Ученые научились отслеживать опасные подземные вибрации в режиме реального времени

Исследователи МИЭМ ВШЭ и ИПКОН РАН разработали новую математическую модель мониторинга, позволяющую обнаруживать источник опасных подземных вибраций в режиме реального времени. Технология поможет снизить риск повреждения зданий, дорог и другой инфраструктуры вблизи карьеров и шахт.

Подземные вибрации возникают в различных ситуациях, в том числе при буровых взрывах и движении тяжелого горнодобывающего оборудования. Такие вибрации распространяются по земле на сотни метров и со временем могут повредить здания, дороги и инженерные сооружения. Особенно опасны низкочастотные вибрации, которые распространяются гораздо дальше, чем обычные вибрации, могут резонировать со зданиями и вызывать трещины даже при относительно слабом воздействии.

В этом случае вблизи объекта может находиться несколько источников вибрации. Это не только карьер или шахта, но и местные помехи: транспорт, строительство, эксплуатация техники в самом населенном пункте и т. д. Исследователи отмечают, что фоновый шум и множественные источники вибрации существенно усложняют интерпретацию данных. Поэтому ключевой задачей таких систем является определение того, возникла ли та или иная вибрация в результате горных работ или от другого источника.

Чтобы выявить подобные угрозы до появления трещин и деформаций, инженеры Московского института электроники и математики им. А.Н. Тихонова и Институт проблем комплексного освоения недр имени академика Н.В. Мельникова РАН разработали теоретическую модель новой системы мониторинга на основе малоапертурной сейсмической антенны. Работа ученых опубликована в журнале Mining Industry.

Сегодня для мониторинга вибрации на горнодобывающих предприятиях используется либо сеть датчиков, либо отдельные измерительные станции. Однако первые требуют больших затрат на развертывание, а вторые не позволяют точно идентифицировать источник вибрации. Поэтому оба подхода имеют ограничения при решении задач, требующих высокой точности.

Разработанная учеными система мониторинга не требует большого количества оборудования и сложной настройки. Это компактная группа датчиков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Датчики одновременно фиксируют колебания грунта, а специальные алгоритмы анализируют сигналы и определяют направление источника вибрации. Благодаря этому система может отличить взрыв в карьере от работы тяжелой техники или локального источника шума вблизи жилых домов.

Чтобы протестировать технологию, исследователи смоделировали распространение сейсмических волн и протестировали антенну из десяти датчиков. Расчеты показали, что уже на расстоянии более 10 метров погрешность определения параметров сигнала не превышает 7%, а на расстояниях более 50 метров снижается до 4%. При этом система сохраняет высокую точность даже в условиях сильного фонового шума.

По мнению ученых, основная цель разработки — не просто фиксировать вибрации, а предотвращать последствия. Заблаговременно получая информацию о потенциально опасных вибрациях, специалисты смогут оперативно изменить режим работы оборудования, скорректировать взрывные работы или установить защитные барьеры до того, как произойдет повреждение.

"Сегодня во многих случаях меры принимаются после появления трещин или деформаций на зданиях. Мы предлагаем другой подход: сначала выявить источник опасного воздействия, оценить риск и только потом принимать меры. Наша система позволяет получить такую ​​информацию быстро и с высокой точностью даже в условиях, когда имеется несколько источников вибрации", - рассказал один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ, заведующий лабораторией контроля и мониторинга ИПКОН РАН Сергей Нефедов.

Благодаря небольшим размерам антенну можно устанавливать непосредственно рядом с жилыми домами, дорогами или промышленными объектами. Это существенно снижает затраты на монтаж оборудования, связь и обслуживание. Кроме того, технология не требует сложных методов обработки данных, обычно используемых в классической сейсмологии.

Разработчики полагают, что в будущем подобные системы смогут стать частью интеллектуальных систем экологической безопасности. Информация от датчиков будет автоматически поступать в цифровые системы управления, которые смогут рекомендовать изменить режим работы оборудования, скорректировать график взрывных работ или установить специальные защитные конструкции, снижающие распространение вибраций.

"Следующий шаг — интеграция мониторинга в системы управления промышленными объектами. Данные о вибрации затем будут использоваться не только для мониторинга, но и для принятия решений в режиме реального времени. Такой подход сделает добычу полезных ископаемых более безопасной для людей, окружающей среды и городской инфраструктуры", — рассказал один из авторов исследования, аспирант кафедры электронной техники МИЭМ ВШЭ Максим Икренников.

По мнению ученых, новая технология найдет применение не только в горнодобывающей промышленности. Его можно использовать на крупных строительных площадках, вблизи автомагистралей, тоннелей и других объектов, где важно контролировать подземные вибрации и своевременно предотвращать возможные повреждения.