Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород

Актуальность темы

В тектонически и сейсмически активных районах Алтае-Саянской складчатой горной области Сибири ведется разработка ряда крупных железорудных месторождений. В последние годы в районах разработки и добычи полезных ископаемых участились случаи проявления горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений, что влечет за собой экономические и человеческие потери. При горных работах в отрабатываемых массивах горных пород возникают катастрофические сейсмические и динамические явления в форме техногенных землетрясений, ударов горнотектонического типа, обрушения больших масс горных пород и др. За последние 40 лет в этом регионе произошло более 25 000 сейсмических событий различной интенсивности. Ряд из них имеет 11-ый энергетический класс и по разрушениям соответствует 6−7 балльным землетрясениям по 12-ти бальной шкале М8К-64. Наиболее крупные проявления горного давления в динамической форме произошли на рудниках Горной Шории и Хакасии. Ситуация усугубляется тем, что в настоящее время на горнорудных предприятиях отработка рудных запасов осуществляется под реками и другими водоемами, что приводит к созданию в массиве зон, опасных не только по горным ударам, но и по масштабному изменению гидрогеологической ситуации.

Освоение глубоких горизонтов обострило проблему прогноза и предотвращения горных ударов, наносящих значительный материальный ущерб промышленным предприятиям и объектам, находящимся в зонах влияния очистных пространств. Отработка месторождений ведется в регионах с высокой плотностью населения, с развитой промышленностью, в зонах интенсивного развития туризма, поэтому сохранение сплошности земной поверхности, недопущение ее значительных деформаций, предупреждение появления динамически опасных зон и ограничение влияния уже имеющихся очагов возникновения сейсмических и динамических явлений — непременное условие успешного развития горнопромышленных комплексов Сибири.

Крупные технологические взрывы по обрушению рудных блоков на железорудных месторождениях также сопровождаются мощными динамическими явлениями. Проходка выработок, отработка новых рудных тел, образование протяженных свободных от нагрузок поверхностей вызывает перераспределение полей напряжений, их концентрацию в отдельных областях массива горных пород. Динамическое воздействие на горные породы при крупных технологических взрывах активизирует напряженные участки, провоцирует горные удары, приводит к образованию геодинамических опасных зон в породном массиве и на земной поверхности.

Для исключения этих явлений и, как следствие, травматизма и человеческих жертв необходим надежный прогноз горно-геологических и геомеханических условий ведения горных работ, разработка новых методов и способов отработки рудных месторождений, снижающих риск геодинамических явлений.

В настоящее время наиболее перспективным методом контроля изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива и прогноза геодинамических событий, в том числе в шахтном поле рудников, является метод, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах, бетонах и других диэлектрических структурах. При механоэлектрических преобразованиях параметры возникающих электромагнитных сигналов (ЭМС) и характеристики электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) несут информацию о процессах образования деструктивных зон и об изменении НДС в шахтном поле. И здесь главным является аппаратурная оснащенность разрабатываемого метода. Поэтому тема «Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород» является актуальной.

Цель работы: разработать автономный полевой аналого-цифровой регистратор электромагнитных и акустических сигналовпровести проверку работы регистратора в лабораторных и натурных условиях Таштагольского железорудного месторождения при исследовании изменений напряженно-деформированного состояния образцов горных пород и породных массивов.

Идея работы состоит: в осуществлении комплексного сбора характеристик электромагнитной и акустической эмиссий горных породв их предварительной обработке операционной системой регистратора с последующим уменьшением выходных данных для их оперативного анализав демонстрации возможностей разрабатываемого регистратора при исследовании и мониторинге изменений напряженно-деформированного состояния образцов горных пород при одноосном сжатии и породного массива при проведении технологических взрывов в руднике по характеристикам электромагнитной эмиссии.

Задачи исследований: обобщить теоретические и экспериментальные исследования механоэлектрических преобразований в образцах диэлектрических материалов, горных пород и породного массива для выбора входных параметров электромагнитных и акустических сигналов и архитектурного построения регистратора;

— разработать структуру автономного аналого-цифрового регистратора;

— исследовать амплитудно-частотные характеристики регистратораапробировать разработанный регистратор при исследовании характеристик электромагнитной эмиссии образцов горных пород при подготовке и развитии разрушения в процессе одноосного сжатияиспользуя разработанный регистратор, провести исследования характеристик электромагнитной эмиссии породного массива во время и после проведения массовых технологических взрывов в шахтном поле Таштагольского рудникаопределить возможность использования характеристик электромагнитной эмиссии для мониторинга изменений НДС горных пород.

Методы исследования: метод механоэлектрических преобразований в диэлектрических структурахэлектрические измерения силы и деформацииизмерения токов поляризацииизмерения аналоговых электромагнитных сигналов горных пород и их спектральный анализ с помощью программы быстрого преобразования Фурьеизмерения характеристик электромагнитной эмиссии при изменении НДС горных породвозбуждения и регистрации акустических сигналов с помощью пьезоэлектрических преобразователей, а также возбуждения акустических импульсов детерминированным ударомрегистрации сейсмической активности шахтного поля Таштагольского рудникалицензионные программы Mathcad и Origin Lab.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Технические условия, позволяющие разработать и изготовить регистратор электромагнитных и акустических сигналов РЕМС-1 для определения изменений напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород.

2. Принцип действия и характеристики экспериментального образца РЕМС-1 для регистрации электромагнитных и акустических сигналов при изменении напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород.

3. Изменения амплитудно-частотных параметров электромагнитной эмиссии при подготовке разрушения в процессе одноосного сжатия образцов горных пород и при мониторинге изменений напряженно-деформированного состояния массивов горных пород во время проведения и после технологических взрывов.

Достоверность научных результатов подтверждается применением современной техники и методов измерения электрических величин, а также электрических измерений неэлектрических величиндостаточным объемом экспериментальных данных, полученных при разработке аналого-цифрового регистратора электромагнитных сигналов и при проведении лабораторных и натурных исследованийприменением современной элементной базы при создании регистратора, современной аппаратуры и методов исследования явления механоэлектрических преобразований в горных породахкорректностью постановки задач и их обоснованностиобработкой экспериментальных данных с использованием методов статистики и специальных компьютерных программполучением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.

Новизна научных положений:

— разработан аналого-цифровой регистратор РЭМС-1, при создании которого использован комплексный подход для расширения его возможностей при регистрации электромагнитной и акустической эмиссий в условиях подземных сооружений, а совокупность решений при реализации такого подхода обеспечивает новизну регистратора: произведена совместная регистрация и синхронизация измерений характеристик электромагнитной и акустических эмиссийдля отстройки от электромагнитных помех применена дифференциальная схема приема ЭМСвыделены частотные полосы с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, позволяющие судить о стадиях подготовки разрушения горных породосуществлен прием ЭМС в широкой полосе частот 1-гЮО кГц и интенсивности потока ЭМС при изменении напряженно-деформированного состояния горных породприменена предварительная обработка регистрируемых ЭМС путем 1 или 5 секундного усреднения результатов измерений, уменьшающее поток данных и обеспечивающее оперативность дальнейшей обработки и анализа этих измерений;

— по характеристикам электромагнитной эмиссии, полученным при их измерении регистратором РЭМС-1, определяются этапы подготовки и развития разрушения, в том числе образование и развитие деструктивных зон при одноосном сжатии образцов горных пород;

— по изменениям характеристик электромагнитной эмиссии, измеренных регистратором РЭМС-1 в шахтном поле после технологических взрывов, достоверно определяется время и амплитуда возбужденного состояния массива горных пород.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в формулировании целей и задач исследований, разрабатывал регистратор электромагнитной и акустической эмиссий РЭМС-1, разрабатывал методики для проведения измерений, проводил эксперименты и обработку данных измерений, обобщал полученные результаты.

Практическая ценность работы состоит в создании действующего регистратора РЭМС-1, способного вести в течение не менее 180 часов непрерывный мониторинг электромагнитной и акустической эмиссий в условиях рудников при проведении взрывных воздействий на породный массив. Создание регистратора и полученные с помощью него результаты исследований изменения ЭМЭ и АЭ в лабораторных и натурных условиях внесли существенный вклад в разработку и развитие метода мониторинга и краткосрочного прогноза разрушения гетерогенных материалов и геодинамических событий в породных массивах по параметрам механоэлектрических преобразований.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы внедрены в Таштагольском филиале ОАО «Евразруда». Регистратор РЭМС-1 использовался при наблюдении за изменениями ЭМЭ и АЭ при проведении массовых технологических взрывов и в период релаксации напряженно-деформированного состояния породного массива в подземных выработках Таштагольского рудника.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДИП) Томского политехнического университета, а также на научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2005 и 2011 г. г., Новосибирскна V Международной конференции студентов и молодых ученых, 2008 г., Томскна Всероссийской конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле». 2008 г., Москвана VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», 2009 г., Юрга, Кемеровской обл.- на Международной научной конференции «Становление и развитие научных исследований в высшей школе», посвященной 100-летию со дня рождения профессора A.A. Воробьёва, 2009 г., Томскна XI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», 2010 г., Барнаулна Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 2011 г., Томскна Научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки удароопасных месторождений», 2011 г., Таштагол, Кемеровской обл.- на I Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 2011 г., г. Катунь, Горный Алтай.

Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РФФИ 06−08−693-а, 06−08−2 100-эк, 10−08−2 100-эк, а также используются при выполнении действующих грантов РФФИ 11−07−666-а и 11−07−98 000рсибирьа.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, в том числе в 10 работах, опубликованных в рецензируемых научных журналах. Полученные результаты закреплены в 1 патенте.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах и состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и списка используемой при написании диссертации литературы из 134 наименований. Диссертация содержит 49 рисунков и 3 таблицы.

ВЫВОДЫ.

По результатам работы по созданию автономного аналого-цифрового регистратора электромагнитной и акустической эмиссий и проведенных исследований можно сделать следующие обобщающие выводы:

1. Разработан и изготовлен аналого-цифровой регистратор электромагнитной и акустической эмиссий для лабораторных и натурных исследований, обеспечивающий мониторинг электромагнитных и акустических сигналов при изменении напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород. Разработаны емкостные и индукционные датчики для приема электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях и пьезоэлектрический датчик для приема акустических сигналов.

2. Регистратор РЭМС-1 обеспечивает в условиях подземных сооружений уверенный прием> ЭМС и АС и отображает изменения амплитуд ЭМС в широкой полосе частот 1-гЮО кГц и в выделенных полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, а также изменения интенсивности потока ЭМС, производит предварительную обработку полученной информации путем усреднения амплитуд ЭМС и АС в течение 1 или 5 секунд, обеспечивает вывод информации на ПК в виде протокола для графического построения результатов измерений во времени.

3. Регистратор имеет низкое энергопотребление, что обеспечивает его работу в течение не менее 7 суток, а малые весогабаритные размеры создают необходимые условия для использования его при стационарных и маршрутных измерениях ЭМЭ и АЭ.

4. Разработанный регистратор электромагнитной и акустической эмиссий РЭМС-1 обеспечивает мониторинг изменений напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и геодинамических проявлений в условиях рудников.

5. Установлено, что максимальные амплитуды спектра ЭМС имеют частотные полосы, соответствующие размерам образцов, а также размерам блоков массива горных пород, ограниченных пространственными дефектами в виде минеральных включений и трещин. Уменьшение количества контактных слоев минералов, составляющих горную породу, приводит к снижению амплитуды ЭМС при их акустическом возбуждении.

6. Электрические и магнитные свойства горных пород оказывают существенное влияние на амплитудно-частотные параметры ЭМС. Полученные данные важны для понимания влияния электрофизических и магнитных свойств горных пород на амплитуду электромагнитного отклика, возникающего при прохождении через горную породу акустических сигналов.

7. Параметры и интенсивность импульсного потока электромагнитных сигналов, несут информацию о характеристиках, воздействующих на гетерогенные материалы акустических импульсах и, как следствие, несут информацию о процессах подготовки и развития разрушения этих материалов.

8. Диапазон амплитуд ЭМС в горных породах Таштагольского рудника лежит в интервале от десятков микровольт до сотен милливольт, частотный спектр — в интервале от единиц герц до единиц мегагерц, но наиболее значимыми являются частоты 1 -=-80 кГц.

9. Выявлены закономерности в изменениях амплитудно-частотных параметров электромагнитных сигналов при одноосном сжатии образцов горных пород, заключающиеся в том, что на этапе формирования очага разрушения в спектре электромагнитных сигналов присутствуют частотные полосы во всем частотном диапазоне и возможно появление сигналов, обусловленных биением. При приближении к предельной прочности горных пород спектр электромагнитных сигналов смещается в низкочастотную область с увеличением амплитуды спектральных полос.

10. Показано, что мониторинг изменения НДС горных массивов целесообразно вести на дайках и контактах пород, имеющих выход на разломы, в зоны смещения и смятия, а также в места проведения технологических взрывов.

11. Изменения напряженно-деформированного состояния породного массива влекут за собой и изменения характеристик электромагнитной эмиссии, возникающей вследствие механоэлектрических преобразований в горных породах. Увеличение или уменьшение интенсивности и амплитуды электромагнитной эмиссии горных пород в натурных условиях рудников позволяет выявлять этапы подготовки и проявления геодинамических событий, определять характер перераспределения напряженно-деформированного состояния массива.

заключение

:

1. При разработке метода мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород и краткосрочного прогноза геодинамических событий в карьерных и шахтных условиях при добыче полезных ископаемых наиболее целесообразно использовать явление механоэлектрических преобразований. Результатом этих преобразований являются электромагнитные сигналы, генерируемые горными породами по различным механизмам при воздействии акустических импульсов, возникающих в процессе подготовки разрушения.

2. Возникающие электромагнитные сигналы можно измерять аппаратурно и по изменению их параметров определять этапы развития процесса разрушения.

3. Усреднение амплитуд регистрируемых в режиме «самописца» электромагнитны сигналов за фиксированный промежуток времени существенно снизит поток информации и позволит оперативно проводить анализ полученных в ходе мониторинга данных.

4. Исходя из полученных результатов, представленных в настоящей главе, а также опираясь на работы, представленные в главе 1, при создании аппаратуры для мониторинга процессов развития разрушения горных пород и геодинамических явлений, в том числе в условиях подземных рудников, необходимо реализовать следующие технические условия:

5 3.

• входные амплитуды ЭМС от 10″ до 10″ В;

• диапазон частот ЭМС 1−100 кГц;

• частота следования ЭМС — ЗОч-бО кГц.

5. Следует обеспечить прием ЭМС в широкой полосе и на определенных выбранных частотах, а также прием акустических сигналов для контроля самого факта свершения прорастания трещины в образцах или геодинамического события в породном массиве. На первом этапе целесообразно выбрать частоты ЭМС, соответствующие миллиметровой, сантиметровой и десятки сантиметровой длительности возникающего акустического импульса при прорастании трещин, либо соответствующих таким же размерам границ блоков, составляющих горный массив. Отсюда в регистраторе должно быть реализовано:

• количество каналов оцифровки вводимой аналоговой информации — 6 каналов;

• наличие 5 каналов регистрации ЭМС, из которых: три канала в полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц с добротностью Зч-Ю, один широкополосный канал в интервале 1-^100 кГц, один канал для измерения интенсивности потока ЭМС;

• вход для ЭМС — дифференциальный;

• наличие канала для регистрации акустических сигналов с чувствительностью 50 мкВ;

• наличие интеграторов на каждом из каналов;

• времена усреднения на интеграторах — 1 и 5 сек с возможностью перестройки времени;

• объем ОЗУ не менее 512 Кбайт;

• объем ППЗУ FLASH не менее 4 Мбайт;

• отсчет и запись в протокол измерений текущего времени с точностью не менее 0.01 свозможность считывания регистрируемых данных мониторинга на персональный компьютер в виде удобного протокола для дальнейшего использования и анализа.

6. Поскольку регистратор предполагается использовать в условиях карьеров и подземных рудников, то необходимо обеспечить его автономность и оптимальные весогабаритные характеристики:

• общая масса прибора с комплектом индукционных (2 шт.), емкостных (2 шт.) и акустических (1 шт.) датчиков, дополнительными аккумуляторами, соединительными кабелями и заземляющим штырем не должна быть более 12 кг;

• регистратор электромагнитных и акустических сигналов должен иметь размеры не более (0,3×0,3×0.04) м3;

• акустический датчик должен быть апериодическим и изготовлен на основе пьезоэлектрической керамики, с возможностью вбивания контактного наконечника в горные породы;

• конструктивно индукционные и акустические датчики должны иметь диаметр не более 42 мм, что соответствует диаметру шпуров в рудниках и шахтах;

• провода для подсоединения датчиков к регистратору должны быть унифицированы и иметь на конце, к которому подключается датчик, электронные схемы для согласования сопротивление датчиков и входного сопротивления регистратора;

• питание от встроенных и, при необходимости, дополнительных аккумуляторов должно быть (6+1) В;

• время работы регистратора в, автономном режиме без подзарядки и замены дополнительного аккумулятора не менее 6 суток;

• потребляемый ток в режиме мониторинга и записи в ОЗУ не более 50 мА;

• потребляемая общая электрическая мощность в режиме мониторинга и записи в ОЗУ не более 0,33 Вт;

• наличие зарядки блоков питания от электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

ГЛАВА 3. АВТОНОМНЫЙ ПОЛЕВОЙ РЕГИСТРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.

Математическое и физическое моделирование механоэлектрических явлений, а также экспериментальные исследования показали, что для мониторинга электромагнитной (ЭМЭ) и акустической (АЭ) эмиссий гетерогенных материалов, в том числе горных пород, необходимо разработать экспериментальный образец аналого-цифрового прибора, обеспечивающий регистрацию и запись во встроенную память электромагнитных и акустических сигналов в частотном диапазоне (1¹⁰⁰) кГц. Чувствительность по входу аналоговых усилителей: электромагнитных сигналов около 10 мкВакустических сигналов не более 50 мкВ. Для приема электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях необходимо разработать емкостные и индукционные датчики, а для приема акустических сигналовпьезоэлектрические датчики.

В результате для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) гетерогенных материалов и горных пород был разработан и создан регистратор электромагнитных (ЭМС) и акустических (АС) сигналов РЭМС-1 (далее по тексту «регистратор») [90,100]. Прибор позволяет производить регистрацию ЭМС и АС как при маршрутных измерениях, так и в стационарных условиях подземных рудников и на земной поверхности.

3.1. Устройство и работа регистратора.

Принцип работы регистратора РЭМС-1 основан на преобразовании электромагнитных сигналов с помощью емкостного или индукционного приемников и аналоговых акустических сигналов с помощью пьезоэлектрического приемника в аналоговые сигналы, их предварительной обработке и оцифровке с последующим запоминанием во встроенной памяти и выводом массива данных на ПК [98,101−103]. Следует отметить, что для уменьшения влияния электромагнитных помех прием аналоговых ЭМС осуществляется по дифференциальной схеме [104,105]. Регистрация сигналов.

ЭМС и АС осуществляется в частотном диапазоне 1^-100 кГц. Полученные данные амплитуд ЭМС и АС оцифровываются в широкой полосе 1ч-100 кГц, а, ЭМС дополнительно фильтруются в трех полосах с центральными частотами 2,.

15 и 100 кГц. Для уменьшения массива данных и улучшения их оперативного анализа производится усреднение амплитуд ЭМС и АС в задаваемом временном интервале 1 или 5 секунд. Полученные усредненные значения амплитуд ЭМС А (?) характеризуют временные закономерности изменения электромагнитной (ЭМЭ) и акустической (АЭ) эмиссий в процессе силового или акустического воздействия на гетерогенные материалы и горные породы. Полученные закономерности пропорциональны изменению напряженности электрической Е{() или магнитной Н (1) составляющей электромагнитного поля в I широкой полосе частот (Фшп) и в полосах с центральными частотами 2 кГц.

Ф2), 15 кГц (Ф15) и 100 кГц (Ф100). Для увеличения надежности определения образования деструктивных зон на стадии отработки метода контроля изменений НДС гетерогенных материалов, в том числе горных пород, регистратор принимает и записывает акустическую эмиссию исследуемых объектов. Амплитуды АЭ отображают процесс трещинообразования, протекающий при подготовке и протекании разрушения в исследуемом объекте или при акустическом воздействии на него. Кроме того, регистрируется изменение количества ЭМС в заданном интервале усреднения, что ' характеризует изменение интенсивности импульсного потока электромагнитных сигналов.

3.1.1. Состав регистратора РЭМС-1.

Регистратор имеет блочное исполнении и состоит: из блока сбора информации (БИС) — выносных емкостных (ДЕП) и индукционных приемников (ДИП), подключаемых поочередно к дифференциальному входу БИСакустического приемника (АП) — внутреннего и дополнительного аккумуляторных блоков питания (БДА) и блока питания (БП) для зарядки аккумуляторов. Связь приемников и блоков питания с БИС осуществляется с помощью кабелей с разъемами. На рис. 3.1 приведена блок-схема регистратора РЭМС-1. Полная комплектация регистратора приведена в таблице 3.1.

Рис. 3.1. Блок-схема регистратора РЭМС-1, где Х1и Х2 — разъемы для подключения емкостных приемников ДЕГТ] и ДЕПг, ХЗ и Х4 — разъемы для подключения индукционных приемников ДИП] и ДИПг, Х5 — разъем для подключения пьезоэлектрического приемника акустических сигналов АП, Х6 — разъем для поочередного подключения дополнительного источника питания БДА, зарядного устройства встроенных в регистратор аккумуляторов или персонального компьютера ПК.