Опыт внедрения системы сейсмического контроля

А.И. Быкадоров.
Д.Н. Дегтярев.
Е.Ю. Гошко.

Предпосылки к созданию системы сейсмического контроля для повышения безопасности открытых горных работ возникли в институте еще в 2018 г., когда с экспертным участием проводилась отработка месторождения по комбинированной технологии. После завершения ОГР недропользователь производил доработку забалансовых запасов (для ОГР) технологией с применением КГРП. На этом этапе институту было поручено установить признаки-предвестники, предшествующие обрушению пород кровли. По результатам длительных непрерывных сейсмических наблюдений на месторождениях Талдинское, Глушинское, Урегольское 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 системы сейсмического контроля. Она оборудована сейсмическими станциями производства, регистрирующими широкий диапазон сейсмических частот (включая эмиссионные события высокой частоты), оснащена алгоритмами определения координат и энергетических параметров короткозамедленных взрывов, а также алгоритмами слежения за самопроизвольной эмиссией бортов и отвалов разрезов.

Система сейсмического контроля 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 -40 °С. 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 являются востребованными 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. 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).

Рис. 1. Общий вид автономной сейсмостанции 

Первичные сейсмические данные, а также обработанные в программном комплексе, 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 определяются магнитуды 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, что позволяет контролировать проведение взрывных работ в режиме реального времени.

Важной задачей, решаемой с помощью системы сейсмического контроля, является контроль за состоянием откосов бортов и отвалов карьера с помощью фиксации и анализа высокочастотной сейсмической эмиссии прибортового массива. Известно, что определённые частотные диапазоны полного спектра скорости колебаний грунта соответствуют своему типу событий.

Рис. 2. Интерфейс программного комплекса, содержащий панель управления, панель графиков сейсмических данных, карту карьера, журнал сейсмических 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, расположенная рядом с одним из реперов, одновременно вела запись скорости колебаний грунта трёхкомпонентными датчиками по направлениям ортогональных осей X, Y, Z. Временные зависимости трёх 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 рисунке 3 (с. 100). Точки графиков показывают выделившуюся эмиссионную энергию в условных единицах за час в частотных диапазонах 200–300, 300–400 и 400–500 Гц. Оранжевые горизонтальные линии показывают величину горизонтальных смещений в течении 3–4 суток в мм и среднюю скорость горизонтальных смещений в мм/сут. по маркшейдерским замерам.

Рис. 3. Качественное порядковое сравнение сейсмической энергии смещений с маркшейдерскими замерами смещений в горизонтальной плоскости (X, Y)

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 микро-события 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 рисунке 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 и программный комплекс для прогноза устойчивости бортов и отвалов разреза.

Выводы: система сейсмического контроля, являющаяся подсистемой многофункциональной системы безопасности на угольных разрезах, направлена на повышение безопасности ведения горных работ путём заблаговременного информирования технической службы об энергетических показателях производимых массовых взрывов и о происходящих геомеханических процессах в прибортовом массиве в пределах горного отвода.

Сейсмостанции разработаны для эксплуатации в условиях открытых горных работ. При их конструировании учтён и усовершенствован опыт ранее разработанных Российских сейсмостанций. Проведены промышленные испытания в Кузбассе при разнице температур от -40 до +40 °С. Положительные результаты испытаний и проверки работоспособности системы  позволили внедрить её для обеспечения непрерывного сейсмического контроля безопасности ведения горных работ на предприятиях «Новая горная УК», ООО «Участок Коксовый».

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 4 (70)/декабрь 2025 г.