые слова: автоматизированная система, многофункциональная система, состояния массива горных пород, мониторинг гео- газодинамические явления, оценка опасности, контроль, прогноз.
Одним из самых опасных видов производственной деятельности человечества является добыча твердых полезных ископаемых подземным способом. Эта производственная деятельность происходит под землей в стесненном, ограниченном пространстве, где в силу протекающих процессов, возникающих при техногенном изменении массива горных пород, риски различных аварий и аварийных происшествий крайне велики. Наиболее потенциально опасной является
угольная промышленность, где добыча полезного ископаемого — угля осложнена его свойствами, характеристиками и составом. Это, во-первых, наличие в угле сорбированного взрывоопасного газа метана, который в ходе технологического процесса выемки полезного ископаемого выделяется в рудничную атмосферу и в совокупности с кислородом создает взрывоопасную смесь. Во-вторых, структурные особенности и прочностные свойства угля, которые при перераспределении горного давления в ходе интенсивной разработки месторождения на больших глубинах в сложных горногеологических условиях ведут к динамическим проявлениям различной физической природы, в том числе, в катастрофической форме (выбросы угля, породы и газа, горные удары и т.д.).
Состояние промышленной безопасности на предприятиях угольной промышленности вызывает озабоченность Российского правительства на протяжении последних десятилетий. В отрасли никак не удается нейтрализовать неблагоприятную обстановку в вопросах предупреждения травматизма и аварийности на угольных шахтах, промышленных объектах. Крупные аварии на шахтах Юбилейная, Ульяновская, Распад-ская об этом свидетельствуют. Инициатором произошедших аварий были вспышки метана. Большие разрушения принесли последующие взрывы смеси воздуха, угольной пыли и метаном. На всех шахтах, на которых произошли аварии, использовалась высокопроизводительная техника и современные технологии выемки угля. Шахты были оборудованы современными системами мониторинга рудничной атмосферы. Но этого оказалось недостаточно, чтобы не допустить трагедии. 11 августа 2010 года на совещании у Заместителя Председателя Правительства Российской Федерации И. И. Сечина была поставлена задача разработки многофункциональных систем безопасности в угольных шахтах. Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору 20 декабря 2010 г. был издан Приказ N 1158 г. Москва «О внесении изменений в Правила безопасности в угольных шахтах», утвержденные постановлением Госгортехнадзора России от 5 июня 2003 г. N 50. Пункт 41 требующий чтобы шахта должна
быть оборудована комплексом систем и средств, обеспечивающих решение задач организации и осуществления безопасного производства и информационной поддержки контроля и управления технологическими и производственными процессами в нормальных и аварийных условиях — многофункциональной системой безопасности. При координации ОАО НЦ «ВостНИИ» разработана Концепция Развитие Многофункциональной системы безопасности (МФСБ) на подземных угледобывающих предприятиях [2] (далее Концепция), в которой прописаны принципы управления горным предприятием, цели, задачи, требования, функции организация и проектирования МФСБ. В Концепции МФСБ горнодобывающее предприятие рассматривается как единый технологический комплекс взаимоувязанных между собой технологических процессов и техногенной среды, в которой функционируют технологические процессы связанные с проходческими, очистными работами, энергообеспечением, транспортировкой горной массы, оборудования людей, поддержания горных выработок, обеспечения проветривания и т.д.. В соответствии с Концепцией, МФСБ предназначена для обеспечения эффективного управления предприятием при заданном уровне безопасности (допустимого уровня риска) на подземных угледобывающих предприятиях. МФСБ должна выявить начальные предвестники аварийной ситуации и обеспечить превентивные мероприятия по предотвращению развития ситуации к возможности возникновения аварии. Состав МФСБ включает Аэрологическую безопасность, Противопожарную безопасность, Взрывозащиту, Безопасность технологических процессов, спасение людей, застигнутыми аварией и Контроль состояния массива горных пород. Минимальные требования к МФСБ, перечню систем, входящих в МФСБ, определены в правилах безопасности в угольных шахтах ПБ 05-61803 (приказ Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, от 19 ноября 2013 г., №550 (Зарегистрировано в Минюсте России 31.12.2013 № 30961))[1]. Контроль состояния массива горных пород обеспечивает мониторинг опасности гео- газодинамических проявлений и осуществление регионального и локального про-
гноза газодинамических явлений посредством автоматизированных геофизических и сейсмических наблюдений.
В настоящее время разработан целый ряд методик [3 — 6], основанных на использовании различных физических эффектов, проявляющихся при природно-техногенных воздействиях на геосистемы, что позволяет фиксировать такие изменения и получать информацию об их интенсивности и длительности. Однако надежность прогнозирования в сложных горногеологических условиях не превышает 75 %. Это объясняется сложностью и разнообразием горногеологических условий, физико-механических свойств и состояния геосистемы. Кроме того, формирование, развитие и реализация неблагоприятного горного проявления происходит в ходе изменения состояния и характеристик вмещающих пород, шахтной (рудной) атмосферы, гидродинамического режима. Динамика развития неблагоприятных горно-динамических проявлений сопровождается изменением различных физических свойств массива. То есть, развитие неблагоприятного горного динамического проявления характеризуется совместным изменением нескольких параметров, физических характеристик и свойств вмещающих пород и угольного пласта - частные спектры, энергия акустической эмиссии, интенсивность выделения метана, температура массива и т.д. Контроль одного или несколько параметров, к примеру, концентрация метана в шахтной (рудничной) атмосфере позволяет, хотя и частично, решать только задачи связанные с безопасностью ведения горных работ. Но по динамике изменения одного или двух параметров крайне сложно и чаще всего невозможно определить характер и динамику формирования, развития и реализации (релаксации) горного динамического проявления.
В большинстве своем методы непрерывного геофизического мониторинга такие, как сейсмический, сейсмоакустиче-ский весьма перспективны, особенно при совместном использовании. В этом случае они позволяют обнаружить в массиве горных пород динамические (сейсмические) очаги критических деформаций, места их релаксаций (горные удары, внезапные выбросы, обрушение пород кровли в выработках и т.д.) и квазистатическое движение (оседание пород, пригруз-
ка, разгрузка и т.д.). Для выявления перечисленных событий при автоматизированном контроле геомеханического состояния массива горных пород была разработана Многофункциональная система контроля геодинамического и газодинамического состояния массива горных пород (МГСК). Многофункциональная система контроля геодинамического и газодинамического состояния массива горных пород является частью Автоматизированной системы поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга (АС ППТР и КСМ), разработанной ИПКОН РАН и успешно испытанной в 2013 году на очистном участке 2594 пласта Поленовский шахты им. С.М. Кирова [7] и переданной в эксплуатацию.
Система МГСК включает функциональные подсистемы:
• сейсмического мониторинга;
• сейсмоакустического мониторинга;
• прогноза состояния массива горных пород.
Комплекс технических средств МГСК построен по иерархическому принципу и состоит из:
а) устройств нижнего уровня, предназначенных для получения информации об объекте мониторинга, в виде датчиков-зондов контроля массива горных пород, выполненных во взрывобезопасном исполнении.
б) устройств среднего уровня - регистраторов-контроллеров, предназначенных для сбора информации от датчиков, предварительной обработки информации, обмена информацией с техническими средствами верхнего уровня через общешахтную высокоскоростную информационную магистраль, а также промежуточные усилители и медиаконвертеры, необходимые для согласования сигналов в протяженных и многоуровневых сетях передачи данных;
в) устройств верхнего уровня, предназначенных для визуализации параметров и состояния объектов управления системы с использованием графических образов и анимации, операторского интерфейса, регистрации и хранения данных, документирования и генерации отчетов, автоматической диагностики состояния технических средств всех уровней, протоколирова-
ния учетных показателей работы системы, архивирования информации в базах данных;
г) линий связи, обеспечивающие обмен информацией и командами между различными устройствами и подсистемами МГСК;
д) устройств электропитания.
Датчик-зонд измерения сейсмоакустической эмиссии горного массива (САК) и сейсмической эмиссии горного массива (СМЧ), предназначенны для обнаружения сейсмоакустических очагов критических деформаций в горном массиве и их релаксаций (оседание, пригрузки, разгрузки, горные удары, внезапные выбросы, обрушение пород кровли в выработках и т.д.) и сейсмических очагов критических деформаций в массиве и их релаксаций (горные удары, внезапные выбросы, обрушение пород кровли в выработках и т.д.) соответственно. Конструктивно сейсмоакустический и сейсмический зонды выполнены одинаково в виде полимерного цилиндра (рис. 1), внутри которого расположены три электродинамических геофона, ориентированных вдоль осей Z-X-Y для трехкомпо-нентной записи сейсмоакустических сигналов. По оси Z расположен геофон GS-20DX, по осям X и Y - геофоны GS-20DX-2B. Геофоны по конструкции не разборные и не ре-монтно пригодные элементы, устанавленные в специальных полостях корпуса. Вертикальная и горизонтальная оси геофонов показаны на торцевой крышке корпуса. Литой выходной штуцер для кабеля выполнен из силиконовой резины и надежно герметизирует внутреннее пространство зонда. При воздействии сейсмической и сейсмоакустической эмиссии на геофоны они вырабатывают электродвижущую силу. Основные технические параметры датчика-зонда САК приведены в табл. 1.
В состав подсистемы среднего уровня МГСК входят регистраторы-контроллеры (ССТТР) (рис. 2), обеспечивающие синхронную запись аналоговых сигналов от датчиков-зондов нижнего уровня, усиление их с сохранением динамического диапазона, преобразование в цифровой формат и передачу в линии связи пакетами в формате TCP/IP либо SHDSL.
12 3 1
Рис. 1. Датчик-зонд измерения сейсмоакустической эмиссии горного массива САК: 1 - кольцо запрессовочное, 2 - деталь 2, 3 - датчик, 4 -трубка термоусадочная, 5 - деталь 4, 6 - плата диодная, 7 - деталь 3, 8 -винт ^N962 М4х16, 9 - пластина крепежная
Таблица 1
№ п/п Наименование параметра Значение параметра
1. Собственная частота, гц 10-110%
2. Стелет затухания с шунтом 1 Ком, % 70±10%
3. Выходной сигнал геофона, В, не более 6
4. Коэффициент нелинейных искажений, %, не более 0,2
5. Выходное сопротивление геофона без шунта, Ом 395±5%
6. Коэффициент преобразования геофона без шунта, В/м/с 27,6±10%
7. Масса, кг. не более 2,0
8. Габаритные размеры, мм, не более с15 0x250
Рис. 2. Общий вид регистратора-контроллера ССТТР
Регистратор размещен в оболочке из пластика, обеспечивающей защиту IP54 и снабженной шестью взрывозащищенны-ми кабельными вводами для подключения питания, линий связи и датчиков-зондов. Оболочка регистратора конструктивно состоит из двух отсеков, соединенных между собой промежуточной проставкой при помощи винтовых соединений. Каждый отсек представляет собой взрывозащищенный сертифицированный корпус КСП-25.
В отсеке №1 располагается плата коммутации и индикации, в отсеке №2 (измерительном) - монтажная панель регистратора, к которой крепятся три платы: базовая, сейсмоакустическая и модемная. Отсеки между собой соединяются коммутационным жгутом, проложенным в канале, выполненном в виде резьбового металлического патрубка, закрепленного концевыми гайками, который после прокладки жгута заливается компаундом.
На плате коммутации расположены разъемы для подключения искробезопасного источника питания типа СИИП и система индикации, отслеживающая прохождение сигналов от соответствующих плат измерительного отсека. В измерительном отсеке размещены разъем для подключения сети Ethernet, клеммы SHDSL, разъемы для подключения сейсмических и сейсмоакустических зондов.
На печатных платах располагаются следующие узлы:
• DC/DC преобразователь с 13В на 5,0В и 3,3В;
• процессор;
• высокостабильный термокомпенсированный кварцевый генератор;
• высокоскоростное устройство модемной связи ВУМС (модификация ССТТР-1.ВУМС) и/или контроллер сети Ethernet (модификация ССТТР-1);
• усилительные каскады;
• преобразователи, которые обеспечивают выполнение следующих функций:
• прием сигналов;
• преобразование сигналов;
• питание датчиков-зондов;
• передачу геофизических данных.
Основные технические параметры ССТТР-1, ССТТР-1. ВУМС приведены в табл. 2, 3.
Таблица 2
№ Наименование параметра Значение параметра
1 Напряжение питания, В 13±10 %
2 Ток потребления, мА, не более 500
3 Протокол связи: ССТР-1.ВУМС ССТР-1 SHDSL Ethernet
4 Дальность передачи данных для ССТР-1. ВУМС, м, не более 4000
5 Потребляемая мощность при передачи данных по Ethernet, Вт, не более 2,2
6 Потребляемая мощность при передачи данных по SHDSL, Вт, не более 6,5
7 Разрядность АЦП 24
8 Частота дискретизации АЦП, Гц, до 4000
9 Масса, кг, не более 6
10 Габаритные размеры, мм, не более 260х220х100
Таблица 3
№ Наименование параметра Значение параметра
1 Количество физических интерфейсов SHDSL.bis, не более 2
2 Скорость обмена по каждому SHDSL.bis, Мбит/сек, не более 2
3 Напряжение питания, В 13±20%
4 Потребляемая мощность, Вт, не более 4,5
5 Диапазон рабочих температур, °С -20+70
Таблица 4
№ Наименование параметра Значение параметра
1 Напряжение питания, В 13±20%
2 Ток потребления, мА, не более 500
3 Протокол связи БИОБЬ
4 Дальность передачи данных, м, не более 4000
5 Масса, кг, не более 6
6 Габаритные размеры, мм, не более 260х220х100
Усилитель линии модемной связи (УЛМС) предназначен для усиления сигнала ВУМС в случае, если длина кабельной линии связи на выходе ВУМС превышает 4 000 метров. УЛМС включается в разрыв линии связи. Основные технические параметры УЛМС приведены в табл. 4.
Оборудование нижнего и среднего уровней МГСК предназначено для получения сигналов от очагов сейсмической и сейсмоакустической эмиссии массива горных пород, формирования и преобразования этих сигналов и передачи их по каналам связи на верхний уровень МГСК. На основе этого оборудования формируются типовые узлы мониторинга сейсмической и сейсмоакустической эмиссии массива горных пород. На рис.3 приведена схема линий связи между устройствами нижнего и среднего уровней МГСК, входящими в типовой узел сейсмического и сейсмоакустического мониторинга.
Сигналы от датчика-зонда СМЧ/САК поступают по медной витой паре на входные клеммы регистратора-контроллера ССТТР-1.ВУМС. На регистратор также поступает электропитание от источника СИИП напряжением 12 В постоянного тока. Регистратор-контроллер и источник питания крепятся к борту выработки анкерами и должны располагаться на расстоянии не более 200-300 метров от скважины, в которой размещен датчик. При этом аппараты должны быть размещены так, чтобы была исключена возможность их повреждения в процессе ведения горных работ. Электроснабжение источника СИИП осуществляется напряжением 127/36 В переменного тока от существующей подземной сети электроснабжения (например, от аппарата осветительного шахтного АОШ-4.01).
Рис. 3. Схема пиний связи между устройствами типового узла сейсмического и сейсмоакустического мониторинга
Регистратор-контроллер модификации ССТТР-1.ВУМС содержит в своем составе модем (высокоскоростное устройство модемной связи ВУМС). Сигнал с выходных клемм модема в формате протокола БИОБЬ отправляется по медным жилам кабеля в магистральную сеть передачи данных на верхний уровень МГСК.
Если шахта оборудована общешахтной системой волоконно-оптической связи (ВОЛС), то выходной сигнал с регистратора-контроллера ССТТР-1.ВУМС поступает в эту сеть непосредственно через медиаконвертер. При отсутствии общешахтной ВОЛС выходные сигналы с регистраторов-контроллеров принимаются на поверхности специально предназначенными для этой цели высокоскоростными устройствами модемной связи ВУМС. При длине медных линий связи более 4 км необходимо применение промежуточных усилителей линии связи (рис. 4). Блок усилителей ВУМС (ССТТР-1.Ус), подключается к электропитанию 12В от сетевого искробезопасного источника питания СИИП. При этом электроснабжение источника СИИП осуществляется напряжением 127/36 В переменного тока от существующей подземной сети электроснабжения.
Рис. 4. Структурная схема канала сейсмо-сейсмоакустического мониторинга МГСК
Датчики зонды СМЧ расставляются таким образом, чтобы контролировать все пространство ведения горных работ. Датчики-зонды САК (по 3 шт.) устанавливаются на оконтуриваю-щих очистной участок штреках перед очистным забоем на расстоянии суточного движения очистных работ. Расстояние между САК, установленных на одном штреке соответствуют расстоянию прохождения лавы за сутки. При достижении места установки САК механизированным комплексом, датчик-зонд вынимается из массива и устанавливается после последнего установленного датчика-зонда. Такая перестановка САК обеспечивает контроль горного массива и угольного пласта перед фронтом очистных работ на расстоянии (при суточном движении лавы на 20-30 метров) от 60 до 90 метров. На проходческом участке устанавливаются два или три датчиков-зондов САК с отставанием от груди забоя на 10—20 метров с расстояниями между зондами в 20—30 метров. По мере отхода груди забоя датчики-зонды САК переставляются вслед движению проходческих работ.
Система МГСК производит совместный анализ сейсмических, сейсмоакустических сигналов, дополнительно может учитывать данные о режиме работы горного оборудования и данные шахтной системы аэрогазового контроля. С помощью алгоритмов выявления опасных геомеханических, гео- и газодинамических явлений на основе активности акустической эмис-
сии горного массива, анализа амплитудно-частотных характеристик зондирующего сигнала, геотомографии, динамики газовыделения, геоэнергии горного массива с учетом режима работы горного оборудования и т.д., выявляются динамические очаги критических деформаций в массиве и области их возможной релаксации, состояние угольного пласта, вмещающих пород и горного массива в целом. Результаты анализа фиксируются в базе данных и в отчетах.
На основе анализируемых данных производится прогноз состояния угольного пласта, вмещающих пород и горного массива в целом. Для всех перечисленных данных применяются стандартные методы математической обработки временных рядов соответственно:
• информационные пакеты о сейсмической эмиссии по трем осям всех сейсмических датчиков-зондов;
• информационные пакеты о сейсмоакустической эмиссии по трем осям всех сейсмоакустических датчиков-зондов;
• данные о режимах работы горно-шахтного оборудования;
• данные по идентифицированным сейсмическим событиям;
• данные по идентифицированным сейсмоакустическим событиям;
• данные по интенсивности сейсмической эмиссии;
• данные по интенсивности сейсмоакустической эмиссии;
• данные отношений амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющей спектра сейсмоакустического сигнала;
По измеренным и первично обработанным данным вычисляются значения:
• интенсивности сейсмической эмиссии;
• интенсивности сейсмоакустической эмиссии;
• отношений амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющей спектра сейсмоакустического сигнала;
Далее, производится сравнение с пороговыми значениями в соответствии с требования РД 05-328-99 [4], РД 05-350-00 [3]. При выполнении нескольких условие, свидетельствующих об опасности гео- газодинамических явлений производится комплексная оценка возникновения опасности. На основе наблюденных и вычисленных данных выполняется моделирования и исследования временного ряда каждого параметра. Это исследование является целью обнаружения регулярной компо-
ненты и так называемого случайного шума (случайные отклонения связанного с неоднородностью массива горных пород, угольного пласта, работы горношахтного оборудования и т.д.). Производится выявление регулярных составляющих временного ряда, тренда, определяющего общее изменение данных и «сезонной» составляющей (периодически повторяющаяся компонента, связанной с циклами работы очистного комбайна, так называемой «стружки», рабочими или ремонтными сменами). Тренд представляет собой общую систематическую линейную или нелинейную компоненту характеризующие измеренные или вычисленные данные, которая изменяется во времени.
Для выявления систематического тренда данных используется методы сглаживания, выбираемый в зависимости от особенностей массива горных пород, угольного пласта, вмещающих пород, условий их залегания и технологии интенсивности ведения горных работ:
— скользящее среднее, в котором каждый член ряда заменяется простым или взвешенным средним п соседних членов, где п - ширина «окна»;
— медианное сглаживание, в котором используется медианы значений, попавших в скользящее окно, позволяющее добиться результатов более устойчивых к выбросам (имеющимся внутри окна), если в данных имеются большие отклонения (выбросы), определяемые неоднородностью горного массива вмещающих пород и угольного пласта, то сглаживание медианой позволит получить более гладкие кривые измеренных или вычисленных данных, по сравнению со скользящим средним с тем же самым окном и вследствие этого выявить систематическую линейную или нелинейную компоненту (тренд);
— наименьших квадратов, взвешенных относительно расстояния, если измерение или вычисление данных было выполнено не достаточно надежно из-за сложных горногеологических процессов протекающих при разгрузке горного массива вследствие горных работ;
— отрицательного экспоненциально взвешенного сглаживания, если измерение или вычисление данных было выполнено не достаточно надежно из-за сложных горно-геологических процессов протекающих при разгрузке горного массива вследствие горных работ;
— бикубических сплайнов, в начальный период обработки данных.
Методы сглаживания позволяют отфильтровывать шум и преобразовать данные в относительно гладкую кривую. По этим данным производится определение (приближение) вида зависимости анализируемого временного ряда. Для этого используются линейные и полиномиальные функции и их комбинации. На основе полученной зависимости измеренных и вычисленных данных производится их прогноз на заданный период.
Периодические составляющие временного ряда анализируются с помощью автокоррелограммы автокорреляционной функции. Коэффициенты автокорреляции (и их параметры) определяются для последовательности временных рядов из определенного диапазона временных длин и исследованием частной автокорреляционной функции для устранения зависимость между промежуточными наблюдениями. Учет выявленной периодической составляющей производится (для выбранного периода к) следующим образом. Из каждого 1-го значения вычитается (г-к)-е значение, что позволяет определить скрытые периодические составляющие временного ряда и кроме этого, удаление выявленной периодической составляющей делает временной ряд наблюденной стационарным.
Анализ стационарных временных рядов производится авторегрессией проинтегрированного скользящего среднего. В дальнейшем предполагается, что временные ряды содержат элементы, которые последовательно зависят друг от друга.
х1 = - + Ф1*х(М) + ф2*х(1:-2) + ф3*х(1:-3) +... + в,
где - - константа, ф1, ф2, ф3 - параметры авторегрессии.
С помощью полученных моделей измеренных и вычисленных данных производится прогноз значений и строится доверительный интервал. После накопления новых фактических данных о измеренных и вычисленных параметрах производится их сравнение с прогнозными данными, определяются отклонения и оценки параметров моделей по фактическим данным. Таким образом, реализуются обратные связи для корректировки моделей, на основе сопоставления наблюдаемых и спрогно-
зируемых параметров. Полученные результаты используются на последующих этапах построения модели изменения параметров.
При построении комплексной модели используются два метода - метод группового учета аргументов (МГУА) и нейро-сетевой метод. Первоначальный этап построения математической модели состоит в определении значимых факторов, необходимые для учета в модели. Для этого используется математический аппарат корреляционного анализа. Для каждой пары временных рядов определяются коэффициенты корреляции, ковариации, ранговой корреляции Кендалла, Спирмена, множественной ранговой конкордации. На основе полученных данных строится математическая модель определения опасности гео- газодинамического явления в зависимости от временных рядов.
В основе метода лежит принцип последовательного выбора лучшей модели из сгенерированных. Структура модели, в отличие от регрессионного анализа, заранее не фиксируется, а выбирается из множества вариантов. Оптимальная модель находится согласно принципам самоорганизации из условия особенностей геологического строения угольного пласта, вмещающих пород и выбранной технологии производства горных работ. Выбор значимых параметров осуществляется в несколько этапов. Временные ряда по времени разделяются на два промежутка: обучающую последовательность и проверочную последовательность данных. На вход МГУА подаются временные ряды обучающей последовательности: х = х1, х2, ..., хп. На первом этапе формируются частные описания, объединяющие входные временные ряды переменных по две: у1 = {1 (х1, х2), у2 = {2 (х1, х3), ..., уЬ = АЬ (хп-1, хп). Из множества сгенерированных вариантов частных описаний первого этапа при селекции выбирается лучший в соответствии внешнему критерию. Эти описания проходят второй этап, на котором образуются частные описания второго порядка: 21 = А2 (у1, у2), 22 = А2 (у1, у3), ..., 2Б = А (ур-1, ур). Из них выбирают следующие лучшие представления для использования на следующем этапе. Для каждого этапа находится лучшая модель. Этапы продолжаются до тех до тех пор, пока оценка критерия
последовательно уменьшается. Построенная модель проверяется на проверочной последовательности временных рядах данных. Полученная комплексная модель оценки и прогноза геомеханического состояния горного массива и рудничной атмосферы на угольной шахте, используется в текущий момент времени.
На поверхности располагается компьютерный комплекс, состоящий из серверной и операторской частей (сейсмического, сейсмоакустического мониторинга). Сбор первичных данных в МГСК производится с помощью системы архивирования iHistirian. Для обеспечения стандартного интерфейса взаимодействия по протоколу OPC DA между CCTTP и информационными системами уровня SCADA, MES и прочими разработан OPC-сервер CCTTP, предназначенный для обработки данных, поступающих в режиме реального времени одновременно от нескольких CCTTP по протоколу OPC DA версий 2.0 и/или 3.0. OPC-сервер CCTTP обеспечивает выгрузку поступающих от CCTTP данных в текстовый файлы обменного формата и конфигурацию CCTTP, изменение режима их работы и синхронизацию во времени. Преобразованная OPC-сервером в обменный формат информация поступает в файловый коллектор iHistorian, где она размещается и хранится. Визуализация с использованием графических образов и анимации производится стандартными средствами SCADA iFix (рис. 5, 6).
Наблюденные фактические данные по датчикам-зондам: сейсмическая, сейсмоакустическая эмиссии при возможности концентрация метана и скорость воздушного потока в забое, режимы работы горно-шахтного оборудования, положение комбайна предварительно обрабатываются в режиме реального времени. В ходе такой обработки выявляются сейсмические и сейсмоакустические события, вычисляется интенсивности сейсмической и сейсмоакустической эмиссий, отношения амплитуд высокочастотной и низкочастотной составляющей спектра сейсмоакустического сигнала, отношения объемов газа метана, выделившегося при работе и простое комбайна. Далее, определяется текущее геомеханического состояния массива горных пород.
Рж. Б. Mнемocхемa noacrnreMüi «Cейcмoaкycтнчеcкий мoннтopинг»
Рж. б. Mнемocхемa пoacиcтемы «npo^oç cocтoяния Mac^Ba rop-ных nopoa»
Система МГСК позволит осуществлять заблаговременный прогноз неблагоприятных динамических проявлений при освоении месторождений твердых полезных ископаемых, особенно в катастрофической форме. Представленная автоматизированная система прогнозирования опасности гезо-геодинамического явления повышает достоверность предсказаний активизации негативных динамических процессов в массиве горных пород, а также позволяет проводить взаимное тестирования результатов прогноза. Заблаговременное выявление возможности возникновения аварийного происшествия позволит своевременно выработать и выполнить превентивные мероприятия по предотвращению или снижению последствий аварий. Поэтому представленная система МГСК позволяющая с достаточной степенью достоверности объективно оценить ситуацию на горнодобывающем предприятии под землей с учетом анализа и прогноза параметров рудничной атмосферы, горного массива представляет значительный интерес.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03) (приказ Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, от 19 ноября 2013 г., №550 (Зарегистрировано в Минюсте России 31.12.2013 № 30961)).
2. Развитие Многофункциональной системы безопасности (МФСБ) на подземных угледобывающих предприятиях. Концепция. http://nc-vostnii.ru/forum/
3. Инструкция по безопасному ведению горных работ на пластах, опасных по внезапным выбросам угля (породы) и газа (РД 05-350-00), утвержденная Постановлением Госгортехнадзора России от 04.04.2000 № 14.
4. Инструкция по безопасному ведению горных работ на шахтах, разрабатывающих угольные пласты, склонные к горным ударам (РД 05-328-99), утвержденная Постановлением Госгортехнадзора России от 29.11.1999 № 87.
5. Захаров В.Н., Кубрин С.С., Фейт Г.Н., Блохин Д.И. Тензометриче-ский мониторинг напряженного состояния горного массива при разработке угольных пластов опасных по гео- и газо- динамическим явлениям. Маркшейдерский вестник. - М.:ФГУП «ГИПРОЦВЕТМЕТ», 2012. № 5. - С. 43-44.
6. Захаров В.Н., Кубрин С.С., Фейт Г.Н., Блохин Д.И. Определение напряженно-деформированного состояния горных пород при разработке угольных пластов опасных по гео- и газо- динамическим явлениям. Уголь. — М.: 2012. № 10. С.34-36. ISSN 0041-5790.
7. Кубрин С.С, Мазаник Е.В.,Кигалов Н.Н. Автоматизированная система поддержки принятия технологических решений и комплексного синтезирующего мониторинга. Горный информационно-аналитический бюллетень. — М.: МГГУ, 2014. Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка-2014». С. 267 -278. - ISSN 0236-1493. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Кубрин Сергей Сергеевич — доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией, [email protected], Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук.
UDC 622.831.322
MULTIFUNCTION CONTROL GEODYNAMIC AND GAS-DYNAMIC STATE OF ROCK MASS. EVALUATION AND FORECAST THE STATE OF THE ROCK MASS
Kubrin S.S., Doctor of technical Sciences, Professor, head. laboratory [email protected] Institute of problems of complex development of mineral resources, Russian Academy of Sciences.
This article describes the multi-function control system of geodynamic and gas-dynamic state of a rock mass. Considered in more detail its structure, construction and application. The minimum system components, including seismic and acoustic monitoring and forecasting the state of the rock mass. Presents technical means complex multifunctional monitoring system, the principle of its construction, composition. Describes the principles of arrangement of seismic and acoustic sensors probes. The presented scheme of arrangement. The technical characteristics technical means. Consecrated evaluate and forecast the state of the rock mass. Basic characteristics of the multifunction system control geodynamic and gas-dynamic state of a rock mass. Lists the analyzed data (information packages about seismic, acoustic emission, identified seismic and seismic events, the intensity of seismic and acoustic emissions, the ratio of the amplitudes of high-frequency and low-frequency component of the spectrum of the acoustic signal, etc. on the basis of which analyzes and predicts the state of the coal seam surrounding rocks and rock masses in General. Methods of identifying regular components of the time series data. Describes methods for smoothing data, including the method of moving average, median smoothing method, method of least squares, method of negative exponentially weighted smoothing method bicubic splinesf.
Key words: automated system, multifunction system, state of the rock mass, monitoring geo — gas-dynamic phenomena, hazard assessment, monitoring, prediction.
REFERENCES
1. Pravila bezopasnosti v ugol'nyh shahtah (PB 05-618-03) (prikaz Federal'noj sluzhboj po jekologicheskomu, tehnologicheskomu i atomnomu nadzoru, ot 19 nojabrja 2013 g., no. 550 (Zaregistrirovano v Minjuste Rossii 31.12.2013 № 30961)).
2. Razvitie Mnogofunkcional'noj sistemy bezopasnosti (MFSB) na podzemnyh ugle-dobyvajushhih predprijatijah. Koncepcija. http://nc-vostnii.ru/forum/
3. Instrukcija po bezopasnomu vedeniju gornyh rabot na plastah, opasnyh po vnezap-nym vybrosam uglja (porody) i gaza (RD 05-350-00), utverzhdennaja Postanovleniem Gos-gortehnadzora Rossii ot 04.04.2000 № 14.
4. Instrukcija po bezopasnomu vedeniju gornyh rabot na shahtah, razrabatyvajushhih ugol'nye plasty, sklonnye k gornym udaram (RD 05-328-99), utverzhdennaja Postanovle-niem Gosgortehnadzora Rossii ot 29.11.1999 no. 87.
5. Zaharov V.N., Kubrin S.S., Fejt G.N., Blohin D.I. Tenzometricheskij monitoring naprjazhennogo sostojanija gornogo massiva pri razrabotke ugol'nyh plastov opasnyh po geo- i gazo- dinamicheskim javlenijam (Strain monitoring of the stress state in the rock mass during the development of coal seam dangerous in geo - and gas - dynamic phenomena). Markshejderskij vestnik, 2012, no. 5, pp. 43-44.
6. Zaharov V.N., Kubrin S.S., Fejt G.N., Blohin D.I. Opredelenie naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija gornyh porod pri razrabotke ugol'nyh plastov opasnyh po geo-i gazo- dinamicheskim javlenijam (Determination of the stress-strain state of rocks in the development of coal seams dangerous in geo - and gas - dynamic phenomena), Ugol', 2012, No 10, pp.34-36, ISSN 0041-5790.
7. Kubrin S.S, Mazanik E.V., Kigalov N.N. Avtomatizirovannaja sistema podderzhki prinjatija tehnologicheskih reshenij i kompleksnogo sintezirujushhego monitoringa (Automated decision-support technology solutions and integrated synthesizing monitoring). Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2014, Trudy mezhdunarodnogo nauchnogo simpozi-uma «Nedelja gornjaka-2014», pp. 267-278, ISSN 0236-1493.
