CC BY
45Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
ИМИТАЦИОННО-ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ В ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ НАУКИ, ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИКИ
УДК 538.9:622.02:531
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 11-07-00666-а, ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 гг.», государственный контракт № 16.515.11.5085.
Беспалько А.А., Яворович Л.В.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД МОНИТОРИНГА РАЗВИТИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЯХ НА ПРИМЕРЕ ТАШТАГОЛЬСКОГО РУДНИКА
Предложен метод монитогинга развития геодинамических процессов в подземных сооружениях, основанный на регистрации изменения параметров электромагнитной эмиссии на контактах горных пород
Ключевые слова: горная порода, электромагнитная эмиссия, взрыв, регистрация, период релаксации.
Bespal'ko A.A., Yavorovich L.V.
Electromagnetic method of monitoring the development of geodynamic processes in underground constructions in terms of the Tashtagol mine
Proposed the method of monitoring the development of geodynamic processes in underground structures, based on registration of changes ofparameters of electromagnetic emission on the contacts rocks
Keywords: rock, electromagnetic emissions, explosion, registration, a period of relaxation.
49
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
В настоящее время, наряду с измерениями микросейсмов, наиболее перспективным для контроля изменений напряженнодеформированного состояния (НДС) горного массива и краткосрочного прогноза геодинамических событий в шахтном поле подземных сооружений, рудников и шахт является метод, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах и других гетерогенных материалах. Сотрудники Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Томского политехнического университета (ПНИЛ ЭДиП ТПУ) на протяжении ряда лет ведут работы по созданию аппаратно-программных комплексов для надежной регистрации электромагнитных сигналов (ЭМС), возникающих в горных породах при изменении НДС, а также по выявлению прогностических признаков образования деструктивных зон и развития геодинамических явлений в горном массиве по параметрам ЭМС и характеристикам электромагнитной эмиссии [1]. Такие исследования проводятся в шахтном поле Таштагольского рудника на глубинах до 800 м. Это позволяет исключить влияние атмосферного электричества на измеряемые параметры ЭМС.
Выбор Таштагольского рудника в качестве полигона для таких исследований обусловлен взрывной технологией отработки рудного тела с закладкой взрывчатых веществ до 300 тонн. Возбуждение горного массива рудника взрывами, проведение очистных работ, прокладка горных выработок сопровождается геодинамическими событиями разного класса до энергий в несколько мегаджоулей.
До взрывов, во время их проведения и в период релаксации горного массива в относительно устойчивое состояние измерения велись автономными аналого-цифровыми приборами РЭМС-1 [2], обеспечивающими запись во встроенную память выбранных параметров электромагнитных и акустических сигналов (АС). Регистратор разработан в ПНИЛ ЭДиП ТПУ и изготовлен совместно с Институтом оптического мониторинга СО РАН.
Запись амплитуд электромагнитных сигналов по электрической или магнитной составляющим осуществлялась с усреднением за 1 или 5 секунд. Усредненные амплитуды ЭМС являются одной из характеристик электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) горных пород.
Вариации амплитуды ЭМЭ во времени пропорциональны напряженности электрического поля, изменяющейся в процессе механоэлектрических преобразований в породном массиве. Электромагнитные сигналы регистрировались по пяти каналам: в широкой
50
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
полосе частот от 1 до 100 кГц; в выделенных полосах с добротностью в пределах 4^7 с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц.
В полосе частот 1^-30 кГц фиксировалась интенсивность ЭМС. Интенсивность ЭМС пропорциональна среднему значению потока напряженности электромагнитного поля в единицу времени. По шестому каналу регистрировали усредненные значения амплитуд АС или амплитуды акустической эмиссии (АЭ) горных пород, которые отображают факт возникновения и прохождения геодинамического события и пропорциональны его энергии. Время бесперебойной работы в шахтных условиях рудника на встроенных аккумуляторах составляет 36 часов, а с дополнительным внешним аккумулятором емкостью 9 Ач время работы возрастает до 170 часов.
На рисунке 1 приведена блок-схема регистратора РЭМС-1.
Рис.1 - Блок-схема регистратора РЭМС-1.
В блоке сбора информации (БИС): Х1и Х2 - разъемы для подключения емкостных приемников ДЕП1 и ДҒ.П2. Х3 и Х4 - разъемы для подключения индукционных приемников ДИП1 и ДИП2, Х5 -разъем для подключения пьезоэлектрического приемника акустических сигналов АП, Х6 - разъем для осуществления подключения удаленного запуска регистратора, Х7 - разъем для поочередного подключения дополнительного источника питания БДА, зарядного устройства встроенных в регистратор аккумуляторов, персонального компьютера ПК.
Аналоговые усилители БИС имеют дифференциальный вход. Для анализа связи параметров ЭМС и характеристик ЭМЭ с изменениями НДС и геодинамической обстановкой использовали, наряду с измерениями амплитуды АЭ, сейсмические данные Таштаголь-ской сейсмостанции, а также характеристики сдвижения горного
51
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
массива в шахтном поле рудника, измеряемого сотрудниками ВостНИГРИ (г. Новокузнецк).
Для выявления участков массивов шахтного поля с наибольшей электромагнитной эмиссионной способностью проведены наблюдения изменений интенсивности ЭМЭ. Использовался метод профилирования в орте 2 горизонта (-210) м.
Поскольку, отметка поверхности (+450) м, горизонт, на котором проводились наблюдения, находится на глубине 660 м. В интервале частот 1 ^ 100 кГц измерялась интенсивность импульсного потока ЭМЭ. Данные измерений электромагнитной эмиссии с усреднением 1 секунда записывались в память регистратора с последующим считыванием этих данных на персональный компьютер для дальнейшей обработки. Время измерения ЭМЭ при прохождении каждого пикета составляла 5 минут. Расстояние между пикетами в орте составляло 1,5 м. Измерения проводили от участка залегания магнетитовой руды, имеющей контакт с дайкой (трещиной), заполненной диоритами. С другой стороны дайки целик сложен скарнами.
На рисунке 2а приведены изменения среднего значения интенсивности потока ЭМЭ по магнитной составляющей электромагнитного поля при разносе датчиков на 3 м. В эксперименте использовали пассивный метод регистрации, заключающийся в отсутствии внешнего ударного воздействия на участке измерений и вблизи него.
Направление профилирования от пикета Б1, который находится в массиве сложенном рудой, до пикета Б11, расположенного в скарновом целике. Разметка профиля на пикеты была проведена таким образом, что контакт руды с дайкой оказался в районе пикета Б6, а контакт дайки со скарнами - в районе пикета Б8. С учетом этой разметки на рисунке 2а отображены изменения интенсивности потока ЭМЭ при пересечении места выхода дайки в орт, причем при измерении в самой дайке наблюдали увеличение разброса значений. Большим разбросом значений интенсивности ЭМЭ выделился также район пикетов Б8-Б10.
Изучение геологической карты района работ показало, что в этом месте орт пересекает тектоническое нарушение в виде трещины, что и способствовало увеличению интенсивности потока ЭМЭ по магнитной составляющей.
52
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
Рис. 2 - Изменение среднего значения ЭМЭ, регистрируемых с использованием датчиков ДЕП (а) и ДИП (б), разнесенных на 3 м, при профилировании орта 2, горизонта (-210) м.
Измерение интенсивности ЭМЭ по электрической составляющей электромагнитного поля при профилировании орта 2 горизонта (-210) м приведено на рисунке 2б. При прохождении пикетов, расположенных в руде, значения интенсивности ЭМЭ низкие и составляли в среднем за 5 минут 30 импульсов в секунду. Это объясняется достаточно высокой проводимостью магнетитовой руды. При подходе к дайке в районе пикета Б6 интенсивность потока ЭМЭ резко возросла и достигала значения до 2500 импульсов в секунду. При дальнейшем продвижении по профилю высокое значение интенсивности сохранялось до пикетов Б7-Б9, а затем наблюдали резкий спад интенсивности до средних значений 500 импульсов в секунду.
Значительный разброс интенсивности ЭМЭ по электрической составляющей выявлен также в районе пикетов Б6-Б8, что свидетельствует о нестабильной электромагнитной эмиссии массива в месте проводимых измерений, которое определяется пересекающей массив дайкой. Результаты измерений интенсивности импульсного потока электромагнитных сигналов ЭМЭ по пикетам позволили сделать вывод о преимущественной электромагнитной эмиссионной способности контактов горных пород в шахтном поле. Это позволит использовать разрабатываемый метод регистрации электромагнитной активности в режиме профилирования для определения скрытых структурных нарушений в горных выработках.
53
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
С другой стороны, повышенная эмиссионная способность протяженных контактов горных пород, вероятно, обусловлена также и направленным распространением ЭМС вдоль этих сопряжений, примыкающих к зонам тектонических нарушений. В свою очередь нарушения являются концентраторами напряжений и провоцируют геодинамические явления.
Таким образом, по изменениям параметров ЭМЭ на контактах горных пород появляется возможность оценивать НДС и динамику массива во времени. С этой целью целесообразно вести мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния массивов на дайках и контактах пород, имеющих выход на разломы, зоны смещения и смятия, а также в места проведения технологических взрывов. Поскольку Таштагольское железорудное месторождение относится к категории удароопасных, то при проведении массовых технологических взрывов наблюдаются геодинамические события различного энергетического класса до 109 Дж, в том числе горные удары.
Большое количество геодинамических явлений после таких воздействий позволяет набирать статистические данные для разрабатываемого в ПНИЛ ЭДиП ТПУ метода мониторинга и краткосрочного прогноза геодинамических событий. Аналого-цифровой регистратор РЭМС-1 обеспечивает проведение змерений ЭМЭ и АЭ до взрыва, во время его проведения и в период релаксации горного массива после взрыва.
В качестве примера на рисунке 3 приведен график изменения интенсивности ЭМЭ за период 22 часов после массового технологического взрыва блока №11 между горизонтами (-210) м и (-280) м, который был проведен 12 октября 2003 года. Было взорвано 285 тонн ВВ.
По наблюдениям сейсмостанции г. Таштагол энергия взрыва соответствовала величине 3.51 • 108 Дж. Два регистратора РЕМС-1 были установлены в орту 8 горизонта -280 м. В этом месте массив горных пород сложен магнетитовой рудой. Запись электрической составляющей электромагнитного поля осуществляли одним регистратором с использованием двух емкостных датчиков, подключенных по дифференциальной схеме.
54
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
Рис. 3 - Усредненные значения интенсивности ЭМЭ при проведении технологического взрыва 12 октября 2003 года в блоке №11 между горизонтами (-210)м и (-280)м за временной интервал 22 часа после технологического взрыва.
Магнитную составляющую электромагнитного поля регистрировали вторым прибором посредством двух индукционных датчиков, также присоединенных по дифференциальной схеме. Расстояние между парой датчиков составляло 5 м. Все датчики были установлены около южного борта выработки в направлении к взрываемому блоку. Два датчика ДЕП и ДИП находились в 1 м от дайкооб-разного тела. Через 50 секунд после технологического взрыва (ТВ) произошел горный удар (ГУ) с энергией 1.1 • 108 Дж. Эпицентр горного удара находился в 50 м на Ю-З от места взрыва на глубине (240) м. На рисунке 3б отмечен ГУ и релаксационный период после его прохождения в течение 4 минут.
После этого наблюдается значительное увеличение интенсивности ЭМЭ, которое свидетельствует о том, что массив перешел в возбужденное состояние, спровоцированное ТВ и ГУ, которое продолжалось около 17 часов, с возвратом на новый уровень состояния, превышающий в два раза начальный. Такое возбуждение характерно для сдвижения больших масс породы по активным разломам горного массива. Измерения ЭМЭ комплексировалось с данными измерений АЭ с помощью РЭМС-1 и с сейсмическими данными, полученными с Таштагольской сейсмостанции. В результате было выявлено 3 основных временных процесса: взрывное 15 секундное возбуждение горного массива и горный удар через 50 секунд после взрыва; 4 минутная релаксации горного массива после
55
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
горного удара; 17 часовое возбуждение массива с возвратом в относительно устойчивое состояние.
На рисунке 3 а приведен развернутый вид интенсивности ЭМЭ, полученной в течение 12 минут двумя регистраторами РЭМС-1 с использованием емкостных датчиков ДЕП и индукционных ДИП. Ход зависимостей интенсивности ЭМЭ от времени по электрической и магнитной составляющим различен и обусловлен структурой горных пород составляющих массив.
На рисунке. 4 приведены изменения интенсивности ЭМЭ и АЭ от времени при технологическом взрыве, аналогичного по массе ВВ (297 тонн) взрыву 12 октября 2003 года, в шестом блоке между горизонтами (-140) и (-210) шахты Таштагольского рудника. Регистратор располагали возле северного борта орта 7 горизонта (-210)м.
m
3
о_
Время, час
Рис. 4 - Электромагнитная и акустическая эмиссии массива горных пород Таштагольского рудника до технологического взрыва, во время и после него в блоке №6 между горизонтами - 140 и - 210 м .
Горный массив здесь сложен сланцами и скарнами. В качестве приемников электромагнитных сигналов использовались индукционные датчики, установленные в скважины, пробуренные в борту выработки на высоте 2 м от ее основания. Расстояние между приемными датчиками составляло 5 м. Приемником акустических сигналов служил широкополосный пьезопреобразователь специальной конструкции, который вбивался в борт выработки рядом с индукци-
56
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
онными датчиками. В этом случае, после технологического взрыва горного удара не последовало.
Ход изменений ЭМЭ и АЭ, представленные на рисунке 4, показывает, что на этапе релаксации горного массива после мощного взрывного воздействия происходит большое количество геодинамических событий в виде толчков разного энергетического класса, которое сопровождается увеличением электромагнитной активности.
Следует отметить, что при развертывании полученных данных для более детального просмотра, прослеживается структура ЭМЭ, необходимая и полезная для разработки метода мониторинга и прогноза разрушительных геодинамических событий в шахтных условиях. На рисунке 5 приведен фрагмент записи ЭМЭ до технологического взрыва, во время его проведения и в период переменной разгрузки массива.
Время, час
Рис. 5 - Изменение интенсивности электромагнитной эмиссии до массового технологического взрыва, проведенного 5 июня 2011 года, между горизонтами (-140) - (-210) в блоке 4-5, во время его проведения и в период релаксации горного массива. Стрелкой отмечено одно из геодинамических событий, прошедшее в виде толчка.
Массовый технологический взрыв массой 200 тонн ВВ проводился 5 июня 2011 года. Регистраторы были установлены в орте 2
57
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
горизонта (-210)м в 57 м на юг от взрываемого блока 4-5. Индукционные датчики устанавливали на контактах дайки, которая описана выше при прохождении профилирования по пикетам. Дайка простирается в направлении взрываемого блока. На рисунке 5 видно, что до взрыва интенсивность ЭМЭ находится на уровне 450 отсчетов. После взрыва, произведенного в 12 часов по кемеровскому времени, начинается процесс релаксации возбужденного состояния горного массива, при этом интенсивность ЭМЭ начала снижаться. Причем релаксация или разгрузка массива протекала поэтапно с увеличением и уменьшением НДС массива, что обусловлено геодинамическими проявлениями.
После разгрузки релаксационные процессы в горном массиве продолжились в виде увеличении НДС массива и возвратом этого состояния в исходное после прохождения толчков различного класса. Такие спады в результате толчков наблюдали и в первые 2.5 часа после взрыва. Геодинамические события отмечались при регистрации АЭ и по данным Таштагольской сейсмостанции.
Особенно наглядным примером мониторинга изменения НДС по характеристикам ЭМЭ является толчок, произошедший в горном массиве в 22 часа 22.42 минуты в 151 м от места расположения регистратора. Здесь наблюдается начало возрастания интенсивности ЭМЭ за 1 час до толчка и до значений ЭМЭ, предшествующих взрыву, с последующим резким спадом после разгрузки массива в виде толчка четвертого класса по шкале Рихтера. Это указывает на то, что мониторинг подготовки и развития геодинамических событий при правильной установке регистрирующей аппаратуры типа РЭМС-1 возможно уже в настоящее время.
Таким образом, проведенные исследования показали, что мониторинг изменения НДС массивов целесообразно вести на дайках и контактах пород, имеющих выход на разломы, в зоны смещения и смятия, а также в места проведения технологических взрывов. Изменения напряженно-деформированного состояния породного массива влекут за собой и изменения характеристик электромагнитной эмиссии, возникающей вследствие механоэлектрических преобразований в горных породах. В свою очередь, нарастание или уменьшение интенсивности и амплитуды электромагнитной эмиссии горных пород в натурных условиях шахт позволяют выявлять этапы подготовки и проявления геодинамических событий, опреде-
58
Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 6 -Курск: Науком, 2013. - 96 с., ил. ISBN 978-5-4297-0010-6
лять характер перераспределения напряженно-деформированного состояния массива. Созданный в ПНИЛ ЭДиП ТПУ регистратор электромагнитной и акустической эмиссий может быть успешно использован для мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и геодинамических проявлений в шахтных условиях рудников, а также для бетонных сооружений.
Для успешного завершения разработки метода мониторинга и краткосрочного прогноза геодинамических событий необходимо вести комплексные измерения и анализ электромагнитной и акустической эмиссий горных пород, а также сейсмики. Если на 1аш-тагольском руднике имеется хорошая возможность оперативно получать сейсмические данные, то на других объектах такой возможности нет. Эти обстоятельство и обуславливают необходимость приобретения мобильной сейсмостанции.
Библиографический список
1. Беспалько А.А., Яворович Л.В., Федотов П.И. Связь параметров электромагнитных сигналов с электрическими характеристиками горных пород при акустическом и квазистатическом воздействиях // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 7. - С. 18-23.
2. Беспалько А.А., Федотов П.И., Яворович Л.В. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для контроля прочности и разрушения материалов и массивов горных пород//Известия Томского политехнического университета, - 2008. - № 2. - Т. 312. - С. 255-258.
59
