Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. постановка задач исследований . 18
1.1. Динамические проявления горного давления в массиве как одна из наиболее опасных форм разрушения горных пород 18
1.2. Модели разрушения горных пород, основные гипотезы возникновения электромагнитного излучения при зарождении и прорастании трещин 20
1.3. Геофизические методы контроля напряженно-деформированного состояния и удароопасности массивов горных пород 32
1.4. Использование метода ЭМИ для прогноза землетрясений и динамических проявлений горного давления в массиве 34
1.4.1. ЭМИ-антенны для регистрации сигналов в лабораторных экспериментах, в натурных условиях подземных горных выработок и при прогнозе землетрясений... ...34
1.4.2. Системы измерений геомеханической информации для прогноза разрушения породных образцов и динамических проявлений горного давления (в лабораторных экспериментах и в массивах) 39
1.4.3. Анализ результатов лабораторных и натурных исследований процесса разрушения горных пород на основании
регистрации ЭМИ 43
1.5. Цель и основные задачи исследований 63
ГЛАВА 2. Распространение сигналов электромагнитного излучения в подземных горных выработках и оценка условий их регистрации. 66
2.1. Анализ механизма формирования очагов разрушения вокруг подземных горных выработок. Обоснование модели возникновения ЭМИ при зарождении и росте трещин 66
2.2. Об ориентировании приемных антенн электрического и магнитного типа в подземных горных выработках 75
2.3. Анализ условий распространения электромагнитных сигналов в геосредах с различными электрическими параметрами в характерном для ЭМИ-излучения диапазоне частот 80
2.4. Оптимальные размеры электрической и магнитной антенн в условиях ближней и дальней зон источника излучения сигналов ЭМИ 99
2.5. В ыводы по главе 2 101
ГЛАВА 3. Разработка приемных эми-антенн и приборов для регистрации сигналов электромагнитного излучения в условиях подземных горных выработок 103
3.1. Задачи разработки приемных ЭМИ-антенн и приборов для регистрации электромагнитных сигналов в подземных горных выработках 103
3.2. Исследование факторов, влияющих на величины амплитуд электромагнитных сигналов в подземных горных выработках 106
3.2.1. Анализ потерь электромагнитной энергии от очага разрушения до приемника 106
3.2.2. О коэффициентах согласования электрических характерис тик антенн и массива горных пород та и полезного действия ца 108
3.3. Постановка и решение задач о согласовании электрических параметров массива и приемных антенн электрического и магнит ного типов 112
3.3.1 Входное сопротивление электрического диполя в виде металлического штыря и его согласование с параметрами массива 113
3.3.2. Входное сопротивление магнитной антенны, выполненной в виде длинной одновитковой рамки, расположенной в выработке или скважине 116
3.3.3. Об эффективности антенн электрического и магнитного типа в условиях подземной регистрации электромагнитных сигналов... 123
3.4. Конструкции приемных ЭМИ- антенн электрического и магнитного типа и их параметры 132
3.4.1. Конструкции приемных ЭМИ-антенн электрического типа 132
3.4.2. Антенны магнитного типа для регистрации ЭМИ-излучения 135
3.5. Разработка аппаратуры для регистрации сигналов ЭМИ
в натурных условиях подземных горных выработок 147
3.6. Выводы по главе 3 153
ГЛАВА 4. Методы регистрации сигналов электромагнитного излучения 155
4.1 Задачи диагностики состояния горных пород на основании регистрации сигналов ЭМИ 155
4.2. Структура и характеристики автоматизированных систем контроля - АСК 157
4.3. Экспериментальное исследование шумов и помех в автоматизированных системах контроля. Предел чувствительности аппаратуры регистрации ЭМИ. 168
4.4. Обнаружение полезного сигнала на фоне шумов и помех. Задачи и методы обработки информации при обнаружении сигналов ЭМИ ...175
4.5. Разработка алгоритмов синхронной регистрации параметров ЭМИ и нагружения образцов горных пород с помощью системы АСИ-2 188
4.6. Тестовые примеры регистрации сигналов электромагнитного излучения с помощью системы - АСИ 2 192
4.7. Выводы по главе 4 196
ГЛАВА 5. Исследование параметров сигналов электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород 198
5.1. Задачи проведения лабораторного эксперимента 198
5.2. Методика и стенд для проведения экспериментальных исследований...200
5.3. Регистрация и анализ синхронных записей сигналов ЭМИ и нагрузки. 202
5.4. Структурные особенности сигналов ЭМИ при многостадийном падении нагрузки в процессе разрушения образцов горных пород 213
5.5. Амплитудные характеристики сигналов электромагнитного излучения в моменты нарушения сплошности образцов мрамора 219
5.6. Структурные особенности параметров электромагнитных сигналов при статическом и динамическом нагружении горных пород 227
5.7. Трехстадийность процесса разрушения образцов горных пород на основании регистрации сигналов электромагнитного излучения 236
5.8. Об автоколебательном квазирезонансном характере сопутствующего процесса ЭМИ-излучения на стадии, предшествующей нарушению сплошности образцов горных пород 244
5.9. О способе диагностики разрушения породных образцов на основе контроля квазирезонансных процессов в сопутствующем ЭМИ-излучении...256
5.10. В ыводы по главе 5 257
ГЛАВА 6. Спектрально-временной анализ в исследова нии эволюции сопутствующего эми-излучения при нагружении образцов горных пород 259
6.1. Основные задачи спектрального анализа... 259
6.2. Стадии процесса разрушения образцов горных пород и сопутствующее электромагнитное излучение 261
6.3. Спектрально-временной анализ электромагнитной эмиссии в диапазоне частот до 20 кГц при трещинообразовании образцов горных пород на стадии, предшествующей нарушению их сплошности 268
6.4. Графическое описание процесса разрушения образцов горных пород в матричном представлении сигналов ЭМИ. ^-образная характеристика разрушения 277
6.5. Исследование спектральных характеристик ЭМИ-излучения на примере хрупких и пластичных образцов горных пород в
диапазоне частот до 20 кГц 285
6.6. О некоторых особенностях спектрально-временных характеристик сигналов электромагнитного излучения, зарегистрированных с помощью системы АСИ-2 289
6.7. Разработка диагностических критериев разрушения горных пород 301
6.7.1. Критерии разрушения на основе структурных особенностей спектрально-временных характеристик сигналов электромагнитного излучения 301
6.7.2. Способ прогноза разрушения горных пород по изменению величины максимальной амплитуды и соответствующей ей спектральной частоты эмиссионных сигналов 307
6.7.3. Диагностика разрушения образцов горных пород и минимальная скорость изменения максимальной спектральной амплитуды ЭМИ 308
6.7.4. Состояние предразрушения массива и направленность изменения максимальной спектральной амплитуды электромагнитных сигналов и соответствующей ей частоты 312
6.7.5. Способ диагностики разрушения образцов горных пород на основе анализа изменения спектрально-временных характеристик сигналов ЭМИ 313
6.8. Выводы по главе 6 315
ГЛАВА 7. Исследование процесса разрушения в массивах горных пород на основании регистрации сигналов электромагнитного излучения от искусственных и естественных источников излучения 317
7.1. Основные задачи натурных исследований в условиях подземных горных выработок 317
7.2. Выбор участков для измерения электрических характеристик горных пород и методика проведения экспериментов в подземных
горных выработках 318
7.2.1. Выбор участков для проведения экспериментальных исследований 318
7.2.2. Измерительная аппаратура и методика для проведения экспериментальных исследований 319
7.2.3.Измерения электрических характеристик горных пород в условиях горных массивов Кузбасса, Центральной Якутии и
Рудного Алтая 320
7.3. Дальность регистрации электромагнитных сигналов от искусственных источников излучения в породных массивах 322
7.3.1. Дальности регистрации электромагнитных сигналов в горных выработках шахт Кузбасса 322
7.3.2. Регистрация электромагнитных полей в многолетнемерзлых горных породах угольных шахт Центральной Якутии для определения дальности их распространения 327
7.3.3. Определение дальности передачи электромагнитных сигналов в условиях полиметаллических рудников Рудного Алтая (Зыряновского свинцово-цинкового комбината) 332
7.4. Оценка областей влияния очаговых зон динамических проявлений горного давления 335
7.5. Исследование взаимосвязи между уровнем трещиноватости горных пород и интенсивностью сигналов электромагнитного излучения 342
7.6. Формирование зон повышенной трещиноватости и интенсивность сигналов электромагнитного излучения 345
7.7. Диагностика и контроль различных видов динамических проявлений горного давления по изменению структуры сигналов электромагнитного излучения 347
7.8. Выводы по главе 7 358
Заключение 359
Литература
- Модели разрушения горных пород, основные гипотезы возникновения электромагнитного излучения при зарождении и прорастании трещин
- Об ориентировании приемных антенн электрического и магнитного типа в подземных горных выработках
- Анализ потерь электромагнитной энергии от очага разрушения до приемника
- Структура и характеристики автоматизированных систем контроля - АСК
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых является приоритетным направлением исследований в горных науках (геомеханика, геотехнологии). Минувшие десятилетия отмечены во всем мире устойчивой тенденцией перехода ведения горных работ на большие глубины, что связано с возникновением динамических проявлений горного давления, в том числе, в катастрофической форме. Рост количества и интенсивности этих проявлений, отчетливо наблюдаемый с увеличением глубины разработки месторождений, требует целенаправленных исследований механизмов и особенностей протекания динамических событий в массивах горных пород, связанных с нарушением их равновесного состояния. Эта информация является неотъемлемой для выработки научно обоснованных критериев прогнозирования разрушений в горных массивах, вызванных изменением их напряженно-деформированного состояния при ведении горных работ. Одним из перспективных методов диагностики и контроля разрушения горных пород и массивов рассматривается метод, основанный на регистрации сигналов сопутствующего электромагнитного излучения (ЭМИ). Развитие его, как прогнозного метода, касающегося динамических проявлений горного давления в массивах, требует, прежде всего, разработки новых методов и измерительных средств: создания необходимой феноменологической и приборно-измерительной базы для лабораторных и натурных экспериментов, геомеханической интерпретации контролируемой информации. Цель диссертационной работы
Разработка экспериментально-теоретических основ и измерительных средств для диагностики критических состояний образцов горных пород и массивов по записям сигналов сопутствующего электромагнитного излучения (эмиссии), спектрально-временная структура которых связана с уровнем напряженности горных пород и геоматериалов.
Идея работы заключается в установлении и применении новых феноменологических взаимосвязей между процессами деформирования горных пород на различных этапах их нагружения вплоть до разрушения и особенностями формиро вания спектрально-временной структуры сигналов импульсного электромагнитного излучения, а также создании адекватных контролируемым процессам современных измерительных средств для сопутствующего ЭМИ-излучения.
Задачи исследований:
— теоретически и экспериментально оценить дальность регистрации сигналов электромагнитного излучения от очага разрушения в породных массивах с учетом их электрических характеристик и диапазона принимаемых частот;
— разработать и создать приборные комплексы и методическое обеспечение для проведения экспериментальных исследований в лабораторных и натурных условиях процесса разрушения на основе регистрации сопутствующего нагружению образцов горных пород и массивов электромагнитного излучения;
— разработать и создать стенд с системой регистрации и обработки информации, обеспечивающий синхронную запись уровня механической нагрузки на образцы горных пород и сигналов сопутствующего электромагнитного излучения;
— на основе совместной регистрации и спектрального анализа сигналов электромагнитного излучения образцов горных пород и породных массивов на различных стадиях нагружения установить феноменологические признаки, на основе которых возможно построение диагностических критериев их предельных состояний;
— провести проверку ЭМИ-критериев предразрушающего состояния образцов горных пород, выявленных в лабораторных экспериментах, применительно к натурным условиям подземных горных выработок.
Методы исследований
В исследованиях применялся комплексный подход, включающий анализ источников научной и технической информации по решаемым задачам, постановку и проведение теоретических и экспериментальных лабораторных и натурных исследований, а также разработку и создание современных измерительно-вычислительных систем контроля ЭМИ-излучения. При решении поставленных задач использованы современные методы обработки и анализа экспериментальных данных: математической физики, спектрального анализа, теории вероятности и математической статистики, теории упругости, разрушения горных пород.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Установлена взаимосвязь частот для равных амплитудных значений меридиональной и радиальной составляющих, а также для максимальных значений меридиональной компоненты электромагнитного поля от источника излучения с электрическими параметрами среды и расстоянием от источника до регистратора.
2. Разработан измерительный комплекс приборов и оборудования в виде ЭМИ-антенн и регистрирующих приборов, позволяющий проводить и осуществлять диагностику предразрушающего состояния горных пород.
3. Разработан и создан стенд для исследования влияния одноосного нагруже-ния на структуру сопутствующего ЭМИ-излучения образцов горных пород, включающий систему регистрации и обработки информации АСИ-2 и отличающийся синхронной записью исследуемых параметров со снятием отсчетов напряжений сигналов через 2-4 мкс.
4. Установлена взаимосвязь между изменением уровня одноосного нагруже ния породных образцов и структурой эмиссионных сигналов на предельной стадии, которая характеризуется как квазирезонансный периодический процесс с увеличивающимися амплитудами и периодами ЭМИ-излучения.
5. Достижение критического уровня нагружения образцов горных пород характеризуется последовательным смещением верхней границы спектра эмиссионных электромагнитных импульсных сигналов в высокочастотную его область, уменьшением периода их следования и длительности самих импульсов.
6. Экспериментально, в натурных условиях установлено совпадение ЭМИ-критериальных признаков перехода образцов горных пород в предельное состояние (увеличение количества импульсов ЭМИ и возникновение квазирезонансного периодического процесса с увеличивающимися периодами и длительности этих импульсов) для участков массива Таштагольского, Шерегешского и Абаканского железорудных месторождений, а также для угольных шахт Южного Кузбасса (ш."Усинская").
Достоверность научных результатов, выводов и положений обеспечивается большим объемом экспериментальных лабораторных и натурных исследова ний, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов, а также применением комплекса современных методов и измерительных средств диагаостики и контроля механического состояния породных массивов в условиях подземных шахт и рудников.
Научная новизна:
1. Впервые предложен критерий определения частот для равных значений меридиональной и радиальной составляющих, а также частот максимальных значений меридиональных составляющих компонент электромагнитного поля от источника ЭМИ-излучения, учитывающий электрические параметры среды (проводимость, магнитную проницаемость) и позволяющий определять оптимальное расстояние до очага разрушения.
2. На уровне изобретений создан комплекс приборов (РЭМИ-1, РЭМИ-2, ИЭМИ-1) для диагностики предразрушающего состояния горных пород, включающий регистраторы электромагнитных сигналов и ЭМИ-антенны.
3. Впервые разработаны основные принципы и алгоритмы создания автоматизированной системы регистрации и обработки экспериментальной информации АСИ-2 для проведения исследований в лабораторных условиях и основанной на синхронной регистрации нагрузки и характеристик сопутствующего ЭМИ-излучения (амплитуды, длительности импульсов и периодичности их появления) в диапазоне частот до 250 кГц. Это позволяет устанавливать взаимосвязь между стадиями нагружения образцов горных пород, количеством и спектральной структурой эмиссионных сигналов.
4. Предложен новый способ диагностики критического состояния горных пород, основанный на возникновении квазирезонансной структуры сигналов сопутствующего ЭМИ-излучения.
Экспериментально в условиях одноосного нагружения образцов горных пород впервые установлено, что по мере приближения уровня нагружения к разрушающему, ЭМИ-излучение характеризуется увеличением количества импульсов на равных временных интервалах, уменьшением периода их следования и длительно ста самих импульсов. При этом верхняя граница спектральных характеристик электромагнитных эмиссионных сигналов смещается в высокочастотную его часть.
6. Экспериментально, впервые для натурных условий, установлено совпадение ЭМИ-критериальных признаков перехода образцов горных пород в предельное состояние: уменьшение периода следования сигналов ЭМИ и возникновение квазирезонансных процессов в их структуре - для участков породного массива. Личный вклад автора заключается в:
— формулировке цели и постановке задач исследований, их методическом и аппаратурном обеспечении, а также организации и проведении лабораторных и натурных экспериментов;
— экспериментальном установлении возникновения квазирезонансной структуры сигналов сопутствующего электромагнитного излучения и последовательного смещения верхней границы их амплитудно-частотного спектра на предразру-шающей стадии нагружения горных пород в высокочастотную область;
— участии в составлении технического задания на разработку и создание приборов типа РЭМИ-1, РЭМИ-2 и ИЭМИ-1, использовании последних для контроля динамических проявлений горного давления в массивах в условиях удароопасных рудников и шахт;
— руководстве и непосредственном участии в проведении экспериментальных исследований особенностей развития электромагнитных эмиссионных процессов на критических и докритических стадиях нагружения образцов горных пород и массивов в условиях железорудных Таштагольского, Шерегешского, Абаканского рудников, полиметаллического рудника им. 22 партсъезда (Рудный Алтай), угольных шахтах"Усинская", им. Ярославского им. Кирова, "Бутовская", "Березовская", "Зенковская", "Грамотеинская", им. Засядько, "Сангарская" и № 11 (Центральная Якутия).
Практическая ценность работы:
— разработанные конструкции ЭМИ-антенн магнитного типа для приема сигналов электромагнитного излучения в лабораторных и натурных условиях (защищены авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения) использованы в приборах РЭМИ -2, ИЭМИ -1, а также в лабораторных экспериментах;
— приборы РЭМИ-1 и РЭМИ-2 разработаны, изготовлены и пропіли длительную апробацию для диагностики и контроля динамических проявлений горного давления на рудниках Таштагольский и Шерегешский, кимберлитовых месторождениях Якутии (рудники "Интернациональный", "Бадран");
— прибор ИЭМИ-1 используется на апатитовых рудниках Кольского полуострова.
Реализация работы в промышленности:
— на основе разработанной технической документации организовано мелкосерийное производство прибора ИЭМИ-1 (АООТ Бердское СКБ, г. Бердск, Новосибирской области);
— приборы типа ИЭМИ-1 используются в подземных условиях для контроля безопасности технологических процессов в подземных горных выработках Таштаголь-ского рудника, в Хакасии (Абаканский рудник), в Якутии (рудники "Бадран", "Интернациональный");
— прибор ИЭМИ-1 поставлен в 2006 году по контракту в КНР (Ляонинский технический университет) для диагностики внезапных выбросов угля и газа на шахтах Китая.
Апробация работы
Результаты диссертационных исследований докладывались автором на Сибирской школе-семинаре "Математические методы механики сплошных сред" ("Лаврентьевские чтения"), г. Новосибирск, 1997 г.; на 5-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровоград, 1997 г.; на 5-й Международной конференции по компьютерному моделированию материалов и технологий "CADAMT-97", г. Байкальск, 1997; на Международной конференции по горной геофизике, г. Санкт-Петербург, 1998 г.; на Научно-практической конференции по горным ударам, г. Таштагол, 2000 г.; на И-й Международной школе-семинаре "Основы прогнозирования разрушения горных пород", г. Красноярск. 2001г.; на Международных конференциях "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли", г. Новосибирск: 1999, 2001, 2003 , 2005 гг.; на Международной конференции "Проблемы и перспективы развития горных наук", г. Новосибирск. 2004 г.; на III и IY Международных конференциях "Физические проблемы разрушения горных пород", г. Абаза (Хакасия), 2002 г., г. Москва, 2004 г.; на Всерос сийской конференции "Деформирование и разрушение структурно неоднородных сред и конструкций" г. Новосибирск, 2006 г., на научных семинарах Института горного дела СО РАН в 1980-2006 гг.
Публикации
По теме диссертационных исследований опубликовано более 50 научных работ, в том числе 15 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения, из них: 28 в рецензируемых российских и зарубежных изданиях, в том числе, 1 монография, 1 методика исследования электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород, 5 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.
Диссертационные исследования проводились по планам НИР Института горного дела СО РАН; в последние годы — в рамках приоритетных научных направлений РАН - 6.3 "Современная геодинамика, движения и напряженное состояние земной коры, сейсмичность и сейсмический прогноз" и СО РАН - 25 "Современные геодинамические поля и процессы в верхних оболочках твердой Земли, геофизические факторы нестабильности природных геосистем и объектов, находящихся под техногенным воздействием" по программе 25.2 "Геомеханика: процессы деформирования массивов горных пород и геоматериалов, в том числе, вызванные техногенной деятельностью" в рамках проекта 25.2.2 "Разработка методов и измерительных средств теоретического и экспериментального исследования нелинейных квазистатических и волновых процессов в массивах горных пород, индуцированных ведением горных работ" (№ Гос. Регистрации: 0120.0405662). Основные научные результаты получены также в процессе выполнения исследований в рамках проектов РФФИ №№: 93-05-8651, 96-05-66084, 99-05-64611, 00-05-79029, 04-05-64863 (автор - руководитель или ответственный исполнитель).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и содержит 363 стр. машинописного текста, 128 рисунков и 23 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 250 наименований. Приложения составляют 35 стр. машинопис ного текста.
Благодарности
Автор благодарит академика РАН Курленю М.В. и члена-корреспондента РАН Опарина В.Н. за помощь, постоянное внимание к работе и конструктивные обсуждения научных результатов, д.т.н. Кулакова Г.И. за многолетнее творческое содружество, д.т.н., проф. Вострецова А.Г. за сотрудничество в разработке современной системы регистрации и обработки экспериментальных данных, проведении серии лабораторных испытаний. Автор признателен д.т.н. проф. Кузнецову СВ., д.ф.-м.н., проф. Куксенко B.C., д.т.н., проф. Макарову В.В., д.т.н., проф. Шкурат-нику В.Л. за ценные замечания при обсуждении научных результатов. Автор благодарит сотрудников лаборатории механики горных пород ИГД СО РАН за помощь в проведении лабораторных и натурных экспериментальных исследований, а также сотрудников Таштагольского отделения ОАО "Евразруда" Климко В.К., к.т.н. Ваганову В.А., к.т.н. Шипеева О.В, Моисеева СВ., Штирца В.А. за помощь в проведении натурных экспериментов.
Модели разрушения горных пород, основные гипотезы возникновения электромагнитного излучения при зарождении и прорастании трещин
Приведем краткий анализ основных факторов, оказывающих влияние на процесс разрушения в горных породах. Согласно [9], во-первых, это может быть структурное разнообразие горных пород. Они могут встречаться в виде монокристаллического материала с различными размерами кристаллов — от скрытокри-сталлического до крупнокристаллического с размерами кристаллов в несколько сантиметров (например, кристаллы каменной соли). Во-вторых, процесс разрушения может относиться к различным масштабным уровням [10, 11, 12]. Это может быть субмикроскопический уровень, когда разрываются различные типы атомных или молекулярных связей; микроскопический, когда разрушение можно наблюдать в оптический или электронный микроскоп и оно предполагает развитие микротрещин, плоскостей скольжения, разрыв связей между отдельными кристаллами и зернами и разрушение отдельных кристаллов и зерен. Следующий, макроскопический уровень может наблюдаться невооруженным глазом в кусках горной породы, не включающих крупные дефекты, например, трещины, разделение пластов [10]. Наконец, последний, мегаскопический уровень. Здесь имеется в виду процесс разрушения больших объемов горных пород, в том числе, включающий крупные механические дефекты. Отметим, что во многом благодаря работам Садовского М. А. и его учеников [11] внимание к проблеме структурной иерархии заметно возросло. Авторы считают, что процесс формирования потенциального очага разрушения с учетом иерархической блоковой структуры постепенно охватывает, начиная от малого к большему, все больший объем так называемых "активных слоев", приближаясь к размеру взаимодействующих блоков, при этом система теряет устойчивость. В ИГД СО РАН вопросы, связанные со структурной иерархией, развиваются на примере анализа лабораторных экспериментов, подтвержденных затем результатами натурных исследований в массивах Норильского и Таштагольского месторождений [12].
Подход Панина В. Е. и др. [13] основывается на концепции структурных уровней деформации и разрушения. Эти исследователи считают, что в области очага разрушения формируется система структурных и масштабных уровней деформации. При этом процесс подготовки разрушения рассматривается как многостадийный, начинающийся с нижних структурных уровней путем накопления микротрещин и неоднородностей.
На процесс разрушения может влиять анизотропия горных пород. Так, прочность при растяжении глинистого сланца перпендикулярно пластам отличается от прочности в плоскости пластов в десять раз [10].
Еще одним, и на наш взгляд, наиболее существенным фактором, оказывающим влияние на процесс разрушения, является изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород. В общем случае, полагал Турчанинов И. А., характер образующегося поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного действия многих взаимосвязанных факторов, таких как пространственно-геометрические параметры рассматриваемых выработок, их форма и геометрические размеры, деформационные характеристики пород в приконтурных зонах выработок, динамические нагрузки на стенки выработок под действием взрывов при проходке и изменение свойств пород под их воздействием и т. д. [14]. Под действием этих факторов происходит интенсивное трещинообразование, чтс зачастую изменяет свойства самого массива, ослабляя его, и тем самым, способствуя возникновению в нем различного рода динамических проявлений и, в конечном итоге, разрушению [10,14].
Актуальность проблемы прогноза и контроля динамических проявлений в массивах горных пород предопределяет различного рода концепции развития модельных представлении о процессе накопления повреждений в массивах и, как результат последнего — динамические проявления в нем.
Как известно, процесс разрушения является сложным и многостадийным, где количество выделяемых стадий зависит от того, какие временные и масштабные этапы этого процесса рассматриваются как индивидуальные стадии. При наиболее общих подходах можно ограничиться выделением двух-трех основных стадий — зарождением начальных микротрещин, их переходом к формированию очага разрушения и последующим макроразрывом [15].
Первая из стадий — зарождение микротрещин. Микротрещины образуются со скоростями, близкими к звуковым; их размеры коррелируют с размерами структурных элементов, а энергия активации зарождения микротрещин близка к энергии межатомных связей [15].
Эти закономерности позволяют рассматривать само зарождение начальной микротрещины как сложный процесс, развивающийся в несколько этапов. В силу реальной структурной неоднородности горных пород приложенная механическая нагрузка распределяется в нагруженном материале неравномерно, что выделяет некоторые микрообласти с высокими скоростями развития процесса разрушения. Тогда зарождение микротрещин происходит в наиболее напряженных микрообластях и затормаживается на границах гетерогенности за счет протекания релаксационных процессов [15].
Об ориентировании приемных антенн электрического и магнитного типа в подземных горных выработках
Согласно [37], на расстояниях, больших в сравнении с размером трещины, система зарядов может рассматриваться как диполь с переменным моментом, тогда можно принять следующее допущение.
Поскольку величина амплитуды поля, излучаемого диполем, зависит от длины излучающегося диполя /э, то по аналогии амплитуда ЭМИ-сигнала зависит от размера трещины /, с началом координат в ее носике, и координатами в,ги р, направленными следующим образом. Координата г соответствует направлению движения трещины, в и (р — меридиональный и азимутальный углы сферической системы координат соответственно. В таком случае можно записать: 1 э = /,-, где 1 э — "эффективная" длина излучающего диполя, соответствующего размеру одиночной трещины.
Так как при разрушении горных пород рассматривается не одна трещина, а их ансамбль, то, принимая условие об одинаковом знаке и полярности для всех раскрывающихся трещин независимо от их пространственной ориентации [49], в формулы и (2.10), (2.11) и (2.12) вместо Гэ подставляем ]jT/;. Ц в интервале времени At. По аналогии с приведенными рассуждениями относительно определения длины эффективного диполя, оцениваем общую площадь всех трещин в объеме V. Тогда для выражения (2.14), (2.16) вместо SM подставляем п St, т. е. площади всех раскрывшихся трещин.
Таким образом, выбор механизма формирования очагов разрушения пород вокруг подземных горных выработок в виде возникающей системы "субпараллельных" трещин позволяет моделировать сопутствующее ЭМИ при их зарождении и росте в виде простой суперпозиции ЭМИ-сигналов от элементарных диполей электрического и магнитного типов. 2.2. Об ориентировании приемных антенн электрического и магнитного типа в подземных горных выработках
В условиях подземных горных выработок, когда источник излучения моделируется системой "субпараллельных" трещин (ориентированных, например, вдоль наибольшего главного напряжения) в виде множества одиночных диполей, тогда их можно свести к одному - "эффективному" и аппроксимировать в сферической системе координат точечным источником с началом, совмещенным с его центром.
В этом случае целесообразен переход от сферической системы координат к декартовой, когда можно рассматривать направления диполей в горизонтальной плоскости соосно и ортогонально оси выработки, а также перпендикулярно горизонтальной плоскости. Согласно [50], именно электрическая Ez -компонента электромагнитного поля нормальная к поверхности земли, рассматривается как наиболее практически значимая, поскольку линейно зависит от модуля тензора напряжений.
Необходимо получить математические выражения для определения электрических и магнитных составляющих электромагнитного поля от очага разрушения, находящегося в массиве и аппроксимируемого источником излучения в сферических координатах, и приеме сигналов в условиях подземных горных выработок и ориентации приемных антенн в декартовых координатах в горизонтальной плоскости, когда ось у соосна оси выработки, ось х — ортогональна ей, и вертикальной плоскости, когда ось z направлена вертикально вверх.
Пусть, очаг разрушения, аппроксимируемый источником электромагнитного излучения, в виде трещины или системы трещин расположен в зоне предполагаемой дезинтеграции в массиве горных пород на некотором расстоянии от стенки горной выработки, где ОМ— расстояние от центра очага разрушения до точки наблюдения М.
Обозначения координатных осей (а) при переходе от сферической системы координат к декартовой: (д:, у, z) — декартовы координаты точки М; (г, 0, р) — сферические координаты этой же точки; (X, Y,Z) — проекции вектора ОМ на оси декартовой системы; г — расстояние точки М от начала координат О; р — угол между положительным направлением оси ОХ и вектором ОР (проекцией вектора ОМ на плоскость XOY), отсчитываемый против часовой стрелки; в — угол между положительным направлением оси Oz и вектором ОМ (отсчитывает-ся от оси Oz вниз); б - выработка круглого сечения расположена соосно оси у, параллельно плоскости земли
Из рис. 2.3 можно легко найти связь между декартовыми и сферическими координатами для трещины (или системы трещин в виде "нитей") с носиком, расположенным в центре координатных осей в направлении точки М: х = р cos (р = г sin в cos (р j = y0sin = rsin#sin# (2.18) z = rcos#. Здесь (х, у, z) — декартовы координаты для точки М; (X, Y,Z) — проекции вектора ОМ на оси декартовой системы; (г, р, 9) — сферические координаты этой же точки; г — расстояние точки М от начала координат в пространстве; (р — угол между положительным направлением оси ОХ и вектором ОР (проекцией вектора ОМ на плоскость XOY), отсчитываемый против часовой стрелки; в — угол между положительным направлением оси OZ и вектором ОМ, отсчитываемый от оси OZBHH3. Из уравнения (2.18) следует: г = sjx2 + y2 + z2 , р = л/х2 + у2 a z z X X ? ) 7 r xl + yz + zl ссь#? r— P Vх +У . Q p л/х2 + у2 sinfl = —= і ,r -Jx2 + y2 + z2 -У - У sm p ,_ _P Jx2 + y2 (2.19) На рис. 2.4. показаны базисные векторы декартовой и сферической систем координат. Рис. 2.4. Иллюстрация направления базисных (единичных) векторов декартовой и сферической систем координат: 1Г — направлен по радиусу ОМ; 1в — по касательной к меридиану вниз; / — по касательной к параллели против часовой стрелки (вектор 19 параллелен плоскости XOY)
Здесь (lx,ly,lz) — базисные векторы декартовой системы координат, направленные по осям OX, OY и OZ декартовой системы. Векторы имеют единичную длину и взаимно ортогональны; (1Г, 1д, /р) — базисные векторы сферической системы, также единичные и взаимно ортогональны.
Анализ потерь электромагнитной энергии от очага разрушения до приемника
Рассмотрим теперь виды потерь энергии электромагнитного излучения W3ym, помимо отмеченных в гл. 2, возможность их учета и сведения к минимуму при регистрации сигналов приемной антенной (рис. 3.1а).
Кроме потерь энергии на затухание Wcv за счет прохождения в среде с электрическими параметрами у, є имеют место потери энергии на диссипацию в массиве (переход из электромагнитной в тепловую) — WA, которые на 2 порядка меньше первых [53], поэтому в дальнейшем анализе исключаем их из рассмотрения. Оставшаяся часть мощности - Wnc, несет полезную информацию (например, признаки ЭМИ-излучения, свидетельствующие о приближении критической стадии разрушения), регистрируемую на входе приемной антенны. Тогда можно записать: .а ЭМИ- ср, (3-І)
Далее необходимо оценить потери энергии за счет несогласованности электрических характеристик антенны и массива горных пород, в основном, входного сопротивления антенны и величины комплексной диэлектрической проницаемости среды [70]. Эту оценку называют коэффициентом согласования электрических характеристик антенны с электрическими параметрами массива — та, который при оптимальном согласовании принимает значение, близкое к 1. В этом случае мощность на входе антенны может быть записана [145, 146]: ,а = п.с. а- (3.2) » 107 Кроме того, необходимо учесть потери мощности в самой антенне, которые можно оценить в виде соотношения величин мощности на ее входе и выходе. Их обозначают т]л и называют коэффициентом полезного действия антенны [145]: (3.3) W =W -л "вых.а "вх.а /а" Рассмотрим вопросы обеспечения оптимальных условий приема ЭМИ-сигналов с помощью антенн. Для этого представим выражение для величины мощности на выходе антенны с учетом (3.2) и (3.3): вЬС,а= п.с.- а а- (3-4)
Выражение (3.4) позволяет учесть основные виды потерь мощности в антенне при передаче ее к приемнику (рис. 3.16).
Рассмотрим, в какой зависимости находятся входное сопротивление антенны, зависящее от электрических параметров самой антенны и окружающего ее массива, и коэффициент та - согласования антенны с массивом горных пород. Известно, что для согласования генератора (с действующим значением єг — заданной эквивалентной ЭДС [147], внутренним сопротивлением активного характера Rr) и приемной антенной коэффициент согласования выбирают таким, чтобы "обеспечить наилучшую схему связи, исходя из задачи передачи в антенну заданной мощности при высоком КПД перехода энергии из генератора в антенну". В этом случае коэффициент согласования можно найти из соотношения мощностей в антенне и генераторе [233].
Эквивалентная схема для согласования входного сопротивления антенны с электрическими параметрами массива: эш — электродвижущая сила источника ЭМИ; Лмгп — активная составляющая входного сопротивления массива; ZBX а — комплексная величина входного сопротивления антенны
Тогда, считая по аналогии, что очаг разрушения в массиве горных пород можно представить в виде источника электромагнитной энергии с действующим значением єзш и внутренним сопротивлением активного характера Rum, антенну в обозначениях рис. 3.2 представляем с входным сопротивлением ZBxa, которое в общем случае является комплексным [145]: в,а=Лв,а+ 8,а Ом, (3.5) где (3.6) Явх.а=Явых.а+Яп 0м Здесь Rn сопротивление потерь в антенне. По этой схеме мощность, поступающая в антенну без учета затухания ее в среде, записывается так: ,а=И4а ЭМИ вх.а ( МГП+ ха) +( МГП+ вх.аУ -,Вт. (3.7) 109 В исследуемом диапазоне частот Х, = 0, кроме того, при согласовании антенны с массивом должно выполняться соотношение Хт а = О. Тогда без учета реактивных компонент комплексных сопротивлений в среде и антенне можно записать: К, а = Ямгп; И;х.а = Имгп так что ші= ,Вт. (3.8) 4-Кмгп Поэтому для коэффициента согласования активного сопротивления антенны с активной компонентой комплексного сопротивления массива горных пород получим: " a =7 -= 77—5-. (3.9) "вх.а МГП вх МГП ( МГП+ ,а)2+ ,а Обычно для увеличения wa реактивное сопротивление антенны компенсируют реактивностью другого знака. Для этого случая коэффициент согласования (та) примет вид: тл= -. (ЗЛО)
Из этой формулы видно, что коэффициент согласования может быть достаточно большим {т « 1), если приблизить величину активного сопротивления антенны к величине активной составляющей комплексного сопротивления массива горных пород: Я л « мщ. Этого можно достичь изменением, прежде всего, конструктивных характеристик антенн, а также разработкой специальных согласующих устройств, чему будут посвящены последующие разделы настоящей главы.
Перейдем теперь к анализу параметров, входящих в коэффициент полезного действия (КПД) антенны. КПД антенны, как было показано выше, зависит от соотношения мощностей на выходе и входе приемной антенны или, что одно и тоже, от соотношения между сопротивлением потерь на выходе антенны i?gbIX а и сопротивлением потерь в проводе антенны R [146]:
Структура и характеристики автоматизированных систем контроля - АСК
Известно, что относительно высокий процент собственных потерь для магнитных антенн, выполненных в виде рамок, обусловлен небольшими величинами ее входного сопротивления, і?вХЛ , которое для одновитковых рамок составляет доли Ом, а в некоторых случаях сопротивление излучения оказывается даже несколько меньше сопротивления собственных потерь [146,150].
Для повышения эффективности работы таких антенн следует стремиться увеличить их входное сопротивление, причем так, чтобы собственное сопротивление потерь возрастало в меньшей степени. Одним из известных методов увеличения входного сопротивления рамок является увеличение числа их витков. Хотя это и увеличивает собственные потери в п раз, входное сопротивление такой антенны возрастает в п2 раз [88, 94, 102].
Поскольку, как показано выше [146], входные сопротивления магнитных антенн имеют очень малые значения, то имеется реальная необходимость для их увеличения. Ниже предлагается рассмотреть еще один способ увеличения сопротивления излучения рамок, работающих в цилиндрических диэлектрических полостях, разработанный с участием автора настоящей работы. Идея этого способа в том, чтобы увеличивать площадь витка рамки за счет увеличения ее длины [152]. Основываясь на этом, сформулируем следующую задачу.
Определить входное сопротивление рамочной антенны, представляющей собой отрезок двухпроводной линии с расстоянием между проводами h, симметрично расположенной в выработке или скважине радиусомр (рис. 3.5) с диэлектрической проницаемостью є0, которая окружена полупроводящей горной породой с параметрами ек.
При этом полагаем, что прием сигналов ЭМИ в подземных выработках происходит в диапазоне частот до -300 кГц, что соответствует, как было показано в 2.3, условиям квазистационарности: tg 5»1, br«\, \єк\»\є0\, Я0»р»к. При этом рамка должна быть выполнена из тонких проводов h»r0,(r0 — радиус провода рамки, Я0 — длина волны в воздушной полости).
При решении задачи будем исходить из того, что входное сопротивление связано, главным образом, с потерями в ближней зоне [150, 151, 152]. Тогда можно использовать теорию длинных линий, согласно которой входное сопротивление антенны равно [36]:
В условиях квазистационарности, согласно [36], электрические и магнитные поля можно считать непосредственно не связанными, относя каждое из этих полей к зарядам (электрическое) или к токам (магнитное). Поэтому расчет удельных (погонных) величин L0 и С0 можно проводить отдельно, не связывая их друг с другом.
Отсюда следует, что удельная индуктивность в рассматриваемом приближении не зависит от внешней среды, поскольку ее магнитная проницаемость такая же, как и в скважине. Ршыми словами, величину L0 можно найти по формуле для удельной индуктивности линии в воздухе [36].
Что касается величины С0, то она будет существенно зависеть от внешней среды в скважине, поскольку диэлектрическая проницаемость внешней среды является комплексной, равно как и величина С0. Как видно из формулы (3.19), именно мнимой компонентой С0 будет обусловлено появление в величине входного сопротивления активной составляющей, имеющей смысл искомого входного сопротивления. Первый член в (3.19) — индуктивное сопротивления антенны, которым бы она обладала в отсутствие внешней среды. Второй член дает некоторую поправку к реактивному сопротивлению, определяемому вещественной составляющей С0. 118 Следовательно, задача определения входного сопротивления антенны сводится к расчету погонной емкости С0, а именно: ее мнимой компоненты, которая обусловлена потерями во внешней среде.
Решение задачи. Для расчета С0, согласно [151] зададим на проводах заряды противоположного знака с удельной плотностью Ре и - Ре и рассчитаем напряжение между проводами. Для этого предполагаем, что поле скалярного комплексного потенциала внутри скважины — (рх, а во внешней среде — (рг. Пусть потенциал р2 во внешней среде по структуре совпадает с потенциалом рассматриваемой линии, на которой находятся некоторые заряды Р е и -Р[. Для такой двухпроводной линии, как известно [151], можно записать: p2=-5 hA, (3.20) 2жєк rx в обозначениях, указанных на рис. 3.5. Для внутренней области (диэлектрическая полость) предположим, что поле представляет сумму поля рассматриваемой линии и однородного поля Ех, направленного вдоль оси х и обусловленного влиянием среды: q x =- -\xfi Exrcos9. (3.21) 2яє0 rx На границе раздела двух сред — воздушной полости и окружающей ее горной породы должны выполняться граничные условия:
Таким образом, входное сопротивление длинной рамочной антенны возрастает пропорционально 3-ей степени ее длины и, следовательно, длина антенны позволяет несколько быстрее увеличить значение RBXM, чем число витков в ней, если задать длину провода постоянной. По этой причине целесообразен следующий порядок разработки и конструктивного выполнения рамочной антенны. Вначале следует выбрать максимально возможную длину антенны, исходя из условий эксплуатации. Затем нужно подобрать число витков таким, чтобы входное сопротивление антенны і?вХ м достигло величины, позволяющей произвести удовлетворительное согласование со средой и обеспечить необходимый КПД антенны.
На основании полученных результатов был разработан способ согласования активной составляющей входного сопротивления антенны с параметрами массива горных пород, основанный на изменении соотношений длины антенны, расстоянием между ее проводами и радиусом воздушной полости (получен патент на изобретение [247]).
Похожие диссертации на Разработка метода и измерительных средств диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии
