Опыт внедрения системы сейсмического контроля SIBGEO-AM
Предпосылки к созданию системы сейсмического контроля для повышения безопасности открытых горных работ возникли в институте еще в 2018 году, когда с экспертным участием ООО «СИГИ» проводилась отработка месторождения по комбинированной технологии. После завершения ОГР недропользователь производил доработку забалансовых запасов (для ОГР) технологией с применением КГРП. На этом этапе нашему институту было поручено установить признаки-предвестники, предшествующие обрушению пород кровли. По результатам длительных непрерывных сейсмических наблюдений на месторождениях Талдинское, Глушинское, Урегольское нами были установлены признаки-предвестники обрушения для различных горно-геологических и горнотехнических условий. Данные признаки были описаны, занесены в каталог сейсмических событий.
После вступления в силу ФНиП №436 («Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности при разработке угольных месторождений открытым способом» в части ведения сейсмического контроля в составе МФСБ (в соответствии с п. 558 и 559) возникла необходимость доработки комплекса оборудования.
Полученный опыт наблюдений за проведением работ на угольных разрезах позволил приступить к разработке новой, более совершенной системы сейсмического контроля, получившей название SIBGEO-AM. Она оборудована сейсмическими станциями собственного производства, регистрирующими широкий диапазон сейсмических частот (включая эмиссионные события высокой частоты), оснащена новыми алгоритмами определения координат и энергетических параметров короткозамедленных взрывов, а также алгоритмами слежения за самопроизвольной эмиссией бортов и отвалов разрезов.
Система сейсмического контроля SIBGEO-AM представлена сетью сейсмостанций, установленных по периметру карьерной выемки. Их можно установить в любом месте, не требующем дополнительного, а в некоторых случаях трудновыполнимого подвода питания. Питание осуществляется от солнечных панелей, которые были испытаны в суровых климатических условиях Кузбасса при колебании температур от +40 до -40⁰С. Данный вид питания делает систему автономной и экологичной.
Станции допускают перенос с учетом подвигания фронта горных работ, позволяют в режиме реального времени сигнализировать о происходящих геомеханических процессах в пределах горного отвода и вовремя принимать необходимые технические меры.
В настоящее время из-за действия санкций и, как следствие, недоступности зарубежного оборудования станции SIBGEO-AM являются единственными в России сейсмическими приборами, специализированными для работы на горных предприятиях с открытой добычей полезных ископаемых.
Станции, установленные на борту карьеров, образуют связную сеть. На каждой сейсмической станции с помощью трехкомпонентных датчиков X, Y, Z производится регистрация скорости колебания грунта. Обработка и визуализация данных производится в разработанном программном комплексе SIBGEO-PRO. С помощью этого комплекса цифровые данные непрерывного слежения за вибрацией грунта передаются на сервер, где осуществляется их запись в структурированную базу данных. Передача данных осуществляется через интернет-соединение (сотовую связь или Wi-Fi).
Первичные сейсмические данные, а также обработанные в программном комплексе SIBGEO-PRO поступают на экран диспетчеров (рис. 2) карьеров и специалистов-геофизиков, которые имеют возможность контролировать производство взрывных работ по энергетическим показателям интенсивности и магнитуды, отслеживать вынужденную и самопроизвольную эмиссию (возникновение и распространение микротрещин) на бортах карьера.
При ведении взрывных работ программным комплексом SIBGEO-PRO определяется магнитуда и эпицентр производимых взрывных работ. Для этого используется расстояние между эпицентром взрыва и станцией, момент и время первого вступления прямой продольной волны и максимальная амплитуда смещения в месте установки станции.
Таким образом, все необходимые данные для вычисления магнитуды поступают от станций сети и автоматически обрабатываются в программном комплексе SIBGEO-PRO, что позволяет контролировать проведение взрывных работ в режиме реального времени.
Важной задачей, решаемой с помощью системы сейсмического контроля SIBGEO-AM, является контроль за состоянием откосов бортов и отвалов карьера с помощью фиксации и анализа высокочастотной сейсмической эмиссии прибортового массива. Известно, что определенные частотные диапазоны полного спектра скорости колебаний грунта соответствует своему типу событий. Диапазон низких частот отвечает промышленным взрывам, в среднем диапазоне частот проявляются погодные явления (дождь, ветер), работа техники, различные акустические шумы. Диапазон высоких частот улавливает проявления эндогенной сейсмической эмиссии, порожденной процессом растрескивания и подвижек в изучаемом массиве горных пород. Показателем величины эмиссии является энергия высокочастотной части спектра скорости колебаний грунта.
Так, на рабочем борту разреза были расположены маркшейдерские реперы, где происходили замеры вертикального оседания и горизонтального смещения грунта. Сейсмическая станция SIBGEO-AM, расположенная рядом с одним из реперов, одновременно вела запись скорости колебаний грунта трехкомпонентными датчиками по направлениям ортогональных осей X, Y, Z. Временные зависимости трех компонент скорости колебания грунта преобразуются в частотную область (Гц). Полученные частотно-зависимые компоненты скорости изучались в диапазоне высоких частот. Энергия эмиссии была сопоставлена с маркшейдерскими замерами горизонтальных подвижек и вертикальных оседаний грунта.
Результаты качественного порядкового сравнения энергии сейсмической эмиссии и маркшейдерских замеров представлены на рис. 3. Точки графиков показывают выделившуюся эмиссионную энергию в условных единицах за час в частотных диапазонах 200-300, 300-400, 400-500 Гц. Оранжевые горизонтальные линии показывают величину горизонтальных смещений в течение 3-4 суток в мм и среднюю скорость горизонтальных смещений в мм/сут по маркшейдерским замерам.
На подобных графиках энергии сейсмической эмиссии, рассматриваемой в горизонтальной или вертикальной плоскости, проявляются события, связанные с моментами или даже отрезками времени, когда происходит горизонтальное расширение трещин и/или вертикальное оседание грунта на борту разреза. Эти микрособытия сопровождаются значительным выбросом высокочастотной сейсмической энергии и проявляются на графиках в виде вертикальных колонн больших значений энергии эмиссии, собранных в узком отрезке времени. Время эмиссионного события может быть установлено с высокой точностью. На рис. 3 можно видеть прямую корреляцию: временным отрезкам с большой эмиссионной активностью соответствуют большие смещения по маркшейдерским замерам, временным отрезкам с низкой эмиссионной активностью соответствуют малые смещения. Разработанная технология позволяет использовать систему сейсмического контроля SIBGEO-AM и программный комплекс SIBGEO-PRO для прогноза устойчивости бортов и отвалов разреза.
Андрей Быкадоров,
генеральный директор ООО «СИГИ»
Дмитрий Дегтярев,
заместитель по производству ООО «СИГИ»
Елена Гошко,
к.т.н.,ведущий научный сотрудник ООО «СИГИ»