Исследование возможностей пассивного сейсмического мониторинга при решении задачи контроля состояния подземных сооружений

Рассмотрена проблема мониторинга состояния элементов конструкции подземных сооружений и состояния геологической среды в их близи на основе использования наблюдений за естественным сейсмическим шумом. Приводятся результаты полевых экспериментов, проведенных в Томусинском железнодорожном тоннеле в Кемеровской области. Представлены особенности спектральных характеристик зарегистрированных сейсмических сигналов, полученных в результате пассивных наблюдений с использованием трехкомпонентных приемников, расположенных на основании туннеля. С целью установления закономерностей формирования естественного волнового поля на поверхности подземного сооружения при наличии зоны геологической нарушенности вблизи него была разработана трехмерная математическая модель. В ней подземное сооружение представляется цилиндрической полостью, а зона нарушенности областью кубической формы с отличными от вмещающей среды свойствами. Распространение волн моделируется на основе численного решения уравнений упругости методом спектральных элементов, реализованным в программном пакете SpecFEM3d. Естественный шум реализуется путем введения в модель множества источников со случайными механизмами и сигналами. Представлены результаты численных экспериментов. Показано, как свойства геологической среды, нарушенной зоны и размеры этой зоны влияют на характеристики формируемого волнового поля на поверхности цилиндрической полости. Проанализированы зависимости спектральных характеристик синтетических сигналов от параметров модели.

Азаров А. В., Сердюков А. С., Сказка В. В., Сердюк И. М. Исследование возможностей пассивного сейсмического мониторинга при решении задачи контроля состояния подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 2. – С. 142–155. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_2_0_142.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-27-00192, https://rscf.ru/project/24-27-00192/.

Азаров Антон Витальевич¹ — канд. техн. наук, инженер, e-mail: antonazv@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-6967-4239,
Сердюков Александр Сергеевич¹ — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, e-mail: aleksanderserdyukov@ya.ru, ORCID ID: 0000-0035-8563-5708,
Сказка Валерий Всеволодович² — д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: vskazka@gmail.com,
Сердюк Иннокентий Михайлович² — инженер-исследователь, e-mail:ken04588@gmail.com,
¹ Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН, 
² Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН.

Азаров А.В., e-mail: antonazv@mail.ru

1. Пантелеев А. В., Каспарьян Э. В., Семенова И. Э. Методика визуальных наблюдений в подземных горных выработках на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам. — Апатиты: Из-во ФИЦ КНЦ РАН, 2020. — 68 с. DOI: 10.37614/978.5.91137.436.5.

2. Вербило П. Э., Иовлев Г. А., Петров Н. Е., Павленко Г. Д. Применение технологий информационного моделирования для маркшейдерского обеспечения ведения горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 60—79.

3. Kang J., Li M., Mao S., Fan Y., Wu Z., Li B. A coal mine tunnel deformation detection method using point cloud data // Sensors. 2024, vol. 24, no. 7, article 2299. DOI: 10.3390/s24072299.

4. Camara M., Wang L., You Z. Three-dimensional point cloud displacement analysis for tunnel deformation detection using mobile laser scanning // Applied Sciences. 2025, vol. 15, no. 2, article 625. DOI: 10.3390/app15020625.

5. Романевич К. В., Мулев С. Н. Автоматизация классификации сейсмических событий при сейсмомониторинге угольной шахты с использованием машинного обучения // Горная промышленность. — 2023. — № S5. — С. 58—64. DOI: 10.30686/1609-9192-2023-5S-58-64.

6. Plenkers K., Manthei G., Kwiatek G. Underground in-situ acoustic emission in study of rock stability and earthquake physics / Acoustic Emission Testing: Basics for Research—Applications in Engineering. — Cham: Springer International Publishing, 2021, pp. 403—476. DOI: 10.1007/978-3-030-67936-1_16.

7. Wang C., Si G., Zhang C., Cao A., Canbulat I. A statistical method to assess the data integrity and reliability of seismic monitoring systems in underground mines // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54, pp. 5885—5901. DOI: 10.1007/s00603-021-02597-7.

8. Абрамов Н. Н., Епимахов Ю. А. Геофизический контроль состояния подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 9. — С. 186—192.

9. Czarny R., Malinowski M., Chamarczuk M., Ćwiękała M., Olechowski S., Isakow Z., Sierodzki P. Dispersive seismic waves in a coal seam around the roadway in the presence of excavation damaged zone // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 148, article 104937. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104937.

10. Chen K., Zhang Z., Zhou Y. Application of surface wave in reinforced concrete invert detection // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 660, no. 1, article 012069. DOI: 10.1088/1755-1315/660/1/012069.

11. Курленя М. В., Сказка В. В., Азаров А. В., Сердюков А. С., Патутин А. В. Использование поверхностных волн для мониторинга состояния пород вокруг горных выработок и сооружений // ФТПРПИ. — 2022. — № 6. — С. 3. DOI: 10.15372/FTPRPI20220601.

12. Staniek A. Technical problems and non destructive testing of rock bolt support systems in mines // International Journal of Coal Science & Technology. 2023, vol. 10, no. 1, article 6. DOI: 10.1007/s40789-023-00566-9.

13. Lyapin A., Beskopylny A., Meskhi B. Structural monitoring of underground structures in multi-layer media by dynamic methods // Sensors. 2020, vol. 20, no. 18, article 5241. DOI: 10.3390/s20185241.

14. Вьюнников А. А., Хоютанова Н. В., Романевич К. В., Панин С. Ф., Разумов Е. Е. Сейсмический мониторинг и оценка геодинамических процессов при ведении горных работ в условиях подземного рудника «Интернациональный» // Горная промышленность. — 2024. — № 3S. — С. 26—31. DOI: 10.30686/1609-9192-2024-3S-26-31.

15. Malovichko D. Description of seismic sources in underground mines: Theory // Bulletin of the Seismological Society of America. 2020, vol. 110, no. 5, pp. 2124—2137. DOI: 10.1785/0120200093.

16. Гладырь А. В., Курсакин Г. А., Рассказов М. И., Константинов А. В. Разработка метода выделения опасных участков в массиве горных пород по данным сейсмоакустических наблюдений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 21—32.

17. Рассказов М. И., Гладырь А. В., Терешкин А. А., Цой Д. И. Сейсмоакустическая система контроля горного давления на подземном руднике «МИР» // Проблемы недропользования. — 2019. — № 2 (21). — С. 56—61. DOI: 10.25635/2313-1586.2019.02.056.

18. Мулев С. Н., Рукавишников Г. Д., Мороз Д. И., Пашкова В. И., Мороз Н. Е. Мониторинг напряженного состояния сейсмическими и расчетными методами на шахтах АО «Воркутауголь» // Уголь. — 2022. — № 12 (1161). — С. 88—93. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-12-88-93. 

19. Шарапов И. Р., Феофилов С. А. Наземные пассивные микросейсмические мониторинги при изучении, разработке и эксплуатации недр в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях // Приборы и системы разведочной геофизики. — 2021. — № 3. — С. 10—19.

20. Li L., Tan J., Wood D. A., Zhao Z., Becker D., Lyu Q., Chen H. A review of the current status of induced seismicity monitoring for hydraulic fracturing in unconventional tight oil and gas reservoirs // Fuel. 2019, vol. 242, pp. 195—210. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.01.026.

21. Khan M., Xueqiu H., Farid A., Jianqiang C., Honglei W., Dazhao S., Chao Z. Geophysical characterization of mining-induced complex geological deformations in a deep coalmine // Lithosphere. 2022, vol. 2021, no. S4, article 7564984. DOI: 10.2113/2022/7564984.

22. Hafeez M. B., Krawczuk M. A review: Applications of the spectral finite element method // Archives of Computational Methods in Engineering. 2023, vol. 30, no. 5, pp. 3453—3465. DOI: 10.1007/s11831-023-09911-2.

23. Komatitsch D., Tsuboi S., Tromp J., Levander A., Nolet G. The spectral-element method in seismology // Geophysical Monograph—American Geophysical Union. 2005, vol. 157, article 205.