Прогнозирование горных ударов на рудниках Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

На полигонах, расположенных в зонах влияния горных работ на шахтах Магнети-товой, Эксплуатационной и Естюнинской, в

суммарных годовых смещениях, достигающих 150-300 мм, значительную долю составляют техногенные перемещения. На основе выполненного комплекса экспериментальных исследований за отчетный период получены следующие важнейшие результаты:

• установлено, что трендовые и по-лигармоничный комплекс цикличных короткопериодных современных геодинами-ческих движений придают процессу формирования напряженно-дефор-

мированного состояния массива горных пород непрерывную изменчивость во времени, отражающую постоянную подвижность геологической среды;

1. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной поверхности при подземной разработке рудных месторождений: Утв. Госгортехнадзором СССР 03.07.86. - М: Недра. -1988.

2. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на месторождениях руд черных металлов Урала и Казахстана. Утв. Минметаллургии СССР

• параметры современных геодина-мических движений, а также определяемые ими параметры напряженно-деформированного состояния в иерархически блочном массиве горных пород распределяются дискретно с ярко выраженными разрывами и скачками значений на структурных нарушениях различных рангов;

• в иерархически блочном массиве горных пород в условиях непрерывной подвижности под воздействием трендовых и короткопериодных геодинамических движений формируются временные консолидированные блоки, ограничиваемые локальными участками структурных нарушений разных рангов, проявляющими повышенную подвижность.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

02.08.90 г. Согл. Госпрпоматомнадзором СССР

21.06.90 г. и Госгортехнадзором Каз. сСр 19.04.90 г. ИГД Минмета СССР. Свердловск. 1990.

3. Сашурин А.Д., Панжина Н.А. Дискретность напряженно-деформированного состояния скальных массивов // Геомеханика в горном деле -1999: Материалы Международной конференции. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН. - 1999. - С.184-192.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Панжина Н.А. - младший научный сотрудник, Институт горного дела (ИГД) УрО РАН, Екатеринбург.

© Л.В. Виноку ров, 2005

УДК 622.1 Л.В. Винокуров

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГОРНЫХ УДАРОВ НА РУДНИКАХ

Семинар № 1

'П настоящее время в горнодобы-

Х^вающей промышленности для решения различных задач по исследованию состояния горного массива широкое менение нашли сейсмоакустические ды. Слабым местом в этих исследованиях является определение координат кустических источников в момент приема и регистрации объемных волн. Точность прогнозирования удароопасных ситуаций на рудниках при непрерывном контроле сейсмоакустической активности может быть значительно повышена, если будет произведен не только количественный учет сейсмоакустических импульсов, но также определены координаты сточников зарегистрированных сигналов. При этом представляется реальная можность определения местоположения прогнозируемого горного удара, что сулит большой социальный и экономический эффект.

В основе теоретических исследований лежит теорема о вращающейся прямой вокруг центра равностороннего треугольника. Ниже приводится ее формулировка.

Если некоторая прямая ЦУ, чально совпадающая с биссектрисой ЛБ равностороннего треугольника АВС со

стороной / вращается в плоскости треугольника вокруг его центра О (рис. 1), то проекции 8Ь 82,83 сторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса, т.е.

81 = /8ш(60° + ф), 82 =1 БШ ф,

83= /зт(60° - ф) (1)

Из этой теоремы следует, что, если проекции сторон равностороннего треугольника определены, то положение прямой ЦУ относительно заданного начала отсчета ЛБ определяется однозначно путем использования обратных тригонометрических функций.

Для удобства использования теоремы в целях определения направления (пеленга) на источник излучения сейсмоимпульса целесообразно принять вместо прямой ЦУ нормаль к фронту сейсмоволны, а вместо проекций, соответственно, временные задержки 11 1;2, 1;3.

В общем случае

Т = 8/У (2)

где У - скорость распространения сейсмоволны в объеме треугольника АВС; 8 -путь пройденный сигналом, равный /; Т -время прохождения пути, равное / /У.

Тогда для задержек времени получим t1 = T sin(600 +ф), t2 = T sin^,

t3 = T sin(600 -q>).

(3)

Если задержки времени измерены, то пеленг (угол р) однозначно определяется из соотношений (3). Однако для большей точности определения пеленга целесообразно использовать меньшую задержку, так как при изменении аргумента в окрестности нуля синусоидальная функция имеет большую скорость роста и хорошую линейность.

На основе теоремы и приведенных рассуждений был разработан алгоритм (рис. 2) для ЭВМ, который позволяет по сигналу определять пеленг источника излучения в реальном времени с помощью системы технических средств.

Технические средства представляют собой систему, включающую равносторонний треугольник из пенопласта, сторо-

Рис. 2. Алгоритм определения пеленга на источник сейсмоакусти-ческого импульса

на которого может иметь размеры от 100 мм до 500 мм, в вершинах треугольника установлены сейсмоприемники. Треугольник устанавливается на коренных породах горного массива горизонтально.

Система (рис. 3) содержит три канала приема сейсмосигнала от источника излучения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных сейсмоприемника 1, усилителя 2, компаратора 3, триггера 4 и счетчика 5. Схема также содержит схему совпадения 6, включенную параллельно триггерам 4, генератор тактовых импульсов 7, подключенный к счетчикам 5, мультиплексор 8, подключенный к выходам счетчиков 5 и к входу ЭВМ 9, измерительный блок 10, включенный к выходу усилителя 2 и входу ЭВМ 9.

Система работает следующим образом.

Предположим, сигнал сейсмоисточника с направления А достигает сейсмоприемника 1 среднего канала, усиливается усилителем 2 и поступает на компаратор 3. Если сигнал по уровню больше порога срабатывания компаратора 3, то он проходит и опрокидывает триггер 4, при этом включается счетчик 5. Одновременно с триггера 4 сигнал подается на схему 6 совпадения. Счетчик начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. Через некоторое время сигнал от источника достигает второго сейсмоприемника 1 (левый канал). При этом в левом канале, как и в предыдущем случае, срабатывают аналогичные элементы и счетчик 5 левого канала тоже начинает считать импульсы,

2 3 ’К 4 2 3 2 3

/ І 4 / І 4 /

5 ]| 5 -і 5 ]|

8

І

9

поступающие с генератора 7. С приходом сигнала от источника к третьему сейсмоприемнику 1 срабатывают все элементы этого канала. При срабатывании триггера 4 этого канала на входе схемы 6 совпадения одновременно присутствуют три сигнала, схема 6 совпадения срабатывает. При этом от ее выходного сигнала триггеры возвращаются в исходное состояние, счетчики 5 прекращают считать импульсы, а ЭВМ 9 через мультиплексор 8 считывает показания счетчиков 5, вычисляет пеленг источника сейсмических колебаний и запоминает результат. С выхода усилителя 2 одного из каналов сигнал поступает на вход измерительного блока 10, который измеряет величину амплитуды и период по принципу аналого-цифрового

Рис. 3. Блок-схема системы

преобразования и передает результат в ЭВМ 9 для регистрации.

Высокая точность определения пеленга на плоскости будет в том случае, когда точка излучения сигнала и равносторонний треугольник с сейсмоприемниками размещены в одной плоскости. С увеличением угла между направлением на источник и плоскостью треугольника увеличивается ошибка в определении пеленга, которая при 200 достигает 6 %.

При исследовании возможностей определения координат гипоцентра в реальном времени проблема была решена дальнейшими разработками теории для полупространства. Было выяснено, что с увеличением угла места в все проекции сторон равностороннего треугольника на вращающуюся прямую ИУ уменьшаются. При этом найдена закономерность, что уменьшение одной малой временной задержки влечет уменьшение значений пеленга р1, а уменьшение другой - к увеличению пеленга р2 на такую же величину.

Отсюда следует, что действительный (точный) пеленг эпицентра источника может быть определен по формуле р = (р +Р2)/2 (4)

Таким образом, имеется возможность определить координаты источника в трехмерном пространстве, не взирая на ориентацию треугольника относительно местоположения источника. Для этого необходимо выполнить следующие операции: (рис. 4).

1. Определить скорость продольной волны Ур в объеме горного массива под треугольником.

2. Определить скорость поперечной

волны У8 (можно из соотношения

Ур - 1,7Уз).

Вертикальная плоскость вид сбоку эц С ■ в Рис. 4. Поясняющий чертеж определения координат эпицентра и

—+ , . . d 10 L-""' 1 1 гипоцентра

s V Z і h \\\ >" [ 1 1 1 ■ 1 1 1 1 1 1 -у- = СОБ /?, /? = аГСС05-^-

‘SC,

ГЦ

Гьризомтапьиав плоскость вид сверху

S. Определим дальность до гипоцентра dj-ц

' - .

= Г

V •V

г р s

V -V

Р S

3. Измерить временные задержки при регистрации сейсмосигнала от источника излучения ti и t2

t1 = T sinp; t2 = T sin(60 -p2).

4. Определить пеленги

9 = arcsinT-; cp2 = 600 -arcsinT .

5. Определить уточненный пеленг P = (Pi + P)/2.

6. Определить временные задержки для земной поверхности (для плоскости размещения треугольника)

tj = T sinp; t2 = T sin(600 -p).

7. Определить угол в гипоцентра по одной из формул

где Тс - время в секундах отставания волны 8 от волны Р при прохождении расстояния от источника излучения до центра треугольника

9. Определить дальность до эпицентра

Йэц

d = d

эц гц

места

А д

-у = cos в,

А

a t1

в = arccos-j-

А1

cos в .

10. Определить глубину гипоцентра Z

Z= h = dц • sin в .

Разработанная система может использоваться в быту физическими лицами для регистрации, например, форшоков. В случае регистрации форшоков с близкими по значению координатами многократно за установленный период времени, то можно предположить, что в этом квадрате возможно динамическое явление - землетрясение.

Интерфейс, описанный в данной статье, может быть использован совместно с персональной ЭВМ.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. 1752080 СССР . Способ определения координат очагов прогнозируемых внезапных выбросов \ Л.В. Винокуров,-1992.

2. Шахраманьян М.А., Ларионов В.И., Нигме-тов Г.М. Разработка методического обеспечения геоинформационной системы ФССН по оценке последствий разрушительных землетрясений (на при-

мере Алтае-Саянского региона).-М. ВИА им. В.В. Куйбышева, 1995. - 44 с.

3. Винокуров Л.В. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук «Гео-информационные системы определения сейсмоа-кустических источников в массиве горных пород». - Алматы, 2002.

— Коротко об авторах -------------------------

Винокуров Л.В. - доктор технических наук, ВНИИ ГОЧС.