Электромагнитные излучения горных пород предупреждают …
Н.А.Бритков, старший научный сотрудник, ИГД СО РАН (г. Новосибирск)
Горные породы и рудные тела при трещинообразовании излучают электромагнитные волны в широком диапазоне частот [1–7]. Природа этого явления связана с перемещением дислокаций, несущих электрические заряды в поле высоких механических напряжений. Другим источником излучения являются экзоэлектроны (тепловые электроны), вылетающие из материала через свежеобразованные поверхности трещин и формирующие на них зарядовую мозаику. Пролеты электронов, колебательные движения заряженных берегов трещин, взаимодействие электрических зарядов на берегах трещин приводит к появлению электрических токов и формированию электромагнитных полей. Этот эффект находит применение в бесконтактной дефектоскопии, используется при прогнозировании землетрясений в сейсмологии [5], при контроле и прогнозировании динамических проявлений в горной промышленности [8], при изучении физико-механических процессов в массивах горных пород в геомеханике [9–11], в современных направлениях физики твердого тела [3,4,6] и ряде других областей науки и техники.
Особый интерес представляет использование этого явления для бесконтактного измерения горного давления, при котором измеренное на выходе усилителя и превращенное в цифровую форму напряжение показывает среднее действующее давление в выработке. Эта величина характеризуется определенным фоном и его колебания около устоявшегося уровня означают флуктуацию горного давления.
Как показывают исследования сигналов электромагнитного излучения (ЭМИ) горных пород в технологических скважинах рудника «Октябрьский» ОАО «ГМК «Норильский никель» интенсивность излучения может меняться в пределах рабочей смены, что вызывается проведением взрывных работ и приложением к массиву больших энергий. При этом накопленная потенциальная энергия в массиве медленно разряжается. Так, при испытаниях скважинного зонда на глубинах соответственно 600 и 1250 м замечено снижение показаний прибора с 54 до 21 и с 74 до 35 отн. ед., соответственно, в течение последующей после проведения взрывных работ смены.
Рис. 1 Лабораторный стенд для исследования электромагнитного излучения образцов горных пород
С увеличением глубины заложения горной выработки прямо пропорционально увеличивается амплитуда сигналов ЭМИ. Оснащение горных предприятий приборами, чувствительными к сигналам электромагнитного излучения горных пород, подключение их к общей сети сбора информации и выдача ее на дисплей поверхностного монитора обеспечат оперативное слежение за горным давлением на каждом из рабочих участков горного предприятия.
Оценка степени удароопасности приконтурной зоны горных выработок рудника ООО «Абаканское рудоуправление», проведенная в сентябре 2002 г. сотрудниками ИГД СО РАН и Службой Горных Ударов рудника с помощью регистрирующего прибора ИЭМИ-1, показала, что в выработках на глубине 985 м (гор. 95 м) наблюдается интенсивный фон излучения ЭМИ (345–377 отн.ед.). Показания увеличиваются на контакте порода–руда и на участках, где возможно обрушение призабойной массы. В частности, величина ЭМИ в забое заезда на полевой штрек составляла 365–372 отн. ед. При этом максимум сигнала – 372 отн.ед. – зарегистрирован в момент отвала 1 м3 раздробленной породы. В полевом штреке №3 и квершлаге №1 после окончания взрывных работ и проветривания сигнал соответствовал 350 отн.ед. Расположение прибора в зоне контакта порода–руда дало увеличение показаний до 355–360 отн. ед..
Табл. 1 Распределение ЭМИ в подготовительных выработках
Многолетний опыт исследований электромагнитного излучения в горных выработках имеется на Таштагольском руднике. Здесь слежение за электромагнитным фоном осуществляется специальным прибором с цифровым отсчетом, показания которого на глубинах 700–900 м в течение 1994 г. изменялись от 12.98 до 10.5 отн. ед. (в первые три месяца они составляли, соответственно, 12.98, 12.14 и 12.22, в апреле–августе находились в пределах 11.75–11.08, а минимальные имели место в декабре 10.5 отн. ед.).
Ежедневно во время обхода и визуального наблюдения за состоянием горных выработок и рабочих участков сотрудником Службы Горных Ударов производится замер сигналов ЭМИ. Показания прибора корректируются с учетом данных сейсмологической службы, фиксирующей здесь частые землетрясения силой в 1–2 балла. В случае завышенных показаний прибора дается сообщение диспетчеру о критической ситуации на участке и делается вывод о возможном прекращении или продолжении работы горнорабочих на данном участке.
Шахтные исследования сигналов ЭМИ вмещающих горных пород и руд в подземных выработках рудника «Октябрьский» ОАО «ГМК «Норильский никель» проводились на глубине 600 м с помощью двух приборов ИЭМИ-1 разной чувствительности. Измерялась напряженность электромагнитного поля в мВ/м вдоль, поперек и вертикально выработке, причем в каждой точке бралось по три отсчета.
В табл.1 приведены данные о распределениии ЭМИ в подготовительных выработках, в табл.2 – во вторичных камерах, а табл. 3 – распределение ЭМИ в зоне динамического проявления.
Камерно-целиковая система отработки месторождения позволяет на первом этапе отрабатывать первичные камеры, а после их закладки и набора прочности бетоном ведется выемка целиков вторичными камерами. Интенсивность излучения (в отн.един.) бралась как полусумма двух отсчетов за 3 минуты наблюдения. В табл. 1–3 указаны значения сигналов ЭМИ, зарегистрированные в различных выработках шахтного поля. Первые наблюдения показали, что минимальные отсчеты находились в пределах 80.5, максимальные – 85 отн.ед. Среднеарифметические отсчеты по трем направлениям приема сигналов составляют соответственно 84.85, 84.7 и 84.85 отн.ед. Это означает, что показания прибора №1 не зависили от его ориентации в пространстве в день замера, так как расхождения в показаниях не превышают 1%. По второму прибору ситуация аналогичная. Приведенные данные по регистрации ЭМИ в выработках говорят о том, что средние напряжения в зоне проведения очистных работ медленно возрастают.
Анализ замеров в разрезном штреке РШ 5/11-1 показал, что в 5 м от забоя средний отсчет по прибору №1 составил 89, а в 30 м – 107.3 отн.ед., что выше на 17%. Это локальное повышение излучения имеет определенную связь с зоной нарушения в 30 м от забоя и свидетельствует о повышенных напряжениях в этой части выработки. По данным сейсмостанции «Норильск» в этой зоне за несколько дней до замеров было зарегистрировано динамическое проявление 16 энергетического класса. При показаниях прибора №1 в 140–150 отн. ед. можно судить о том, что в пределах рассматриваемого участка массив находится в условиях повышенных напряжений. Однако повторные замеры, проведенные 12.12.03 (табл.3), показали, что напряжения на этом участке релаксировали и отсчеты снизились до прежних фоновых значений.
Отмечается идентичность показаний при сравнении показаний приборов в зоне камер (табл. 2) и в зонах подготовительных работ (табл. 1). Средние отсчеты, замеренные 08.12.03 по прибору №1 в подготовительных выработках и зоне камер, соответственно составили 84.8 и 83.8 и отличаются друг от друга примерно на 1%. Средние отсчеты по прибору №2 так же примерно одинаковы и расхождение не превышает 1%.
Повышенные показания прибора №1 в узле двух нарушений, зафиксированные в 30 м от забоя (табл. 3), составили 150–170 и 140 отн. ед. при поперечном и вертикальном расположении прибора. Однако спустя 4 суток напряжения в массиве релаксировали, и отсчеты по прибору №1 снизились до среднефоновых значений.
Табл. 2 Распределение сигналов ЭМИ во вторичных камерах
Измерения показали, что регистрация ЭМИ позволяет отслеживать изменения напряженного состояния приконтурной зоны горных выработок, своевременно фиксировать его опасное увеличение при отработке удароопасных участков. По мере возрастания напряжения в массиве фоновое электромагнитное излучение постепенно увеличивается и при ведении горных работ с монолитной закладкой, сопровождающихся динамическими проявлениями, общее напряженное состояние массива не достигает повышенных значений. Неудароопасному состоянию массива соответствует фоновая интенсивность ЭМИ, регистрируемая прибором №1 как величина в 85 отн. ед. Отсчеты по шкале прибора, составляющие 140–150 отн. ед., следует рассматривать как соответствующие опасному состоянию массива.
При проведении вышеописанных исследований использовался прибор ИЭМИ-1, разработанный специалистами ИГД СО РАН и НГТУ. Он предназначен для контроля степени удароопасности приконтурной зоны горных выработок. Прибор содержит антенный блок, усилитель, детектор, компаратор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), жидкокристаллический индикатор и устройства световой и звуковой сигнализации.
Конструкция прибора позволяет вести контроль обрушения кровли горных выработок. Если фон регистрируемого электромагнитного излучения ниже критического и остается стабильным, то опасность обрушения отсутствует. При резком возрастании интенсивности излучения, что является следствием мгновенного трещинообразования, прибор выдает световые и звуковые сигналы.
С помощью этого прибора можно осуществлять профилирование горной выработки и на каждом шаге производить снятие показаний прибора по трем направлениям: вдоль, поперек и вертикально выработке.
При измерениях деформации на контуре выработок, проводимых с помощью этого прибора, получено увеличение интенсивности электромагнитного излучения в зимние месяцы на 10–12% по сравнению с летними. Это находит подтверждение и при испытаниях прибора на других рудниках.
Табл. 3 Распределение сигналов ЭМИ в зоне динамического проявления
ОАО «ВЕГА» (г.Бердск) в 2001 г. выпустило промышленную партию приборов ИЭМИ-1, предназначенных для эксплуатации на подземных рудниках. Частотный диапазон принимаемых сигналов ЭМИ от 10 Гц до 70 кГц, чувствительность 90 мкВ/м, питание осуществляется от батарейки типа «Крона» ёмкостью 9 В, срок непрерывной работы 24 часа, масса 0.25 кг, габариты 150(75(30 мм. Прибор соответствует требования современного уровня микроэлектронной техники, предъявляемому к портативному и безопасному оборудованию. Во избежании разночтений при снятии показаний с цифрового индикатора, прибор должен подвергаться периодическому тарированию в источнике образцового однородного электромагнитного поля, например, в кольцах Гельмгольца, обеспечивающих диапазон изменения напряженности 0.1–50 В/м.
При изучении фонового электромагнитного поля на рудниках Сибири в руддворе и в выработках, удаленных от очистных работ, установлено, что интенсивность излучения в указанном диапазоне частот находится в пределах 0.5–0.8 В/м. В аварийных ситуациях эта величина по предварительным данным увеличивается в несколько раз.
В настоящее время прибор ИЭМИ-1 используется Службой Горных Ударов Таштагольского рудника.
Работа выполнена при поддержке гранта СО РАН «Интеграционный проект №129 СО РАН», а также гранта по научной школе академика РАН М.В. Курлени.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Яковицкая Г.Е. Прогноз динамических проявлений массива горных пород на основании регистрации сигналов электромагнитного излучения // Физические проблемы разрушения горных пород. Сб. трудов третьей международной научной конференции 9–14 сентября 2002 г. – Новосибирск. – Наука. – 2003. – С.98–103.
2. Воробьев А.А. Исследование импульсных электромагнитных сигналов, излучаемых льдом при механическом нагружении. Воробьев А.А., Баранова И.И., Малышков Ю.П,, Мастов Ш.Р. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. –1982.– N4. – С.116–119.
3. Bredy B.T. Rowell Laboratory investigation of the electrodynamics of rock fracture. Bredy B.T., Glen A. // Nature.– 1986. Vol. 321. – N 6069. – P.488–492.
4. Курленя М.В. Стадийность процесса разрушения на основе исследования ЭМИ-излучения. Курленя М.В., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. // ФТПРПИ. – 1991. – N1. – С.12–21.
5. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений / Под ред. М.Б.Гохберга // ИФЗ АН СССР. – М.: – 1988.– 243 с.
6. Егоров П.В. О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения щелочно-галоидных кристаллов и горных пород. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А. // ФТПРПИ. – 1987.– N1. С.67–78.
7. Ashok Misra. Electromagnetic effect at metalic fracture. // Nature. – Vol.254.– March, 13.- 1975. – P.133–134.
8. Куксенко В.С. Физические и методические основы прогнозирования горных ударов. Куксенко В.С., Инжеваткин И.Е., Манжиков Б.Ц. // ФТПРПИ. – 1987. – N1. – С.9–22.
9. Алексеев Д.В. О форме импульса электромагнитной эмиссии, генерируемой движущейся трещиной. Алексеев Д.В., Егоров П.В. // ФТПРПИ.–1993. – N6. – С.3–5.
10. Яворович Л.В. Исследование распределений параметров электромагнитного сигнала при одноосном сжатии горных пород. Яворович Л.В., Гольд Р.М., Евсеев В.Д., Хорсов Н.Н. // ФТПРПИ. – 2000. N6. – С.21–25.
11. Бритков Н.А. Емкостный цилиндрический датчик электромагнитного излучения //Физические проблемы разрушения горных пород. Сб. трудов третьей международной научной конференции 9–14 сентября 2002. Абаза (Хакасия) //Новосибирск.– Наука.– 2003.– С.108–110.
