CC BY
53
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ В ГОРНОМ ДЕЛЕ
Валерий Васильевич Киселёв,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института горного дела Севе-, ра им. Н. В. Черского СО РАН (ИГДС СО РАН)
Дмитрий Егорович Соловьёв,
кандидат технических наук, научный сотрудник ИГДС СО РАН
Появление метода инфракрасной термографии, активно используемого в настоящее время в различных областях жизнедеятельности человека, в историческом плане предопределило выявленное еще в 1800 г. английским астрономом Уильямом Гершелем (рис. 1) невидимое излучение, нагревающее объекты, которое позже получило название инфракрасного. Занимаясь исследованием Солнца, Гершель искал новый материал оптического фильтра для защиты глаз от солнечного света во время наблюдения за ним в телескоп. Определяя с помощью термометров тепловое воздействие излучений разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что «максимум тепла» лежит за его красной полосой (т.е. за пределами видимой части спектра). Поэтому
В. В. Киселёв, Д. Е. Соловьёв
он пришел к выводу, что есть некое невидимое излучение, которое нагревает объекты больше всего. Это открытие положило начало изучению инфракрасного излучения.
Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитное излучение, которое занимает спектральную область между красной границей видимого света (с длиной волны А = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (с длиной волны А = 1 - 2 мм) [1]. Диапазон инфракрасного излучения обычно делят на три области (рис. 2): коротковолновую область (А = 0,75 - 1,5 мкм); средневолновую (А = 1,5 - 20 мкм); длинноволновую (А = 20 - 1000 мкм) [2].
Все физические объекты с температурой выше абсолютного нуля (0° К = -273,15° С) испускают инфракрасное излучение, при этом длины
Рис. 1. Уильям Гершель (1738 - 1822 гг.) - выдающийся английский
астроном
Ультрафиолетовое излуче
Видимый свет
Инфракрасное излучение
П 9 Длина 0.4 0.75
волны, мкм
Коротковолновое ИК - Средневолновое ИК- Длинноволновое ИК-
излучение излучение излучение
0,75 1.5
Рис. 2. Диапазон инфракрасного излучения
20
1000
волн, излучаемые ими, зависят от температуры нагрева: чем она выше, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.
Метод, который основан на получении информации о пространственном распределении тепловой энергии (температуры) в физических объектах путем бесконтактной регистрации собственного, отраженного и прошедшего оптического излучения объектов в инфракрасном диапазоне, получил название инфракрасной (ИК) термографии, именуемой также тепловидением [3].
Для контроля и измерения температуры методом ИК-термографии в настоящее время используют два типа приборов - пирометры и тепловизоры (рис. 3).
б)
в)
Рис. 3. Инфракрасно-термографическая измерительная аппаратура: а - пирометр Raytek MX4; б - тепловизор Fluke TiR1; в - тепловизор FLIR SC660
Пирометр предназначен для измерения температуры в конкретной точке, а тепловизор, в отличие от него, позволяет сделать тепловое изображение (термограмму) всей поверхности исследуемого объекта с выводом данных на экран прибора. По термограмме можно определить температуру в каждой точке объекта.
Необходимо отметить, что развитие наукоемких разработок за рубежом предопределило необходимость поиска способов бесконтактного (дистанционного) замера температуры различных объектов и соответствующей аппаратуры. Прототипы современных тепловизоров впервые появились в США и предназначались, в основном, для военных целей. С середины 50-х годов прошлого века завеса секретности военных разработок в области развития технологий инфракрасных изображений начала приоткрываться и становиться доступной для применения в гражданских целях. Первые приборы были довольно громоздкими и требовали охлаждения приемника жидким азотом, а запись термоизображений производилась на пленку [3]. В настоящее время принято считать, что наиболее перспективным направлением совершенствования современных тепловизоров является использование технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности [4].
Небольшой вес и размеры современных тепловизоров и простота их использования предоставляют широкие возможности для дистанционного измерения температуры различных объектов. Кроме того, они, как правило, комплектуются специальным программным обеспечением для обработки и анализа полученных термограмм, что также является их немаловажным достоинством.
Как уже было отмечено выше, измерение температуры методом ИК-термографии находит широкое применение в различных областях жизнедеятельности человека (медицина, электроэнергетика, строительство, системы безопасности и многие другие).
ИК-термография применяется в различных областях горного дела. Прежде всего, это использование
ИК-диагностики (в сочетании с другими методами) при проведении планово-технического осмотра электрического и механического оборудования на шахтах и рудниках, что позволяет обнаружить неполадки задолго до аварийной ситуации [5, 6] и принять соответствующие меры. Так, на рис. 4 отчетливо видна зона повышенной температуры контрастного светлого цвета в месте размещения перегретого подшипника механизма.
Американскими учеными в рамках междисциплинарного проекта проводились исследования по выявлению последствий выветривания на долгосрочную стабильность породных отвалов молибденового месторождения «Questa» в штате Нью-Мексико [7]. В исследованиях использовался метод ИК-термографии для поиска областей, наиболее подверженных этому процессу. Как предполагалось, одним из факторов, вызывающих интенсивное выветривание породных отвалов, являются экзогенные химические процессы окисления находящегося в них пирита, сопровождающиеся выделением большого количества тепла. Это влечет за собой рост температуры, что может быть зафиксировано тепловизором. Температурные исследования проводились на двух породных отвалах с февраля по май 2004 г. с использованием тепловизионной камеры FLIR SC 3000. Столь непродолжительный период исследований сказался на неоднозначности полученных результатов. Натурные наблюдения, проведенные в феврале на одном из двух отвалов, показали наличие областей, которые практически не имели снежного покрова и оказались переувлажненными, в то время как граничащие с ними участки были мерзлыми и покрыты снегом. Максимальная температура разогретых областей с февраля по май 2004 г. составила 18° С и превышала температуру атмосферного воздуха в феврале на 0 - 2° C, в мае на 4 - 6° C. Авторы полагают, что данные области можно отнести к так называемым «теплоотводам» («heat vent»), где происходит активное окисление пирита с выделением тепла. Результаты тепловой визуализации второго породного отвала показывают небольшую
вероятность существования «теплоотводов», поскольку температурные различия между окружающей средой и поверхностью были здесь менее значительными. Небольшая разница температур, по мнению авторов, может быть объяснена пространственными изменениями коэффициента излучения из-за различия в теплофизи-ческих свойствах пород, содержанием влаги или относительно небольшого теплового потока из отвалов. В заключении отмечается необходимость проведения круглогодичного цикла натурных термографических исследований породных отвалов и установление возможной зависимости между влажностью и коэффициентом излучения горных пород в отвалах.
ИК-термография применяется также при выявлении участков с неустойчивой кровлей в горных выработках в период их проходки на платиновых и золотых рудниках ЮАР [8, 9]. Использование этого способа в данном случае базируется на том факте, что обнаженные участки кровли с разупрочненной структурой имеют более низкую температуру, нежели представленные твердыми породами. Это связано с тем, что механические воздействия, вызванные взрывными работами, приводят к образованию в породном массиве значительного количества трещин, особенно в приконтурном слое, что способствует снижению интенсивности теплообменных процессов на данном участке. Как показали проведенные исследования, температурный градиент между разупрочненной и твердой породами зависит от теплопроводности горных пород, условий вентиляции, степени разупрочненности пород и, в меньшей степени, от типа породы и продолжительности по времени начала ведения проходческих работ. Такой градиент может изменяться от десятых долей градуса до нескольких градусов.
Этот критерий стал основным признаком при разработке южно-африканскими горными инженерами шахтной робототехники, оснащенной ИК-термографами, позволяющими создавать трехмерные тепловые модели очистных забоев. Подобная техника может быть использована при прогнозировании риска обрушения кровли в выработках, являющегося основной причиной несчастных случаев в шахтах и на рудниках [10]. Предполагается, что робот, оснащенный тепловизором, может быть использован для сбора данных о наличии температурного градиента в призабойном пространстве (например, после взрыва), что свидетельствует о неустойчивости пород на отдельных участках и вероятности риска их внезапного обрушения. Тем самым значительно повышается безопасность ведения подземных горных работ.
Еще одним направлением в обеспечении шахтной безопасности, где находит свое применение ИК-термо-графия, является разработка систем предупреждения
Рис. 4. Горячая крышка подшипника является признаком наличия дефектов
столкновения самоходных установок и подземного транспорта с горнорабочими [11]. Инфракрасные тепловые изображения имеют несомненные преимущества по сравнению с другими системами для обнаружения опасного сближения горной техники и горнорабочих (радарами, системами GPS, метками радиочастотной идентификации и др.). При этом нет ограничительных требований к освещенности и запыленности, поскольку длинноволновое излучение (7 - 14 мкм) беспрепятственно проникает через запыленную и даже задымленную шахтную атмосферу.
Аэротермография (тепловая съемка горных объектов с самолета или вертолета) - еще одна область, где используется ИК-термография. Географическая привязка тепловых изображений (с воздуха) облегчает планирование и определяет порядок ведения горных работ, обеспечивает инженерно-технический персонал необходимыми данными, фиксируя температуру земной поверхности и находящихся на ней объектов [12].
ИК-термография активно применяется также при исследовании и мониторинге негативных окислительных процессов, вызывающих самовозгорание угля на складах, а также породных отвалов с высоким содержанием органических включений [13, 14]. В данном случае традиционные приборы замеров температуры (термопары, термометры и др.) позволяют измерить температуру поверхности некоторой области лишь рассредоточенно -точка за точкой, что, естественно, является довольно затратной и трудоемкой операцией. Использование же для этих целей тепловизора дает возможность при минимуме трудозатрат в короткий срок получить распределение температуры исследуемой поверхности по всей площади и определить зоны с аномально высокими ее значениями (рис. 5).
I 71.3 °С
■шм
18.9
Рис. 5. Термограмма породного отвала, где отчетливо выделяются области белого цвета с повышенной температурой
Как известно, при механическом сжатии или растяжении, а также при разрушении, в твердых телах возникают температурные градиенты, обусловленные процессами преобразования механической энергии в
тепловую. Исследованиями А. А. Беспалько, Л. В. Яво-ровича и С. В. Моисеева [15] на Таштагольском руднике была показана возможность контроля напряженно-деформированного состояния горных пород забоев проходимых выработок и породного массива с помощью метода ИК-радиометрии, что очень важно при подземной разработке месторождений, склонных к горным ударам. В результате проведенных исследований на термограммах забоев и поверхности выработок были зафиксированы температурные градиенты, особенно в районах разгрузочных скважин, непосредственно примыкающих к геологическому разлому, где превышение фактической температуры над минимальной достигло 3,4° С, что свидетельствует об изменении напряженно-деформированного состояния горных пород.
Общеизвестно, что в климатических условиях крио-литозоны при отрицательных температурах воздуха и горного массива значительно снижаются производственные и эксплуатационные показатели горного оборудования вследствие целого ряда негативных факторов. Так, ведение вскрышных работ с предварительным буровзрывным рыхлением в карьерах криолитозоны осложняется повторным смерзанием отбитых мерзлых пород. С течением времени отбитый мерзлый породный навал смерзается, набирая высокую прочность, поэтому требуется его повторное рыхление, что является трудоемкой и затратной операцией. Необходимо фиксировать динамику температурного режима и определять время начала смерзания отбитого массива [16].
Для этих целей было решено использовать приобретенный в 2011 г. ИГДС СО РАН современный тепловизор FLIR SC 660, который позволил осуществить практически новый этап в исследованиях вторичного смерзания отбитой взрывом горной массы, в частности, в разрезе «Кангаласском», расположенном в пригородной зоне г. Якутска (рис. 6).
Рис. 6. Термографическая съемка забоя драглайна1 на руднике «Кангаласском»
1Драглайн (англ. dragline) — одноковшовый экскаватор с гибкой канатной связью стрелы и ковша (ковш драглайна
подвешивается на цепях к подъемному и тяговому канатам). Длина стрелы достигает 100 м, вместимость ковша - 80 м3.
Оборудуется, как правило, шагающим ходом.
За время экспедиционных работ в 2012 г. (в весенне-летний период) были проведены натурные термографические наблюдения распределения температурных полей в поверхностном слое забоя драглайна и по поверхности развала отбитой горной массы (рис. 7 и 8).
Рис. 7. Термограмма забоя экскаватора рудника «Кангаласского» (май 2012 г). Sp1-Sp11 показывают значение температуры объекта
в точке
Рис. 8. Термограмма развала горной массы после взрыва (май 2012 г.), Аг1-Аг5 отражают максимальные и минимальные температуры в выделенной области исследуемого объекта
Следует отметить, что проведенные полевые работы в разрезе показали всю сложность и специфичность подобных исследований на открытом пространстве. Оператору приходится учитывать показания метеорологических условий окружающей среды, так как они влияют на качество и достоверность результатов ИК-тер-мографии. Отдельные вопросы требуют дополнительных лабораторных и полевых исследований: установление взаимосвязи влажности (льдистости) горных пород и коэффициента излучения [7], воздействие на мерзлые горные породы воздушных потоков с различными температурными показателями и их скоростными характеристиками и др.
Тепловизор показал себя довольно надежным и удобным инструментом при проведении натурных исследований на открытых горных объектах. В видимом термографическом изображении имеется возможность четкого разделения и определения температурных зон исследуемых породных поверхностей в цветовой палитре, что позволяет быстро выделять интересующие зоны при анализе полученных результатов. Немаловажное значение имеет также возможность внесения корректирующих поправок (данных метеорологических условий окружающей среды) в прибор при измерениях, повышающих их точность, а также применение термографической видеозаписи.
Таким образом, область применения ИК-термографии в горном деле на открытых и подземных предприятиях может быть достаточно широкой. Данный способ успешно используется как для изучения теплофизических и геомеханических процессов, протекающих в горных массивах и выработках, при различных технологиях разработки месторождений, в том числе в условиях криоли-тозоны, так и в области разработки систем безопасности при ведении горных работ.
Список литературы
1. Физическая энциклопедия: в 5 т. Т. 2: Добротность - Магнитооптика / [гл. ред. А. М. Прохоров, ред. колл. : Д. М. Алексеев и др.]. - М. : Сов. энциклопедия, 1990. - 703 с.
2. Вавилов, В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль / В. П. Вавилов. - М. : ИД Спектр, 2009. - 544 с.
3. Вавилов, В. В. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и энергетике / В. В. Вавилов, А. Н. Александров. - М. : НТФ «Энергопрогресс», 2003. - 76 с.
4. httpJ/ru.wikipedia.org/wiki/Тепловизор
5. Расширение области применения инфракрасных камер FLIR ThermaCAM серии Е // Энергетик. -2006. - № 1. - С. 44-45.
6. http://www.eti.su/articles/izmeritelnaya-tehnika/ izmeritelnaya-tehnika_738.html
7. Thermal camera imaging of rock piles at the questa molybdenum mine, questa, new mexico -Heather R. Shannon, John M. Sigda, Remke L. Van Dam, Jan M. H. Hendrickx, Virginia T. McLemore - 14 p. [Online] Available: http://geoinfo.nmt.edu/staff/ mclemore/ documents/1015-Shannon-NM_000.pdf
8. Kononov, V. A. 2000. Pre-feasibility investigation of infrared thermography for the identification of loose hangingwalls and impending falls of ground. SIMRAC Final Project Report GAP706. Pretoria Department of Minerals and Energy, 26 p.
9. Kononov, V. A. 2002. Infrared thermography of loose hangingwalls. Safety in Mines Research Advisory Committee, 102 p.
10. Green, JJ, Hlophe, K, Dickens, J et al. International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 - 8958, Volume-1, Issue-4, 8-15 p. April 2012.
11. Dickens, JS, Van Wyk, MA and Green, JJ. 2011. Pedestrian detection for underground mine vehicles using thermal images. [Online]Available: http://researchspace.csir. co.za/dspace/bitstream/ 10204/5273/1/Dickens1_2011.pdf
12. David Turton. Aerial thermography - applications in mining. [Online] Available:http://aamgroup.com/resources/ pdf/publications/ technical_papers/AerialThermography.pdf
13. O. Carpentier, D. Defer, E. Antczak, B. Duthoit. Infrared thermography applied to spontaneous combustion monitoring of coal tips. [Online] Available: http://qirt.gel. ulaval.ca/ archives/qirt2004/papers/088.pdf
14. Wang Yun-jia, Sheng Yao-bin, Gu Qiang, Sun Yue-yue, Wei Xiu-jun, Zhang Zhi-jie. Infrared thermography monitoring and early warning of the spontaneous combustion of coal Gangue pile. [Online] Available : http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/ congress /8_pdf/2_WG- VIII-2/08a.pdf
15. Беспалько, А. А. Исследование напряженно-деформированного состояния массива горных пород методом ИК-радиометрии /А. А. Беспалько, Л. В. Яво-рович, С. В. Моисеев // Вестник науки Сибири. - 2012. -№ 3 (4). - http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/357
16. Панишев, С. В. Исследование влияния температурного режима взорванных многолетнемерзлых пород кангаласского месторождения на производительность драглайна / С. В. Панишев, С. А. Ермаков, М. В. Каймонов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - № 7. - С. 146-150.
ШВЪ1<Е Ч^СИШ^
ВЫСШЕЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ В ЯКУТСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ (1956-2010)
(СОБЫТИЯ, ФАКТЫ, КАДРЫ)
Туласынов, Б. Н. Высшее геологическое образование в Якутском государственном университете (1956 - 2010) / Сост. : Б. Н. Туласынов, В. П. Семенов. - Якутск : Издательский дом СВФУ, 2013. - 248 с.
В книге изложены основные события, факты, хронология развития высшего инженерно-геологического образования в Якутии за 1956 - 2010 гг. Дана краткая характеристика кафедр, их кадрового состава как ключевых звеньев в профессиональной подготовке специалистов. Использованы архивные материалы ЯГУ (СВФУ), результаты анкетных опросов, кафедральные портфели и опубликованные источники.
Данное издание - только начало изучения истории геологоразведочного факультета. В нем рассказывается о незабываемых годах не только его становления, зрелости и успешного поиска приоритетных решений, новых идей, но и немалых трудностей, ошибок, сомнений, бурных споров и глубоких раздумий о содержании, стратегии и перспективах развития высшего профессионального образования в республике.
Составители выражают признательность и благодарность за оказанную помощь в подготовке книги заведующим архивом С. И. Борисовой, Н. Р. Слепцовой, коллективу Управления кадров ЯГУ (СВФУ) под руководством А. А. Осиповой.
