Автоматизированные системы геомеханического контроля состояния массива горных пород.

Внедрение первых подобных систем на горных предприятиях нашей страны и за рубежом относится к началу 80-х годов.

К настоящему моменту имеется достаточно большое количество разработанных систем контроля состояния массива горных пород применительно к различным горно-геологическим и техническим условиям эксплуатации горнорудных предприятий и подземных сооружений. При этом, не смотря на всё многообразие технического исполнения и применяемой аппаратуры, общая структура всех систем практически одинакова и состоит из группы первичных датчиков, блока регистрирующей аппаратуры, блока обработки и анализа полученных данных, линий связи и питания. Основным назначением разработанных и установленных систем являлось получение конкретной исходной информации для последующих расчётов и оценки степени устойчивости горных выработок и безопасного проведения основных технологических работ.

В соответствии с этим назначением определялся набор методов, положенных в основу созданных систем контроля, которые подразделяются на две большие группы:

- группа прямых деформационных методов, когда измеряемыми параметрами являются деформации пород (иногда элементов крепи) и их производные - перемещения, наклоны, кривизны, конвергенция, нагрузки или напряжения;

- группа косвенных измерений геофизическими методами, главным образом, сейсмическим, сесмоакустическим; реже - электрометрическим, ультразвуковым, радиометрическим, гравиметрическим.

Также все разработанные и применяющиеся системы подразделяются с точки зрения скорости контролируемых процессов:

- контроля медленно протекающих процессов - статических и квазистатических;

- контроля динамических процессов.

Наконец, системы резко различаются по способу передачи информации от первичных датчиков к регистрирующей и обрабатывающей аппаратуре:

- системы, использующие проводную связь (их большинство);

- системы, использующие радиосвязь;

- системы, в которых применяются оба вида связи, в частности, от датчиков к регистрирующей аппаратуре - радиосвязь, далее к вычислительному центру - проводная; или наоборот, сначала проводная, а затем радиосвязь.

Одна из первых информационно-вычислительных систем оперативного контроля и прогнозирования горного давления (разработана Ленинградским Горным Институтом и институтом ВНИМИ) с 1973 г. находится в опытно-промышленной эксплуатации на руднике Каула-Котсельваара (ГОК "Печенганикель"). Система выполняет следующие функции:

сбор и регистрацию оперативной информации о напряженно-деформированном состоянии горного массива,

передачу в вычислительный центр результатов измерения параметров горного давления,

обработку на ЭВМ полученных данных и передачу на рудник результатов оценки и прогнозирования состояния горных выработок, а также рекомендуемых мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации выработок на разных стадиях их деформированности.

Регистрируемым параметром в данной системе является частота переменного тока, которая представляет собой некоторую функцию преобразования значений смещений пород в выработках, целиках или давления на крепь.

Эффективность данной информационно-вычислительной системы наглядно может быть проиллюстрирована примером наблюдений за состоянием вертикального ствола (ГОК "Печенганикель") при сдвижении пород в пределах охранного целика из-за отработки междукамерных целиков.

Анализ результатов непрерывных измерений сдвижений пород на расстоянии 20-40 м от контура ствола по специальным реперным станциям, оборудованным на различных горизонтах, позволил обнаружить зоны интенсивного трещинообразования и своевременно приостановить эксплуатацию ствола. В дальнейшем в связи с затуханием этого процесса было решено возобновить эксплуатацию грузового отделения ствола при систематическом оперативном контроле состояния охранного целика.

В США на рудниках "Star" и "Lucky Friday" с 1973 г. применяется сейсмоакустическая система, контролирующая степень напряженности массива кварцитов по сигналам геофонов, установленных в горных выработках.

На этом же принципе организована служба прогнозирования опасных ситуаций, связанных с возможностью реализации газодинамических явлений в угле или обрушением вмещающих пород на шахтах Донбасса. К 1978 г. система охватывала 40 шахт, осуществляя контроль состояния в 180 очистных выработках.

Широкое использование измерительно-вычислительных комплексов при сейсмоакустическом контроле напряженности угольного массива осуществлется в Польской Народной Республике на шахтах Нижнесилезского бассейна. Были разработаны основные положения централизованной системы сбора и преобразования информации, которая на первом этапе объединяла семь шахтных центров по борьбе с горными ударами и Главный институт горного дела в г. Катовице. В шахтных центрах, на конечных станциях системы вводилась микросейсмическая и сейсмоакустическая информация, а также основные горно-геологические данные. В центральном органе информации все данные подвергались обработке и на этом основании выполнялся прогноз ударной ситуации, т. е. определялось время возможного удара, его эпицентр и энергия.

Автоматизированные системы непрерывного контроля и прогноза состояния и поведения массивов горных пород, опасных по динамическим проявлениям горного давления, в основу которых положены сейсмологические наблюдения, созданы и эксплуатируются на ряде угольных и рудных месторождений страны - в Кизеловском и Ткибули-Шаорском угольных бассейнах, на Североуральских бокситовых рудниках и Таштагольском железорудном месторождении.

В настоящее время аналогичная система эксплуатируется на одном из Хибинских апатитовых месторождений (ОАО "Апатит").

Система создана с целью контроля за состоянием и поведением массива горных пород на глубоких горизонтах апатитовых рудников и предназначена для автоматического сбора, преобразования, анализа и отображения информации о сейсмической активности массива, возбуждаемой динамическими проявлениями горного давления С учетом цели, а также специфики условий работы системы комплекс технических средств включает в себя:

сейсмометрические каналы, состоящие из аппаратуры сбора информации и средств передачи ее в вычислительный центр;

аппаратуру приема и аналоговой обработки информации;

средства вычислительной техники (комплекс ИВК-3), обеспечивающие накопление и обработку информации; устройства отображения входной и выходной информации;

средства контроля системы.

При этом функционирование комплекса технических средств заключается в приеме сейсмических колебаний, преобразовании их в электрические сигналы достаточного уровня и мощности и передачи их в вычислительный центр. Аппаратура приема и аналоговой обработки сигналов обеспечивает частотную фильтрацию принимаемой информации, восстановление сейсмического фона по каждому каналу регистрации и выделение полезных сигналов, в результате чего осуществляется формирование запросов на ввод в ЭВМ. Информация вводится через модули аналого-цифрового преобразования и коммутации и после обработки накапливается в буфере исходных данных на магнитном диске. Одновременно осуществляется управление каналами аппаратурного выделения полезных сигналов, накапливаемая информация анализируется, результаты обработки образуют базу данных на магнитной ленте и выводятся в виде протокола наблюдений на устройстве широкой печати. Кроме того, на планшетный построитель выводится карта сейсмоактивности зоны наблюдения с отметками зафиксированных сейсмособытий.

Комплекс технических средств размешается в сейсмопунктах, охватывающих контролируемую зону, и в вычислительном центре. Сейсмопункты оборудованы в технологических нишах и камерах откаточных горизонтов. Выбор расположения сейсмопунктов на контролируемой зоне осуществлен из условий заданной точности регистрации источников сейсмовозмущений, в данном случае в точках, удаленных друг от друга не более чем на 500 м.

Вычислительный центр располагается на расстоянии 2,5 км от наиболее удаленного сейсмопункта и связан с пунктами кабельными линиями, по которым осуществляются передача информации, а также электропитание оборудования сейсмопунктов и дистанционный контроль оборудования.

На каждом сейсмопункте установлен трехкомпонентный комплект серийных маятниковых сейсмоприемников СМ-ЗКВ с встроенными усилителями, питание которых осуществляется по кабельной линии напряжением 24 В постоянного тока. На рис 9.2 показан общий вид регистрирующей аппаратуры и схема гор +252 м Кировского рудника (ОАО "Апатит") с эпицентрами динамических проявлений горного давления, полученная на графопостроителе в автоматическом режиме работы системы.

Рис. 9.2. Аппаратура сбора и первичной обработки сейсмической информации (а) и схема гор +252 м Кировского рудника ОАО "Апатит" с эпицентрами динамических проявлений горного давления (б), зарегистрированными автоматической системой контроля состояния массива.

1,2 - энергия сейсмических явлений соответственно менее 10³ Дж и 10³ - 10⁴ Дж.

Наряду с указанными системами получили распространение также системы долговременных наблюдений за состоянием и, в частности, за устойчивостью горных пород в обнажениях путем высокоточных деформационных и наклономерных измерений с помощью кварцевых экстензометров, наклономеров различных конструкций. С 1970 г. подобная система успешно эксплуатируется на Токтогульской ГЭС, что позволяет вести непрерывный контроль за устойчивостью высоких склонов.

В настоящее время аналогичная система эксплуатируется на руднике «Карнасурт» АО «Севредмет» (бывшем Ловозерском ГОКе) с целью контроля устойчивости вышележащей толщи пород при разработке пологопадающего рудного пласта. В систему входит кварцевый деформометр конструкции ИФЗ АН СССР и комплект наклономерной станции типа НСО. Деформометром и наклономерами осуществляется непрерывная регистрация деформаций на бумажную ленту в частотном диапазоне от 0,1 Гц до апериодических движений.

Опыт эксплуатации указанного комплекса в течение 1981 - 1983 гг. показал практическую возможность применения высокочувствительной аппаратуры в условиях действующего рудника, информативность примененных методов для контроля динамики состояния массива во времени и прогнозирования развития деформаций подработанных толщ на основе получаемых данных.

В настоящее время разработаны системы беспроводного непрерывного контроля за состоянием горных выработок и целиков, в которых информация от датчиков передается по радиоканалу через массив горных пород. Образец экспериментальной системы "Массив", основанный на этом принципе, испытывался на одном из рудников комбината "Ачполиметалл". Основу системы составляют аппаратура беспроводного контроля деформаций, управляющая ЭВМ М-600, и устройства согласования.

В целом следует отметить, что разработка и внедрение автоматизированных систем непрерывного контроля состояния горных пород в выработках являются принципиально новым этапом развития геомеханики и в составе комплексов геодинамического мониторинга уже в ближайшем будущем должны обеспечить получение качественно новой информации о процессах и явлениях в массивах горных пород.