CC BY
14
© A.C. Вознесенский, В.Л. Шкуратннк, B.B. Набатов, Я.О. Куткнн, 2013
УДК [620.179.17+537.87]:622.834.5:622.838.5
А.С. Вознесенский, В.Л. Шкуратннк, В.В. Набатов, Я.О. Куткнн
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПРИКОНТУРНОГО МАССИВА ПОРОД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СОВМЕСТНЫХ СКВАЖИННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ
Предложена методика оценки глубины зоны опорного давления по совместным измерениям акустической и электромагнитной эмиссии в шпурах с целью оценки устойчивости целиков гипсового месторождения. Идентификатором начала зоны опорного давления является изменение знака коэффициента корреляции между параметрами акустической и электромагнитной эмиссии.
Ключевые слова: оценка устойчивости, целики, гипсовый рудник, акустическая эмиссия, электромагнитная эмиссия, коэффициент корреляции.
1 Постановка задачи оценки • устойчивости приконтурного массива пород по совместным измерениям параметров АЭ и ЭМИ
Контроль и прогноз устойчивости приконтурного массива горных пород вокруг выработок является важной задачей и может решаться на основе мониторинга пространственно-временной динамики напряжённо-деформированного состояния (НДС) областей массива, находящихся на различной глубине относительно его обнажения. Вблизи последнего обычно наблюдается зона, которая характеризуется как зона пониженных напряжений. Породы здесь испытывают существенные деформации (в сторону обнажения), обладают повышенной нарушенностью. Далее располагается зона опорного давления, характеризующаяся максимальными напряжениями, под влиянием которых трещины в породах смыкаются. В следующей зоне напряжения постепенно снижаются от максимальных до уровня уИ (у - средний удель-
ный вес пород; Н - глубина заложения выработки).
Приконтурная область массива от поверхности обнажения до максимума опорного давления может находиться в запредельном состоянии и обладать пониженной устойчивостью. Интенсивное трещинообразование в этой области сопровождается аномальным ростом акустической эмиссии (АЭ) и электромагнитного излучения (ЭМИ), которые могут быть зарегистрированы специализированной геофизической аппаратурой. При этом в качестве информативных параметров обычно используется либо количество акустических или электромагнитных сигналов в единицу времени, либо их амплитуда. Так, например, прибор «Ангел» [1] регистрирует максимальную амплитуду электромагнитных или акустических импульсов, за установленный в диапазоне от 3 до 255 с период наблюдения. Поскольку трещинам больших размеров соответствуют большие амплитуды и энергии сигналов АЭ и ЭМИ [2],
Рис. 1. Схема оценки состояния приконтурного массива пород по амплитудам сигналов АЭ и (или) ЭМИ
то очевидно, что по указанным параметрам возможна оценка состояния приконтурного массива. Соответствующая взаимосвязь отражена на схеме, представленной на рис. 1. В то же время имеющийся опыт решения соответствующей задачи геоконтроля свидетельствует, что регистрация только сигналов АЭ или ЭМИ в одной точке пространства не позволяет однозначно оценить состояние массива в его приконтурной области. Более надежное определение этого состояния возможно на основе измерения одинаковых информативных параметров только АЭ или только ЭМИ в двух различных по глубине точках пространства, либо в одной точке пространства, но при совместном измерении параметров АЭ и ЭМИ.
2. Определение состояния при-контурного массива пород по результатам измерения одного и того же параметра, в различных точках пространства
Отправной точкой для исследований, которым посвящена настоящая статья стало изучение активности АЭ и ЭМИ в процессе нагружения образцов гипса [3, 4]. В рамках такого изучения был выявлен эффект падения до отрицательных значений коэффициента корреляции К между параметрами активности АЭ, снятыми с двух датчиков, укреплённых на торцевых поверхностях образца. Причём максимум К наблюдался при приближении к стадии разрушения образца.
Эффект был объяснён тем, что процессы трещи-нообразования на начальной стадии нагружения относительно равномерно распределены по всему объёму образца. Поэтому количество зарегистрированных АЭ-событий в одни моменты возрастает, а в другие спадает на обоих датчиках. Это и обеспечивает высокие положительные значения коэффициента корреляции. При приближении к стадии разрушения, процессы трещинообразования начинают локализоваться в различных точках образца, поскольку условно монолитная его структура разделяется на отдельные блоки, которые в разные моменты времени в различной степени принимают на себя нагрузку пресса. Такой центр концентрации напряжений, характеризующийся активным трещинообразованием и являющийся источником АЭ, может возникнуть то в точке, которая ближе к первому датчику, то в точке, которая ближе ко второму. Поскольку в процессе распространения по образцу упругие волны затухают, то до удалённого датчика дойдёт меньше акустоэмиссионных импульсов (превышающих заданный порог регистрации), чем до ближнего. Таким образом, когда один датчик будет регистрировать увеличение активности АЭ, другой будет регистрировать её падение, что приведёт к отрицательным значениям коэффициента корреляции.
Было установлено также, что подобное поведение испытывает не только коэффициент корреляции между параметрами АЭ, взятыми с различных датчиков, но и коэффициент корреляции между активностью АЭ и ЭМИ [5] (далее - ААЭ и АЭМИ). Графики обоих коэффициентов корреляции (между двумя каналами, а также
1 л 1
И & £ 1 :: : !:
1x1 о3 2x1а3
1, с
• ■ \ V» 1 • .Л.. . 1 : ; „V . а
0 * V ' м/
О 100 ИО 300 «О 500 во о
Л кн ** .V I * ,•
* ■-1 йГ . г \ 1 \ ■ 1 х ш
О 100 200 300 100 500 600
г, с
Рис. 2. Графики коэффициента корреляции Я, рассчитанного в скользящем временном окне. Пояснения см. в тексте
между ААЭ и АЭМИ), вычисленных в скользящем временном окне, представлены на рис. 2. Рис. 2, а, б отражает корреляцию между ААЭ, зарегистрированной на 1-м и 2-м датчиках. Два графика в этом случае дано для того, чтобы показать, что результаты не абсолютно стабильны (график на рис. 2, а в запредельной области испытывает множественные скачки, хотя общая тенденция просматривается и в этом случае). Рис. 2, в - отражает корреляцию между ААЭ и АЭМИ, в том же образце, для которого получена зависимость на рис. 2, б. Пунктирной линией обведены области с отрицательными значениями коэффициента корреляции, наблюдающиеся в процессе разрушения образца.
3. Определение состояния при-контурного массива пород по резуль-
татам измерений параметров АЭ и ЭМИ в одних и тех же точках пространства
Дальнейшие исследования производились на Новомосковском гипсовом руднике в шпурах, пробуренных в целиках [6]. При этом изучалось влияние зон опорного давления на ЭМИ с использованием в качестве информативного параметра уровня пиковых амплитуд, который представляет собой среднее значение амплитуд, превысивших порог за некоторый отрезок времени. Решение о том, что этот параметр может указывать на расположение зон опорного давления было принято с учетом данных, приведённых в [7]. Решение же о том, на что указывают пики каротажных кривых ЭМИ и как они соотносятся с расположением зон опорного
давления и зон активного трещино-образования принималось на основании компьютерного моделирования, результаты которого представлены в [8]. В соответствии с этими результатами, указанные пики должны наблюдаться непосредственно за зоной опорного давления, и указывать на области активного трещинообразова-ния. Из отмеченного следует, что положение зоны опорного давления можно выявлять по динамическим характеристикам раздельно зарегистрированных в шпурах параметров АЭ и ЭМИ, а также, по их коэффициенту корреляции.
На рис. 3 представлены каротажные кривые скорости ультразвуковых волн и пиковых амплитуд АЭ и ЭМИ, а также график коэффициента корреляции между АЭ и ЭМИ, рассчитанный в скользящем окне шириной 10 элементов. Поскольку для этих графиков нужно было изобразить три зависимые переменные (К, Ааэ, Аэми) на двух У-осях, то было решено ААЭ и АЭМИ разместить на правой У-оси. Однако эти выборки различаются не только средними значениями, но и дисперсиями, поэтому нормировка значений ААЭ, АЭМИ на максимумы не позволяет сделать эти графики читабельными. Единственный возможный выход здесь это центрировать и нормировать обе выборки. В этом случае две случайные величины приводятся к одному и тому же (равному нулю) среднему и к одному и тому же (равному единице) среднему квадратиче-скому отклонению, но сохраняют свою совместную изменчивость (кова-риацию). При этом центрирование выборок подразумевает, что появляются отрицательные значения, а нормирование приводит к тому, что измеренные величины становятся безразмерными. Первое отличие результатов от описанных выше исследова-
ний на образцах заключается в том, что скользящее окно здесь не временное, а пространственное. Второе отличие - заключается в измерении не активности АЭ и ЭМИ, а уровня пиковых амплитуд (ААЭ и АЭМИ).
На рис. 3, а даны результаты для камеры, отработанной в 1961 г, б и в
- камеры, отработанной в 1970 г, г -камеры, отработанной в 2004 г. Сплошная линия - коэффициент корреляции; пунктирная линия - центрированные и нормированные значения пиковых амплитуд АЭ; штрих-пунктирная линия - центрированные и нормированные значения пиковых амплитуд ЭМИ; штрих-двойной-пунктир линия - значения скоростей ультразвуковых волн. Окружностью обведены точки перехода коэффициента корреляции через ноль.
В результате проведённых исследований было установлено, что значения коэффициента корреляции К позволяют идентифицировать стадию деформирования, в которой находится тот или иной участок породного массива. Так положительные значения К указывают на стадию допредельного деформирования, отрицательные
- запредельного. Из приведённых на рис. 3, а и 3, б графиков видно, что коэффициент корреляции отрицателен до глубины 1,2 м (рис. 3, а) либо до глубины 1,6 м (рис. 3, б). Т.е. породы в этой части целика находятся в запредельном состоянии или в состоянии близком к предельному. На больших глубинах значения К приобретают положительные значения, что говорит о том, что породы в этой части находятся в допредельном состоянии. Для случая, представленного на рис. 3, б была получена также каротажная кривая скорости распространения ультразвука (см. рис. 3, в). Её максимум находится несколько ранее точки изменения знака коэффициента
Рис. 3. Изменение коэффициента корреляции К между пиковыми амплитудными значениями АЭ и ЭМИ (а, б, г) по длине шпура, а также скорости V распространения ультразвуковых колебаний (в) в функции от длины шпура: а - камера отработана в 1961 г, б и в - камера отработана в 1970 г, г - камера отработана в 2004 г.
корреляции. Это можно объяснить тем, что переход через ноль указывает на зону активного трещинообразо-вания, которая находится несколько глубже, чем зона опорного давления (расположение этих зон рассматривалось в [8]. Из графика рис. 3, г видно,
что до глубины 1,6 коэффициент корреляции изменяется вблизи нуля и статистически не значим - т.е. на его основании нельзя делать какие-то выводы. Далее наличествуют участки отрицательных и положительных значений, которые можно трактовать
аналогично тому, как трактовались графики рис. 3, а, б (т.е. положительные значения указывают на стадию допредельного деформирования).
Если посмотреть на графики во временной перспективе, то можно заметить, что самый старый целик (1961-й год) обладает существенно нарушенной структурой - возможно в нём стоит выделить несколько опорных зон.
Целик 1970-го года обладает более целостной структурой и в нём можно выделить одну точку, в которой порода переходит из запредельного в допредельное деформированное состояние. Если эта точка будет слишком близка к центру целика, стоит предусмотреть более детальное его обследование. Целик 2004-года находится еще в стадии неустановившегося напряжённо-деформированного состояния и анализу, скорее всего, не подлежит, что задаёт ограничения для применения методики контроля, основанной на анализе корреляции параметров АЭ и ЭМИ.
Связь между коэффициентом корреляции и напряжённо-деформированным состоянием пород можно объяснить следующим образом. Причиной образования сигналов АЭ и ЭМИ являются два процесса. Во-первых, это образование новых трещин и рост старых (процессы отрыва). Во-вторых, это сдвижения берегов старых трещин (процессы трения берегов). АЭ сигналы возникают при обоих процессах (и отрыв и трение берегов). Однако ЭМИ сигналы в основном возникают только при образовании и росте трещин (только отрыв), так как источниками импульсов ЭМИ в основном являются неском-пенсированные заряды, появляющиеся на берегах трещин в момент нарушения сплошности.
В допредельной области работают оба процесса: и образование трещин отрыва и сдвижение берегов трещин. В запредельной области раскрытие и рост трещин, в конце концов, приводят к образованию блочной структуры, которая затрудняет как образование новых трещин, так и рост старых. Таким образом, доля растущих трещин (это источники и ЭМИ и АЭ сигналов), резко уменьшается, а доля трещин, в которых происходят процессы сдвижения берегов, увеличивается (это источники только АЭ сигналов). В близких к обнажению областях, находящихся в запредельном состоянии, будут преобладать процессы сдвига с трением берегов трещин. В дальних (допредельное состояние) активными будут оба процесса.
Таким образом, в области, где порода находится в допредельном состоянии (в области опорного давления, например) локальные увеличения нагрузки (по длине шпура) будут приводить к повышенным значениям как амплитуд АЭ, так и ЭМИ. Это будет обеспечивать положительные значения коэффициента корреляции, рассчитанного в пространственном скользящем окне. Однако в запредельной области локальные увеличения нагрузки будут приводить к интенсификации только процесса сдвига берегов трещин. Процесс же отрыва наоборот будет идти менее интенсивно. В этой области большее значение амплитуд АЭ сигналов будет соответствовать меньшему значению ЭМИ сигналов. Это и обеспечит отрицательные значения коэффициента корреляции.
Таким образом, при совместных измерениях параметров АЭ и ЭМИ в шпурах может быть использован еще один параметр, указывающий на рас-
положение зоны активного трещино-образования и зоны опорного давления. Положительные значения коэффициента корреляции в этом случае указывают на допредельное деформированное состояние, отрицательные - на запредельное. Переход графика коэффициента корреляции через ноль указывает на положение зоны активного трещино-образования, которая, исходя из результатов моделирования [8], на-
1. Комплекс для регистрации электромагнитного излучения АНГЕЛ: Руководство по эксплуатации. В 2 частях. С. - Петербург, 1998 г. - 17 с (ч. 1), 25 с (ч.2).
2. Куксенко B.C., Станчиц С.А., То-милин Н.Г. Оценка размеров растущих трещин и областей разгрузки по параметрам акустических сигналов. // Мех. комп. мат., 1983, №3, с.536-543.
3. Вознесенский A.C., Тамарин Ä.B., Тавостин М.Н., Набатов В.В., Коновалов Е.Н., Семенова A.A. Акустическая эмиссия при деформировании гипса в сложном напряженном состоянии // Сборник трудов. XVIII сессии Российского акустического общества. Т. 1. - М.: ГЕОС, 2006. - С. 264 -267.
4. Вознесенский A.C., Тамарин Ä.B., Набатов В.В., Коновалов Е.Н. Электромагнитное излучение и акустическая эмиссия в гипсе при его деформировании. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2005, №5. - С. 83-86.
5. Вознесенский A.C., Тамарин Д.В., Тавостин М.Н., Набатов В.В. Взаимосвязь
ходится несколько глубже зоны опорного давления. Т.е. положение зоны опорного давления можно предполагать перед точкой, в которой график коэффициента корреляции переходит через ноль. Если же проводить не только оценку расположения зоны опорного давления, но и вести контроль её смешения, то появляется возможность следить за состоянием целиков в выработках.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
акустической эмиссии и электромагнитного излучения при деформировании гипсосо-держаших пород // Сборник трудов. XVI сессии Российского акустического обше-ства. Т. 1. - М.: ГЕОС, 2005. - С. 339 -342.
6. Набатов В.В., Вознесенский A.C. Оценка трешинообразования в массиве с гипсосодержашими породами методом регистрации электромагнитного излучения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003, №3. - С. 3-9.
7. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии: Монография. - Новосибирск : Параллель, 2008. - 314 с.
8. Вознесенский A.C., Шкуратник В.Л., Набатов В.В., Куткин Я.О. Оценка устойчивости массива пород вокруг выработок по результатам контроля электромагнитного излучения в приконтурной области // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012, №10. - С. 83-86. S2H
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вознесенский Александр Сергеевич - доктор технических наук, профессор кафедры ФТКП, Шкуратник Владимир Лазаревич - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой ФТКП,
Набатов Владимир Вячеславович - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, Куткин Ярослав Олегович - аспирант кафедры ФКТП Московский государственный горный университет, [email protected]
