CC BY
31
--© A.B. Гладырь, В.И. Мирошников,
Ю.И. Болотин, A.B. Александров, П.А. Аникин, М.И. Рассказов, 2012
УДК 622.831.31
А.В. Гладырь, В.И. Мирошников, Ю.И. Болотин, A.B. Александров, П.А. Аникин, М.И. Рассказов
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОСНАЩЕНИЕ СИСТЕМЫ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Разработан и изготовлен опытный образец системы микросейсмического контроля опасных проявлений горного давления. Дальнейшее интеграция систем микросейсмического и акустического контроля позволит значительно увеличить объем получаемой информации о состоянии горного массива, необходимой для использования как в научно-исследовательской работе, так и в технологическом процессе производства.
Ключевые слова: горное давление, микросейсмика, система мониторинга.
В настоящее время, при разработке месторождений твердых полезных ископаемых, особую актуальность приобретает проблема прогноза и предотвращения опасных динамический проявлений горного давления, приводящее в отдельных случаях к катастрофическим последствиям. Данная проблема обуславливается, прежде всего, усложнением горно-геологических условий разработки месторождений твердых полезных ископаемых и переходом горных работ на все более глубокие горизонты.
Одним из перспективных методов предупреждения возникновения горных и горно-тектонических ударов является контроль геомеханического состояния удароопасного массива горных пород с применением автоматизированных систем микросейсмического или геоакустического мониторинга [1—3]. Эти системы в реальном масштабе времени обеспечивают регистрацию и оперативную обработку параметров сейсмоакустических событий, несущих информации о гео-
механических и геодинамических процессах в горном массиве.
Одним из таких измерительно-вычислительных комплексов является разработанная в ИГД ДВО РАН цифровая геоакустическая система контроля горного давления («Prognoz ADS»). Данная система состоит из подземной и поверхностной частей и включает в себя цифровые приемники-преобразователи; объединенные в одном блоке ретранслятор, источник питания и синхронизатор; многопортовый расширитель RS-485; центр приёма и обработки потока АЭ-импульсов, а так же управления датчиками и контроля всех узлов и трактов системы на базе персонального компьютера [4].
Однако, для надежной оценки состояния массива необходимо создавать многоуровневые системы контроля, в которых акустический мониторинг (имеющий более высокую «разрешающую» способность) должен сопровождаться сейсмическими наблюдениями. В свою очередь акусти-
ческая эмиссия является предвестником более крупных сейсмических событий, которые в настоящее время имеющейся аппаратурой не регистрируются. Объединение двух методов (геоакустического и микросейсмического) дает возможность обеспечить более надежный прогноз опасных динамических проявлений горного давления, составить представление о характере геодинамических процессов и существенно расширить контролируемый участок массива горных пород.
Сотрудничающее с ИГД ДВО РАН ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение (ОАО «ППГХО») отрабатывает подземным способом ряд месторождений, характеризующихся сложными геомеханическими и удароопасными условиями. К настоящему времени на рудниках объединения (преимущественно на месторождении Антей) зарегистрирован весь спектр динамических проявлений горного давления, вплоть до сильных и разрушительных горных ударов, и с понижением горных работ и вовлечением в эксплуатацию рудников № 1 и № 2, прогнозируется рост количества и интенсивности этих опасных явлений.
В результате выполнения НИР предполагается разработать и внедрить автоматизированную широкодиапазонную систему геомеханического мониторинга горного давления (АШСКГД), которая дополнит уже эксплуатирующуюся на глубоких горизонтах месторождения Антей АСКГД «Prognoz ADS». Это позволит регистрировать сейсмоакустические события с энергией до 105 и более Дж в более широкой зоне контроля, включая рудники: № 1, № 2 и «Глубокий» и обеспечит более надежный прогноз и предотвращение опасных проявлений горного давления. [5]
По результатам анализа современного уровня развития средств регистрации сейсмических событий и передачи данных, элементной базы, информационных технологий и на основе собственных разработок в области создания и совершенствования измерительных комплексов была обоснована и реализована функциональная схема системы микросейсмического мониторинга [5].
На начальных этапах выполнения работ по настоящему проекту были проанализированы технические и эксплуатационные характеристики первичных преобразователей различных типов: магнитоупругого, пьезоке-рамического, электродинамического. В результате анализа и учитывая существующий построения подобных систем, в качестве базовых были определены геофоны электродинамического типа вМТ-12,5. Сейсмоприем-ники вМТ-12,5 отличаются надежностью, хорошей идентичностью характеристик от прибора к прибору, имеют сертификаты соответствия.
Конструктивно трехкомпонентный приемник представляет собой пыле-влаго защищенный металлический корпус диаметром 45 мм и высотой 170 мм, внутри которого расположены два датчика горизонтального типа и один датчик вертикального типа. Чувствительность датчика составляет порядка 30 В/м-с1 без балластного сопротивления и 20 В/м-с-1 с балластным сопротивлением, полоса рабочих частот (по паспорту) от 10 до 500 Гц.
Использование приемников нового типа потребовало дополнительного исследования полосы рабочих частот, поскольку паспортные данные гарантировали работу датчика до 500 Гц, а сейсмостанция рассчитана на работу до 1000 Гц.
В качестве аналого-цифрового преобразователя используется анало-
го-цифровой преобразователь марки гБТ230.
В процессе разработки системы сейсмического мониторинга был разработан специализированный предварительный усилитель, конструктивно выполненный в виде печатной платы в бескорпусном исполнении, предназначенном для монтажа в корпус аппаратуры регистрации сейсмически сигналов. Размер печатной платы составляет 49 на 70 мм, и включает в себя три независимых канала усиления сигналов сейсмических датчиков. Схема построена на основе инструментальных усилителей марки АЭ621. Каналы имеют дифференциальные входы. На плате расположены перемычки для переключения коэффициентов усиления независимо для каждого канала.
Аналого-цифровой преобразователь и разработанный предварительный усилитель были исследованы на предмет соответствия выдвигаемым требованиям для использования в составе системы микросейсмического мониторинга в качестве регистрационного тракта.
В процессе исследований определялись следующие параметры:
• уровень собственных шумов предварительного усилителя для различных частот дискретизации;
• уровень собственных шумов аналого-цифрового преобразователя для различных частот дискретизации;
• амплитудно-частотная характеристика регистрационного тракта;
• спектр собственных шумов регистрационного тракта;
• нелинейные искажения регистрационного тракта;
• форма сигнала собственных шумов регистрационного тракта;
• форма временной реализация гармонического сигнала малой амплитуды тонального сигнала.
Для тестирования и отладки одно-канального модуля сбора данных была разработана и изготовлена экспериментальная установка, состоящая из трехкомпонентного датчика собственной конструкции, предварительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера.
В качестве основных задач экспериментального исследования было определено:
• обоснование применения в качестве первичных преобразователей геофонов марки вМТ-12,5 производства ООО «ОЙО Геоимпульс» (г. Уфа);
• практическая проверка разработанной регистрирующей системы на предмет стабильности работы в шахтных условиях, точности измерений и достоверности результатов;
• испытание разработанного оборудования в шахтных условиях на предмет стабильности регистрации широкого диапазона частот в условиях техногенных и естественных шумов.
• непрерывная регистрация фоновых шумов в течение заданного промежутка времени с последующим их анализом в местах с высоким и низким уровнем естественных и техногенных шумов, с целью получения их амплитудно-частотных и спектральных характеристик;
• выделение из непрерывной записи и получение амплитудно-частотных и спектральных характеристик типичных для шахтных условий акустических проявлений техногенного характера (бурение, взрывные работы, подземный транспорт и другие техногенные воздействия.).
Экспериментальным путем в шахте были найдены две точки с низким и высоким уровнем фоновых шумов. На каждой точке проводилась непрерыв-
ная регистрация сигналов на протяжении 60 мин.
Дополнительно, в результате проведения экспериментов были зарегистрированы технологические помехи:
• буровые работы;
• движение шахтного рельсового электротранспорта;
• подача закладного раствора;
• взрывные работы;
• работа электродвигателя системы вентиляции.
Анализ результатов эксперимента показал, что выбранные первичные преобразователи обладают достаточной чувствительностью для последующего выделения полезного сигнала, при условии, что датчик будет установлен в месте с низким уровнем техногенных шумов.
При использовании данных первичных преобразователей в местах с повышенным уровнем техногенных шумов, полезный сигнал становится слаборазличимым на уровне шумов и для его выделения потребуется дополнительно применять математические алгоритмы и программные средства.
Для размещения блоков первичной регистрации и обработки сейсмосиг-налов (модуля сбора данных) в подземных горных выработках оборудованы сейсмопавильоны, которые включают 3 скважины (2 вертикальные и 1 горизонтальная) диаметром 105 мм и глуиной 2 м для установки сейсмо-приемников и шкаф с оборудованием на борту выработки (рис. 1).
Структурная схема модуля сбора данных представлена на рис. 2. Конструктивно, все элементы, входящие в состав модуля сбора данных размещены на монтажном щите и находятся внутри пыле-влаго защищенного корпуса типа ЩРНМ (рис. 3).
Подземная аппаратная является центральным узлом, объединяющим несколько датчиков по схеме «звезда».
В поверхностном комплексе УГРУ в помещении участка ППГУ, где располагается рабочее место оператора системы мониторинга, установлен персональный компьютер с предустановленным аналитическим программным обеспечением. Персональный компьютер (сервер), соединен с подземной аппаратной магистральным кабелем.
Внешние разъемы для подключения модулей сбора данных обеспечивают информационный обмен подземной аппаратной и модулей сбора данных по линии «Информация», передачу импульса синхронизации по линии «Синхро» и передачу дистанционного питания по линии «ипит». Дополнительные внешние разъемы обеспечивают питание аппаратуры подземной аппаратной от сети 220 В переменного тока, получение импульса синхронизации от формирователя синхроимпульса по линии «ФСИ», информационный обмен подземной аппаратной и поверхностного сервера по линии «Информация. Поверхность» (в подземной аппаратной 2 информационный обмен осуществляется с каскадно включенной подземной аппаратной 1), а также информационный обмен с каскадно включенной следующей подземной аппаратной (справедливо только для подземной аппаратной 1) по линии «Информация. Аппаратная 2».
Основные блоки установлены в подземной аппаратной и представляют собой коммутационный шкаф, оснащенный промежуточным сервером, маршрутизатором, высокоскоростным модемом, аналого-цифровым преобразователем, источниками питания павильонов 48 В и источником бесперебойного питания шкафа 48 В с расчетом автономной работы на сутки. Внешний вид коммуникационого щита подземной аппаратной в сборе приведены на рис. 4.
Рис. 1. Размещение элементов системы в подземном павильоне
1 - горизонтальная скважина; 2 - вертикальная скважина; 3 - широкодиапазонный трех-компонентный датчик; 4 - шкаф с оборудованием; 5 - кабель от датчика к шкафу; 6 - резервная вертикальная скважина; 7 -цементный раствор; 8 - распределительный кабель
Для обеспечения электрозащиты элементов системы мониторинга были разработаны и изготовлены электронные устройства, обеспечивающие трехуровневую защиту, основанную на совместном применении: газоразрядных ламп, быстродействующих
TVS диодов и самовосстанавливающихся предохранителей.
Важнейшей функцией системы геомеханического мониторинга является определение точного времени, необходимую для обеспечения синхронизации измерения параметров регистрируемых разнесенными в пространстве приемниками сейсмических волн.
Для обеспечения точного времени в системе микросейсмического мониторинга организован сервер точного времени. Первичную информацию о точном времени сервер получает из информации со спутников системы GPS. Считывание информации и подстройка часов сервера осуществляется программой NMEATime. Настройка программы сводится к выбору и настройке COM порта и дополнительного стробирующего сигнала PPS.
Дальнейшая синхронизация времени в сети модулей сбора данных осуществляется по протоколу Network Time Protocol (NTP), представляющему собой сетевой протокол для синхронизации внутренних часов компьютера с использованием сетей с переменной латентностью. NTP использует
Подсистема регистрации -п
г* Преобразователь напряжения |. |___, ----------,11 Внэиние разъемы
j » » V
ПК USB Канал 1
I Диалоге -цифровой лреобраэоэзгель 'JnuT Датчик X
I Канал 2
ПрэдВ а риге ль нь!й Датчик Y
Канал 3 усипитвпь
Датчик Z
I Канал А
t- *5е
I Приемник, синхро импупьса 4- Синхро
L —-----—--------— -------»
+12Б «-•-- Блок литания 4--- _ Unm
>
i
t SHDSL модем Информ.
Ethernet
Рис. 2. Структурная схема модуля сбора данных 178
Рис. 4. Коммутационный шкаф подземной аппаратной
для своей работы протокол иЭР. Система ЫТР чрезвычайно устойчива к изменениям латентности среды передачи.
В результате выполненной работы был разработан и изготовлен опытный образец системы микросейсмического контроля опасных проявлений горного давления. В подземных горных выработках и поверхностном комплексе ОАО «ППГХО» были установлены элементы системы микросейсмического контроля, создана наблюдательная сеть и проведена проверка работы ее технических и программных средств.
Предложенные и реализованные способы установки первичных преобразователей (в забой и устье вертикальной скважины) обеспечивают достоверную регистрацию сейсмических событий. Нестабильность показаний первичных пре-
сейсмопавильонов
образователей GMT-12,5 по каждому каналу не превышает 0,1 %.
Определены оптимальные скорости передачи данных между подземной аппаратной и установленными в массиве горных пород модулями сбора данных, которые составляют не менее 7168 Кбит/с.
Экспериментально опробована работа системы синхронизации времени. Среднее расхождение времени при использовании протокола NTP на дистанциях 500 м и более в течение суток не превышает 13 мс. Среднее расхождение времени внутри секунды менее одного такта АЦП.
Для обеспечения электрозащиты элементов системы мониторинга были разработаны и изготовлены электронные устройства защиты линий, обеспечивающие трехуровневую защиту, основанную на совместном применении: газоразрядных ламп, быстродействующих TVS диодов и самовосстанавливающихся предохранителей.
Дальнейшее интеграция систем микросейсмического и акустического контроля позволит значительно увеличить объем получаемой информации о состоянии горного массива, необходимой для использования как в научно-исследовательской работе, так и в технологическом процессе производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петухов И.М., Смирнов В.А, Винокур Б.Ш., Дальнов A.C. Геофизические исследования горных ударов. - М.: Недра, 1975.-134 с.
2. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов.-М.: Недра, 1982. - 296 с.
3. Вознесенский A.C. Системы контроля геомеханических процессов. М.: Изд. МГГУ, 2002. - 152 с.
4. Акустический измерительно-вычислительный комплекс для геомеханического мониторинга массива пород при ведении горных работ / Г.А. Калинов, И.Ю. Рассказов, А.Ю. Искра, Д.А. Куликов, К.О. Харитонов // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика. Сборник трудов XVI сессии Российского
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
акустического общества. Т. 1. М.: ГЕОС. 2005.-С. 351-354.
5. Гладырь A.B., Мигунов Д.С., Мирош-ников В.И., Луговой B. A. Проектирование системы геоакустического мониторинга нового поколения // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во «Мир горной книги», 2010. — № 9. — С. 101-108.
6. Контроль динамических проявлений горного давления при разработке месторождения «Антей» / И.Ю. Рассказов, Г.А. Кур-сакин, Б. Г. Саксин, А. А. Филинков, B.C. Святецкий, Б.А. Просекин // Записки Горного института «Современные проблемы геодинамической безопасности при освоении месторождений полезных ископаемых». СПб, 2010. Т. 188. С. 87-94. ЕШ
Гладырь А.В. - научный сотрудник,
Мирошников В.И. - кандидат технический наук, старший научный сотрудник, Болотин Ю.И. - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Александров А.В. - доктор технических наук, зам. директора по научной работе, Аникин П.А. - научный сотрудник, Рассказов М.И. - аспирант,
Институт горного дела ДВО РАН, adm@igd.khv.ru
- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ
ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(ПРЕПРИНТ)
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗОЛОТОДОБЫЧИ НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ РОССИИ
Литвинцев Виктор Семенович — доктор технических наук, заместитель директора института по научным вопросам, заведующий лабораторией,
Александрова Татьяна Николаевна — доктор технических наук, заведующая лабораторией, e-mail: IGD@rambler.ru
Корнеева Светлана Ивановна — кандидат технических наук, ученый секретарь, Институт горного дела ДВО РАН.
Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала). — 2012. — № 2. — 12 с.— М.: издательство «Горная книга».
Рассмотрены особенности ресурсной базы и технологического развития россыпной и рудной золотодобычи на Дальнем Востоке России. Разработаны методы интенсификации процессов измельчения и обогащения рудного минерального сырья путем введения дополнительных модификаторов поверхности минералов, активаторов флотации и реагентов окислителей.
Ключевые слова: геологоразведочные работы, флотация, россыпное месторождение золота, золотодобьтча.
FEATURES OF TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF GOLD MINING IN THE FAR EAST OF RUSSIA
Litvintsev V.S., Aleksandrova T.N., KorneyevS.I.
Features of resource base and technological development of placer and ore gold mining in the Far East of Russia are considered In the article. Methods of an intensification of processes of crushing and dressing of ore mineral raw materials by introduction of additional modifiers of a minerals surface, flotation activatorsand oxidizers reagents are developed.
Key words: prospecting works, flotation, gold placer deposit, gold mining.
