Российские ученые создали систему для отслеживания подземных вибраций в реальном времени

Подземные колебания — обычное явление в районах ведения горных работ. Они возникают при буровых взрывах, движении тяжелой техники и других технологических процессах. Распространяясь в грунте на сотни метров, такие вибрации со временем способны вызывать трещины и деформации зданий, дорог и инфраструктуры. Особенно опасны низкочастотные колебания: они распространяются значительно дальше обычных, могут входить в резонанс со строениями и наносить ущерб даже при относительно слабом воздействии.

Проблема усугубляется тем, что рядом с объектом может действовать сразу несколько источников вибраций — не только карьер или шахта, но и локальные помехи: транспорт, стройка, работа техники в самом населенном пункте. Фоновый шум и множественные источники существенно затрудняют интерпретацию данных. Поэтому ключевая задача мониторинга — определить, пришла ли конкретная вибрация от горного предприятия или от другого источника, и сделать это до того, как появятся трещины.

Компактная антенна вместо дорогих сетей

Существующие методы мониторинга имеют серьезные ограничения. Сеть датчиков требует больших затрат на развертывание, а одиночные измерительные станции не позволяют точно определить источник вибрации. Разработка ученых из МИЭМ ВШЭ и ИПКОН РАН предлагает третий путь: малоапертурную сейсмическую антенну. Это компактная группа датчиков, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Датчики одновременно улавливают колебания грунта, а специальные алгоритмы анализируют сигналы и определяют направление источника вибрации. Благодаря такому подходу система способна отличить взрыв в карьере от работы тяжелой техники или локального шума рядом с жилыми домами.

Для проверки технологии исследователи смоделировали распространение сейсмических волн и протестировали антенну из десяти датчиков. Расчеты показали высокую точность: уже на расстоянии более 10 метров погрешность определения параметров сигнала не превышает 7%, а на дистанциях свыше 50 метров снижается до 4%. При этом система сохраняет точность даже в условиях сильных фоновых помех. Результаты работы опубликованы в журнале «Горная промышленность».

От диагностики к предупреждению

Главная цель разработки — не просто фиксировать вибрации, а предупреждать последствия. Как отметил профессор МИЭМ ВШЭ, заведующий лабораторией контроля и мониторинга ИПКОН РАН Сергей Нефедов: «Сегодня во многих случаях меры принимаются уже после того, как на зданиях появляются трещины или деформации. Мы предлагаем другой подход: сначала определить источник опасного воздействия, оценить риск и только потом принимать меры. Наша система позволяет получать такую информацию быстро и с высокой точностью даже в условиях, когда присутствует несколько источников вибрации».

Получая данные о потенциально опасных колебаниях заранее, специалисты смогут оперативно менять режим работы техники, корректировать взрывные работы или устанавливать защитные барьеры до того, как возникнут повреждения. Благодаря небольшим размерам антенну можно устанавливать непосредственно рядом с жилыми домами, дорогами или промышленными объектами. Это существенно снижает расходы на монтаж оборудования, прокладку коммуникаций и техническое обслуживание. Кроме того, технология не требует сложных методов обработки данных, которые обычно используются в классической сейсмологии.

Разработчики считают, что в будущем такие системы смогут стать частью интеллектуальных комплексов экологической безопасности. Информация от датчиков будет автоматически поступать в цифровые системы управления, которые смогут рекомендовать изменение режима работы техники, корректировку графика взрывных работ или установку специальных защитных сооружений. Как рассказал аспирант департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Максим Икренников: «Следующий шаг — интеграция мониторинга в системы управления промышленными объектами. Тогда данные о вибрациях будут использоваться не только для наблюдения, но и для принятия решений в режиме реального времени. Такой подход позволит сделать добычу полезных ископаемых безопаснее для людей, окружающей среды и городской инфраструктуры».

По мнению ученых, новая технология найдет применение не только в горнодобывающей отрасли. Ее можно использовать на крупных строительных площадках, рядом с транспортными магистралями, тоннелями и другими объектами, где важно контролировать подземные колебания и своевременно предотвращать возможные повреждения.