CC BY
33
УДК 622.831.325
© И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Г.А Калинов, П.А. Аникин, А.В. Гладырь, М.И. Рассказов,
А.В. Сидляр, 2011
И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Г.А. Калинов, П.А. Аникин,
А.В. Гладырь, М.И. Рассказов, А.В. Сидляр
ОСОБЕННОСТИ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ РУДНИКЕ
Рассмотрены основные особенности регистрации и обработки данных геоакустиче-ского контроля массива горных пород в условиях действующих горнодобывающих предприятий. Для повышения эффективности геоакустического контроля предложено использовать реализованные в измерительных комплексах принципы выделения полезных сигналов при ведении наблюдений в условиях интенсивных техногенных помех.
Ключевые слова: геомеханический мониторинг, горные породы, акустические колебания, рудник.
Геоакустический метод является одним из наиболее перспективных для исследования процессов разрушения горных пород и диагностики состояния горного массива [1, 2]. Однако его применение в натурных (шахтных) условиях действующих горнодобывающих предприятий имеет существенные отличия от лабораторных исследований и сопряжено с необходимостью контролировать сложно структурированные геосреды в условиях действия различных техногенных помех. Выделение полезного сигнала из всей совокупности регистрируемых акустических импульсов и учет звукопоглощающих и искажающих прохождение упругих волн свойств массива горных пород представляют собой весьма сложную задачу, решение которой имеет важное значения для повышения эффективности геоакустиче-ского контроля и прогнозирования опасных проявлений горного давления при ведении горных работ [3-5].
Созданная в ИГД ДВО РАН цифровая автоматизированная геоакустиче-
ская система геомеханического мониторинга АСКГД “Prognoz ADS” [6] позволяет в непрерывном режиме в производственных условиях рудника регистрировать и сохранять в компьютерной базе данных (БД) оперативную многоканальную и многопараметрическую информацию об акустических событиях (АЭ-импульсах) в контролируемой области горного массива. По результатам пространственно-временного и спектрального анализа данных наблюдений строят карты акустической активности массива горных пород с выделением потенциально удароопасных участков.
Система осуществляет сбор потенциально полезных импульсных данных в режиме, близком к “реальному времени”, с промежуточным накоплением их в буферной памяти цифровых приемных преобразователей (ЦПП). Характерная длительность регистрируемых АЭ-импульсов ти находится в пределах от 7 до 40 мс, а рабочая
»Лгущ-
им пульс 1 8872928, время: 14:17:36.631, Временной сдвиг: 0 мс у = 2
импульс 18872929.. время: 14:17:36.634..Временной сдвиг: 3 мс у = 2
импульс! 9972930, время: 14:17:36.636, Временной сдвиг: 5 мс у = 2
импульс 18872931, время: 14:17:36.638, Временной сдвиг: 6 мс у = 2
О 5 10 _______15__________20 25 30
импульс 18872932, время: 14:17:36.639, Временной сдвиг: 8 мс у = 2
а б, в, г, д
Рис. 1. Сигналограммы (а) и спектры (б-г) АЭ-импульсов локационной серии, зарегистрированной в массиве горных пород месторождения Антей (БПФ-спектры отображают по 108 гармоник каждого из первых четырех АЭ-импульсов серии)
полоса частот трактов регистрации АЭ составляет 0,3-12 кГц. Для регистрируемых естественных АЭ-импульсов (полезного сигнала) характерно обязательное наличие более 10 % энергии сигнала в частотных гармониках БПФ-спектра (спектра, полученного путем быстрого преобразования Фурье) выше 3500 Гц (рис. 1). Для уменьшения объема хранимой в БД информации параметры АЭ-импульсов выражены в условных
единицах (например, величина временного кванта составляет 25 мкс, квант напряжения составляет около 4 мкВ). Все вычисления, включая БПФ, также выполняются с дискретными данными, что ускоряет расчеты.
Высокие значения коэффициента поглощения акустических колебаний горной породой приводят к резконелинейному сужению ширины спектра упругих волн при дистанции пробега
а
Имя скважш- Ю сигнала Время Фронта Днсп МАИ ЭЕ Длт\ Фронта Порог Длт^е Амплиг
1121 11.11.2010 15:19:02.270 255 7636 60 4027 65 313
122 11.11.2010 15:19:10.318 255 14686 106 6278 183 314
122 11.11.2010 15:19:23.034 255 25636 312 4431 1191 505
1121 11.11.201015:19:25.416 255 75572 367 4677 1067 1803
1141 11.11.2010 15:19:49.838 255 8773 65 4468 65 230
121 11.11.201015:22:04.114 255 61299 238 4184 681 1761
1111 11.11.2010 15:22:04.125 255 13676 65 6995 65 423
1151 11.11.2010 15:22:27.115 255 35987 124 4424 615 948
1151 11.11.201015:22:28.782 255 13082 107 4592 195 846
1151 11.11.2010 15:22:42.592 255 17801 82 4872 203 1258
1151 11.11.201015:22:43.429 255 13065 87 5109 192 830
1121 11.11.2010 15:22:51.006 255 7681 63 4286 65 204
1151 11.11.2010 15:23:04.795 255 10996 84 4572 191 514
1151 11.11.2010 15:23:44.202 255 34030 112 4809 231 2016
1121 11.11.2010 15:23:45.303 255 24598 249 4201 586 576
1151 11.11.201015:23:50.773 255 16335 116 4572 228 505
1151 11.11.201015:24:00.576 255 17855 103 5129 225 468
1151 11.11.2010 15:24:03.174 255 12452 91 4782 198 390
1121 11.11.2010 15:24:25.341 255 17911 118 4119 215 932
1121 11.11.2010 15:24:26.019 255 44058 344 3866 1065 1275
102 11.11.2010 15:24:26.041 255 30939 102 9161 218 561
1151 11.11.201015:25:17.077 255 19310 103 5231 203 939
122 11.11.2010 15:25:27.063 255 69874 122 6557 341 1769
1261 11.11.201015:25:33.416 255 19211 113 6731 235 356
1011 11.11.2010 15:25:44.376 255 14263 87 5795 243 295
1121 11.11.2010 15:26:03.636 255 22465 534 4178 869 478
102 11.11.201015:26:03.648 255 7151 65 3943 65 155
102 11.11.2010 15:26:03.665 255 13595 65 7258 65 292
1121 1406Э82 11.11.201015:27:27.866 255 23416 119 5361 812 467
1151 1406983 11.11.2010 15:27:27.867 255 27317 126 4945 893 799
102 1406984 11.11.2010 15:27:27.867 255 82788 500 4940 1336 1361
1111 1406Э85 11.11.2010 15:27:27.872 255 21949 570 5612 826 520
1121 11.11.2010 15:28:19.126 255 17927 119 4301 244 814
122 11.11.201015:29:56.326 255 19753 121 4669 1087 428
1261 11.11.2010 15:29:56.330 255 25361 694 4710 963 485
1151 1406986 11.11.201015:29:59.099 255 96971 470 4939 896 2247
1121 1406987 11.11.2010 15:29:59.100 255 44135 415 4755 1157 946
102 1406988 11.11.2010 15:29:59.100 255 91672 890 4396 1654 1761
1111 1406989 11.11.2010 15:29:59.105 255 18774 112 5770 280 430
1141 1406990 11.11.2010 15:29:59.106 255 10710 89 4501 187 249
122 1406991 11.11.2010 15:29:59.106 255 9597 65 4883 65 166
Рис. 2. Таблица базы данных с параметрами акустических событий (а) и сигналограммы
двух групп импульсов (б, в) техногенных источников (буровых помех)
в
Рис. 3. Усредненные энергетические спектры АЭ-импульсов от буровых помех
десятки и первые сотни метров (см. рис. 1). Частотные трансформации приводят как к росту длительности переднего фронта, так и общей длительности всего АЭ-сигнала. Форма огибающей АЭ-импульса от характерной треугольной вблизи источника, при прохождении через массив преобразуется в веретенообразную с несколькими максимумами, что многократно усложняет программную идентификацию импульса.
Для формирования достоверного состава локационной серии необходима процедура пробной локации по наиболее близким к источнику геофонам (определяемым по минимальным РВП) и сопоставление наблюдаемых в сигнало-граммах трансформаций спектральновременных параметров с модельным описанием зоны контроля. Все используемые для окончательной локации источника АЭ импульсы должны иметь четкое соответствие скоростной части модели.
Как отмечалось выше, одной из определяющих особенностей и сложностей геоакустического контроля на действующем горнодобывающем предприятии яв-
ляется необходимость его проведения в условиях обилия помех и множества по-меховых факторов различной физической природы. В работе [5] предложены модели описания информационных процессов при геоакустическом контроле, согласно которым входным сигналом при его осуществлении являются наиболее мощ-ные представители класса а (сигналы внутренних природных шумов массива), активизируемые очистными работами и имеющие надежные локационные признаки (моменты прихода и выраженные ВЧ-компоненты в спектрах). По мнению авторов, модель также необходимо дополнить помехами класса а12 - некорректные результаты вычислительных процедур при компьютерных многопараметрических расчетах, которые невозможно отфильтровать без участия оператора.
Установлено, что полезный сигнал надежно распознается при наличии кратного энергетического превосходства над техногенными помехами, либо заметного отличия частотного спектра импульсного сигнала от спектра квазистационарного шума. В зоне ведения горных работ в рабочем диапазоне частот системы обычно
преобладают помехи импульсного вида с частичным, порой значительным, перекрытием спектров помехи и полезного сигнала.
На рис. 2 приведены две группы по-меховых импульсов, генерируемых в процессе бурения эксплуатационных скважин, которые по характерному виду огибающих и спектральному составу очень близки к естественным АЭ-испульсам. Их отнесение к техногенным шумам становиться возможным только на основе анализа 10-минутной предыстории контроля в таблице с выделением фиксированных временных сдвигов и множества импульсных маркеров (наборов измеряемых параметров).
На рис. 3 ниже приведены усредненные (по двум первым сигнало-граммам) энергетические спектры каждого исходного упругого импульса, генерируемого в процессе бурения, в которых также как и у полезного сигнала (см. рис. 1) заметны спектральные компоненты в интервале частот 4.. .5 кГц, но с меньшей долей энергии сигнала (не более 4-10 %). Приведенные данные свидетельствуют о сложности программной идентификации регистрируемых АЭ-событий.
Для выделения полезного сигнала используется присущие буровым помехам достаточно высокая интенсивность и характерная периодичность поступления акустических сигналов (15-40 с-1), которые позволяют в установившемся режиме бурения фильтровать импульсы в микроконтроллере ЦПП и отбраковывать прошедшие сквозь фильтр ЦПП и внесенные в БД техногенные импульсы по параметрическим маркерам, содержащимися в их предыстории.
При технологических взрывах отсечение групп сигналов упрощается по следующим признакам: многократному
понижению видимой частоты; сужению БПФ-спектров импульсов (более 95 % энергии в полосе частот до 1500 Гц) и кратному увеличению длительности ти. При взрывных работах также нередко наблюдаются перегрузки электроники чувствительного элемента (ЧЭ) геофона.
В системе “Prognoz ADS” при подкачке регистрируемых АЭ-импульсов из ЦПП во временный файл БД туда все же попадает некоторая часть импульсов, генерируемых производственными шумами. Поэтому после записи данных в БД автоматически реализуется программная выборка импульсов для формирования локационной серии, по которой рассчитываются параметры АЭ-события. При этом анализируются спектральные характеристики, длительность фронта, сила сигнала, сдвиговые параметры в группе (РВП). На этом этапе производится частичная селекция данных.
Программа обработки АЭ-данных «GeoAcoustics ADS» обеспечивает дополнительно экспертный выбор импульсов локационной серии, для чего поддерживаются: сплошной просмотровый проход оператором по таблице импульсов БД, проверка результатов программного формирования локационной серии и их корректировка. Для наиболее ответственных интервалов времени АЭ-контроля такой вариант представляется наиболее надежным.
Таким образом, для повышения надежности и достоверности геоакустиче-ского контроля необходимо на программном и экспертном уровнях обеспечить: просмотр и тщательный анализ результатов наблюдений, выбраковка непригодных данных помехового происхождения и тщательная обработка сейсмоакустических событий. Описанные выше и реализованные в системе АСКГД подходы к обработке потоков
импульсов, встроенные в ее программное обеспечение логические фильтры и спектральный анализ позволяют, в частности, успешно решать задачу иденти-
1. Анцыферов М.С., Анцыферова Н.Г., Каган Я.Я. Сейсмоакустические исследования и проблема прогноза динамических явлений. -М.: Наука, 1971. - 136 с.
2. Ямщиков В. С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов.
- М.: Недра, 1982.
3. Развитие средств акустического контроля опасных проявлений горного давления / И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра // Горный журнал.
- 2007. - № 1. - С. 85-88.
4. Методы определения и идентификации источников акустической эмиссии в разрабатываемом массиве горных пород по данным геомеханического мониторинга / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, Д.С. Мигунов, К.О. Харитонов // Геодинамика и на-
фикации полезного сигнала и помехо-вых импульсов при ведении наблюдений в условиях действующего горного предприятия.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
пряженное состояние недр Земли. Труды научной конференции с участием иностранных ученых. - Новосибирск 6-10 июля 2009 г., Новосибирск: ИГД СО РАН, 2010, С. 145-149.
5. Рубан А.Д., Шкуратник В.Л. Геоконтроль как элемент горных технологий и особенности его реализации в условиях помех // Горный журнал. - 2009. - № 12. - С. 14-17.
6. Рассказов И.Ю., Луговой В.А., Искра А.Ю., Барашиков И.А. Автоматизированная система геомеханического мониторинга подземных сооружений и горных конструкций при их эксплуатации // Технологии гражданской безопасности. - Том. 7. - 2010. - № 3. - С. 9296. ШШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рассказов И.Ю. - доктор технических наук, директор,
Искра А.Ю. - старший научный сотрудник,
Калинов Г.А. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Аникин П.А. - научный сотрудник,
Гладырь А.В. - научный сотрудник,
Рассказов М.И. - инженер,
Сидляр А.В. - инженер,
Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск, [email protected]
