Лаборатория цифровых методов исследований природных и технических систем

  2. Структура института
  3. Научные лаборатории
  4. Лаборатория цифровых методов исследований природных и технических систем

Лаборатория цифровых методов исследований природных и технических систем

Лаборатория цифровых методов исследований природно-технических систем в основана в 2019 году с целью развития научно-методических основ и информационно-вычислительных технологий для исследования и интеллектуального мониторинга природных и горнотехнических систем и прогнозирования катастрофических ситуаций.

Состав лаборатории

В составе лаборатории в настоящее время работает 16 научных сотрудников и 1 специалист инженерно-технического профиля.
- главные научные сотрудники: докт. физ.-мат. наук И.А. Кривошеев, докт. техн. наук Г.А. Курсакин; докт. физ.-мат. наук В.А. Луговой;
- ведущие научные сотрудники, канд. техн. наук: П.А. Аникин, М.И. Потапчук, Ю.В. Федотова;
- старшие научные сотрудники: кандидат географ. наук Г.В. Соколова; А.Л. Верхотуров
- научные сотрудники: А.М. Кошельков, С.И. Рябухин, ;
- младшие научные сотрудники: А.С. Башкурова, М.А. Линник, М.А. Ломов, Д.И.Потапов, А.С. Смагин, В.Ю.Черных;
- инженер Е.Н. Казарина.

Направления исследований

  1. Разработка алгоритмов, программных средств, математических методов обработки измерительных и наблюдательных данных, необходимых для оперативного использования, хранения и систематизации экспериментальных данных, получаемых для изучения, контроля и мониторинга процессов и явлений в природно-технических системах.
  2. Разработка теоретических основ математического моделирования геомеханических, сейсмических, русловых, сукцесисионных и иных процессов в геосредах, позволяющих описывать состояние эволюционирующих природно-технических систем и выполнение верификации результатов теоретических исследований инструментальными методами.
  3. Разработка и реализация принципов построения систем комплексного мониторинга природно-технических систем и организация режимных наблюдений за их изменением в условиях техногенной трансформации при интенсивном природопользовании.
  4. Оценка современной динамики природных систем под влиянием природных и антропогенных факторов в условиях глобального изменения климата на основе комплексного анализа данных мониторинга с применением методов дистанционного зондирования Земли.
  5. По результатам комплексного мониторинга с использованием накопленных архивов измерительной информации, данных наземных и спутниковых наблюдений по территории Дальнего Востока и ресурсов высокопроизводительных вычислительных систем классической и гибридной архитектуры, выявлять закономерности процессов и явлений на стадии формирования и развития катастрофических ситуаций и оценивать влияние триггерных эффектов на проявление техногенной и индуцированной сейсмичности при крупномасштабном преобразовании недр.
  6. Научно обосновывать эффективные меры, технические и технологические решения по снижению риска и смягчению последствий природных и техногенных катастроф при интенсивном природопользовании на территории Дальневосточного региона.

Основные разработки

Программа «GCSVisualization»

На данное время специализированные программные комплексы представляют результаты сейсмоакустического мониторинга в табличном виде или графическом (плоские карты и полноценные 3D модели).

Как показывает опыт работы горнодобывающих предприятий, предпочтение отдается системам с графическим представлением результатов.

Примерами таких систем может служить программное приложение «GEOACOUSTICS3DVIEW».

Особенностью данной программы, разработанной в ИГД ДВО РАН, является отображение на экране монитора 3D объекта подземных горных выработок, созданный в формате *.dwg или *.dxf, и очагов сейсмоакустических событий, зарегистрированных АСКГД «Prognoz-ADS» (рис.3). Цветом выделяются контуры акустически активных зон на фоне остальных АЭ-событий [7].

Программа в режиме реального времени обращается к БД АСКГД на ПК оператора, откуда загружаются актуальные (обработанные оператором) данные: координаты скважин, сейсмоакустические события, эпицентры ААЗ и их геометрические параметры. Трехмерная модель рудника загружается из файла с расширением *.dwg или *.dxf, созданного в графических редакторах AutoCAD, MineFrame, Micromine, Datamine.

Портативный прибор локального контроля удароопасности «Prognoz L»

Название
 Портативный прибор локального контроля удароопасности «Prognoz L».

Направление и область применения
Новые цифровые технологии, современные программные и технические средства геомеханического мониторинга и оценки состояния природно-технических систем для обеспечения безопасного освоения недр при разработке месторождений и ведения подземных горных работ в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах.

Описание продукта
При ведении горных работ в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах для предупреждения опасных проявлений горного давления и снижения геодинамического риска необходимо применение разномасштабных технических средств геомеханического мониторинга разрабатываемых массивов горных пород.

Использование методов локального контроля и оценки потенциально опасных участков в массиве горных пород месторождений твердых полезных ископаемых является обязательным требованием Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах ("Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" по приказу Ростехнадзора N505 от 08.12.2020). Использование «Prognoz-L» дает возможность снизить или полностью исключить вероятность аварий и несчастных случаев при ведении горных работ в удароопасных условиях за счет своевременного предупреждения динамических проявлений горного давления.

Портативный прибор локальной оценки удароопасности «Prognoz-L» предназначен для локальной экспресс оценки геомеханического состояния краевых частей горного массива, приконтурных участков горных пород вокруг подземных горных выработок (в радиусе 10-15 м от забоя, борта или сопряжения подземной горной выработки). Прибор применяется, как самостоятельно для оценки категории удароопасности, так и совместно со стационарными автоматизированными многоканальными системами контроля горного давления для верификации результатов, полученных другими методами.

Прибор «Prognoz-L» является одним из современных и технологичных средств оперативной оценки геомеханического состояния участка горных пород. Прибор разработан в Институте горного дела ДВО РАН (г. Хабаровск), внедрен и принят в промышленную эксплуатацию на целом ряде горнодобывающих предприятий Дальнего Востока, Забайкалья и Кольского полуострова.

Прибор «Prognoz-L» в процессе измерения регистрирует в участке массива горных пород акустические импульсы в частотном диапазоне 6...20 кГц, генерируемые в результате упругого разрушения горных пород (процесс естественной акустической эмиссии). В процессе измерения рассчитываются параметры акустической эмиссии и рассчитывается комплексный показатель, по которому определяется категория опасности локального участка горных пород.

Прибор имеет рудничное исполнение РН1 и может применяться в шахтных условиях, в том числе взрывоопасных по рудничному газу и пыли (РВ Ех ib). Устройство регистрации (датчик) в составе прибора занесен в государственный реестр средств измерения РФ.

Конкурентные преимущества

АСКГД «Prognoz-L» является современным, переносным специализированным техническим средством и имеет ряд важных преимуществ по сравнению с аналогами, включая оперативность и глубину обработки данных измерений с выведением результатов (значений комплексного показателя, характеризующего вероятность разрушения горных пород в опасной динамической форме и категорию опасности) на экран устройства. В приборе реализованы возможность слухового контроля в процессе измерения и автоматическое шумоподавление и идентификация полезных сигналов.

Стадия продукта
Портативный прибор локального контроля удароопасности «Prognoz-L» прошел апробацию в условиях действующих горнодобывающих предприятий, готов к мелкосерийному изготовлению, в настоящее время используется специалистами служб прогноза и предотвращения горных ударов для локальной оценки удароопасности.

Объем финансирования
Проект реализуется на средства Заказчиков (горных компаний). Для организации серийного производства необходимы инвестиции в размере 10 000 тыс. рублей.

Наличие интеллектуальной собственности
Авторское право на АСКГД «Prognoz-L» принадлежит Федеральному государственному бюджетному учреждению науки Институту горного дела ДВО РАН - обособленному структурному подразделению Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. Патент на промышленный образец «Портативный прибор локального контроля удароопасности «Prognoz-L» № 2021500066 от 11.01.2021 г.

Автоматизированная система контроля горного давления «Prognoz-ADS»

Название
 Автоматизированная сейсмоакустическая система контроля горного давления «Prognoz-ADS».

Направление и область применения
Новые цифровые технологии, современные программные и технические средства геомеханического мониторинга и оценки состояния природно-технических систем для обеспечения безопасного освоения недр при разработке месторождений и ведения подземных горных работ в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах.

Описание продукта
При ведении горных работ в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах для предупреждения опасных проявлений горного давления и снижения геодинамического риска необходимо применение разномасштабных технических средств геомеханического мониторинга разрабатываемых массивов горных пород.

Использование методов регионального контроля и оценки потенциально опасных участков в массиве горных пород месторождений твердых полезных ископаемых является обязательным требованием Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности на опасных производственных объектах ("Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твердых полезных ископаемых" по приказу Ростехнадзора N505 от 08.12.2020). Использование «Prognoz-L» дает возможность снизить или полностью исключить вероятность аварий и несчастных случаев при ведении горных работ в удароопасных условиях за счет своевременного предупреждения динамических проявлений горного давления.

Одним из современных и эффективных измерительных комплексов для регионального геомеханического мониторинга является автоматизированная сейсмоакустическая система контроля горного давления «Prognoz-ADS» (далее АСКГД), разработанная в Институте горного дела ДВО РАН (г. Хабаровска). АСКГД «Prognoz-ADS» применяется на рудниках АО «ГМК «Дальполиметалл», ПАО «ППГХО», АО «Апатит».

АСКГД «Prognoz-ADS» обеспечивает непрерывную регистрацию в массиве горных пород вокруг импульсов сейсмоакустической активности в частотном диапазоне 0,2...12 кГц. По параметрам сигналов определяются: энергетические, спектральные и иные характеристики сейсмоакустических событий, их местоположение (с точностью 2…5 м). Результаты мониторинга представляются в форме каталогов, прогнозных карт и графиков с применением современных программных средств 3D визуализации (рис. 2). В АСКГД «Prognoz-ADS» реализована возможность определения оптимальной конфигурации сети геофонов, выделения акустически активных и потенциально удароопасных зон в горном массиве, проводить комплексную оценку геодинамического риска.

АСКГД «Prognoz-ADS» состоит из поверхностной и подземной частей. Поверхностная часть системы размещается в административном (офисном) здании на промышленной площадке объекта (подземного рудника, шахты, штольни, тоннеля и т.д.), где организуется АРМ оператора-аналитика системы и устанавливается высокопроизводительный компьютер (главный сервер), который обеспечивает сбор, безопасное хранение и обработку данных мониторинга, а также дистанционное управление всеми элементами системы в подземной части по локальной сети.

В подземной части опасного промышленного объекта размещаются элементы регистрации сейсмоакустических сигналов (пространственная сеть из высокочувствительных акселерометров и интеллектуальных приемных преобразователей - геофонов), узлы коммутации и устройства обеспечения автономного непрерывного мониторинга.

Коммутационная часть и устройства обеспечения бесперебойного электропитания АСКГД размещаются в подземной аппаратной, организованной рядом с разнесенной в пространстве сетью геофонов (рис. 1). Информационный обмен между сетью геофонов и основным блоком коммутации подземной аппаратной осуществляется поканально в режиме реального времени по интерфейсу RS-485 и симметричным кабельным линиям длиной до 1 км.

На элементы подземной части АСКГД «Prognoz-ADS» имеются необходимые свидетельства о возможности использования в условиях подземных рудников и шахт, в том числе во взрывоопасных по рудничному газу и пыли средах. Устройства регистрации (геофоны, сейсмодатчики) в составе системы занесены в государственный реестр средств измерения РФ.

Конкурентные преимущества
Существующие образцы аналогов микросейсмических и сейсмоакустических автоматизированных станций «GITS», «АСКСМ», «Релос-Л-16» отличаются более низким рабочим диапазоном частот регистраторов (0,1-1000 Гц), который позволяет регистрировать в районе месторождений достаточно крупные события с энергией от 102 Дж. При этом не регистрируются более слабые события (от первых Дж и выше), которые являются предвестниками опасных геодинамических явлений.

В АСКГД «Prognoz-ADS» реализованы аппаратные и программные решения, обеспечивающие возможность регистрации полезных сигналов в условиях действующего горнодобывающего предприятия, а также эффективные алгоритмы определения местоположения и энергии регистрируемых САЭ-событий. АСКГД «Prognoz-ADS» обеспечивает возможность контролировать процесс формирования очагов опасных динамических явления от самых начальных стадий, что позволяет вовремя принять решение для проведения мероприятий по их предотвращению.

Стадия продукта
Автоматизированная сейсмоакустическая система контроля горного давления «Prognoz-ADS» Портативный прибор локального контроля удароопасности «Prognoz-L» прошел апробацию в условиях действующих горнодобывающих предприятий, готов к мелкосерийному изготовлению, в настоящее время используется специалистами служб прогноза и предотвращения горных ударов для локальной оценки удароопасности.

Объем финансирования
Проект реализуется на средства Заказчиков (горных компаний). Для организации серийного производства необходимы инвестиции в размере 50 000 тыс. рублей.

Наличие интеллектуальной собственности
Авторское право на АСКГД «Prognoz-ADS» принадлежит принадлежит Федеральному государственному бюджетному учреждению науки Институту горного дела ДВО РАН - обособленному структурному подразделению Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. Патент на промышленный образец «Автоматизированная сейсмоакустическая система контроля горного давления Prognoz-ADS» № 2021500068 от 11.01.2021 г. Специализированные программные средства в составе АСКГД «Prognoz-ADS» имеют свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Научные лаборатории

Структура