RU2587520C1

RU2587520C1 - Способ и система для оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, вызываемых подземной разработкой

Info

Publication number: RU2587520C1
Application number: RU2015101762/28A
Authority: RU
Inventors: Збигнев ИСАКОВ; Яцек ЮЗВА; Веслав ПИВОВАРСКИ; Гражина ДЗИК
Original assignee: Инстытут Техник Инновацыйных Эмаг
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2016-06-20
Also published as: WO2014209141A3; CN105765582A; WO2014209141A2; PL230226B1; AU2014101639A4; PL409990A1; AU2014299418A1; UA117661C2; WO2014209141A8; CN105765582B

Abstract

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки опасности возникновения высокоэнергетических толчков. Согласно предложенному способу производятся измерения колебаний (E^pomI) на поверхности трехмерными датчиками колебаний (4) и измерения параметров толчков (E^pomII) под землей шахтной сейсмической системой локализации толчков (12), а также измерения перемещений (U^pom) на поверхности трехмерными датчиками перемещений точек поверхности (9) с периодической корректировкой тахеометрическим измерительным комплектом (B). Множества полученных данных подвергаются обработке аналитической схемой (2а) и составляется прогноз опасности возникновения высокоэнергетических толчков в пространственно-временном континууме путем эстимации критических явлений, учитывающей совмещение наблюдений в виде квазидетерминистического и по пространству-времени обширного процесса деформации горного массива, а также парасейсмических явлений в виде кратковременных колебаний частиц горного массива в аспекте времени и частоты. Система состоит из центра обработки измерительных данных (1), где установлен преобразующий сервер (2), к которому подключен модем беспроводной связи (5), аналитическая схема (2а), а также шахтная сейсмическая сеть локализации толчков (12), которая проводной связью соединена с сейсмометрическими датчиками (11). В свою очередь на наблюдаемом участке горного массива (15) установлены измерительные комплекты (А), тогда как на участке, не подвергающемся деформации под влиянием шахтной разработки, установлен тахеометрический измерительный комплект (В), к которому подключен приемник спутниковой навигационной системы тахеометра (3), а также модем беспроводной связи (5). Технический результат - повышение точности и достоверности прогнозных данных. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Предметом изобретения является способ и система для оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, генерируемых подземными разработками, на участках, расположенных в зоне влияния горных разработок.

Разработка подземных месторождений, особенно каменного угля вызывает структурные изменения в природной среде, в том числе деформации поверхности, нарушение гидрогеологических условий, а также колебания и толчки в горном массиве, создающие опасность для шахтерских бригад, пользователей территории горных работ, а также опасность относительно стабильности строительных объектов и широко понимаемой инфраструктуры поверхности. Для защиты от последствий этих явлений применяются различные способы и схемы, обеспечивающие возможность анализа и оценки воздействия подземных разработок на территории, охваченные влиянием горных разработок.

Известен из заявки на изобретение PL 388051 (A1) способ и схема для измерения скоростей и ускорений толчков под землей и на поверхности, заключающиеся в том, что после обнаружения толчка в подземных выработках шахты из базовой системы посылается сигнал во все дистанционные поверхностные измерительные станции, после чего происходит немедленная телетрансмиссия данных, записанных в циклических буферах дистанционных поверхностных измерительных станций в реальном времени, в базовую систему, где выполняется синхронизация сигналов и анализ всех коррелированных по времени данных. Схема состоит из базовой системы, которая оборудована аналоговыми и цифровыми входами, к которым подключены проводные датчики шахтной геофизической сети, разъем для подключения интернета, радиомодем, выход для плоттера и экранного дисплея, а также соединенные по беспроводной связи дистанционные измерительные станции, оборудованные трехосными датчиками для измерения колебаний.

В заявке PL 395824 (A1) представлен способ прогнозирования мощного толчка, вызываемого подземной горной разработкой, на основе непрерывных измерений перемещений наблюдательной точки, расположенной на поверхности территории горных работ в зоне влияния очистного фронта, заключающийся в том, что наблюдательная точка устраивается на поверхности в районе непосредственного влияния подвигающегося подземного очистного фронта (забоя лавы), впереди фронта, на расстоянии по горизонтали, рекомендательно не более одной четвертой глубины разработки, рекомендательно в оси образующейся или прогнозируемой мульды оседания, вызванной эксплуатацией этого фронта, а затем выполняются с использованием техники GPS непрерывные по времени измерения координат наблюдательной точки, а затем определяют изменения во времени измеренных техникой GPS значений вертикальной координаты, а также, рекомендательно, горизонтальных координат наблюдательной точки, получаемых, рекомендательно, в системе координат WGS-84. В качестве предиктора мощного толчка, вызванного проводимой горной разработкой, который может возникнуть в течение короткого времени, принимается нарушение процесса сдвижения, заключающееся в замедлении перемещения наблюдательной точки с последующим ростом скорости перемещения точки, причем данное нарушение выявляется путем сравнения наблюдаемых величин прироста перемещений с ожидаемыми значениями и/или величинами, рекомендательно пересчитанными на горизонтальные направления, соответственно перпендикулярно и параллельно относительно подвигающегося очистного фронта.

В решении согласно заявке на изобретение PL 395825 (A1) представлен способ прогнозирования возникновения высокоэнергетического толчка, вызванного эксплуатацией лавы, на основе непрерывных измерений изменений наклона поверхности земли на территории горных работ, предназначенный для применения в подземных шахтах, производящих горные разработки в условиях наличия сейсмической опасности. В данном способе, согласно этому изобретению производится измерение изменений во времени составляющих наклона, с помощью наклономера, установленного на поверхности земли в зоне непосредственного влияния осуществляемой в пласте выемки очистной лавой, причем рекомендуется устанавливать наклономер впереди подвигающегося фронта очистной лавы, на расстоянии, рекомендательно, не более одной четвертой глубины разработки, рекомендательно в оси образующейся или прогнозированной мульды оседания, вызванной эксплуатацией этой лавы, а затем анализируют изменения во времени измеренных величин составляющей наклона поверхности земли в направлении, рекомендательно, подвигания фронта лавы и составляющей наклона поверхности земли в направлении, рекомендательно, перпендикулярном к направлению подвигания фронта лавы, автоматически регистрируемые на диске компьютера. Затем на основе измеренных значений составляющих наклона рассчитываются приросты наклона в постоянных, соответствующим образом подобранных временных интервалах, после чего в качестве прекурсора высокоэнергетического толчка, который может возникнуть в течение короткого времени, принимается нарушение в процессе изменений составляющих наклона, заключающееся в уменьшении величины прироста составляющих наклона, а затем большом приросте величины этих составляющих.

Известен из патентного описания изобретения PL 201953 (B1) способ регистрации колебаний и деформации поверхности земли, где сигналы из датчиков для регистрации колебаний передаются посредством проводной связи в местные концентраторы информации, в которых дополняют их информацией, получаемой из приемников глобальной спутниковой системы позиционирования и эталонного времени, подвергают цифровому кодированию, а затем передают посредством проводной или беспроводной системы связи в центральную организацию по контролю опасностей, в которую дополнительно передаются проводной или беспроводной связью данные из местных референтных станций, входящих в состав сети глобальной спутниковой системы позиционирования, обеспечивая прецизионную программную увязку референтных станций системы регистрации колебаний и деформации поверхности земли к геодезическим перманентным станциям сети глобального позиционирования, а кроме того, в центральную организацию передаются сигналы, сообщающие о возникших в шахтах явлениях, связанных с колебаниями горного массива.

Существующие до настоящего времени способы и схемы для оценки воздействия подземных разработок охватывают только частичные потенциальные опасности, вызываемые колебательными процессами, на поверхности и в подземной части шахт и/или измерения перемещений наблюдательной точки, расположенной на поверхности территории горных работ, передаваемые в центральную организацию контроля опасностей. Отсутствуют решения, учитывающие суперпозицию многих процессов. Анализ последствий отдельных процессов обладает заметно меньшей возможностью прогнозирования критических явлений. Кроме того, не учитывается, что рассматриваемые процессы имеют стохастический характер. Несмотря на факт, что проблемы прогнозирования возникновения опасностей, в частности сейсмического происхождения, на территории горных разработок очень сложны, оба типа явлений, таких как колебания и деформации, имеют совершенно разный характер, то проводимые до настоящего времени исследования подтверждают наличие корреляции между ними. На основе проведенных до настоящего времени анализов удалось достичь статистической корреляции этих явлений. Результаты проведенных до настоящего времени исследований не позволяют, однако, полностью сформулировать аналитически эту зависимость путем дефинирования соответствующего оператора.

Целью изобретения является разработка способа и системы, увеличивающих эффективность и качество оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, вызываемых подземными разработками на территории, подвергнутой влиянию горных разработок, путем учета аддитивности многих процессов одновременно.

Способ оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков генерируемых подземными разработками, являющийся предметом изобретения, заключается в том, что производится одновременно в тесной временной и пространственной коинциденции измерения колебаний на поверхности с помощью трехмерных датчиков колебаний и измерения параметров толчков под землей с использованием шахтной сейсмической системы локализации толчков, а также измерения перемещений на поверхности с помощью трехмерных датчиков перемещений точек поверхности, периодически корректируемые с помощью тахеометрического измерительного комплекта. Измеренные величины регистрируются в репозиториях измерительных данных аналитического микропроцессора, затем множества этих данных подлежат обработке аналитическим микропроцессором и составляется прогноз возникновения опасности высокоэнергетических толчков в пространственно-временном континууме путем эстимации критических явлений, учитывающих сочетание наблюдений в виде квазидетерминистического и обширного в пространстве-времени процесса деформации горного массива, а также сейсмических явлений в виде кратковременных колебаний частиц горного массива относительно времени и частоты. При этом совместное их воздействие имеет характер функционала на местно-суммированном пространстве. Составляющие перемещений на поверхности, регистрируемые в реальном времени с частотой не менее 20 Гц, а также регистрируемые в реальном времени составляющие скоростей и/или ускорений колебаний на поверхности вместе с маркером времени передаются от каждого интегрированного измерительного комплекта посредством модулей беспроводной связи в преобразующий сервер. В свою очередь в преобразующий сервер передаются посредством модуля беспроводной связи цифровые данные измерений из тахеометрического измерительного комплекта, выполняющего периодически, рекомендательно через установленный временный интервал и каждый раз непосредственно после толчка, зарегистрированного шахтной сейсмической системой локализации толчков, измерение расстояния между точкой установки измерительного комплекта и местами выполнения измерений интегрированными измерительными комплектами, оборудованными лазерными отражателями, корректируя измерения составляющих перемещений, на основе данных, получаемых из спутниковых приемников. Шахтная сейсмическая система локализует толчки шахтного происхождения, а информация о параметрах каждого толчка, а также о времени его возникновения в очаге толчка передается кабельной сетью в преобразующий сервер, куда передаются также из измерительных комплектов данные о времени вступления поперечной волны. Прогноз возникновения опасности толчков выполняется аналитическим микропроцессором на основе данных измерений колебаний на поверхности, записываемых в текущем порядке в базе данных колебаний, возникающих на поверхности шахты, а также на основе данных измерений параметров толчков в подземной части шахты, записываемых в базе параметров толчков, возникающих в подземной части шахты, после чего происходит процесс смешивания измерений парасейсмических параметров и фильтрация помех. Затем на основе данных, накопленных в репозитории технологических данных, составляется модель колебаний в функции времени, а также сигнал со смешанных измерений колебаний, в результате которых производится сравнение полученных результатов с предельными значениями и предварительная оценка опасности, одновременно производится сравнение предельных значений из модели предельных перемещений с измерениями перемещений. Затем для каждого временного интервала определяются тензоры величин, представляющих парасейсмические процессы, а также тензоры величин, представляющих процессы перемещений, и составляется целевая функция как мера опасности совмещенных парасейсмических и динамических процессов, определяемых для каждого момента по всему пространственно-временному континууму. Затем происходит определение участков, опасных по толчкам, на основе измерений и в результате долго- и краткосрочной верификации, оптимизация целевой функции, являющейся мерой, оценивающей возникновение опасности толчка в наблюдаемом участке горного массива, подвергающемся деформациям под влиянием горных разработок, и которая после соблюдения критериев эстимации опасности возникновения толчка, последовательно основного и окончательного, позволяет определить подучастки, опасные по возникновению толчка, и предполагаемое время этого события.

Последовательно, с целью определения опасности:

а) дефинируется окно краткосрочного анализа, охватывающего парасейсмические и деформационные измерения (величины), получаемые со всех измерительных точек в местах установки измерительных комплектов, не менее чем на 1 шаг назад в отношении момента j,

б) затем для каждого окна находится нижняя грань множества деформационных величин, а также верхняя грань множества парасейсмических значений, причем эти значения вместе с локализацией передаются в таблицы долгосрочного анализа,

в) после этого дефинируется окно долгосрочного анализа для оценки опасности, охватывающего не менее чем одни сутки, и ведется при этом поиск исключительно тех случаев, для которых нижняя грань множества деформационных величин и верхняя грань множества парасейсмических значений находятся в непосредственной близости анализируемой наблюдательной точки,

г) основой для оценки являются данные из таблиц долгосрочного анализа, причем на их основании осуществляется оптимизация принятой функции f(v,w)→f^∗(v,w) в аспекте максимума энтропии системы.

Модифицированная целевая функция удовлетворяет основной критерий опасности только тогда, когда максимальные напряжения при минимальном пороге градиента перемещений не превышают минимального градиента перемещений при максимальном состоянии напряжения, а модифицированная целевая функция удовлетворяет окончательный критерий опасности только тогда, когда целевая функция, вытекающая из максимальных напряжений и минимального порога градиента перемещений, равна максимуму функции для нижней грани множества градиента перемещений.

Система для применения способа, являющегося предметом изобретения, оборудована расположенным в центре обработки данных преобразующим сервером, к которому подключен модем беспроводной связи, аналитический микропроцессор, а также шахтная сейсмическая сеть локализации толчков, которая соединена проводной связью с сейсмометрическими датчиками. На наблюдаемом участке горного массива установлены измерительные комплекты, причем каждый из этих измерительных комплектов состоит из приемника системы спутникового позиционирования, являющегося трехмерным датчиком перемещений поверхности земли, пространственно интегрированного с трехмерным датчиком колебаний, которые оба соединены с модемом беспроводной связи. В то же время на участке, не подвергающемся деформациям вследствие горных разработок, установлен тахеометрический измерительный комплект, оборудованный автоматическим тахеометром с лазерной алидадой, к которому подключен приемник системы спутникового позиционирования тахеометра и модем беспроводной связи, а каждый измерительный комплект оснащен отражателем лазерного луча.

Способ оценки опасности сейсмических толчков шахтного происхождения, являющийся предметом изобретения, реализует прогноз (предикцию) ее возникновения в пространственно-временном континууме путем эстимации критических явлений, учитывающих совмещение наблюдений в виде двух процессов: квазидетерминистического и обширного по пространству-времени процесса деформации горного массива, а также сейсмических явлений в виде кратковременных колебаний частиц горного массива.

Предмет изобретения показан в примерном исполнении на чертежах, где фиг. 1 представляет систему измерений вместе с взаимным расположением ее блоков на поверхности и размещением системы относительно очистной лавы, фиг. 2 представляет блок-схему системы измерений, фиг. 3 представляет блок-схему алгоритма оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, генерируемых подземными разработками.

Пример 1

Приемники спутниковой навигационной системы 3, определяющие позицию и актуальное время, взаимодействуют с трехмерными датчиками перемещений 9 и регистрируют в режиме реального времени с частотой 20 Гц или чаще составляющие перемещений XP, YP и ZP в выбранных измерительных точках a1, a2…ai (фиг. 1). В то же время расположенные в тех же местах трехмерные датчики колебаний 4 регистрируют в режиме реального времени составляющие скорости или ускорений XD, YD и ZD. Измерительные данные в цифровом виде из трехмерных датчиков колебаний 4 и из приемников спутниковой навигационной системы 3 вместе с маркером времени передаются из каждого из интегрированных измерительных комплектов A1, A2, …Ai посредством модулей беспроводной связи 5, через сеть GPRS в преобразующий сервер 2. В преобразующий сервер 2 передаются дополнительно, посредством модуля беспроводной связи 5 измерительные данные в цифровом виде из тахеометрического измерительного комплекта B, который периодически, а также непосредственно после толчка производит измерение расстояния между точкой расположения тахеометрического измерительного комплекта B и измерительными точками a1, a2, …ai, где установлены измерительные комплекты А1, А2, …Ai, оборудованные отражателями 8, образующие геодезическую сеть, уточняющую измерения составляющих измерений XP, YP и ZP, выполняемых трехмерными датчиками перемещений 9 на основе данных, получаемых из приемников спутниковой навигационной системы 3. Автоматический тахеометр 6 установлен в месте с координатами X0, Y0 и Z0 на стабильном участке 14, не подвергающемся деформациям вследствие горных разработок. В свою очередь, шахтная сейсмическая система локализации толчков 12 локализует толчки шахтного происхождения и информации о параметрах каждого k-го толчка 13 с координатами Xk, Yk и Zk, а также о времени его возникновения Tok в очаге толчка 13 и передает в преобразующий сервер 2 посредством шахтной кабельной сети шахтной сейсмической системы локализации толчков. Преобразующий сервер 2 на основе геометрии расположения трехмерных датчиков колебаний 4 и координат Xk, Yk и Zk регистрируемых очагов толчков 13, времени прихода продольной волны Ρ к отдельным измерительным точкам A1, A2, …Ai на поверхности и рассчитанного времени Tok в очаге толчка 13 осуществляет сейсмическую скоростную томографию области слоев кровли, расположенных над поверхностью очистной лавы 10, определяя таким образом участки, где концентрируются или уменьшаются напряжения. Способ оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, генерируемых подземными разработками, основан на геофизических исследованиях, касающихся изменений структуры горного массива, а также геодезических перемещений наблюдаемого нестабильного 14а участка горного массива. Для оценки возможности возникновения толчка используется, в частности, накопленный до настоящего времени опыт, из которого вытекает, что характерные точки распределений параметров колебательных процессов и перемещений расположены, как правило, на оси симметрии, определяющей направление разработки. Основная нулевая точка расположена на поверхности выше фронта забоя очистной лавы 10 и перемещается по мере ее подвигания. В этой точке равнодействующая амплитуда составляющих горизонтальных колебаний XD и YD достигает максимального значения. В то же время равнодействующая горизонтальных деформаций XP и YP стремится к нулю. Распределение амплитуд колебаний представляется в трехмерном пространстве XD, YD и ZD. Распределение деформаций вдоль указанной выше оси симметрии имеет характер асимметричной кривой, предельные значения которой в указанных краевых точках: в точке над краем фронта очистной лавы 10 и в точке, расположенной на стабильном участке 14, вне деформируемого воздействием горных разработок участка 14a, являются равными нулю. Между ними деформации достигают максимального значения, которое после превышения критического значения может вызвать опасность для объектов на наблюдаемом участке горного массива 15, подвергаемого деформациям под влиянием разработок. В измерительной точке a1, a2, …ai, в которой горизонтальные деформации XP и YP достигают максимального значения, опасность является наиболее высокой. Из приведенного выше качественного анализа вытекает, что основные процессы опасности, касающиеся колебаний и перемещений, имеют не только различный физический характер, но и разные пространственные распределения, что является причиной того, что их совместное воздействие имеет сложный характер над местно- суммированным пространством, то есть пространством, в которой возможно аналитические совмещение обоих этих процессов с целью эстимации пространственно-временного континуума с использованием математического аппарата. До настоящего времени отсутствуют поддающиеся измерению оценки последствий совмещения обоих этих процессов с целью эстимации пространственно-временного континуума возникновения предкритического события. Независимый анализ этих процессов не совпадает с физическим механизмом генерирования толчка. Новый способ оценки возникновения опасности высокоэнергетических толчков, генерируемых подземными разработками, заключается в умозаключении на основе исследования корреляции между процессами колебаний и перемещений, с целью оценки риска возникновения опасности толчка в определенном подучастке наблюдаемого горного массива 15, подвергаемого деформациям под влиянием эксплуатации очистной лавы 10. Это соединение алгоритма оценки изменений градиента перемещений точек наблюдаемого участка горного массива 15, числовых методов, определяющих деформированное состояние наблюдаемого участка горного массива 15, а также измерительных данных из измерительных комплектов A1, A2, …Ai установленных в измерительных точках a1, a2, …ai шахтной сейсмической системы локализации толчков 12. Анализ совмещения трехосного деформированного состояния XP, YP и ZP и парасейсмической активности XD, YD и ZD, вызванной концентрацией напряжений в горном массиве и идентифицируемой результатами сейсмической пассивной томографии, реализуемой в преобразующем сервере 2, показывает, что подучасток горного массива подвергается усталостному преобразованию, когда суммарное изменение внутренней энергии достигнет критического значения. Способ заключается в эстимации среднего числа изменений градиента предельных перемещений в измерительных точках a1, a2, …ai в местах расположения интегрированных измерительных комплектов A1, A2, …Ai, причем измерения изменений предельных перемещений в измерительных точках a1, a2, …ai подлежат корректировке с использованием тахеометрического измерительного комплекта B в анализируемом интервале времени. Определение общей плотности распределения вероятности величины деформаций в измерительных точках a1, a2, …ai в функции времени, пространственной концентрации напряжений в горном массиве, а также параметров колебаний, регистрируемых на поверхности, является основой определения вероятности возникновения анализируемого события. Способ действия, заключающийся в многофункциональном мониторинге и эстимации опасности возникновения динамического процесса в виде высокоэнергетического толчка, представлен схематически на фиг. 3. Оценка опасности заключается в непрерывном измерении необходимых параметров и хранении их в репозиториях технологических данных 16 и в репозиториях измерительных данных 17. Измерительными данными являются результаты непрерывных измерений колебаний E^pomI на поверхности из трехмерных датчиков колебаний 4, результаты измерений параметров толчков E^pomII, получаемые из подземной шахтной сейсмической системы локализации толчков 12, а также результаты измерений перемещений на поверхности U^pom из трехмерных датчиков перемещений поверхности 9 после корректировки с использованием тахеометрического измерительного комплекта B. Измерительные данные колебаний E^pomI хранятся в базе параметров колебаний на поверхности шахты 17а, а данные параметров толчков E^pomII хранятся в базе параметров толчков, возникающих в подземной части шахты 17b, после чего осуществляется процесс смешивания данных измерений E^pomI×E^pomII и фильтрации помех в блоке 17c (процедура INFOMAX). Технологические данные представляют собой информацию о топографии местности, геологическом строении горного массива, а также о параметрах эксплуатируемой очистной лавы и системе разработки. На основе технологических данных производится моделирование процессов колебаний, используя прогнозируемое распределение поля напряжений, измеряющееся по мере подвигания очистной лавы 10, и распределение поля процессов перемещений точек на наблюдаемом участке горного массива 15, подвергаемом деформациям под влиянием разработки. Для обоих указанных выше процессов устанавливают предельные значения, соответственно для колебаний Λ и для перемещений ξ_dop, которые определяют предельные критерии, используемые в дальнейшем анализе. Допускаемые предельные значения колебаний Λ находятся в блоке 20, а допускаемые предельные значения перемещений ξ_dop в блоке 21. В зависимости от условия удовлетворения указанных выше критериев являющийся предметом изобретения способ использует для оценки опасности измерительные данные или вытекающие из моделирования данные в качестве x_ij - информации о колебаниях и y_ij - информации о перемещениях, причем индексы [i,j] обозначают измеряемые величины для i-й измерительной точки в местах расположения измерительных комплектов A1, A2, …Ai в j-й момент времени. Для каждого временного интервала определяются тензоры величин, представляющих парасейсмические процессы V: v[i,j]=x_ij, а также тензоры величин, представляющих процессы перемещений W: w[i,j]=y_ij. На указанных выше матрицах анализируемых величин определяется первичная целевая функция f: V×W→R как матрица меры опасности совмещенных процессов на основе тензоров парасейсмических и деформационных процессов, определяемых для каждого момента во всем наблюдаемом пространственно-временном континууме. Так, дефинированная первичная целевая функция f(v,w) определяет величину, указывающую на возникновение опасности возникновения толчка в наблюдаемом участке горного массива 15, подвергаемом деформации под влиянием горной разработки, осуществляемой в блоке 22.

С целью определения опасности возникновения толчка выполняются следующие процедуры:

- дефинируется окно краткосрочного анализа, охватывающего парасейсмические и деформационные измерения (величины), получаемые со всех измерительных точек a1, a2, …ai в местах установки измерительных комплектов A1, A2, …Ai, например на 6 шагов назад в отношении момента j, таким образом для 10 измерительных точек и 6 шагов получается 60 значений парасейсмических и деформационных величин;

- затем для каждого окна находится нижняя грань множества деформационных величин, а также верхняя грань множества парасейсмических значений, причем каждая из них может иметь разную локализацию; эти значения вместе с локализацией размещаются в таблицах долгосрочного анализа, непосредственно используемых для прогноза возникновения толчка в пространственно-временном континууме наблюдаемого участка горного массива 15;

- после этого дефинируется окно долгосрочного анализа для оценки опасности, охватывающее, например 1 неделю, и ведется при этом поиск исключительно тех случаев, для которых нижняя грань множества деформационных величин и верхняя грань множества парасейсмических значений находятся в непосредственной близости анализируемой наблюдательной точки a1, a2, …ai;

- основой для оценки являются данные из таблиц долгосрочного анализа, причем на их основании осуществляется оптимизация первичной целевой функции f(v,w)→f^∗(v,w) в блоке 23, в аспекте обеспечения максимума энтропии системы.

Максимум энтропии соответствует здесь минимуму информации. Эта проблема математически решается как экстремум многомерной функции.

- оптимизированная целевая функция f^∗(v,w) используется в дальнейшем в процессе оценки опасности возникновения толчка. В блоке 24 исследуется основной критерий опасности, выраженный следующим неравенством:

-

Необходимость модификации первичной целевой функции f(v,w) для получения оптимизированной целевой функции f^∗(v,w) в этом случае вызвана условием несимметричности записи sup(inf) и inf(sup) в приведенном выше неравенстве. Ее физическая интерпретация может быть описана так, что опасность может возникнуть только тогда, когда «максимальные напряжения при минимальном пороге градиента перемещений не превышают минимального градиента при максимальном напряженном состоянии».

Если указанное выше условие не выполняется, то алгоритм не предписывает сигнализации опасности и переходит к следующим шагам анализа.

Если основное условие (формула минимакса), указывающее на возможность возникновения опасности, выполнено, тогда в блоке 25 проверяется окончательный критерий оценки опасности возникновения толчка. Выполнение условия:

обозначает существование опасности.

Затем, на основании этой оценки в блоке 26 определяются подучастки (µ=i^∗), где существует опасность возникновения толчка, а также предполагаемое время его возникновения

.

Пример 2

Являющаяся предметом изобретения измерительная система, фиг. 1 и фиг. 2, состоит из центра обработки данных 1, где находится преобразующий сервер 2, к которому подключен модем беспроводной связи 5, работающий по технологии пакетной передачи данных GPRS, аналитический микропроцессор 2а, а также шахтная сейсмическая система локализации толчков 12, оборудованная соединенными проводной связью сейсмометрическими датчиками 11, которые расположены в горном массиве вблизи очистной лавы 10. На наблюдаемом участке горного массива 15, подвергаемом деформации под влиянием разработки, расположенном над очистной лавой 10, в назначенных измерительных точках a1, a2, …ai установлены интегрированные измерительные комплекты A1, A2, …Ai. Каждый из этих измерительных комплектов A1, A2, …Ai состоит из приемника спутниковой навигации системы GPS-NAVSTAR, являющегося трехмерным датчиком 9 для перемещений точек поверхности наблюдаемого участка горного массива 15 и который пространственно интегрирован с трехмерным датчиком колебаний 4 и которые соединены с модемом беспроводной связи 5. Кроме того, каждый измерительный комплект A1, A2, …Ai оборудован дополнительно отражателем 8 лазерного луча 7. На участке, не подвергающемся деформации под влиянием горной разработки, установлен тахеометрический измерительный комплект B, оборудованный автоматическим тахеометром 6 с лазерной алидадой 6a, к которому подключен приемник спутниковой навигационной системы 3 автоматического тахеометра 6, а также модем беспроводной связи 5.

Список обозначений:

1 - центр обработки данных,

2 - преобразующий сервер,

2a - аналитический микропроцессор,

3 - приемник спутниковой навигационной системы (GPS),

4 - трехмерный датчик колебаний,

5 - модем беспроводной связи (GPRS),

6 - автоматический тахеометр,

6a - лазерная алидада тахеометра,

7 - лазерный луч,

8 - отражатель,

9 - трехмерный датчик перемещений точек поверхности,

10 - очистная лава,

11 - сейсмометрические датчики,

12 - шахтная сейсмическая система локализации толчков,

13 - толчок,

14 - стабильный участок,

14a - нестабильный участок,

15 - наблюдаемый участок горного массива (подвергаемый деформации под влиянием разработки),

16 - репозиторий технологических данных,

17 - репозиторий измерительных данных,

17а - база параметров колебаний на поверхности шахты,

17b - база параметров толчков в подземной части шахты,

17c - процесс смешивания измерений Ε^pomI×Ε^pomII и фильтрации помех в блоке (процедура INFOMAX),

18 - блок модели неустановленных перемещений,

19 - блок модели колебаний в функции времени,

20 - блок предварительной оценки опасности возникновения толчка на основе парасейсмических данных, с использованием измерений и моделирования, с учетом установленных предельных значений параметров колебаний Λ,

21 - блок предварительной оценки опасности возникновения толчка на основе деформационных данных, с использованием измерений и моделирования, с учетом установленных предельных значений перемещений ξ_dop,

22 - блок дефинирования функции f(v,w) - меры опасности совмещенных парасейсмических и деформационных процессов,

23 - блок определения участков опасных по толчкам, а также оптимизации целевой функции f(v,w)→f^∗(v,w),

24 - блок проверки основного критерия оценки опасности толчка, с использованием целевой функции f^∗(v,w),

25 - блок проверки окончательного критерия оценки опасности толчка, с использованием целевой функции f^∗(v,w),

26 - блок выявления опасности возникновения толчка и определения подучастков, опасных по возникновению толчка (µ=i^∗), а также предполагаемого времени возникновения толчка

,

a1, a2…ai - измерительные точки, оборудованные комплектом A,

X0 - продольная координата локализации автоматического тахеометра,

Y0 - поперечная координата локализации автоматического тахеометра,

Z0 - вертикальная координата локализации автоматического тахеометра,

XD - продольная координата скорости или ускорения колебаний,

YD - поперечная координата скорости или ускорения колебаний,

ZD - вертикальная координата скорости или ускорения колебаний,

XP - продольная координата перемещения,

YP - поперечная координата перемещения,

ZP - вертикальная координата перемещения,

A1, A1, Ai - измерительные комплекты,

B - тахеометрический измерительный комплект,

Xk - продольная координата толчка в очистной лаве из сейсмической системы локализации толчков,

Yk - продольная координата толчка в очистной лаве из сейсмической системы локализации толчков,

Zk - вертикальная координата толчка в очистной лаве из сейсмической системы локализации толчков,

Tok - время возникновения толчка в очистной лаве из сейсмической системы локализации толчков,

E^pomI - измерение колебаний на поверхности из трехмерных датчиков колебаний,

E^pomII - измерение параметров толчков из подземной шахтной сейсмической системы локализации толчков,

U^pom - измерение перемещений на поверхности из трехмерных датчиков перемещений поверхности,

Λ - предельное значение для колебаний,

ξ_dop - предельное значение для перемещений,

P - продольная волна,

x_ij - информация о колебаниях,

y_ij - информация о перемещениях,

[i,j] - величины, измеряемые для i-й измерительной точки в местах расположения измерительных комплектов A, в момент j.

V: v[i,j] - тензоры величин, представляющих парасейсмические процессы,

W: w[i,j] - тензоры величин, представляющих процессы перемещений,

f(v,w) - первичная целевая функция,

f^∗(v,w) - оптимизированная целевая функция.

Claims

1. Способ оценки опасности возникновения высокоэнергетических толчков, вызываемых подземной разработкой, заключающийся в измерении, по технологии GPS, перемещений наблюдательных точек, расположенных на поверхности горного массива в районе воздействия фронта разработки, и передаче результатов этих измерений посредством модулей беспроводной связи в центральную организацию контроля опасности, отличающийся тем, что производятся одновременно в тесной временной и пространственной коинциденции измерения колебаний (E^pomI) на поверхности трехмерными датчиками колебаний (4) и измерения параметров толчков (E^pomII) под землей шахтной сейсмической системой локализации толчков (12), а также измерения перемещений (U^pom) на поверхности трехмерными датчиками перемещений точек поверхности (9), с периодической корректировкой тахеометрическим измерительным комплектом (В), осуществляется регистрация этих измерений в репозиториях измерительных данных (17) аналитической схемы (2а), затем множества этих данных подвергаются обработке аналитической схемой (2а) и составляется прогноз возникновения опасности высокоэнергетических толчков в пространственно-временном континууме путем эстимации критических явлений, учитывающей совмещение наблюдений в виде квазидетерминистического и по пространству-времени обширного процесса деформации горного массива, а также парасейсмических явлений в виде кратковременных колебаний частиц горного массива в аспекте времени и частоты, причем их совместное воздействие имеет характер функционала по местно-суммированному пространству, а составляющие координат (ХР, YP и ZP) измерения перемещений (U^pom) на поверхности, регистрируемые в режиме реального времени с частотой не менее 20 Гц, а также регистрируемые в режиме реального времени составляющие координат скоростей и/или ускорений (XD, YD и ZD) колебаний (E^pomI) на поверхности, вместе с маркером времени передаются от каждого из интегрированных измерительных комплектов (А1, A2,…Ai) посредством модулей беспроводной связи (5) в преобразующий сервер (2).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в преобразующий сервер (2) передаются посредством модуля беспроводной связи (5) измерительные данные в цифровом виде из тахеометрического измерительного комплекта (В), выполняющего периодически, с определенным временным интервалом, и каждый раз непосредственно после толчка, зарегистрированного шахтной сейсмической системой локализации толчков (12), измерение расстояния между точкой расположения измерительного комплекта (В) и местами реализации измерений интегрированными измерительными комплектами (А1, A2,…Ai), оборудованными лазерными отражателями (8), осуществляя возможную корректировку измерений составляющих перемещений (ХР, YP и ZP), выполняемых трехмерными датчиками перемещений (9), на основе данных, получаемых от приемников спутниковой навигационной системы (3).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шахтная сейсмическая система (12) локализует толчки шахтного происхождения, а информация о параметрах каждого толчка с координатами (Xk, Yk i Zk) и времени (Tok) его возникновения в очаге толчка (13) передается кабельной сетью в преобразующий сервер (2), в который передается также время вступлений продольной волны (Р), от измерительных комплектов (А1, A2,…Ai).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что прогноз опасности возникновения толчков выполняется аналитической схемой (2а) на основе измерений параметров, возникающих на поверхности колебаний (E^pomI), записываемых в текущем порядке в базе параметров колебаний на поверхности шахты (17а), а также на основе измерений параметров толчков, возникающих в подземной части шахты (E^pomII), записываемых в базе параметров толчков, регистрируемых в подземной части шахты, после чего осуществляется процесс смешивания измеренных парасейсмических параметров (E^pomI×E^pomII=

E_{i j}^{p o m}

) и фильтрация помех, а затем на основе данных, хранимых в репозиторие технологических данных (16), составляется модель колебаний в функции времени, а также сигнал от смешанных измерений колебаний (

E_{i j}^{p o m}

), в результате которых осуществляется сравнивание полученных результатов с предельными значениями и предварительная оценка опасности, а одновременно производится сравнивание предельных значений модели предельных перемещений с измерениями перемещений на поверхности шахты (U^pom), после чего для каждого временного интервала определяются тензоры величин, представляющих парасейсмические процессы, а также тензоры величин, представляющих процессы перемещений, и составляется первичная целевая функция как мера опасности совмещенных парасейсмических и деформационных процессов, определяемая для каждого момента по всему пространственно-временному континууму, а далее осуществляется определение участков, опасных по толчкам, на основе измерений и в результате кратко- и долгосрочной верификации, а также составляется оптимизированная целевая функция, являющаяся мерой оценки опасности возникновения толчка в наблюдаемом участке горного массива (15), подвергаемом деформации под влиянием разработки, и которая после удовлетворения критериев эстимации опасности возникновения толчка, последовательно основного и окончательного, позволяет определить подучастки, опасные по возникновению толчка, и предполагаемое время этого события.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения опасности:
а) дефинируется окно краткосрочного анализа, охватывающего парасейсмические и деформационные измерения (величины), получаемые со всех измерительных точек а1, a2,…ai в местах установки измерительных комплектов А1, А2,…Ai, на 1 шаг назад в отношении момента j;
б) затем для каждого окна находится нижняя грань множества деформационных величин, а также верхняя грань множества парасейсмических значений, после чего эти значения, вместе с локализацией, передаются в таблицы долгосрочного анализа;
в) после этого дефинируется окно долгосрочного анализа для оценки опасности, охватывающее 1 неделю, и ведется при этом поиск исключительно тех случаев, для которых нижняя грань множества деформационных величин и верхняя грань множества парасейсмических значений находятся в непосредственной близости анализируемой наблюдательной точки а1, a2,…ai;
г) основой для оценки являются данные из таблиц долгосрочного анализа, причем на их основании осуществляется оптимизация первичной целевой функции в аспекте обеспечения максимума энтропии системы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимизированная целевая функция удовлетворяет основной критерий опасности исключительно тогда, когда максимальные напряжения при минимальном пороге градиента перемещений не превышают минимального градиента перемещений при максимальном напряженном состоянии.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимизированная целевая функция удовлетворяет основной критерий опасности исключительно тогда, когда первичная целевая функция, вытекающая из максимальных напряжений и минимального порога градиента перемещений, равна максимуму функции для нижней грани множества величин градиента перемещений.

8. Система оценки опасности возникновения высокоэнергетических толчков, генерируемых подземной разработкой, состоящая из центра обработки измерительных данных из датчиков колебаний, датчиков перемещений, а также приемника спутниковой навигационной системы, отличающаяся тем, что содержит центр обработки данных (1) с преобразующим сервером (2), к которому подключен модем беспроводной связи (5), аналитический микропроцессор (2а), а также шахтная сейсмическая сеть локализации толчков (12), которая проводной связью соединена с сейсмометрическими датчиками (11); в свою очередь на наблюдаемом участке горного массива (15) установлены измерительные комплекты (А1, A2, …, Ai), причем каждый из этих измерительных комплектов состоит из приемника спутниковой навигационной системы (3), являющегося трехмерным датчиком перемещений поверхности (9), пространственно-интегрированного с трехмерным датчиком колебаний (4), который соединен с модемом беспроводной связи (5), в свою очередь на участке, не подвергающемся деформации под влиянием шахтной разработки, установлен тахеометрический измерительный комплект (В), оборудованный автоматическим тахеометром (6) с лазерной алидадой (6а), к которому подключен приемник спутниковой навигационной системы тахеометра (3), а также модем беспроводной связи (5).

9. Система по п.8, отличающаяся тем, что каждый измерительный комплект (А) оборудован отражателем (8) лазерного луча (7).