Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических основ технологии микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород при разработке месторождений твердых полезных ископаемых.

Докладчик: Дучков Антон Альбертович

Должность: зав. лаб., доцент, канд. физ.-мат. наук

Цель проекта:
Недостаточность информации о состоянии массива горных работ и протекающих в нем процессов повышает риск катастрофических проявлений горного давления, гидро- и газодинамических явлений, особенно при разработке глубокозалегающих залежей, о чем, свидетельствует, например, рост аварийности на угольных шахтах. Наиболее перспективным методом дистанционного контроля геодинамических процессов является пассивный микросейсмический мониторинг (МСМ) как состояния массива горных пород, так и отдельных технологических операций разработки полезных ископаемых. Создание технологии высокочувствительного микросейсмического мониторинга геодинамических процессов для горнодобывающего производства с пониженной стоимостью работ и увеличенным временем наблюдений является актуальной задачей современного производства, направленной на повышение эффективности и безопасности подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Научная значимость планируемых работ состоит в создании и исследовании нового подхода обработки данных МСМ, ориентированного на решение задач подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых. Контроль и оценка эффективности выполнения технологических операций методом микросейсмического мониторинга (МСМ) важны для повышения эффективности систем разработки месторождений. Целью работ является разработка научно-технических основ технологии микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород для повышения безопасности и эффективности подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения и ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1. Технологические принципы и решения сбора микросейсмических данных в условиях подземной разработки твердых полезных ископаемых на основе использования промышленных аппаратных телеметрических сейсмических комплексов модульного исполнения.
2. Прототипы технологических решений микросейсмического мониторинга геодинамических процессов при подземной разработке твердых полезных ископаемых, в т.ч.:
2.1 пространственной локации геодинамических процессов и оценки геометрических параметров зон их развития в массиве горных пород при подземной добыче твердых полезных ископаемых на основе быстрого решения прямых задач сейсмики в анизотропных средах;
2.2 оценки энергетических и кинематических параметров (смещение в пространстве с течением времени) геодинамических процессов в массиве горных пород.
3. Прототипы технических решений микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород, реализованные в экспериментальном образце аппаратно-программного комплекса.
4. Математическая модель микросейсмического мониторинга геодинамических процессов при подземной разработке твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях и результаты теоретических исследований создаваемых технологических и программных решений.
5. Экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса.
6. Лабораторный технологический регламент микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород при разработке месторождений твердых полезных ископаемых.
7. Предложения и рекомендации по использованию разработанного научно-технического задела в области микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород на горнодобывающих предприятиях для повышения безопасности и эффективности подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
8. Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород при разработке месторождений твердых полезных ископаемых в сложных горно-геологических условиях»

Проектом предусмотрена реализация разрабатываемых алгоритмов и программного обеспечения с использованием промышленной телеметрической сейсмической аппаратуры SCOUT отечественного производства, оснащенной автономными полевыми модулями, высокочувствительными датчиками упругих колебаний, бортовым вычислительным оборудованием.

Алгоритмы обработки разрабатываемой технологии направлены на решение задач локации микросейсмических событий в пространстве массива горных пород, определения для каждого зарегистрированного события его механизма и энергетических характеристик.

Программное обеспечение моделирования данных микросейсмического мониторинга будет создано с использованием параллельных алгоритмов численного решения уравнений упругости с возможностью выполнения на современных платформах высокопроизводительных вычислений.

Программное обеспечение обработки комплекса будет создано с возможностью использования методов обработки микросейсмических данных как наземных, так и подземных сетей мониторинга, с учетом сейсмической анизотропии среды.

Наземное расположение приемной сейсмической антенны обеспечивает ее независимость от геометрии горных выработок, что позволяет создавать развитую систему площадных наблюдений, обладающую высокой пространственной чувствительностью, а также использовать аппаратуру обычного геофизического исполнения без привязки к условиям и графику работы горнодобывающего предприятия. В то же время, расположение части датчиков в горных выработках позволит повысить точность результатов обработки данных микросейсмического мониторинга.

Будет исследован ряд существующих кинематических («лучевые» методы, различные методы решения уравнения эйконала) и динамических (конечно-разностные схемы решения уравнений теории упругости во временной и спектральных областях) подходов к моделированию распространения волн. Задачей является поиск возможных путей ускорения вычислений таких как: распараллеливание, ограничение класса скоростных моделей слоистыми средами, моделирование динамики отдельных волн путем комбинирования методов кинематического и динамического моделирования (оригинальный подход авторов проекта). Будет решаться обратная задача восстановления гипоцентров и тензора моментов микросейсмических, а также упругих параметров пласта.

Для проверки применимости разработанных алгоритмов прямого моделирования распространения упругих волн и решения обратных задач предусмотрено проведение серии численных экспериментов на синтетических моделях. Для корректности данного тестирования будет разработана модель, включающая модель слоисто-неоднородной среды, модель микросейсмического фона с возможностью введения стационарных источников регулярных помех, а также модель облака событий геодинамических процессов и технологических операций.

В развитии методов микросейсмического мониторинга работает большое количество ученых и сотрудников как производственных, так и чисто научных организаций. Можно упомянуть крупные микросейсмические консорциумы: PHASE Consortium (исследовательская группа в FREIE Universitat Berlin под руководством профессора S. Shapiro), Microseismic Industry Consortium (объединенный консорциум по двух ведущих университетов Канады, University of Calgary, University of Alberta). Однако основные научные исследования направлены на решения частной задачи микросейсмического мониторинга гидроразрыва пласта в приложении к разработке нетрадиционных запасов углеводородов. Технологи микросейсмического мониторинга разработки твердых полезных ископаемых отработана гораздо хуже.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Область применения – микросейсмический мониторинг состояния подземной разработки месторождений полезных ископаемых, отдельных технологических операций, а также техногенных и природных геодинамических процессов в горных породах для повышения эффективности и безопасности ведения горных работ.

Планируется использование ожидаемых результатов ПНИ для выполнения ОКР по разработке коммерческой версии программного обеспечения и других компонент технологии микросейсмического мониторинга геодинамических процессов в массиве горных пород, в т.ч. регламента по применению разрабатываемой технологии с использованием отечественного промышленного сейсмического оборудования для решения вопросов повышения безопасности и эффективности подземной разработки месторождений полезных ископаемых.

Ожидаемые результаты создают также основу для выполнения дальнейших исследований в области дистанционного контроля геодинамических процессов, а также в направлении создания высокопроизводительных математических алгоритмов обработки микросейсмических данных.

Ожидаемыми потребителями результатов являются горнодобывающие предприятия РФ, научно-исследовательские организации, занимающиеся обработкой данных геофизических исследований, разработкой специализированного программного обеспечения таких исследований.

Планируемый путь и действия по доведению ожидаемых результатов до потребителя состоит в проведении ОКР на основе результатов ПНИ, в разработке коммерческой версии программных и методических средств МСМ, в оснащении разрабатываемыми программными и методическими средствами сервисных компаний, в частности полевых групп Индустриального партнера ООО «Антел-нефть», укомплектованных телеметрической аппаратурой SCOUT, в выполнении коммерческих работ по микросейсмическому мониторингу геодинамических процессов и технологических операций в массиве горных пород при разработке отечественных месторождений различных полезных ископаемых по заказу горнодобывающих предприятий.

Возможность использования результатов проведенных исследований на предприятиях горнопромышленного комплекса обуславливается все большим вниманием к безопасности подземных горных работ. Разработанные алгоритмы обработки помогут в локализации микросейсмических событий в объеме горного массива с помощью отечественного комплекса телеметрической аппаратуры, которая не уступает по характеристикам зарубежным аналогам и превосходит их в соотношении цена/качество.

Практическое применение результатов выполнения проекта позволит повысить эффективность и безопасность подземной разработки месторождений твердых полезных ископаемых за счет дистанционного обнаружения, оценки параметров и мониторинга протяженных, геодинамически активных участков массива горных пород, выведенных из термодинамического равновесия природными и/или техногенными процессами.

Текущие результаты проекта:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ. Подробно рассмотрены такие темы, как задачи, решаемые в рамках микросейсмического мониторинга, используемые системы наблюдений, системы сбора микросейсмических данных, методы моделирования микросейсмических данных, методы и программные средства обработки микросейсмических данных.

Проведены патентные исследования по теме проекта.

Проведен выбор направления исследований, в том числе: разработаны возможные направления проведения исследований; разработаны возможные решения отдельных исследовательских задач; проведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований; сделан обоснованный выбор оптимального варианта направления исследований. Основные направления по развитию аппаратно-программного комплекса микросейсмического мониторинга включают: выбор оптимальных аппаратных решений сбора микросейсмических данных в условиях подземной разработки твердых полезных ископаемых; развитие методов моделирования микросейсмических данных и совершенствование методов обработки микросейсмических данных; разработку программного комплекса обработки данных микросейсмического мониторинга с учетом специфики приложения к мониторингу разработки твердых полезных ископаемых.

Проведены исследования и выбор способов решения отдельных исследовательских задач. Решены следующие задачи: моделирование сейсмических волн в трехмерных упругих моделях с учетом анизотропии для точечного источника, описываемого тензором моментов; анализ влияния анизотропии пород на результаты обработки данных микросейсмического мониторинга.

Разработаны технологические принципы и решения для сбора микросейсмических данных в условиях подземной разработки твердых полезных ископаемых на основе использования промышленных аппаратных телеметрических сейсмических комплексов модульного исполнения. Сформулированы требования к аппаратуре для микросейсмического мониторинга разработки твердых полезных ископаемых, проведен обоснованный выбор оптимальной аппаратуры, сформулированы процедуры настройки аппаратуры, предварительных тесты на идентичность, первичного анализа сырых данных, обозначены задачи методических экспериментальных работ по технологии микросейсмического мониторинга.

Разработаны прототипы технологических решений микросейсмического мониторинга геодинамических процессов при подземной разработке твердых полезных ископаемых. Разработан прототип программного пакета, частично реализующий граф обработки данных микросейсмического мониторинга, включая процедуры импорта и визуализации микросейсмических данных, фильтрацию, автоматическую детекцию событий, пикировку времен прихода волн, поляризационный анализ волн, лучевое трассирование в анизотропных моделях и расчет синтетических времен пробега волн.