CC BY
39
© А.Ю. Искра, Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, Ю.И. Болотин,
2005
УДК 622.831.325
А.Ю. Искра, Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов,
Ю.И. Болотин
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ВЕДЕНИИ ПОДЗЕМНЫ1Х ГОРНЫХ РАБОТ
йсмоакустический метод оценки геомеханического со-
стояния массива горных пород (МГП) является одним из
наиболее перспективных методов контроля динамических проявлений горного давления, сопровождающих процесс подземной разработки месторождений полезных ископаемых в сложных горногеологических условиях и на больших глубинах [1, 2]. В то же время его эффективное применение требует наличия современных технических и программно-методи-ческих средств, обеспечивающих не только высокоточную локацию источников акустической эмиссии (ИАЭ) на фоне неизбежных технологических помех, но и определение ряда важных ее параметров (механической энергии, длительности, спектральных характеристик и т.п.), необходимых для надежного прогноза опасных горнодинамических явлений.
Решение локационной задачи для произвольного участка массива требует создания достаточно универсального многоканального и высокоточного приемо-измерительного устройства с широкими диапазонами измерений ключевых импульсных параметров, снабженного средствами селекции естественных сигналов определенных энергетических классов и разработки соответствующего компьютерного программного обеспечения (ПО). Работы в этом направлении ведутся в России уже более 30 лет. Довольно содержательный обзор систем акустического контроля МГП, разработанных и применявшихся в России и других странах, приведён в работе [3], где содержатся также во многом совпадающие с мнением авторов статьи выводы о путях улучшения характеристик си-
стем АЭ-контроля МГП с локационными возможностями. Основные параметры отечественного ряда подобных систем приведены ниже в таблице.
Одними из первых в России к созданию аппаратуры сейсмо-акустического контроля приступили НПО «Сибцветметавтомати-ка» и НПО «Дальстандарт», силами которых в 80-90-х годах прошлого века был разработан целый ряд технических средств, среди которых стоит отметить серийно выпускаемую аппаратуру «Гроза-4» и «Гроза-16». Достаточно продуктивны последние разработки НПО «Сибцветметавтоматика», однако их использование для локационного контроля событий с энергией до 30 Дж сдерживается ограниченной верхней рабочей частотой 1 кГц, что затрудняет (или делает невозможной) регистрацию низкоэнергетичных событий (с энергией до 10 Дж), являющихся предвестниками более мощных динамических явлений [3, 4]. Сказанное не относится к системе «Очаг» (частотный диапазон до 5 кГц), однако она по ряду причин не получила широкого внедрения на горнодобывающих предприятиях России.
В НПО «Дальстандарт» были разработаны опытноэкспериментальные образцы многоканальных приёмо-регис-траторов “Вектор-13”, "Прогноз-5", "Прогноз-6" (с микропроцессорным управлением), которые явились конструктивной основой усовершенствованной системы "Прогноз-5АМ", длительное время применяемой на ряде рудников Сибири и Дальнего Востока. С 1995 г. в ИГД ДВО РАН выполнялись работы по модернизации сейсмоакустических станций «Прогноз-5АМ» в целях сопряжения с современными компьютерами под управлением ОС Windows’9x (через параллельный интерфейс LPT/ECP), в результате которых достигнута более высокая скорость регистрации акустических импульсов и записи их параметров на дисковую память (до 10 событий в секунду), а также большая глубина программной обработки регистрируемого потока АЭ-событий за счёт применения эффективных алгоритмов расчёта координат ИАЭ и селекционных утилит логического исключения из процедур локации неприемлемых для точного расчёта координат АЭ-данных, поступивших в базу данных (БД) системы. Для обработки и интерпретации результатов геоакустического контроля данными системами было разработано ПО “GeoAcoustics-5S”, обеспечивающее
448
разнообразную фильтрацию АЭ-событий, определение их координат и энергии, построение карт пространственного распределения очагов источников АЭ. Программный пакет может реализовать (по выбору оператора) несколько селекционных критериев ко входным наборам данных (файлам), избегая загрузки в архивную локационную БД ложных АЭ-событий.
Более глубокое изложение принципов построения и конструктивных особенностей рассмотренных выше сейсмоакустических систем приведено в работе [5].
Анализ опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления 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 современного программного обеспечения 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.
Исходя из собственных «know-how» в ИГД ДВО РАН при участии специалистов ООО «ГЕОТЭКС ДВ» разработана концепция построения полностью цифровой и программируемой системы сейсмоакустического мониторинга массива горных пород, техническая реализация которой осуществлена в рамках инновационного проекта*.
Базовым компонентом этой системы являются цифровые «интеллектуальные» приемные преобразователи (ПП), имеющие высокую чувствительность во всём звуковом диапазоне и оснащённые микроконтроллером и цифровым интерфейсом, позволяющим формировать цифровую сеть (на основе 4-проводных кабельных соединений) датчиков, управляемых с поверхностного Центра Компьютерной Обработки (ЦКО) и передающих в ЦКО все зарегистрированные сигналограммы.
Микроконтроллер IIII оснащён собственной флэш-памятью
* Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда развития МП в НТС (госконтракт № 2749р/5112).
программ, которые могут загружаться в него из ЦКО (для усложнения и совершенствования обработки сигнала), и оперативной буферной памятью данных (БОЗУ) 128 Кбайт. Все функции вычисления параметров фиксируемых датчиками импульсных цугов упругих волн возложены на программное обеспечение, работающее на ЦКО, с которым сеть датчиков соединяется через кабельную цифровую магистраль и подземное узловое коммуникационное устройство.
Реализация трансляционного и электропитающего подземного устройства (ЦЭПУ) позволяет не только поддерживать 4-8 линии RS-485 с защитой их от перенапряжений, но и обеспечивать автономную работу датчиков до 30-60 минут без сетевого питания (при авариях и перебоях) при постоянной синхронизации всех работающих ПП кварцованной частотой переменного напряжения (около 122 Гц) по питающим проводам, а также даёт возможность аудиоконтроля сигнально-помеховой обстановки. В главном компьютере ЦКО установлен многопортовый адаптер линий RS-485, обеспечивающий гальваническую развязку с подземной частью аппаратуры и скорости обмена информацией до 920 Кбит/с по каждой линии.
Существенное улучшение технических характеристик ПП, применяемых в АСКГД, проводилось по двум направлениям:
1) модернизация конструкции, облегчающей эксплуатацию и снижающей временные издержки и стоимость диагностики/ремонта ПП в производственных условиях;
2) совершенствование функциональных характеристик ПП за счет применения полосового фильтра (ПФ) с регулируемой НЧ-границей рабочего диапазона и неискажающей оцифровки первичного сигнала, полученного от акселерометрического чувствительного элемента (ЧЭ) в диапазоне амплитуд до 100 дБ.
Первое направление модернизации обеспечивает облегчённую доступность наиболее сложной и дорогой части — ЦПП (контейнера цифрового приемно-передающего модуля), содержащего 3 подканала с полосовыми фильтрами (ПФ), АЦП, ЦСП (Цифровой сигнальный процессор) с БОЗУ и чип RS485-интерфейса. ЦПП оснащен индикаторами состояния, упрощающими визуальную диагностику своих основных электронных узлов и в случае неполадок эта часть заменяется на исправный ЦПП в пределах 15-20 мин. без приостановки работы всей системы. Механически сопрягаемая
с массивом часть ПП (ЧЭ с буферными делителями) располагается в скважине на глубине 1-2 м и не требует обслуживания, причем массогабаритные показатели ее улучшены почти вдвое.
Второе (цифровое) направление модернизации ПП позволило достичь рабочего амплитудного динамического диапазона 100 дБ, обеспечить возможность накапливать до 10 событий в буферном ОЗУ (БОЗУ) и передавать полные сигналограммы (АЭ-импульсы) по высоконадежным линиям RS-485 на километровые дистанции со скоростью до 230 Кбит/с. Особый выигрыш в условиях действующего горнодобывающего предприятия имеет адаптивность ЦПП к техногенным и естественным шумам по нижней границе рабочего диапазона частот ПФ (0,3-8 кГц), что позволяет минимизировать влияние помех бурового оборудования, сосредоточенных по максимуму спектральной плотности в зоне 1-3 кГц. Чрезмерные сигнальные пульсации при наличии помех, распознанных ЦСП, и последующее (за 0,5 с) принудительное сужение рабочего диапазона по НЧ приводят к минимизации количества регистраций ложных импульсов от зашумленных каналов АСКГД на всем временном интервале контроля. При пропадании помех рабочий диапазон ПФ оперативно восстанавливается.
Поскольку короткие импульсы от ИАЭ распространяются в массиве пород со значительным затуханием и искажением, для эффективного АЭ-контроля значительной по объёму зоны в рудничном поле необходимо разместить несколько антенн ПП вокруг соответствующих участков, создав так называемое антенное поле. Для системы подобного масштаба (около 30 1111) необходимо обеспечить прозрачность информационного канала по передаче данных из сети ПП на главный компьютер системы и управляющих кадров из ЦКО на антенное поле. Если не стоит задача экономии кабельных линий, то рационально разделить по проводным парам восходящий канал (для приёма в ЦКО АЭ-данных) и нисходящий управляющий канал в стандарте RS-485; тогда неисправности отдельных ЦПП не смогут блокировать управляющий канал, обеспечивающий задание всех функции на сети ПП и смену режимов работы АСКГД.
Реализуемая система геоакустического мониторинга сочетает в себе преимущества описанных цифровых решений по достижимому максимуму и, вместе с тем, понижает требования к высокой квалификации операторов и сотрудников, задействованных в экс-
плуатации компонентов системы на всех уровнях в геофизических службах горных предприятий.
ЦПП оперативно решает задачу «распознавания» полезных импульсов АЭ, формирования интегральной сигнатуры входного импульса, размещая их полные цифровые представления и результаты расчёта параметров в своем БОЗУ на несколько секунд до момента завершения передачи всех данных в ЦКО, после чего данный сегмент БОЗУ освобождается. ЦПП способен сам выбраковывать ложные импульсы АЭ, пользуясь простыми критериями, во избежание загрузки канала бесполезными данными. При стандартной эксплуатации системы после приёма 7 сигналограмм, полученных от одного АЭ-источника, ЦКО обеспечивает стирание как принятых, так и последовавших в этом временном окне фиксаций импульсов от этого же источника (избыточных для локации), накопленных во всех рабочих ЦПП.
Переход от аналоговых и гибридных систем типа «Прогноз» к полностью цифровой системе даёт возможность значительно увеличивать объёмы контролируемых зон горного массива за счёт разноса элементов АЭ-антенн (геофонов) на сотни метров при многократном увеличении помехоустойчивости сигнальных трактов. Вместе с тем, рост на несколько порядков (в 102-105 раз) количества информационных захватов АЭ-импульсов в ПП по превышению защитного порога по уровню вследствие логической автономности каждого цифрового ПП при отклике на входной сигнал (особенно при заметном повышении эффективной чувствительности ПП) существенно повышает требования к пропускной способности (не менее 1 Мбит/с).
В системе предложен оригинальный подход, обеспечивающий взаимосвязь подземной «шкалы времени» и часов реального времени в управляющем компьютере ЦКО, который реализуется следующим образом. По команде ПК в датчиках антенны излучаются одновременные акустические импульсы (используемые также в диагностических целях) и по откликам ЧЭ активных геофонов каждый ЦПП формирует метку времени (МВ) на своем таймерном счетчике, которые первоначально стартуют все одновременно при инициализации системы ЦПП. С учетом многократной (в пределах
1 мин.) синхронизации всех индивидуальных «часов» в ЦПП и фиксации МВ от импульса возбуждения, который запаздывает от момента выдачи команды «Диагностический импульс» на строго
фиксированное время порядка Т~ 100 мкс и пересылки всех синхронных МВ от рабочих ЦПП в ЦКО получаем контроль единой подземной «шкалы времени» средствами ПО, а именно формируем постоянно корректируемый параметр сдвига наземной и подземной шкал. Таким образом обеспечивается «трансляция» точного времени ЦКО (которое может быть привязано к астрономическому времени через систему класса GPS) с погрешностью в пределах ±0,5 мс на сеть геофонов. Качественная локация ИАЭ в МГП (после акустического каротажа конкретной зоны контроля) позволяет фиксировать в системе АСКГД и момент начала акустического события с погрешностью ±2 мс по астрономическому времени, что может существенно облегчить установление взаимосвязи микроразрушений МГП с естественной и техногенной сейсмичностью при региональном анализе сейсмособытий.
Программное обеспечение верхнего уровня АСКГД содержит развитые средства, функционирующие в полуавтоматическом или автоматическом режиме (после соответствующих настроек):
- конфигурирования сети ЦПП, задания их координат и ввод параметров зон контроля;
- надёжного сетевого протокола обмена данными, управления сетью ЦПП и их режимами, периодического аудита как состояния цифровых линий, так и основных электронных узлов каждого ЦПП;
- диагностики электронных средств обоих уровней и оптимизации режимов их функционирования, обеспечения вспомогательных режимов;
- средства селекции естественных АЭ-импульсов из потока геоакустических данных по виду сигналограмм и закономерностей их группирования;
- выбора оптимальных алгоритмов локации источников АЭ и фильтрации промежуточных данных с их отбраковкой, а также накапливаемых результатов АЭ-контроля;
- пополнения базы данных АЭ-событий (АЭБД) и управления режимами её пополнения, а также формирования требуемых отчетов в различных границах: а) по времени; б) по геометрическим зонам расположения источников; в) по механическим энергиям ИАЭ.
Стандартные возможности языка запросов к БД позволяют отображать на дисплее и распечатывать на принтере расположение
ИАЭ как на планах, так и на разрезах, за определенный интервал времени в границах выбранной геометрической зоны и для заданного энергетического класса. Помимо этого, на графических отчётах возможно цветовое кодирование как концентрационной плотности отдельных источников естественной АЭ, так и их энергетических интегральных параметров концентрации в пространственных слоях.
Естественные ИАЭ имеют тенденции формировать пространственные кластеры, характеризующие и “проявляющие” зоны роста напряжений на участках, предрасположенных к разрушению, и выявляемых на заключительных фазах пост-обработки в программном пакете АСКГД.
В перспективе возможны следующие расширения возможностей разработанной АСКГД:
- увеличение числа каналов до 96 (для увеличения охвата зоны геоакустического мониторинга в условиях обширных шахтных полей);
- накопление полных архивов по импульсным (естественным) ИАЭ за счет оригинальных алгоритмов сжатия сигнало-грамм, что даст возможность проводить полный ретроспективный анализ проявления сейсмоакустической активности по усовершенствованным методикам;
- по мере формирования представительных наборов данных АЭБД применение оригинальных спектральных способов селекции естественных ИАЭ и подходов к исследованиям их особенностей;
- применение трехкомпонентных геофонов с улучшенными характеристиками.
Таким образом, накопленный опыт разработки, эксплуатации и совершенствования систем сейсмоакустического контроля горного давления позволил приступить к практической реализации концепции полностью цифровой автоматизированной системы геомеханического мониторинга, основанной на широком применения современных микропроцессорных, компьютерных и информационных технологий, специально разработанных алгоритмов селекции, локации и оценки энергии ИАЭ и ПО формирования отчётов, ведения архивов АЭ-событий, которая приближается по своей функциональности к системам ведущих зарубежным фирм,
но не требует столь значительных финансовых затрат для их внедрения в условиях опасных по горным ударам месторождений.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петухов И.М., Смирнов В.А., Винокур Б.Ш., Дальнов А.С. Геофизические исследования горных ударов. - М.: Недра, 1975.
2. Ямщиков В.С. Волновые процессы в массиве горных пород: - М.: Недра,
1984.
3. Вознесенский А.С. Системы контроля геомеханических процессов. -ьМ.: Изд. МГГУ, 2002.
4. Рассказов И.Ю., Курсакин Г.А. Оценка и контроль удароопасности массива горных пород на рудниках. Владивосток: Дальнаука, 2001.
5. Искра А.Ю. Микросейсмическая аппаратура для регистрации и локации АЭ-источников в массивах горных пород // Системы контроля горного давления. - М.: ИПКОН АН СССР, 1989. С.54-66.
6. Искра А.Ю., Калинов Г.А., Рассказов И.Ю. Проблемы совершенствования систем сейсмоакустиче-ского контроля динамических проявлений горного давления // Проблемы формирования и освоения минерально-сырьевых рес9урсов Дальнего Востока. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2004. С.192-200.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Искра А.Ю. - старший научный сотрудник,
Калинов Г.А. - старший научный сотрудник,
Рассказов И.Ю. - кандидат технических наук, заместитель директора Болотин Ю.И. - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник,
Институт горного дела ДВО РАН.
