CC BY
64
УДК 622.831
ДИАГНОСТИКА ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД В ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Алексей Геннадьевич Вострецов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и технологии производства радиотехнических систем, проректор, тел. (383)346-48-72, e-mail: vostretsov@adm.nstu.ru
Геннадий Иванович Кулаков
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник тел. 8(383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Галина Евгеньевна Яковицкая
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник тел. 8(383)217-08-06, e-mail: yge@ngs.ru
Представлены результаты энергетических оценок при механо-электромагнитных преобразованиях в процессах разрушения образцов горных пород. Оценки можно использовать для диагностики степени удароопасности горных пород в условиях подземных горных предприятий.
Ключевые слова: склонность горных пород к хрупкому разрушению, коэффициент механо-электромагнитных преобразований, образцы горных пород.
LAB TEST DIAGNOSTICS OF ROCK FRACTURE BASED ON ELECTROMAGNETIC RADIATION ENERGY CHARACTERISTICS
Aleksey G. Vostretsov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Marks prospect, Dr Eng, Prof, Department of Construction and Technology of Radio Electronic Devices, Vice-Principal, tel. (383)346-48-72, e-mail: vostretsov@adm.nstu.ru
Gennady I. Kulakov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Prof, Principal Researcher, tel. (383)217-06-07, e-mail: kulakova.38@yandex.ru
Galina E. Yakovitskaya
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Principal Researcher, tel. (383)217-08-06, e-mail: yge@ngs.ru
The paper discusses energy estimation of fracture of rock specimens under mechanical-electromagnetic transformation. The energy estimates are applicable to diagnostics of rockburst hazard in underground mines.
Key words: rock liability to brittle failure, coefficient of mechanical-electromagnetic transformation, rock specimens.
Обеспечение безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых является приоритетным направлением исследований в горных науках (геомеханика, геотехнологии). Минувшие десятилетия отмечены во всем мире устойчивой тенденцией перехода ведения горных работ на большие глубины, что связано с возникновением динамических проявлений горного давления, в том числе, в катастрофической форме. Рост количества и интенсивности этих проявлений, отчетливо наблюдаемый с увеличением глубины разработки месторождений, требует целенаправленных исследований механизмов и особенностей протекания динамических событий в массивах горных пород, связанных с нарушением их равновесного состояния. Эта информация является неотъемлемой для выработки научно обоснованных критериев прогнозирования разрушений в горных массивах, вызванных изменением их напряженно-деформированного состояния при ведении горных работ. Одним из перспективных методов диагностики и контроля разрушения горных пород и массивов рассматривается метод, основанный на регистрации сигналов сопутствующего электромагнитного излучения (ЭМИ). Развитие его, как прогнозного метода, касающегося динамических проявлений горного давления в массивах, требует, прежде всего, разработки новых методов и измерительных средств: создания необходимой феноменологической и приборно-измерительной базы для лабораторных и натурных экспериментов, геомеханической интерпретации контролируемой информации. Возникающие и развивающиеся системы трещин являются источником ЭМИ-излучения. Поэтому изучению особенностей электромагнитного излучения трещиной или системами трещин, в том числе из очага разрушения, уделяется особое внимание.
Поскольку основной причиной изучаемого процесса ЭМИ является тре-щинообразование и рост его в массивах в процессе возрастания напряжений, то в качестве модели, описывающей процессы разрушения горных пород удобно выбрать ту, которая в явном виде содержит какие-либо параметры трещин. Такие параметры содержит модель, основанная на концентрационном критерии разрушения твердых тел С.Н. Журкова, которую мы принимаем как основную. Известно, что элементарный акт механо-электрического преобразования за период возбуждения тока можно представить в виде диполя электрического или магнитного типа; а в качестве модели генерации трещиной электромагнитного излучения используем источники, аппроксимируемые электрическим и магнитным диполями
Целью настоящей работы является оценка склонности горных пород к уда-роопасности (хрупкому разрушению) по энергетическим характеристикам электромагнитных сигналов ЭМИ, излучаемых при разрушении.
Для этого необходимо решить следующие задачи: провести анализ литературных данных по оценке величины мощности сигналов ЭМИ в очаге разрушения для некоторых горных пород и определить энергетические характеристики применительно к конкретным образцам горных пород; провести лабораторные эксперименты на различных по структуре и составу образцах горных пород с синхронной регистрацией сигналов ЭМИ и механических характеристик на стадии нарушения их сплошности; определить величину поверхностной плотности сигналов ЭМИ для различных по структуре и свойствам горных пород, по величине которой возможно оценить склонность к удароопасности испытываемых образцов горных пород; разработать диаграмму, позволяющую визуализировать полученные результаты.
Методика экспериментов включала установку исследуемых образцов между плитами пресса 'ТпБйоп-Г' (Институт проблем механики ИПМ РАН, Москва) и одноосное их нагружение до разрушения. При этом осуществлялась регистрация нагрузки, сигналов ЭМИ и токовых импульсов. Датчик нагрузки был установлен на прессе. Привязка каналов по времени осуществлялась кварцевым синхрометром г 7-15 с точностью не хуже 100 мкс. Для регистрации сигналов ЭМИ использовалась магнитная антенна с ферритовым сердечником, установленная на расстоянии 0.2 м от образца. В качестве токовой антенны использовался «пояс Роговского», представляющий собой два тороидальных диэлектрических каркаса (из пенопласта), расположенных перпендикулярно друг другу с наружными диаметрами соответственно 0.3 и 0. 26 м с намотанными на них витками медного провода.
- Магнитный регистратор - шестиканальный магнитофон фирмы Брюль и Къер, диапазон частот 70 Гц -20 кГц.
Результаты лабораторных экспериментов
Измерения электромагнитных сигналов проводились в диапазоне 70 Гц -20 кГц.
Сигналы с датчиков через усилители подавались на магнитный регистратор, затем на компьютер. Сигналы ЭМИ регистрировались по каналу 2, а токовые - по каналам 3 и 4. В экспериментах использовались следующие образцы горных пород: гранит, известняк, мрамор, песчаник, кварцевый сиенит, туф, мраморизованный известняк, эпидот-гранатовый скарн, сиениты, магнетитовые руды с различным содержанием руды и др. Всего было исследовано свыше 70 образцов, которые изготавливались прямоугольной и цилиндрической формы высотой от 0.06 - 0.17 м и поперечным размером 0.03-0.06 м.
Были зарегистрированы несколько типов разрушения
- многоступенчатое - мраморизованного известняка;
- плавное - мелкоигольчатого мелкоблочного туфа;
- резкое одноступенчатое - кварцевого сиенита.
На основании результатов экспериментов были зарегистрированы следующие данные: токи в образцах, длительности импульсов ЭМИ, максимальная нагрузка.
Далее приведены математические выражения, которые позволили по данным экспериментов с использованием этих выражений произвести расчеты мощностных и энергетических электромагнитных характеристик исследуемых образцов.
Опираясь на известное положение о том, что возникновение трещины в твердом теле сопровождается возникновением одиночного импульса сигна-лаЭМИ, длительность которого соответствует времени ее развития, и что начальный размер возникающей трещины может быть равен 10-4 м, критическое для объема V количество трещин n можно найти из соотношения:
* = IK ' (1)
г
где K - концентрационный критерий, принимающий для горных пород согласно Журкову С.Н., Куксенко В.С., Петрову В.А. значения 2,7-5.
Здесь же приведены другие математические выражения, позволяющие определить величину поверхностной плотности энергии сигналов ЭМИ, т.е. величину удельной энергии, распределенной на вновь образованных поверхностях возникающих трещин.
Для оценки мощности W, излучаемой источником ЭМИ (трещинами) за период возбуждения тока, использовалось выражение, приведенное в [8]:
р2, Вт, (2)
z 2яг 0 3C2
где Р - общий для источника дипольный момент, (Кл. м.); s0 -диэлектрическая проницаемость в вакууме - 1/36п10-9 Ф/м ; s - относительная диэлектрическая
о
проницаемость равная 4 отн. ед.; С - скорость света в вакууме (3 10 м/с); ю -
регистрируемая частота излучения электромагнитного сигнала, Гц.
Для одиночной трещины излучаемая энергия Э1 может быть оценена по формуле:
Э1 = W т, Дж, (3)
где W1 - мощность электромагнитного поля, излучаемая единичной трещиной. Ее дипольный момент оценивается по формуле [9]:
Р1 = 3iii€o, Кл м, (4)
где 10 - начальный размер ( размер начальной) возникающей трещины в образце; т1 -длительность и 31 - амплитуда токового импульса, соответственно.
В эксперименте для испытываемых образцов горных пород были зареги-
5 3
стрированы амплитудные значения для токов от 4,010- до 5,110- А с длитель-
3 3
ностями от 0,5 10- до 5,3 10- с, соответственно.
Затем приведены данные по оценке величин поверхностной плотности энергии сигналов ЭМИ для различных горных пород, откуда следует, что наибольших значений они достигают у кварцитов и сиенитов, а наименьших -у мраморов и туфов.
В Таблице исследуемые образцы ранжируются по склонности к ударо-опасности по предлагаемому параметру - поверхностной плотности энергии сигналов электромагнитного излучения. Так, по классификации ВНИМИ, образцы мраморизованного известняка, и мелкоблочного мелкоигольчатого туфа относятся к слабо склонным к удароопасности, склонными к удароопасности -массивные мелкозернистые сиениты. Весьма склонными к удароопасности являются: кварцевый сиенит с прожилками карбоната, мелкозернистый сиенит с прожилками карбоната, магнетитовая руда с 60% содержанием железа, мелкозернистый кварцит.
Таблица
Определение склонности горных пород к разрушению по уровню поверхностной плотности энергии сигналов ЭМИ
Тип горной породы, Литерат. Оценка эр, Дж/м
№ месторождение источник склонности
1 Кварцевый диорит (К) 1 весьма склонен 7 10-11
2 Кварцит (З) 2 весьма склонен 2 10-11
3 Кварцевый сиенит (Т) 2 весьма склонен 7.3 10-12
4 Сиенит (Т) 1 весьма склонен 4 10-12
5 Сиенит (Т) 2 весьма склонен 1.1 10-12
6 Магнетитовая руда 60% (Т) 2 склонен 2.7 10-13
7 Туф (З) 2 склонен 1.4 10-13
8 Мраморизованный известняк (Т) 2 слабо склонен 1.7 10-14
9 Мраморизованный известняк (К) 2 не склонен 2.3 10-15
10 Ш 3 1 10-16
11 КаС£ 3 1.6 10-17
12 3 1.16 10-17
На рис. 1, 2 представлены диаграммы, позволяющие визуализировать полученные результаты. Здесь на рис. 1 по оси ординат расположены типы пород, а по оси абсцисс - соответствующие им величины поверхностной плотности энергии сигналов ЭМИ. Итак, наиболее удароопасными являются различные типы сиенитов, кварциты и магнетитовая руда, а наименее - мраморизованного известняка и туфов. Рис. 2 иллюстрирует изменение безразмерного коэффициента механоэлектрических преобразований.
Таким образом в результате проведенных экспериментальных исследований на образцах горных пород получены следующие результаты :
- произведены численные оценки мощности излучения сигналов ЭМИ на стадии нарушения сплошности образцов горных пород;
- предложен критерий оценки склонности образцов горных пород к разрушению по величине поверхностной плотности энергии сигналов ЭМИ;
- предложена диаграмма оценки удароопасности горных пород, позволяющая визуализировать результаты расчетных и экспериментальных данных.
Рис.1. Оценка склонности горных пород к хрупкому разрушению по величине поверхностной плотности энергии электромагнитного излучения
(пояснения в тексте)
Ш-14 10-15 ю-16 10-17 10-18 10-19 10-20 10-21 jq-22 1Q-23
Рис. 2. Определение (расчет) безразмерного энергетического коэффициента
1/2
механоэлектрических преобразований K = W / W0, Дж
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воробьев А.А., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение электропроводимости и радиоизлучения горных пород и минералов при физико-химических процессах в них. // ДАН. -1975. - Т. 220. - № 1.
2. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. / Под ред. М.Б. Гохберга. -М.: ИФЗ АН СССР. - 1988.
3. Курленя М.В., Опарин В.Н., Востриков В.И. Волны маятникового типа. Ч. III: Данные натурных измерений. // ФТПРПИ. - 1996. - № 5.
4. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии. - Новосибирск: Параллель. - 2008, 314 с.
5. Садовский М.А., Кедров О.К., Пасечник И.П. О сейсмической энергии в объеме очагов при коровых землетрясениях и подземных взрывах. // ДАН. - 1985. - Т. 283, № 5.
6. Хатиашвили Н.Г., Перельман М.Е. Генерация электромагнитного излучения при колебаниях двойных электрических слоев и его проявления при землетрясениях. // Д АН- 1983. -Т. 211. - № 1.
7. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов О.А. Сейсмоэлектромагнитные явления. -М.: Наука, 1988.
8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.Д. Электродинамика сплошных сред. - М.: Изд-во ТЭЛ. -
1957.
9. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука -
1975.
10. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А. О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения щелочно-галоидных кристаллов и горных пород // ФТПРПИ. - 1988. - № 1.
© А. Г. Вострецов, Г. И. Кулаков, Г. Е. Яковицкая, 2015
