Физические основы и реализация метода электромагнитной эмиссии для мониторинга и краткосрочного прогноза изменений напряженно-деформированного состояния горных пород
Стр.
Введение………………………………………………………………………………………… 8
Глава 1. Анализ состояния изученности электромагнитной эмиссии диэлектрических
твердотельных материалов и горных пород. Постановка задач
исследований…………………………………………………………………….… 19
1.1. О механизмах генерирования электромагнитных сигналов
диэлектрическими твердотельными материалами и горными породами……… 19
1.2. Анализ моделей генерации электромагнитного сигнала……………………… 25
1.2.1. Дислокационная и электронная модели генерации электромагнитных
сигналов…………………………………………………………………………….. 26
1.2.2. Разрядная модель генерации электромагнитных сигналов……………………….. 27
1.2.3. Модель генерации электромагнитных сигналов движущейся вершиной
трещины……………………………………………………………………………. 27
1.2.4. Модель генерации электромагнитных сигналов при колебании плоскостей
трещин (модель «конденсатора»)……………………………………………………….. 28
1.3. Закономерности изменения параметров электромагнитных сигналов…………… 30
1.4. О механизмах разрушения горных пород…………………………………………. 35
1.5. Связь характеристик акустической и электромагнитной эмиссий при
механическом воздействии……………………………………………………….. 39
1.6. Об использовании метода инфракрасной радиометрии………………………… 41
1.7. Постановка задачи исследования…………………………………………………. 44
Глава 2. Горно – геологическая характеристика Таштагольского железорудного
месторождения…………………………………………………………………….. 46
2.1. Описание железорудного Таштагольского месторождения и характеристика
тектонических нарушений………………………………………………………… 46
2.2. Гидрогеологическая характеристика месторождения………………………….. 49
2.3. Физико-механические свойства пород и руд Таштагольского
месторождения…………………………………………………………………….. 50
2.4. Условия формирования горного удара…………………………………………….. 53
2.5. Электрические и магнитные свойства горных пород Таштагольского
железорудного месторождения…………………………………………………… 54
Глава 3. Методы и аппаратура исследования горных пород в лабораторных и
натурных условиях………………………………………………………………… 59
3.1. Применяемые методы исследования……………………………………………… 59
3.2. Методы и аппаратура исследования параметров электромагнитных сигналов
в лабораторных экспериментах…………………………………………………… 61
3.2.1. Стенд для исследования электромагнитной активности образцов горных
пород при акустическом возбуждении…………………………………………… 62
3.2.2. Схемы электромагнитного приемника и повторителя напряжения……………. 65
3.2.3. Возбуждение акустических импульсов ударом шарика………………………… 66
3.2.4. Стенд для комплексных исследований параметров электромагнитных
сигналов и характеристик электромагнитной эмиссии при развитии процесса
разрушения образцов горных пород……………………………………………… 69
3.3. Методика и аппаратура для измерения процессов инфракрасного свечения
отверстий в горных породах……………………………………………………… 73
3.4. Методика и аппаратура для измерения субмикронных частиц при
деформировании горных пород до разрушения…………………………………. 74
3.5. Метод и применяемая аппаратура для измерения поверхностного
заряда………………………………………………………………………………. 76
3.6. Автономные регистраторы электромагнитных и акустических сигналов для
исследования электромагнитной и акустической эмиссий в лабораторных
экспериментах и в натурных условиях рудных месторождений……………… 77
3.6.1. Развитие регистраторов электромагнитных сигналов…………………………. 78
3.6.2. Автономный регистратор электромагнитных и акустических сигналов
РЭМС1……………………………………………………………………………… 83
3.6.2.1. Основные принципы построения аппаратно-программного регистратора
РЭМС1……………………………………………………………………………… 83
3.6.2.2. Датчики, используемые в регистраторе…………………………………………. 85
3.6.2.3. Функциональная схема регистратора РЭМС1…………………………………… 88
3.6.2.4. Порядок работы и назначение элементов блока сбора информации
БИС…………………………………………………………………………………. 90
3.6.2.5. Технические характеристики аппаратно-программного регистратора
РЭМС1……………………………………………………………………………… 93
3.6.3. Автономный регистратор электромагнитных и акустических сигналов
РЭМАС1……………………………………………………………………………. 94
3.6.3.1. Состав амплитудно-частотного регистратора РЭМАС1………………………… 96
3.6.3.2. Математическая обработка данных измерений…………………………………. 99
3.6.3.3. Апробация регистратора РЭМАС1 в шахтных условиях Таштагольского
месторождения…………………………………………………………………….. 101
3.7. Общие схемы применяемых методов для исследования электромагнитной
эмиссии образцов гетерогенных диэлектрических материалов и горных
пород………………………………………………………………………………… 105
3.8. Выводы по главе 3…………………………………………………………………. 107
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования электромагнитной
эмиссии образцов гетерогенных диэлектрических структур и горных пород… 109
4.1. Особенности поляризации некоторых минералов и горных пород……………. 110
4.2. Распределения зарядов на поверхности образцов горных пород…………………. 112
4.3. Электромагнитная эмиссия поляризованных кальцитов при акустическом
возбуждении……………………………………………………………………….. 121
4.4. Влияние постоянных электрических и магнитных полей на параметры
электромагнитных откликов при акустическом возбуждении образцов
горных пород……………………………………………………………………….. 131
4.4.1. Влияние постоянного электрического поля на параметры электромагнитных
откликов при акустическом возбуждении образцов горных пород……………. 131
4.4.2. Закономерности изменения амплитуды электромагнитных откликов горных
пород на акустическое воздействие при увеличении постоянного магнитного
поля…………………………………………………………………………………. 135
4.5. Влияние слоистости горных пород на параметры электромагнитных
сигналов…………………………………………………………………………….. 141
4.5.1. Математическое моделирование влияния слоистости материала на
параметры электромагнитных сигналов………………………………………… 141
4.5.2. Физическое моделирование влияния слоистости материалов на параметры
электромагнитных сигналов при акустическом воздействии………………….. 147
4.5.2.1. Двухслойная система на примере образцов сиенита и кварца………………… 147
4.5.2.2. Трехслойные модельные системы со вставками, имеющими разный
акустический импеданс……………………………………………………………. 155
4.5.2.3. Параметры электромагнитных сигналов при акустическом возбуждении
многослойных горных пород на примере образцов серпентинита……………. 161
4.5.3. Электромагнитные сигналы контакта солевых растворов с образцами горных
пород при акустическом возбуждении…………………………………………… 167
4.6. Закономерности изменения параметры электромагнитных сигналов реальных
образцов горных пород при акустическом возбуждении………………………. 177
4.7. Мониторинг разрушения образцов горных пород по параметрам
электромагнитных сигналов………………………………………………………. 186
4.7.1. Исследования влияние прочности образцов магнетитовой руды на параметры
электромагнитного сигнала при акустическом возбуждении в процессе
одноосного сжатия………………………………………………………………… 187
4.7.2. Мониторинг разрушения образцов горных пород по параметрам и
характеристикам электромагнитной эмиссии…………………………………… 193
4.7.3. Связь токов поляризации и электромагнитной эмиссии горных пород с их
электрическими и магнитными свойствами…………………………………….. 207
4.7.4. Отслоение микрочастиц при развитии разрушения образцов горных
пород………………………………………………………………………………… 215
4.7.5. Инфракрасное свечение при разрушении образцов горных пород……………… 217
4.8. Выводы по главе 4…………………………………………………………………… 224
Глава 5. Экспериментальные исследования электромагнитной эмиссии массивов
горных пород………………………………………………………………………. 231
5.1. Методы определения мест установки регистраторов электромагнитной и
акустической эмиссии…………………………………………………………….. 232
5.1.1. Метод импульсного электромагнитного профилирования……………………. 232
5.1.2. Инфракрасная радиометрия скважин и их окрестностей……………………….. 237
5.2. Исследования характеристик электромагнитной эмиссии до взрыва, во время
его проведения и в период релаксации возбужденного состояния массива
горных пород ……………………………………………………………………… 245
5.3. Сезонные исследования электромагнитной эмиссии горного массива при
проведении технологических взрывов…………………………………………… 260
5.3.1. Весенний сезон с 23.04. по 29.04.2015 года……………………………………… 261
5.3.2. Летний сезон с 16.06. по 25.06.2015 года………………………………………… 262
5.3.3. Осенний сезон с 26.08. по 03.09.2015 года………………………………………. 264
5.3.4. Зимний сезон с 08.12. по 16.12.2015 года………………………………………… 265
5.4. Связь параметров и характеристик электромагнитной эмиссии с
сейсмическими наблюдениями…………………………………………………… 269
5.4.1. Распределение геодинамических событий в шахтном поле рудника после
массового технологического взрыва……………………………………………… 270
5.4.2. Амплитудно-частотные спектры электромагнитных сигналов горных пород в
шахтном поле рудника после массового технологического взрыва…………… 274
5.4.3. Исследование связей амплитудно-частотных параметров электромагнитных
сигналов с сейсмическими наблюдениями разной интенсивности…………… 278
5.5. Моделирование медленно изменяющихся амплитудных параметров
электромагнитной эмиссии……………………………………………………….. 288
5.6. Выводы по главе 5…………………………………………………………………. 298
Глава 6. Комплексная система мониторинга и краткосрочного прогноза изменений
напряженно-деформированного состояния массива горных пород по
параметрам и характеристикам электромагнитной и акустической эмиссий,
включая инфракрасное свечение скважин………………………………………. 301
6.1. Обобщенная схема механоэлектрических преобразований в горных породах
на этапах подготовки разрушения……………………………………………….. 301
6.2. Разработка макета информационной системы для контроля и прогноза
состояния горных массивов в процессе формирования и проявления
геодинамических событий………………………………………………………… 305
6.2.1. Взаимодействие программы с регистраторами РЭМАС1 по сети передачи
данных…………………………………………………………………………………… 306
6.2.2. Разработка и исследование макета информационной системы для контроля и
прогноза состояния горных массивов в процессе формирования и проявления
геодинамических событий………………………………………………………… 312
6.2.3. Алгоритм и схема проведения мониторинга и краткосрочного прогноза
изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород
по параметрам и характеристикам электромагнитной и акустической
эмиссий, включая инфракрасное свечение скважин……………………………. 317
6.3. Определение развития деструктивных зон. Математическое моделирование
обнаружения предвестников разрушения горных пород на этапе принятия
решений диспетчером с использованием временных рядов параметров
электромагнитных сигналов……………………………………………………… 320
6.3.1. Модельное представление электромагнитного сигнала. Постановка задачи
поиска предвестников геодинамического события……………………………… 323
6.3.2. Алгоритм выявления предвестников геодинамического события……………… 324
7. Заключение………………………………………………………………………… 332
8. Список сокращений и условных обозначений…………………………………… 344
9. Список терминов……………………………………………………………………. 346
10. Список литературы………………………………………………………………… 348
11. Приложение А: Данные сейсмостанции «Таштагольская» с момента 377
массового технологического взрыва 05 февраля 2017 года…………………….
12. Приложение Б: Копии диплома, патента и свидетельств для ЭВМ – 9 шт……. 380
13. Приложение В: Копии актов внедрения – 3 акта………………………………… 392
Актуальность темы. В горном деле величина и распределение напряженно-
деформированного состояния (НДС) массива горных пород относится к основополагающим
факторам, определяющим закономерности развития геомеханических процессов, таких как
геодинамические явления, сдвижение и деформирование горных пород и земной поверхности в
области влияния разработки месторождения [1-3]. Формирование напряженного состояния
массивов (или участков земной коры) в подземных рудниках происходит в определенных
тектонофизических условиях взаимодействия полезного ископаемого с вмещающими
породами, физико-механические свойства которых отличны от свойств образовавшейся
структуры. Проявления горного давления в динамической форме вызываются комплексным
влиянием целого ряда природных и техногенных факторов, среди которых в разной степени
присутствуют как способствующие, так и локализующие. Превалирующее влияние
неблагоприятных факторов вызывает горные удары и другие геодинамические проявления [2-
5].
Известно, что в тектонически и сейсмически активных районах Алтай-Саянской
складчатой горной области ведется разработка ряда крупных железорудных месторождений:
Таштагольского, Шерегешского, Казского, Тейского, Абазинского и др. При горных работах
возникают катастрофические сейсмические и динамические явления в форме техногенных
землетрясений, ударов горно-тектонического типа, обрушения больших масс горных пород.
Крупные проявления горного давления в динамической форме периодически или спонтанно
происходят на рудниках Горной Шории и Хакасии, в угольных шахтах Кемеровской области.
Ситуация усугубляется тем, что по мере разработки месторождений увеличивается глубина
добычи полезных ископаемых и, как следствие, увеличивается горное давление в местах
проведения работ. Кроме того, в некоторых горнорудных предприятиях отработка рудных
запасов осуществляется под реками и другими водоемами, что приводит к созданию в массиве
зон, опасных и по 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 и в зонах
интенсивного развития туризма. В связи с этим для успешного развития горнопромышленных
комплексов Сибири весьма важным является сохранение сплошности земной поверхности,
недопущение ее значительных деформаций, предупреждение появления динамически опасных
зон и ограничение влияния уже имеющихся очагов возникновения сейсмических и
динамических явлений.
По данным Алтай – Саянского филиала Геофизической службы СО РАН за последние 15
лет возросло количество геодинамических проявлений по мере увеличения в районах
разработки и добычи полезных ископаемых. Это обстоятельство влечет за собой существенные
экономические затраты на восстановление шахт и техники, а также человеческие жертвы. В
большей мере геодинамические проявления обусловлены техногенной сейсмичностью, так как
в шахтах и на разрезах производят массовые технологические взрывы с зарядом до 300 тонн
взрывчатого вещества (ВВ) [4-10]. Крупные технологические взрывы по обрушению рудных
блоков на железорудных месторождениях также сопровождаются мощными динамическими
явлениями. Взрывы вызывают индуцированную и триггерную сейсмичность в зонах отработки
полезных ископаемых [5-10]. Так, например, в 2017 году по данным того же филиала
Геофизической службы СО РАН на территории Кемеровской области за 11 месяцев произошло
8349 сейсмических событий, в том числе произведено 7264 промышленных взрыва. По
сравнению с 2016 годом это на 1080 сейсмических событий больше, а количество
промышленных взрывов увеличилось на 489.
В последнее время в связи с увеличением глубины добычи руды даже меньшие по
мощности технологические взрывы могут иметь неблагоприятные последствия за счет
высвобождения накопленной в породном массиве энергии. 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 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 одним из перспективных методов мониторинга и контроля
изменений НДС горного массива и прогноза геодинамических событий, в том числе в шахтном
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (25 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
5 (285 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
4.5 (9 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4.7 (18 отзывов)
