CC BY
78
УДК 622.83:620.1
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ИК-РАДИОМЕТРИИ
A.A. Беспалько, J1.B. Яворович, С.В. Моисеев*
Томский политехнический университет *Таштагольский филиал ОАО «Евразруда» E-mail: besko48@tpu.ru
Приведены результаты использования метода ИК-радиометрии для качественной оценки напряженно-деформированного состояния на различных участках массива горных пород Таштагольского рудника.
Ключевые слова:
Напряженно-деформированное состояние, массив горных пород, ИК-радиометрия, температура поверхности, забой.
Контроль изменения напряженно-
деформированного состояния (НДС) массивов горных пород на месторождениях полезных ископаемых склонных к горным ударам очень важен. Это обусловлено необходимостью обеспечения безопасности людей, окружающей среды, промышленных объектов и горных работ. Особенно актуальным является контроль НДС забоев проходок в массивах горных пород рудников и шахт. Развитие изменений НДС породного массива является следствием естественных процессов в земных недрах и техногенных воздействий. Особую важность приобретает знание характера и уровня влияния каждого из основных элементов и процессов технологии на состояние массива горных пород и его реакцию на это воздействие [1-5]. В рудниках с прочными породами при подземной отработке твердых полезных ископаемых используются технологические взрывы, вызывающие ускоренное перераспределение поля механических напряжений в горном массиве. В результате ускоренного изменения напряжений в массиве горных пород в шахтном поле могут возникать удароопасные ситуации.
Для мониторинга и контроля изменения НДС в настоящее время предложены и внедряются методики, основанные на использовании различных физических полей, появляющихся при изменении НДС массива горных пород в шахтном поле. Одним из результативных направлений является разработка методик, использующих активное или пассивное изменение электромагнитного поля в различных диапазонах частот. Переход различных видов энергии в энергию электромагнитного поля зависит от свойств взаимодействующих систем, поэтому в Томском политехническом университете ведутся лабораторные и натурные исследования
Беспалько Анатолий Алексеевич, канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail: besko48@tpu.ru Область научных интересов: геодинамика, электрические и магнитные свойства горных пород, механоэлектрические преобразования в гетерогенных материалах и горных породах, методы и приборы контроля природной среды. Яворович Людмила Васильевна, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail: Lusi@tpu.ru Область научных интересов: физика конденсированного состояния, методы и приборы контроля изменений напряженно-деформированного состояния горных пород и прогноз удароопасности. Моисеев Сергей Витольдович, ведущий инженер-
геофизик Таштагольского
филиала ОАО «ЕвразРуда», г. Таштагол.
E-mail: shtirts@gmail.com Область научных интересов: методы и приборы контроля изменений напряженно-
деформированного состояния горных пород и прогноз удароопасности.
электромагнитных сигналов (ЭМС) диэлектрических структур и горных пород, возникающих вследствие механических и температурных воздействий на них. Эти исследования были начаты в Томском политехническом институте еще в начале 70-х гг. под руководством А.А. Воробьева. Затем в работах В.Н. Сальникова и А.А. Воробьева впервые было показано [6] возникновение ЭМС при нагревании образцов горных пород и минералов. Однако при изменении напряженно-деформированного состояния горных пород наблюдается и изменение электромагнитного поля в инфракрасном (ИК) диапазоне. В работе [7] метод ИК-радиометрии применен для совершенствования способов выявления и диагностики вариаций напряженного состояния геоматериалов, основанных на использовании термодинамического эффекта изменения температуры тела при его деформировании. В работе [8] показано, что при механическом сжатии или растяжении, а также при разрушении в твердых телах возникают температурные градиенты, обусловленные процессами преобразования механической энергии в тепловую. Выделение тепла может происходить либо вследствие механического гистерезиса, либо за счет пластической деформации при возникновении и распространении трещин и разрушении. С ростом нагрузки происходит концентрация напряжений на микродефектах материала, что приводит, вначале, к появлению микротрещин, которые при достижении критического уровня нагрузки, объединяются в магистральные трещины, вызывающие разрушение материала [8].
В наших исследованиях необходимо было произвести измерение температуры на различных участках породного массива Таштагольской шахты и оценить возможность применения ИК-радиометрии для контроля НДС горных породах. Для решения поставленных задач были проведены измерения температурного поля поверхностей массива горных пород в выработках четырёх горизонтов Таштагольской шахты (таблица).
Таблица. Результаты измерения температуры методом ИК-радиометрии на разных горизонтах шахты Таштагольского рудника.__________________________________________________________
Места проведения замеров Содержание и состояние замеряемых поверхностей, ограничивающих подземную полость, выработку (количество замеров) Температура, С°
Гори- зонт Глубина от поверхности, м Выра- ботка Поверхность ^мин ^шах
±0 620 Штрек №3 Северный борт Анкерное крепление, нарушен борт в 1,5 м над почвой (5) 12,6 13,6
±0 457 Руддвор Южный борт Анкерное крепление и торкрет бетон (3) 13,8 14
-210 680 Орт 04 Северный борт Руда богатая, борт частично закреплён (6) 14,7 16,8
-210 680 Орт 04 Южный борт Руда богатая, борт частично закреплён (2) 12,5 14
-210 680 Орт 04 Забой Руда богатая, забой отпален за 15 часов до замера (4) 15,3 17,3
-210 680 Орт 02 Забой Руда богатая, забой отпален за 48 часов до замера (3) 16,2 16,5
-210 680 Орт 03 Забой Руда богатая, работы в выработке не ведутся (3) 13,9 14,5
-210 680 Орт 03 Южный борт Руда богатая, работы в выработке не ведутся (2) 13,5 13,9
-210 680 Орт 03 Северный борт Руда богатая, работы в выработке не ведутся (3) 13,6 15,7
-280 780 Орт 7 Сопряже-ние с кроссингом Бетонное крепление разрушено, обводнено (3) 19,5 20,0
-280 780 Орт 7 Сопряже-ние с кроссингом Бетонное крепление сухое, ненарушенная часть (4) 18,5 19,6
-280 780 Орт 7 ВДПУ 5 Борт бетонного крепления под ВДПУ (2) 18,0 19,8
-280 780 Орт 7 ВДПУ 5 Кровля бетонного крепления над ВДПУ (1) 21,8 21,8
Продолжение таблицы
-280 780 Орт 7 ВДПУ 5 Бетонное крепление; ВДПУ после её работы 40 мин (2) 19,8 20,8
-350 830 Орт 11 Забой Пять разгрузочных скважин, пробуренных за семь суток до замера (9) 17,0 20,5
-350 830 Орт 11 Южный борт Метасоматит, закреплены кровля, борт на 1,5 м (2) 18,3 19,5
-350 830 Орт 8 Забой Руда, забой отпален за 8 часов до замеров, треск, заколы после орошения (4) 21,8 23,5
Замеры температуры поверхности проводили с использованием тепловизора IRISYS Ш1 4010. Принцип действия камеры заключается в том, что ИК (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему передается на приемник, представляющий собой не-охлаждаемую матрицу фотодетекторов. Далее полученный видеосигнал посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране дисплея тепловизора. Камера, обладающая матрицей 160*120 элементов с температурной чувствительностью 0,15 °С и спектральным диапазоном от 8 до 14 мкм, обеспечивает измерение температуры от -10 °С до +250 °С. С помощью этой камеры фиксировали также дискретные отсчёты на отдельных участках одной и той же поверхности (борта, кровли, своды ограждающего крепления). В таблице приведены данные замеров минимальных 1мин и максимальных 1тах значений температур. Количество измерений указано в скобках. Всего произведено 57 замеров на горизонтах ±0, -210, -280 и -350 Таштагольского рудника. Измерение температуры в основном проводилось на поверхности выработок, сложенных горными породами. На горизонте -280 в орте 7 измерялись температуры поверхности бетонных бортов и свода ограждающего крепления в разной степени сохранности (частично нарушенное, обводнённое) из района рабочей вибрационной установки ВДПУ.
Анализируя данные, представленные в таблице, можно оценить изменение температуры поверхности подземных выработок и бетонных сооружений в них. Температура поверхности забоев выработок (орт 11 горизонта -350), которые находятся в активной проходке, несколько выше, чем температура поверхности бортов выработок (орты 02 и 04 горизонта -210). Поверхности забоев, которые отстаиваются, определенное количество времени после отпалки (разрушения взрывом) имеют меньшую температуру. Это орты 02, 03, 04 горизонта -210, орты 8, 11 горизонта -350. Поверхности бетонного крепления в районе работающей ВДПУ более нагреты, чем разрушенные участки бетона в нерабочей части выработки. Последние, в свою очередь, несмотря на обводнённость, более нагреты, чем рядом расположенные не обводненные участки бетона.
На рис. 1 приведены термоизображения забоев ортов 11 (рис.1, а) и 8 (рис.1, б) горизонта -350, полученные с помощью тепловизора IRISYS 1Ы 4010.
а) б)
Рис. 1. Термоизображение поверхности забоя орта 11 горизонта -350 (а) после отстоя в течение 7 суток, а также поверхности забоя орта 8 горизонта -350 (б) через 8 часов после отпала и через час после орошения водой
На термограмме в забое 11 виден раздел блоков горного массива от 15,7 °С до 17,5 °С и с четко выделенными 5 круглыми пятнами с температурой около 18,8 °С. Пятна с повышенной температурой на плане забоя соответствуют расположению 5 скважин диаметром 106 мм и глубиной до 10 м, пробуренных за 7 суток до проводимых измерений. Скважины предназначены для разгрузки НДС горного массива в забое. Кроме того, в породном массиве в 8.. .10 метрах по ходу проходки орта 11 простирается горизонтальный разлом, который, вероятно, при проходящих в нем деформационных процессах и оказывает такое влияние на температурное поле в скважинах и в забое 11 орта в целом. На рис. 1, б приведено термоизображение забоя орта 8 на горизонте -350. Здесь ИК-радиометрический снимок сделан через 8 часов после от-палки забоя и частичной его очистки. Перед проведением очистных работ забой был орошен водой, в результате чего прошло выравнивание температур поверхности породного массива, которое сопровождалось звуковыми эффектами в виде треска и падения «заломов».
На рис. 2, а для наглядности в контрастном режиме, показаны температуры в разных точках забоя орта 11, которые отличаются на 3,4 °С, а на рис. 2, б изображены профили температур в этом же забое по произвольно выбранным горизонтальным и вертикальным направлениям. Четко видно, что места разгрузочных скважин характеризуются значительным повышением температуры.
11 1100000611к-1.ігі - Тепловизор ІИБУБ серия 4000
■1^1
Файл Редактировать Просмотр Опции Помощь ¿Нй ЕІЧЖТ # а Iі_____________
Вил | Точки | Настройки | Свойства і Запись | Диап. Темпер. |12.0‘С до |20.6 'С Авто диап темпер
Палитра |Вьісконтрасі
Интерполяция |х4 (640x480)
Масштаб |х!
Л- С •' * чо;
• 1 " 'иУ ' ’ о 4: ': 0
Точка 1 Точка 2 Точка 3
Точка 5 Точка 6 Точка 7 Точка 8 Точка 9 Точка 10
Измерительные точки
ТемпераПозиция
18.8 °С (140,79) 17.4 °С (146,62)
16.7 °С (144,55)
17.7 °С (50,69)
16.3 "С (12,91)
15.6 °С (91,7)
15.4 °С (97,46)
15.6 °С (48,29)
16.9 °С (9,47) 17.3 °С (149,114)
Разность темпі .4 °Ср (Т1-Т2)
Информация об изображении Горяч 18.8 °С (140,79)
ХОЛОДИ 15.4 °С (90,6)
Разность темпЗ.4 °Ср (Г-Х) Среди 16.6 °С
Цоч^О
ЯВНР ,л1
[¿Точка 4| : ; '
I
¡Разница 2.0 °С Г
а)
1-^ I и и ж Г
Ц ТІ000006 11к.ігі - Тепловизор ІИБУБ серия 4000
Файл Редаїстировать Просмотр Опции Помощь
Вид | Точки | Настройки | Свойства | Запись | Диап Темпер. |12.0*С до |206 °С
Авто диап темпер |
Палитра Выс контраст
Интерполяция *4(640*430)
Масштаб *1 -1І
$
. Л ■ Ї А« ' " " 0 Л1.Л в ‘ ■ й- .
ВН) ! г Б і
' I а
-л 1#
ічим
б)
Рис. 2. Контрастная визуализация температурного поля на поверхности забоя орта 11 горизонта -350 после отстоя в течение 7 суток: а) с точечным измерением температур; б) профили температур по горизонтали и вертикали
На рис. 3, а также для наглядности в контрастном режиме, показаны температуры в разных точках забоя орта 8, которые отличаются на величину всего в 1,4 °С, а на рис. 3, б изображены профили температур в этом же забое по произвольно выбранным горизонтальным и вертикальным направлениям. При этом температурное поле в верхней части забоя более равномерно, чем в его нижней части. Это, вероятно, обусловлено выполнением очистных работ непосредственно перед проведением ИК-радиометрии и неравномерным распределением НДС в основании забоя.
Ц П000007ЛУ* - Тепловизор 1Ш5У5 серия 4000 Файл Редактировать Просмотр Опции Помощь
I—
Вид | Точки) Настройки) Свойства] Запись) Диап. Темпер. |п 5*С до |20.1 'С
Авто диаптемпер | Палитра |Выс контраст
Интерполяция |х4 (640x480)
Масштаб
-Панельуправления областью------
И
Измерительные точки
10 ТемпераПозиция
Точка 1 16.5 °С (85,93}
Точка 2 16.3 “С (81,104)
Точка 3 16.2 "С (40,95}
Точка 4 16.3 °С (36,62}
Точка 5 15.8 °С (138,76)
Точка 6 15.7 "С (121,54)
Точка 7 15.6 "С (140,45)
Точка 8 15.2 "С (146,33)
Точка 9 15.1 “С (143,30)
Точка 10 15.1 “С (144,20)
Разность темпО.2 “Ср (Т1-Т2)
Информация об изображении
Горяч 16.9 °С (35,118)
Холодн 14.6 °С (142,6}
Разность темп2.3 "Ср (Г-Х>
Среди 16.0 °С
НР
■#
I
а)
11 ТЮ00007ЛИ* - Тепловизор ІИБУБ серия 4000
Файл Редактировать Просмотр Опции Помощь
сй= н і а а: ъл і*± ;ТІ
Вид | точки ) Настройки | Свойства | Запись | Диап. Темпер. |11.5*С до |20.1 *С
Авто диаптемпер |
Палитра |Выс контраст
Интерполяция |х4 (640x480)
Масштаб |х1
Панель управления областью
■ * ’
■ л ' ;кяР
Ь ' &ІР
£. -
АЛ/”Ч.
I
б)
Рис. 3. Контрастная визуализация температурного поля на поверхности забоя орта 8 горизонта -350 через 8 часов после отпала и через час после орошения водой: а) с точечным измерением температур; б) профили температур по горизонтали и вертикали
Проведенные исследования показали, что в Таштагольском руднике температура поверхности горных пород увеличивается с понижением горизонта. На термограммах забоев и других частей проходок наблюдается градиент температур, при этом в скважинах, непосредственно примыкающих к «живущему» разлому, превышение температуры над минимальной достигает 3,4 °С. Повышение температуры и ее понижение, как показано в работах [7, 8], сопровождает изменения НДС объекта. Таким образом, нами показана возможность контроля напряженно-деформированного состояния горных пород забоев проходок и породного массива с помощью метода ИК-радиометрии.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП по ГК № 16.515.11.5085
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Егоров П.В., Шевелев Ю.А., Матвеев И.Ф., Скляр Н.И., Квочин В.А. Управление состоянием массива горных пород на рудниках Горной Шории. - Кемерово: КузГТУ, АГН, 1999. -257 с.
2. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам. - Новокузнецк: ВостНИГРИ, ВНИМИ, 1991. - 93 с.
3. Еременко А.А., Гайдин А.П., Ваганова В.А., Еременко В.А. О критерии удароопасности массива горных пород // ФТПРПИ. - 1999. - № 6. - С. 12-18.
4. Кузнецов Б.М., Трофимов В.А. Аномальные поля напряжений в окрестности тектонических напряжений // ФТПРПИ. - 2002. - № 6. - С. 3-11.
5. Опарин В.Н., Юшкин В.Ф., Акинин А.А., Балмашнова Е.Г. О новой шкале структурноиерархических представлений как паспортной характеристике объектов геосреды // ФТПРПИ. - 1998. - № 5. - С. 16-33.
6. Воробьев А.А., Заводовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение электропроводности и радиоизлучение горных пород и минералов при физико-химических превращениях в них // Доклады АН СССР. - 1975. - Т. 220. - № 1. - С. 82-85.
7. Шейнин В.И., Мотовилов Э.А., Морозов А.А., Фаворов А.В. Идентификация напряжений в горных породах по изменению плотности потока инфракрасного излучения //ФТПРПИ. -1999. - № 6. - С. 48-53.
8. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: ИД Спектр, 2009. -544 с.
Поступила 02.04.2012 г.
