---------------------------------------- © А.С. Пыхтин С.М. Простов,
2005
УДК 622.271.333:550.370
А. С. Пыхтин, С.М. Простов
АППАРАТУРА ДЛЯ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ГОРНЫХ ПОРОД *
Семинар № 2
Метод регистрации естественного электромагнитного излучения (ИЭИ) является одним из перспективных методов прогноза геодинамических процессов в зонах микро- и макроразрушений в образцах и массиве горных пород. Физические и теоретические основы данного метода развиваются целым рядов коллективом. Современное состояние проблемы и методические аспекты применения ИЭИ для исследования механических свойств горных пород и решения практических задач геомеханики изложены в ряде монографий [1, 2 и др.]. Основные направления применения ИЭИ сводятся к следующим: изучение склонности горных пород к накоплению механической энергии и хрупкому разрушению для прогноза их потенциальной удароопасности; локальный прогноз ударо-опасности участков выработок на основе эмпирических критериев, исследования кинетики накопления микротрещин и их развития.
Экспериментальные исследования в данном направлении ведутся, в основном, в лабораторных условиях. В частности, весьма существенным является установление стадийности процесса разрушения. Полученный нелинейный спектр распределения сигнала ЕЭИ, характеризующий увеличение амплитуды высокочастотных составляющих сигнала на стадиях, предшествующих разрушению (8-характеристика), позволяет существенно
повысить точность прогноза опасных геодинамических явлений [3].
Применение ИЭИ в практике горного дела в значительной мере сдерживается отсутствием регистрирующей аппаратуры, пригодной для измерений в полевых условиях. Известны разработки в данном направлении ИГД СО РАН [4], ВНИМИ [5], ГУ КузГТУ [6]. Основными недостатками этих конструкций аппаратуры являются следующие: узкий диапазон рабочих частот; недостаточная чувствительность; малое количество измеряемых параметров; отсутствие первичной обработки информации.
В ГУ КузГТУ ведутся исследования в направлении разработки универсального регистратора ЕЭИ, предназначенного для локального мониторинга устойчивости бортов карьеров. Конечной целью является интеграция аппаратуры в автоматизированную систему прогноза.
На рис. 1 приведена укрупненная
функциональная схема регистратора ЕЭИ, включающая антенну А, приемное устройство ПУ, схему автоматической регулировки усиления АРУ, и схему первичной обработки сигнала, выполненную на микроконтроллере МК.
Основные технические характеристики прибора следующие: рабочая частота 0,190 МГц (8 фиксированных диапазонов); полоса пропускания 10 кГц; чувствительность на частоте 2,5 МГц 0,7 мкВ, на частоте 50 МГц 0,3 мкВ; диапазон счета им-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ грант № 05-05-64100 116
пульсов 0,1 Гц - 10 кГц; диапазон измерения амплитуды импульсов 0,3 мкВ - 2 мВ.
Первичная обработка информации реализуется на базе микроконтроллера Р1С16Г84-14, который производит селекцию сигнала по уровню и подсчет средней частоты следования импульсов N за интервал т = 10 с. Прибор обеспечивает регистрацию амплитуды V импульса, анализ частотного спектра сигнала, имеет выход на внешнее устройство (осциллограф, запоминающее устройство, персональный компьютер).
Проведены комплексные лабораторные испытания прибора, основные задачи которых заключались в следующем: получение тарировочных зависимостей по напряжению V и мощности Р регистрируемого сигнала; изучение характеристик фонового сигнала, возникающего при работе электромеханического оборудования;
проверка работоспособности аппаратуры при нагружении образцов горных пород.
Схемы лабораторных установок, имитирующих источники электромагнитного сигнала приведены на рис. 2. Схемы вырабатывали два вида сигнала: модулированный гармонический в широком диапа-
а
Рис. 1. Функциональная схема устройства: А -
антенна; ПУ - приемное устройство; АРУ - схема автоматической регулировки усиления; МК -микроконтроллер; ИУ - индикатор уровня сигнала; ИЧ - индикатор частоты составляющей сигнала
зоне рабочих частот, формируемых генератором в1; импульсный при искровом разряде между контактами реле К в низкочастотном диапазоне генератора в2.
Измерения по схеме рис. 2, а позволили получить тарировочные зависимости индикатора ИУ по минимальной регистрируемой мощности Рт от частоты/и расстояния между излучающей и приемной антеннами Я в непроводящей среде (рис. 3, б).
Величину мощности сигнала вычисляли по формуле
Р = 12Я„ * 10012 С!, (1)
где I - ток излучателя, фиксируемый амперметром РА, А; Яи - сопротивление излучателя, Ом; Ь - высота излучающей антенны А, м; с - скорость света, м/с,/- частота, Гц.
Результатом обработки измерений по схеме рис. 2, б являются спектральные характеристики фонового сигнала (Е0 - амплитуда сигнала при / = 0,1 МГц), приведенные на рис. 4. Анализ графиков в диапазоне частот /и = 50-100 Гц, охватывающем области, характерные для источников
Рис. 2. Схемы электронного (а) и искрового (б) имитаторов электромагнитного излучения электромагнитных помех при ведении от-б
0,1
1,0
10,0 £Гц
0,5
1,0
1,5 Я, м
Рис. 3. Зависимость цены деления индикатора по мощности пР и напряжению ну от регистрируемой частоты / (а) и минимальной фиксируемой мощности Рт от частоты / и расстояния Я (б)
крытых горных работ (ЛЭП, трансформаторы, электродвигатели) показал, что спектр фонового сигнала аналогичен спектру полезного сигнала, описываемого уравнением, полученным в [6]:
ФА/
Е( /) =
я4/
(2)
где Ф - функция физических свойств массива, включающая его электрофизические параметры, статические и кинематические характеристики макротрещин; А/ - полоса пропускания приемного устройства.
Таким образом, отстроиться от фонового излучения аппаратурным методом не представляется возможным. При проведении натурных исследований необходимо временное отключение электропотребителей.
Заключительный этап лабораторных испытаний заключался в регистрации параметров ЕЭИ при нагружении образцов горных пород до разрушающих напряжений стсж по известным методикам. Были испытаны образцы песчаников и аргиллитов, при этом штыревая антенна устройства регистрации размещалась на расстоянии 0,5 м от образца, который изолировался от плит пресса специальными прокладками. Графики зависимостей контролируемых парамет-
Ы(а) Й(а) -
ров и приведены на рис. 5.
Полученные экспериментальные зависимости качественно согласуются с уравнением, определяющим частоту N образования микроповреждений в соответствии со статистической теории прочности: >сг(/) "
N(О = N т (Т)ехр
кТ
(3)
где N - критическая концентрация мик-
Рис. 4. Спектры относительной напряженности электрической составляющей Е/Е0 сигнала при различной частоте размыкания контактов искрового имитатора/и
ротрещин; т- время активации микротрещин; Т- температура; у- структурный параметр горной породы; к - постоянная Больцмана.
Результаты проведенных экспериментов показали, что технические параметры регистратора ЕЭИ соответствуют требованиям полевых исследований.
Прогноз устойчивости уступов бортов карьеров по параметрам ЕЭИ может базироваться на локации по повышенному уровню 11 участков формирования скры-
1. Курленя М.В. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород / М.В. Курленя, А.Г. Вострецов, Г.И. Кулаков, Г.Е. Яковицкая. - Новосибирск, 2000. - 232 с.
2. Егоров П.В. Исследование разрушения твердых тел методом регистрации импульсного электромагнитного излучения / П.В. Егоров, Л.А. Колпакова, А.А. Мальшин, В.М. Колмагоров, В.А. Колмагоров.- Кемерово: Кузбассвузиздат,
2001.-204 с.
3. Курленя М.В. Стадийность процесса разрушения на основе исследования электромагнитного излучения / М.В. Курленя, Г.Е. Яковицкая, Г.И. Кулаков // ФТПРПИ - 1991. №1. - с. 35-38.
Рис. 5. Графики зависимостей числа импульсов N и частоты следования N от относительного напряжения сжатия <У / <Усж при нагружении образца песчаника на частоте/ = 3,0 МГц
тых поверхностей скольжения уступа и определении глубины залегания этой поверхности по интенсивности затухания амплитуды сигнала V на различных частотах.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Кулаков Г.И. Модернизация аппаратуры для регистрации электромагнитного излучения в натурных условиях / Г. И. Кулаков, Г. Е. Яковицкая, В .А. Марков // ФТПРПИ - 1994. №2. - С. 33-36.
5. Новая шахтная геофизическая аппаратура для оценки и контроля строения, свойств и состояния массива горных пород / Ю.С. Исаев, А.П. Скакун, В.А. Яковлев, Г.А. Мильман // Горная геофизика - 1998. СПб, 1998. - С. 505 - 509.
6. Простов С.М. Электромагнитный бесконтактный геоконтроль / С.М. Простов, В.В. Дыр-дин, В.А. Хямяляйнен.- Кемерово: ГУ КузГТУ
2002.-132 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Простов С.М. - доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики ГУ КузГТУ,
Пыхтин А.С. - аспирант ГУ КузГТУ,