НИР: Эффективные методы контроля за состоянием горных пород

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. В горнодобывающей отрасли России и смежных сферах наблюдаются новые условия эксплуатации месторождений и сооружений, которые требуют совершенствования мониторинга состояния горных пород. Добыча полезных ископаемых ведется на все больших глубинах, где горное давление и температура существенно возрастают, что повышает риски геодинамических явлений (удароопасность, обрушения крепи). Освоение месторождений на Крайнем Севере сопряжено с воздействием низких температур и деградацией вечной мерзлоты, способной приводить к потере устойчивости грунтов и пород. Строительство и эксплуатация объектов в сейсмоактивных регионах (например, на Кавказе, Дальнем Востоке) сопровождаются постоянным риском землетрясений, влияющих на устойчивость горных массивов. Кроме того, рост спроса на минерально-сырьевые ресурсы вынуждает осваивать все более сложные и уязвимые месторождения, что повышает нагрузку на системы геомониторинга и требует их совершенствования. Таким образом, в современных условиях обеспечение стабильности горных пород становится все более сложной задачей, требующей применения эффективных методов контроля и раннего предупреждения опасных изменений.
Не менее важную роль играют практические потребности горнодобывающей отрасли и строительства, связанные с безопасностью и экологией. На подземных шахтах и карьерах аварии, вызванные внезапными обрушениями пород или горными ударами, приводят к человеческим жертвам и значительному материальному ущербу. По оценкам специалистов, значительная часть чрезвычайных ситуаций на подземных работах обусловлена именно геомеханическими факторами – обрушениями, горными ударами и т.п., что подчеркивает необходимость совершенствования системы мониторинга. Для предотвращения подобных инцидентов необходим постоянный контроль за состоянием массива пород и выявление предвестников неустойчивости. В открытых разработках и на объектах инфраструктуры (туннели, дамбы, подпорные стенки) деформации пород могут привести не только к авариям, но и к серьезным экологическим последствиям – оползни, нарушение гидрологических режимов, деградация ландшафта. Соответственно, эффективный мониторинг позволяет снизить эти риски, обеспечивая безопасность работ и сохранность окружающей среды.
Достижения науки и техники последних лет открывают новые возможности для контроля геологической среды. Развиваются интеллектуальные датчики и сенсорные системы, способные в реальном времени регистрировать деформации, сейсмическую активность, сдвижения пород. Появляются технологии дистанционного зондирования Земли, включая спутниковую радарную интерферометрию (InSAR), которые дают возможность отслеживать оседание земной поверхности и смещения с сантиметровой точностью. Методы машинного обучения и большие данные находят применение в анализе результатов мониторинга: интеллектуальные алгоритмы способны распознавать скрытые закономерности в поведении горного массива и прогнозировать развитие опасных процессов. Также разрабатываются инновационные сенсорные решения, например, волоконно-оптические датчики для скважинного мониторинга, позволяющие контролировать деформации на больших участках массива. Таким образом, научно-технический прогресс предоставляет инструментарий для более точного и оперативного контроля состояния горных пород, что актуально для промышленных и инфраструктурных проектов.
Мировой опыт показывает высокую эффективность совмещения различных методов мониторинга. В передовых горнодобывающих странах (Канада, Австралия, США) широко используются спутниковые системы наблюдения за деформациями земной поверхности и сети автоматических датчиков в шахтах и карьерах. Такие системы позволяют в режиме реального времени отслеживать развитие трещин, проседание грунта, сейсмические толчки, обеспечивая раннее оповещение о возможных опасностях. Изучение лучших мировых практик и их адаптация к российским условиям является важной составляющей для создания эффективных систем контроля горных пород внутри страны.
В то же время анализ состояния проблемы в литературе показывает, что отсутствуют комплексные решения, позволяющие организовать полностью автоматизированный и адаптивный мониторинг горных пород. Существующие методики зачастую узконаправленные и разрозненные: одни основаны на периодических ручных измерениях (например, визуальные обследования трещин, разовые замеры напряжений), другие – на стационарных системах датчиков без возможности интеллектуальной обработки данных. Недостаточно развито объединение разных типов контроля – геофизического, геохимического, геодезического – в единую систему, способную подстраиваться под изменяющиеся условия. Пока не создана единая интеллектуальная система, способная автоматически обрабатывать разнородные данные наблюдений и выдавать надежный прогноз состояния горного массива. Все это свидетельствует о необходимости проведения комплексных исследований и разработки новых подходов к эффективному контролю состояния горных пород.
Обзор нормативно-правовой базы в России. Мониторинг состояния горных пород и обеспечение устойчивости геологических массивов регламентируются в России рядом нормативных документов. Действуют государственные стандарты (ГОСТ), устанавливающие методы испытаний и мониторинга горных пород, а также строительные нормы и правила (СНиП и актуализированные Своды правил), содержащие требования по наблюдению за деформациями основания сооружений и откосов. К примеру, нормативы предусматривают регулярные геотехнические наблюдения при возведении подземных выработок, тоннелей, плотин и иных объектов, где устойчивость пород критична для безопасности.
Отраслевые стандарты и федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности дополняют общие требования применительно к горнодобывающей сфере. Так, правила безопасности в угольных и рудных шахтах обязывают осуществлять систематический контроль горного давления и состояния крепи. Кроме того, нормативные акты возлагают на маркшейдерские службы горных предприятий обязанность регулярно выполнять наблюдения за сдвижением пород и оседанием земной поверхности, фиксируя возникающие деформации. Недавно введенные Федеральные нормы и правила для обеспечения устойчивости бортов карьеров и отвалов учитывают современный опыт и технологии геомеханического анализа и мониторинга. Эти документы требуют использования современных методов (например, дистанционного зондирования, автоматизированных датчиков) для раннего выявления признаков нестабильности.
В разработке и совершенствовании методов контроля значительную роль играют государственные и научные институты. Горные научно-исследовательские организации (например, Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, ВНИМИ, Горный университет Санкт-Петербурга) ведут исследования в области геомеханического мониторинга, разрабатывают новые датчики и методики. Государственные органы, такие как Ростехнадзор и Росстандарт, участвуют в формировании нормативной базы и контролируют соблюдение требований мониторинга на опасных объектах. Таким образом, в России создана многоуровневая система нормативной поддержки мониторинга горных пород, которая непрерывно развивается, интегрируя достижения науки в практику контроля.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются массивы горных пород в зонах освоения месторождений и строительства инженерных сооружений – то есть горные массивы в условиях эксплуатации шахт, карьерных выработок, тоннелей, подземных хранилищ и других объектов. Предметом исследования являются методы и технологии контроля состояния этих массивов, включая различные подходы: геофизические (сейсмоакустические, электромагнитные и др.), геохимические (мониторинг газовых и гидрогеологических показателей) и цифровые (автоматизированные сенсорные системы, дистанционное зондирование, анализ данных).
Цель исследования. Целью настоящего исследования является разработка и обобщение подходов к эффективному контролю состояния горных пород, обеспечивающих высокую точность наблюдений и возможность автоматизированного мониторинга в реальном времени.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
1. классифицировать существующие методы мониторинга состояния горных пород (геофизические, геохимические, цифровые технологии);
2. проанализировать мировой опыт применения дистанционного зондирования и спутниковых технологий для контроля деформаций и сейсмичности горных массивов;
3. выявить ограничения существующих методов контроля (точность, стоимость, сложность внедрения, зависимость от условий эксплуатации);
4. оценить перспективы использования искусственного интеллекта и современных сенсорных систем в геомониторинге;
5. разработать рекомендации по повышению степени автоматизации и точности контроля состояния горных пород.
Выполнение перечисленных задач позволит достичь поставленной цели исследования и тем самым заложить основы для создания эффективной системы непрерывного автоматизированного контроля состояния горных пород на современных горнодобывающих и инфраструктурных объектах, обеспечивающей их безопасную эксплуатацию.
Оглавление

АННОТАЦИЯ.. 2

ВВЕДЕНИЕ.. 2

1. Научные достижения (общемировые) по выбранной теме научных исследований. 7

1.1 Геофизические методы контроля. 7

1.2 Геохимические методы контроля. 10

1.3 Цифровые методы контроля. 14

2. Пути решения существующих научных проблем по объекту исследования. 22

2.1 Интеграция сенсорных систем и дронов для оперативного мониторинга. 23

2.2 Автоматизация принятия решений и предиктивные системы.. 25

2.3 Совместимость и адаптация современных технологий. 27

3.Существующие нерешенные задачи в мониторинге горных пород. 30

3.1 Ограничения современных методов. 30

3.2 Влияние экстремальных условий на методы контроля. 31

3.3 Нерешенные научные вопросы. 33

4. Заключение. 35

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 39

Приложение 1. 51

Приложение 2. 54

Приложение 3. 62