АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СЕЙСМИЧНОСТИ МАССИВА
1. Назначение, опыт применения
При разработке месторождений полезных ископаемых, строительстве и эксплуатации подземных сооружений особенно остро стоит проблема динамического разрушения массива горных пород или сооружений.
Автоматизированная система контроля сейсмичности массива (АСКСМ) предназначена для сбора полной и достоверной информации о сейсмических событиях необходимой для получения регионального прогноза безопасности работ. Прогноз основан на непрерывной регистрации микросейсмической эмиссии, контроль которой позволяет с достаточной точностью описать процесс трещинообразования, определить координаты, размер и направление каждой трещины. Анализ процессов трещинообразования позволяет выделить в массиве опасные зоны. Далее, в локализованных таким образом опасных зонах, проводятся организационные и технические мероприятия, обеспечивающих безопасное ведение работ.
Предлагаемые программно-технические средства АСКСМ более пятнадцати лет с успехом используется на рудниках АО «Апатит». В процессе эксплуатации Системы совершенствовались программно-аппаратные средства, расширялась её зона регистрации. Последний реализованный этап расширения Системы до 56-и сейсмопунктов выполнен в 2018 г.
2. Основные функции
АСКСМ представляет собой распределенную систему длительного непрерывного действия, обеспечивающую решение следующих задач:
- сбор и обработка в реальном времени информации о сейсмособытиях;
- интерактивное редактирование полученной информации;
- полное сохранение результатов обработки и редактирования в базе данных;
- выборочное сохранение исходных данных на оптических носителях;
- получение по мере необходимости выходной и учетной информации о результатах функционирования системы.
Система обеспечивает регистрацию сейсмических событий происходящих один за другим без перерыва или накладывающихся друг на друга на временном интервале ограниченном только ёмкостью жёстких дисков сервера.
Система в автоматическом или в интерактивном режимах определяет следующие параметры событий:
- По событию в целом:
- Время события.
- Координаты гипоцентра (x, y, z).
- Сейсмическая энергия, Дж.
- Невязка расчета гипоцентра, м.
- Статус расчета гипоцентра.
- Идентификатор типа события
- Идентификатор события
- Время и амплитуды вступления продольных и поперечных волн по сейсмопунктам.
- Сейсмический момент, Н м
- Сейсмический момент, определенный по P-волне, Н м
- Энергия P-волны, Дж
- Сейсмический момент, определенный по S-волне, Н м
- Энергия S-волны, Дж
- Угловая частота, Гц
- Статический сброс напряжения, Па
- Динамический сброс напряжения, Па
- Стандартное отклонение сейсмического момента, Н м
- Стандартное отклонение энергии, Дж
- Параметры механизма очага.
- Размер магистрального разрыва, м.
- Ориентация нодальных плоскостей
- Направление оси сжатия
- Направление оси растяжения
- Статистическая оценка соответствия модели построения очага
- По каждому сейсмопункту:
- Экспериментальное время прихода P волны
- Экспериментальное время прихода S волны
- Расчетное время прихода P волны
- Расчетное время прихода S волны
- Излученная энергия в различных частотных диапазонах
- Знак P-волны
- Степень поляризации S –волны
- Угол поляризации S-волны
- По каждому сейсмоканалу:
- Амплитуда вступления P волны
- Амплитуда вступления S волны
3.Состав и структура АСКСМ
Для решения вышеперечисленных задач создан программно-аппаратный комплекс, который состоит из:
- телеметрической подсистемы сбора сейсмических событий ТПС (до 8-и ТПС)
- сервер для хранения архивов сейсмических событий,
- подсистемы обработки информации ПОИ;
- подсистемы обобщающего анализа ПОА.
Комплекс объединен в локальную сеть.
ТПС включает в себя (см. рис.1):
- центральный управляющий компьютер с GPS-синхронизатором времени;
- узлы сбора информации УСИ (до 6-и УСИ)
.
Каждый УСИ включает в себя контроллер телеметрии (КТМ) установленный в здании сейсмостанции и до 8-и подземных сейсмопунктов. В каждом сейсмопункте установлены:
- БОКС - бокс телеметрии Юкспорр-2 (БСТ-02).
- ИБП - источник бесперебойного питания, обеспечивающий автономное питание сейсмопункта в течение 3 суток или солнечная электростанция.
- Трехкомпонентный сейсмометр.
В зависимости от условий применения в системе могут быть использованы следующие типы трёхкомпонентных сейсмометров:
- S1073 или S2123 («ИФЗ», Россия),
- А1638 1 Вс2/м, 0,2-400Гц («Геоакустика», Россия),
- G4.5 4,5-2000Гц («ISS Intermational»).
Допускается применение иных сейсмометров с аналогичными характеристиками.
Сейсмопункты могут быть расположены на расстоянии до 15 км от сейсмостанции.
Каналы обмена данными между КТМ и боксами телеметрии реализованы в следующих вариантах:
- Радиальная структура на базе медной витой пары (протокол HDSL расстояние до 10 км).
- Беспроводная сеть на базе Wi-Fi роутеров (стандарт 802.11. a/b/g/n/ac, частота 2 или 5 ГГц, скорость передачи до 100 Мбит/с, расстояние до 15 км).
- 0птическое отказоустойчивое кольцо (скорость 1000 Мбит/с, расстояние до 15 км на один сегмент).
- Комбинация вышеуказанных вариантов структуры сети.
.
4. Функции отдельных элементов Системы
Бокс телеметрии обеспечивает:
- аппаратную фильтрацию, оцифровку с периодом 1мс и предварительную обработку принимаемых от сейсмометров сигналов;
- привязку полученных данных к всемирному времени с точностью 1мс;
- сохранение данных в приёмном буфере ёмкостью 4096 записей по каждой из трёх координат датчика;
- обмен данными с контроллерами телеметрии;
- самодиагностику,
- контроль напряжений питания всей аппаратуры сейсмопункта,
- контроль открытия двери сейсмопункта.
Предусмотрены два основных исполнения бокса:
- Настенное исполнение IP 66 в пластиковом ударопрочном корпусе,
- Скважинное исполнение IP 66 в форме трубы из нержавеющей стали совмещающее электронный узел бокса с источником бесперебойного питания.
Контроллеры телеметрии (КТМ) выполнены на базе одноплатных РС и функционируют под ОС Linux. КТМ размещены в здании сейсмостанции и выполняют следующие функции:
- приём информации от сейсмопунктов;
- непрерывная запись волновых форм в буфер за последние 3 часа с дискретизацией 1 мс;
- анализ поступающей информации на предмет выявления сейсмических событий;
- формирование запросов на выделение сейсмических событий центральному управляющему компьютеру и по его команде передача фрагментов волновых форм сейсмических событий на сервер для записи в файлы сейсмических событий.
Центральный управляющий компьютер обеспечивает:
- конфигурирование и параметрирование всех составляющих ТПС, включая настройку параметров боксов от экрана монитора;
- управление контроллерами;
- привязку контроллеров телеметрии к всемирному времени на базе GPS;
- анализ запросов от контроллеров телеметрии с целью выявления информативных фрагментов волновых форм сейсмических событий,
- инициирование процедуры записи фрагментов волновых форм сейсмических событий на сервер;
- управление передачей содержимого кольцевых буферов контроллеров на сервер;
- диагностика аппаратных и программных средств ТПС с представлением их состояния на экране монитора;
- протоколирование работы TПC;
Технические решения ТПС защищены патентом РФ.
Сервер сохраняет файлы сейсмических событий и непрерывный трёхчасовой буфер волновых форм по всем каналам АСКСМ.
Данные, полученные ТПС и сохранённые на сетевом диске сервера, обрабатываются подсистемами ПОИ и ПОА.
Подсистема ПОИ обеспечивает расчёт характеристик события (координаты гипоцентра, энергия и др.), а также выполняет повторное выявление сейсмических событий из файлов непрерывной записи в случае некорректного их выявления подсистемой ТПС по причине сложного сейсмического фона, обусловленного горными работами. ПОИ может функционировать как в автоматическом, так и в интерактивном режимах.
Подсистема ПОА служит для формирования выходной документации регионального прогноза удароопасности на основе анализа базы данных сейсмических событий.
Выходная документация ПОА является основой для принятия решений о производстве организационно-технических мероприятий направленных на обеспечение безопасности работ или сохранности оборудования. В частности на ОАО “Апатит” при обнаружении зон первой степени региональной удароопасности работы немедленно приостанавливаются, люди из опасной зоны выводятся.
Функции Сервера, ПОИ и ПОА могут выполняться одним компьютером.
Шкаф питания обеспечивает бесперебойным питанием оборудование верхнего уровня системы включая КТМ, ЦУК, сервер, ПОИ, ПОА и коммуникационные средства. Включает в себя UPS с с гарантированным временем бесперебойной работы при отключении внешнего питания 60 минут
