CC BY
47
© А.В. Кривецкий, А.А. Бизяев, 2010
УДК 622:531.78:621.317.7
А.В. Кривецкий, А.А. Бизяев
СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Разработаны и изготовлены инкрементальный датчик для регистрации перемещений в образцах и новый макет прибора из серии РЭМИ (регистратор электромагнитного излучения) - РЭМИ-3 для регистрации электромагнитной эмиссии в массивах
Ключевые слова: горные породы, трещинообразование, электромагнитное излучение, двухканальный контроллер
Семинар № 2
Одним из перспективных методов, позволяющих проводить прогноз и контроль возникновения и роста трещин, является метод, основанный на регистрации сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающих в процессе трещинообразова-ния высоконапряженных материалов, включая горные породы [1-4].
Исследования явления электромагнитного излучения горных пород широко развивались как в области изучения физики процесса [3-5], так и в прикладных направлениях, особенно в сейсмологии в связи с прогнозом землетрясений [6, 7], в горном деле - для контроля удароопасности массивов горных пород и прогнозирования динамических проявлений горного давления [7, 8]. В частности, метод регистрации сигналов ЭМИ широко используется для контроля удароопасности на Таштагольском руднике [9, 10].
Исследования процессов разрушения участков массивов с помощью сигналов ЭМИ проводились в подготовительных горных выработках рудника на горизонтах -210 и -280 м. с помощью
аппаратуры, разработанной совместно специалистами лаборатории механики горных пород ИГД СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Это аппаратура РЭМИ-1, РЭМИ-2 и промышленный вариант - ИЭМИ-1 [3].
Для оценки напряженности электромагнитного поля измеряют среднеквадратичное значение напряженности поля:
V -
1 Г
- {и2№,
где Т - время измерения; Щ1) - напряженность электромагнитного поля на входе антенны.
Для измерений и оценок можно воспользоваться средневыпрямленным (СВ) значением напряженности поля Vcв:
1 г
Г {| и 0)| Л.
^в - г
О
Опасность приближения динамического проявления по уровню напряжённости электромагнитного поля оценивается по величине: К = Vcв. / Vo, где V) - пороговое значение. При К > 1 считается, что
уровень электромагнитного излучения достиг опасной величины. При К < 1 -уровень не достиг опасной величины. Так как VI) не всегда известно до измерения, необходимо использовать переменный порог уровня электромагнитного излучения:
К = У^св.1 / Ко / У^св.2, где К0 - некоторый порог, показывающий во сколько раз УсВ1 должен превысить Vcв.2, чтобы считать его опасным.
Оценку уровня опасности выбирают из разности средневыпрямленных значений с различными постоянными времени интегрирования, которые должны определяться по результатам наблюдений в различных местах горных выработок: у клети, в районах рудоспусков, при проходке выработок, на горизонтах подсечки, в погашенных горизонтах и др. При возникновении опасного уровня напряжённости электромагнитного поля, соответствующего увеличению количества раскрываемых или прорастания трещин производится подача звукового и светового сигналов.
Габариты приборов РЭМИ-2 и ИЭМИ-1: 160x80x30 мм. Характеристика антенны: ферритовый стержень с чувствительностью при соотношении сигнал/шум 40 dB - 5.6 В/м. Выходное напряжение, соответствующее напряженности электрического поля 5.6 В/м -10 мкВ. Антенна встроена внутрь корпуса.
Приборы работают следующим образом. Возникающий при трещинооб-разовании и разрушении горных пород сигнал ЭМИ принимается антенной 1, затем подается на усилитель 2, и т. д., при этом результат измерения высвечивается на цифровом табло 11. При уровне сигнала, приближающемся к опасному, включается звуковая и световая индикация.
Приборы используются на Ташта-гольском руднике для контроля и диагностики динамических проявлений в массивах более восьми лет. Внешний вид серийного выпуска прибора ИЭМИ-1 приведен на рис. 1. ГОСТ Р 51330.10-99 (МЭК 60079 -1199).
Перечисленные выше разработки не позволяют накапливать результаты измерений в течение длительного времени.
Дальнейшим развитием систем и оборудования для регистрации сигналов ЭМИ в натурных условиях стала разработка прибора РЭМИ-3, повторяющего идею преобразования напряженности электрической и магнитной компонент полей в электрический сигнал, а также значительно расширяющего возможности обработки результатов регистрации.
Помимо отображения усредненного на интервале Г — 1с. средневыпрямлен-ного значения, РЭМИ-3 позволяет регистрировать и сохранять в энергонезависимой памяти результаты дискретизации сигнала, усредняемого на интервале 5 мс. На рис. 2 приведена структурная схема прибора, (рис. 2, а) и его внешний вид (рис. 2, б).
Регистрация сигналов ЭМИ, осуществляющаяся непрерывно в течение ~ 4 часов, позволяет получить значительный объем информации, анализировать ситуацию на различных горизонтах и судить об изменениях интенсивности и уровня сигналов электромагнитного излучения в различных точках рудника, а
Рис. 1. Внешний вид
прибора ИЭМИ-1 для прогноза динамических проявлений массива по сигналам электромагнитного излучения (серийный образец)
Рис. 2. Структурная схема (а) и внешний вид (б) прибора РЭМИ-3
также обеспечить возможность их детального спектрально-временного анализа.
Разработано программное обеспечение, которое позволяет с помощью персонального компьютера производить считывание и визуализацию накопленных результатов регистрации. На рис. 3 представлен интерфейс программы под операционную систему Windows. На рис. 3а представлен интерфейс программы конфигурации, на рис. 3б, 3в -соответственно интерфейсы программ копирования с устройства и визуализации накопленных данных на экране. Здесь по оси абсцисс отложено время регистрации электромагнитного сигнала в мс, по оси ординат - средневыпрям-ленное значение его интенсивности в мВ.
Наряду с прибором для натурных исследований был разработан, изготовлен и прошел пробные испытания в лабораторных экспериментах двухканальный контроллер инкрементальных датчиков перемещения типа MS-30, обеспечивает сопряжение оптомеханических инкрементальных датчиков перемещения с аналого-цифровыми и/или цифровыми автоматизированными системами сбора дан-
Рис. 3. Интерфейс программного обеспечения
ных. Прибор используется совместно с автоматизированной аналого-цифровой системой АСИ-2 в лаборатории механики
«)__________________________________________________
КОПИРОВАТЬ РЕЗУЛЬТАТЫ |
ОЧИСТИТЬ ПАЦЯТЪ ПРИГОРИ
Рис. 4. Функциональная схема одного канала преобразователя
горных пород ИГД СО РАН в качестве измерительного преобразователя деформации испытуемого образца горной породы в аналоговый непрерывный сигнал, дискретизируемый платой аналогового ввода EISA-A2000 [11].
Направление перемещения определяется по характеру перехода интенсивности светового потока на двух, сдвинутых друг относительно друга на четверть растра фотоприемниках. Использование датчика перемещения совместно с аналого-цифровыми или цифровыми системами сбора требует преобразования приведенной выше последовательности в аналоговый сигнал или цифровой код, пропорциональный абсолютному перемещению.
Разработанный контроллер позволяет преобразовать сигналы инкрементального датчика в непрерывную аналоговую величину, синхронно меняющуюся с перемещением штока датчика в заданном направлении и с заданным коэффициентом масштабирования, а также формировать двоичный эквивалент положения датчика с последующей передачей по последовательному каналу.
Функционально устройство представляет собой два независимых канала, включающих в себя сдвига-шифрации, счетчик, сдвиговый (масштабирующий) регистр, цифро-аналоговый преобразователь и фильтр. Общим для двух каналов является последовательный интер-
Рис. 5. Внешний вид прибора с подключенным датчиком перемещения
фейс, используемый для опроса комбинации на выходе сумматора персональным компьютером. На Рис. 4 и 5 представлены соответственно функциональная схема одного канала преобразователя, часть которого реализована микроконтроллером общего назначения программно и внешний вид прибора с датчиком перемещения.
Разработанное программное обеспечение позволяет с помощью персонального компьютера производить настройку коэффициентов преобразования независимо для каждого канала, а также наблюдать за показаниями каждого датчика в реальном масштабе времени (рис. 6).
Выводы
1. Разработан, изготовлен и испытан в натурных условиях прибор из линейки (серии) РЭМИ, типа РЭМИ-3.
2. Отличиями настоящего прибора перед другими модификациями является следующее: возможность производить накопление данных и их запись на жесткий носитель с последующим анализом зарегистрированной информации, как в
Среднегодо-
вая
Рис. 6. Интерфейс программного обеспечения
виде записей-осциллограмм, так и их спектрально-временных характеристик.
3. Разработан, изготовлен и испытан в лабораторных экспериментах двухканальный контроллер инкремен-
тальных датчиков перемещения типа MS30, позволяющий преобразовывать величины перемещений в образце в аналоговый непрерывный сигнал.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 08-05-00025. --------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мирошниченко М.И., Куксенко В.С. Изучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках.// Физика твердого тела.- 1980.- Т.22.-Вып. 5.- С. 15311533.
2. А.С. №1086160. Способ определения напряженного состояния массива горных пород / Ямщиков В.С., Шкуратник В.Л., Лыков К.Г. и др. - БИ, 1984, №4.
3. Патент РФ №2137920. Способ прогноза разрушения горных пород и устройство для его осуществления / Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И, Кушнир В.И., Яковицкая Г.Е. -БИ.- 1999.- № 26.
4. Chi-Yu King. Electromagnetic emission before earthquakes// Nature.- 1983.- V 301.- №3.- P.377.
5. Перельман М.Е., Хатиашвили Н.Г. О радиоизлучении при хрупком разрушении диэлектриков// Докл. АН СССР. - 1981. - Т.220.- №1.
6. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений/ Под ред. Гохберга М.Б. - М.: ИФЗ АН СССР, 243 с.
7. Курленя М.В., Опарин В.Н. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля
напряженного состояния горных пород// Новосибирск: Наука.- 1999, 335с
8. А.С. №1562449. Способ прогноза разрушения массива горных пород / Курленя М.В., Опарин В.Н., Яковицкая Г.Е. БИ.- 1990.- № 17.
9. Климко В.К., Моисеев С.В., Штирц В.А., Яковицкая Г.Е. Ретроспективный анализ сравнительных характеристик сигналов АЭ и ЭМИ при динамических проявлениях горного давления на Таштагольско руднике// Доклады академии наук высшей школы России.- 2007.-№ 2(9).- С. 90-95.
10. Ваганова В.А., Лазаревич Л.М., Шипеев О.В. и др. Комплекс геофизических методов наблюдения за состоянием тектонических нарушений на Таштагольском руднике// Горная геофизика. Труды международной конференции. Санкт-Петербург. 1988.- С. 59-65.
11. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород. - Новосибирск, Издательство СО РАН, 2000.
ЕИЭ
г Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Кривецкий А. В., Бизяев А.А. - НГТУ, Институт горного дела СО РАН, Новосибирск, [email protected]
