Использование электромагнитных волн экстремально низкочастотного диапазона для аварийной связи в шахтах

УДК 621.396.945, 550.837.6

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЭКСТРЕМАЛЬНО НИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ АВАРИЙНОЙ СВЯЗИ В ШАХТАХ Е.Д. Терещенко, В.А. Любчич, А.Н. Миличенко, С.В. Пильгаев

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Аннотация

Обсуждается возможность организации в шахтах аварийной связи в экстремально низкочастотном (ЭНЧ) диапазоне. В первой части статьи описан эксперимент по регистрации на поверхности Земли сигнала, излученного мобильным маломощным источником электромагнитных волн ЭНЧ-диапазона из подземной выработки рудника «Баренцбург» на архипелаге Шпицберген. Во второй части проведен анализ результатов трехмерного моделирования геоэлектрических неоднородностей среды и показано, что наличие высокопроводящих аномальных объектов, например, таких как тонкий угольный пласт, может приводить к многократному увеличению измеряемых амплитуд магнитного поля.

Ключевые слова:

аварийная связь в шахтах, мобильный генератор ЭНЧ-диапазона, вертикальный магнитный диполь, метод сеточной аппроксимации, угольный пласт.

Введение

Вопросы обеспечения связи в подземных выработках имеют очень важное значение в эффективной организации производственного процесса в рудниках и шахтах, а в случае возникновения чрезвычайных ситуаций наличие аварийной связи может сыграть исключительную роль при проведении спасательных работ. В настоящее время практически во всех шахтах используется телефонная связь, преимуществами которой являются дешевизна и простота обращения, а основным недостатком - низкая мобильность, ограниченная количеством и местоположением телефонных аппаратов. В последние годы на некоторых рудниках ОАО «Норильский никель» внедрялись новые высокотехнологичные системы радиосвязи, основанные на применении излучающего кабеля МСА 1000 [1]. Излучающий кабель представляет собой коаксиальный радиочастотный кабель, во внешнем проводнике которого имеются отверстия, вследствие чего высокочастотное электромагнитное поле распространяется не только внутри, но и снаружи кабеля. Такой кабель одновременно с трансляцией сигналов играет роль приемопередающей антенны, что позволяет организовать устойчивую радиосвязь на удалении от 20 до 100 м от излучающего кабеля. Использование подобного оборудования значительно повышает мобильность связи в шахтах и эффективность организации различных производственных процессов в подземных выработках. Однако общим недостатком как телефонной связи, так и радиосвязи на базе излучающего кабеля является наличие разветвленных кабельных сетей, весьма уязвимых в случае возникновения аварийных ситуаций. Поэтому представляется целесообразным использовать в подобных случаях мобильные, переносные средства радиосвязи в ЭНЧ-диапазоне, от 3 до 300 Гц. С целью изучения возможности зарегистрировать на поверхности Земли сигнал, излученный маломощным источником электромагнитных волн ЭНЧ-диапазона, находящимся в подземной выработке шахты, сотрудниками Полярного геофизического института КНЦ РАН в 2011 г. был проведен эксперимент на руднике «Баренцбург» на арх. Шпицберген. В первой части данной статьи приводятся краткие технические характеристики применявшейся аппаратуры и описание эксперимента. Вторая часть работы посвящена теоретическому объяснению полученных экспериментальных данных.

Описание эксперимента по регистрации сигнала, излученного в подземной выработке шахты.

В 2011 г. на руднике «Баренцбург» ФГУП «Арктикуголь», расположенном на арх. Шпицберген, сотрудниками Полярного геофизического института КНЦ РАН был проведен специальный эксперимент. Цель эксперимента заключалась в проверке возможности

зарегистрировать на поверхности Земли сигнал ЭНЧ-диапазона от мобильного маломощного источника электромагнитного поля, расположенного в подземной выработке шахты.

Передающее устройство мощностью до 300 Вт представляет собой программноаппаратный комплекс, состоящий из задающего генератора гармонических сигналов, системы управления, усилителя мощности, автономного источника питания 12 В, измерителя тока и рамочной антенны. Блок-схема передающего устройства приведена на рис. 1. Специально разработанная программа управления задающим генератором позволяет работать в двух режимах - ручном и автономном. В ручном режиме задается частота сигнала в диапазоне от 1 до 250 Гц, выходное напряжение, производится запуск и остановка генерации. В автономном режиме программируется расписание работы генератора, состоящее из набора используемых частот, интервалов времени генерации на данных частотах, выходных напряжений. После подключения питания устройство автоматически переходит на циклическое выполнение заданной программы. Гармонический сигнал с задающего генератора поступает на усилитель мощности, на выходе которого формируется синусоидальное напряжение в пределах от 0.1 до 36 В, что позволяет создать в рамочной антенне ток до 20 А. Ток в рамке определяется с помощью измерителя на основе датчика Холла. Конструктивно передающее устройство расположено в герметичном пластмассовом кейсе, обеспечивающем высокую мобильность и безопасность работы в условиях шахты. Масса комплекта аппаратуры составляет 6 кг. Рамочная антенна выполнена из одножильного медного кабеля длиной 100 м. Количество витков и средний диаметр рамки определяются доступными размерами горной выработки в месте генерации сигнала и выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную суммарную площадь рамочной антенны.

Рис. 1. Блок-схема передающего устройства: СУ - система управления, Г - задающий генератор, УМ - усилитель мощности, ИТ - измеритель тока в петле, Ак - аккумулятор 12 В,

А - рамочная антенна

При проведении эксперимента передающее устройство располагалось на горизонте +60, что соответствует высоте 53.5 м над уровнем моря, высота местности в данной точке составляет 150 м. Рамочная антенна имела два витка и была развернута на развилке железнодорожных путей таким образом, что стороны получившейся треугольной петли имели длины 15, 11 и 13 м. Генерация сигнала производилась на четырех частотах: 10.9, 36.7, 76.2 и 159.4 Гц, сила тока в рамочной антенне составляла 16.1, 15.8, 13 и 10.4 А соответственно. Продолжительность сеансов излучения электромагнитного поля варьировалась от 6 до 15 минут.

Регистрация сигнала производилась трехкомпонентным индукционным магнитометром с полосой пропускания от 0.1 до 200 Гц, расположенным в радиофизической обсерватории «Баренцбург» Полярного геофизического института на расстоянии 3.4 км к северу от точки генерации электромагнитного поля. Высота местности здесь составляет 105 м над уровнем моря. Вертикальный и два горизонтальных магнитных датчика имеют взаимно ортогональную ориентацию, ось Х направлена вдоль магнитного меридиана. Аналоговые сигналы с датчиков

2.0Е-1

1.0Е-1 -

О.ОЕ+О

Р£, (мкА/м) /Гц

—г-

36

—і—

37

2.0Е-1

1.0Е-1

О.ОЕ+О

Р1\ (мкА/м) Гц

№

2.0Е-2

1.0Е-2 -

О.ОЕ+О

Рґ. (мкА/м) Яц

оцифровываются 22-битным АЦП с частотой дискретизации около 514 Гц, после чего оцифрованные данные сохраняются на компьютере [2].

Для анализа временных рядов геофизических данных используется метод Уэлча, основанный на дискретных преобразованиях Фурье измеренных сигналов [3]. В результате обработки временных рядов по методу Уэлча получаются оценки спектральной плотности мощности сигнала с учетом

влияния шума, по которым вычисляются значения амплитуд сигналов в единицах АЦП на требуемых частотах. На рис. 2 приведены графики спектральной плотности мощности для вертикальной компоненты магнитного поля Иг в окрестностях частот генерации электромагнитного поля. Как видно из графиков, полезный сигнал уверенно выделяется среди шума. Отношение мощности сигнала к мощности шума для вертикальной компоненты Иг варьируется в диапазоне примерно от 10 У = 36.7 Гц) до 170 (У = 76.2 Гц), для интервала накопления сигнала 60 секунд. Приблизительно такие же значения отношения мощности сигнала к мощности шума характерны и для горизонтальной компоненты Нх. Для другой горизонтальной компоненты магнитного поля Ну это отношение заметно ухудшается и меняется в пределах от 2 (У = 36.7 Гц) до 25 (У = 159.4 Гц), что можно объяснить геометрией эксперимента, а именно, взаимным расположением точек генерации и приема сигнала в пространстве и ориентацией магнитных датчиков измерительной аппаратуры. Полученные значения амплитуд сигналов в единицах АЦП переводятся по калибровочным кривым в напряженности магнитного поля.

Таким образом, проведенным экспериментом было показано, что электромагнитные волны ЭНЧ-диапазона, излученные мобильным маломощным генератором из подземной выработки шахты, могут быть надежно зарегистрированы на поверхности Земли на расстоянии нескольких километ-ров от источника поля.

£Гц

Рис. 2. Графики спектральной плотности мощности Р/ для вертикальной компоненты магнитного поля Иг в окрестностях частот генерации электромагнитного поля, интервал накопления сигнала Т = 60 с

2. Обсуждение результатов эксперимента

Так как линейные размеры рамочной антенны пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием от генератора до приемника, то источник электромагнитного поля можно представить как вертикальный магнитный диполь с соответствующим дипольным моментом М = /2, где I - сила тока в петле, Q - суммарная площадь витков рамочной антенны. Нормальное поле от вертикального магнитного диполя, погруженного в нижнее полупространство на глубину к, вычисляется по формулам [4]:

а дл,

н о х --

дх дг

и = _±А

0 у ду дг

щ — -к2л +д~л-

0 г г ^2

где Az - магнитный вектор-потенциал, k - волновое число, а - круговая частота генерируемого поля, л - магнитная проницаемость, а - электропроводность среды. Магнитный вектор-потенциал Az для случая 0<2<к (начало координат совпадает с местоположением точечного диполя, ось 2 направлена вверх) выражается формулой:

где к0 и к1 - волновые числа для верхнего и нижнего полупространств соответственно, г -горизонтальное расстояние от источника до точки наблюдения поля.

Амплитуды компонент нормального магнитного поля для набора частот генерации электромагнитных волн вычислялись для следующих значений параметров: глубина погружения вертикального магнитного диполя к = 50 м, разнос установки г = 3400 м, электропроводность Земли а = 10- См/м. Получившиеся значения амплитуд нормального поля на таких разносах оказались существенно меньше наблюденных, так вертикальные компоненты Иг различаются на порядок, а горизонтальные компоненты - на 2-3 порядка. Для частоты /= 36.7 Гц, например, амплитуды компонент наблюденного магнитного поля, нормированные на ток, составляли \Иг\ = (3.7±1.7)-10-9 А/м, \Их\ = (6.3±1.7)-10-9 А/м и \Иу\ = (1.7±0.6)-10-9 А/м, а нормального поля - \Иг0\ = 2.4-10-10 А/м, \Ихо\ = 2-10-11 А/м и \Иуо\ = 1.7-10-12 А/м.

Такие большие значения амплитуд горизонтальных компонент магнитного поля характерны для другого типа источника электромагнитного поля - заземленной длинной линии, тем более что замкнутая рамка располагалась на железнодорожных путях, которые потенциально могли повысить эффективность передающей антенны. Чтобы оценить вклад высокопроводящих элементов инфраструктуры шахты: стальных рельс, медных троллеев, кабелей и т.п., в аномальную часть наблюденного магнитного поля, в 2012 г. были проведены дополнительные исследования. На этот раз передающее устройство с замкнутой рамкой, состоящей из двух круглых витков радиуса 8 м, было расположено на поверхности Земли на расстоянии 2.5 км от индукционного магнитометра. Таким образом, инфраструктурные проводящие элементы шахтного оборудования находились на значительном удалении от антенны генератора и не могли оказывать существенное влияние на характеристики источника электромагнитного поля. Однако аномально большие значения измеренного магнитного поля по сравнению с расчетным нормальным полем наблюдались по-прежнему. Например, для частоты /= 36.7 Гц амплитуда вертикальной компоненты наблюденного поля составляла \Иг\ = (5.1 ±1.3) • 10-8 А/м, а нормального поля - \Иг0\ = 1.1 -10-9 А/м. Данный эксперимент продемонстрировал, что аномальное поле формируется из-за наличия естественной крупной проводящей неоднородности, в данном случае роль такой неоднородности может играть угольный пласт.

Для трехмерного моделирования геоэлектрических неоднородностей использовался метод сеточной аппроксимации уравнений для векторного А и скалярного р потенциалов аномального электрического поля Еа=А+ Ур [5]. Для однозначного определения векторного потенциала принята калибровка Кулона &уА=0. Данный метод основан на традиционном представлении о том, что источники аномального поля определяются избыточной проводимостью ^<гв некоторых ограниченных областях пространства. В качестве исходной для сеточной аппроксимации берется система дифференциальных уравнений, связывающих векторный А и скалярный р потенциалы аномального поля с избыточной проводимостью среды:

V Л + іа/ла(Л + Ур) — -3Е

V • (аЛ) + V • (аУ (р) — -(і а/и)V • 8Е,

где правая часть уравнений соответствует источникам аномального поля

^ = ¡а/л(а - а0 )Ё0

В качестве граничных условий для векторного и скалярного потенциалов выбраны условия Дирихле: равенство нулю потенциалов аномального поля на границе области моделирования. Для сеточной аппроксимации системы уравнений (3) вводится трехмерная прямоугольная сетка, которая разбивает пространство моделирования на отдельные ячейки - параллелепипеды. Каждой ячейке приписываются значения электропроводности а и избыточной проводимости Аа, если эта ячейка относится к аномальной области. Чтобы удовлетворить граничным условиям Дирихле, линейные размеры ячеек увеличиваются по определенному правилу по мере удаления от источников аномального поля. В результате интегрирования системы уравнений (3) по элементарным объемам ¥ц,к вокруг узлов сетки и аппроксимации дифференциальных операторов конечноразностными образуется линейная система уравнений относительно значений трех компонент векторного потенциала А,-,к(1\ 1={х,у,г} и скалярного потенциала р^гк в узлах сетки.

Полученная матрица системы линейных уравнений имеет ленточную форму с доминантной диагональю, точные выражения для элементов этой матрицы приведены в статье [5]. Для решения систем линейных уравнений с диагонально доминантной матрицей целесообразно применять итерационный метод Зейделя:

хк+1 = В-1

где хк - итерация порядка к искомого решения, Г - правая часть системы линейных уравнений, В - нижняя треугольная матрица с доминантной диагональю, С - верхняя треугольная матрица с нулевой диагональю, такие что их сумма В+С = А дает исходную матрицу системы линейных уравнений. Итерации продолжаются до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность вычислений.

Аномальное магнитное поле выражается через векторный потенциал А следующей формулой:

— -I _ —*•

Яа =

Для исследования влияния геоэлектрических неоднородностей на распространение электромагнитных волн в трехмерной гетерогенной среде была построена модель пространства, учитывающая реальные условия района проведения эксперимента. Линейные размеры области моделирования определялись расстоянием от источника электромагнитного поля до измерителя г = 3.4 км и глубиной погружения вертикального магнитного диполя от дневной поверхности Земли в этой точке к = 100 м, вследствие чего линейные размеры ячеек сетки составили Ах = Ау = 70 м по горизонтали и Аг = 5 м по вертикали. Электропроводность Земли была принята а0 = 10См/м. Наиболее существенной геоэлектрической неоднородностью в данном районе является высокопроводящий тонкий угольный пласт, в модели он представлен горизонтальной пластиной с линейными размерами Ау = 700 м, Ах = 3700 м, мощностью Аг = 5 м. Глубина залегания пластины соответствует глубине погружения вертикального магнитного диполя. Проводимость угольного пласта была принята аа = 10 см/м. Кроме того, модель учитывала наличие морских заливов к северу и западу от района проведения эксперимента, проводимость воды была принята а = 2 См/м. Глубина заливов взята 50 м. Учитывался также и рельеф поверхности Земли, высота местности снижается от 150 м в месте расположения генератора до 100 м в районе размещения магнитометра. Схема выбранной модели изображена на рис. 3.

X, м 4000

3500-

3000

2500

2000-

1500-/

1000-

Ъ, м 150100-

Y, м

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

4000

X, м

Модельные значения амплитуд компонент магнитного поля складываются из двух частей -нормального поля погруженного в нижнее полупространство

вертикального магнитного диполя и аномального поля, обусловленного проводящими неоднородностями среды. На рис. 4 представлены графики измеренных, нормальных и суммарных модельных значений амплитуд компонент магнитного поля, нормированных на ток, в зависимости от частоты генерации электромагнитных волн. Из графиков кривых видно, что влияние высокопроводящих аномальных

объектов, таких как тонкий угольный пласт, может увеличивать амплитуды компонент магнитного поля на порядок величины для вертикальной составляющей Иг и на один-два порядка для горизонтальных составляющих поля по сравнению с нормальными значениями. Например, для частоты / = 36.7 Гц амплитуды компонент нормального магнитного поля составляли \Иг0\ = 2.4-10-10 А/м, \Ихо\ = 2-10-11 А/м и \Иу0\ = 1.7-10-12 А/м, суммарные значения,

учитывающие вклад аномального поля, составляли уже соответственно

-9 -10

угольный пласт морская вода

о

+

генератор

магнитометр

Рис. 3. Схема модели участка проведения эксперимента

\Игт\ = 2.1-10-9 А/м, \Ихт\ = 7.8-10 А/м и \Иут\ = 3.7-10-10 А/м. Результаты моделирования показали, что наибольшая интенсивность

аномального поля достигается в тех случаях, когда приемник расположен около края аномалеобразующего пласта, для рассматриваемой модели на расстоянии 70 м.

Сохраняющееся расхождение между экспериментально наблюденными данными и модельными значениями амплитуд магнитного поля можно объяснить грубостью выбранной модели, так как для более точного учета конфигурации и характеристик угольного пласта на руднике «Баренцбург» не хватает геологических данных. Рассмотренная выше модель лишь на качественном уровне демонстрирует возможный механизм увеличения амплитуд измеряемого магнитного поля.

Таким образом, результаты моделирования показывают, что при определенных условиях проведения эксперимента влияние высоко-проводящих аномальных областей, например, тонкого угольного пласта, может значительно повысить амплитуды измеряемых компонент магнитного поля.

Выводы

Проведенный эксперимент на руднике «Баренцбург» арх. Шпицберген продемонстрировал принципиальную возможность надежной регистрации на поверхности Земли сигнала, излученного мобильным

маломощным генератором электромагнитных волн ЭНЧ-диапазона из подземной выработки шахты, на

расстоянии нескольких

километров от местоположения передатчика. Полученный результат эксперимента показывает реальность организации односторонней

аварийной связи из подземной выработки шахты с

поверхностью Земли с помощью маломощного устройства, что принципиально значение при спасательных

мобильного передающего может иметь важное проведении работ в

Рис. 4. Графики амплитуд компонент магнитного поля:

о - экспериментально измеренные значения, + - значения нормального поля, х - модельные значения, учитывающие влияние геоэлектрических неоднородностей среды

чрезвычайных ситуациях. При

этом измерительную аппаратуру можно расположить на значительном удалении, до нескольких километров, от источников интенсивных промышленных помех.

Выполненное трехмерное моделирование геоэлектрических неоднородностей среды на качественном уровне показало, что высокопроводящие аномальные объекты, такие как, например, тонкий угольный пласт, оказывают существенное влияние на распространение электромагнитных волн в среде, что может приводить к значительному увеличению амплитуд измеряемого магнитного поля.

Авторы благодарны сотрудникам Полярного геофизического института КНЦ РАН

С.А. Щадрину и А.В. Роскуляку за помощь при проведении эксперимента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Барабанщикова С.В. Современная связь в шахтах: производственные выгоды / С.В. Барабанщикова, А.Е. Капаев // Горная промышленность. 2003. № 2. 2. Федоренко Ю.В. Прецизионный четырехканальный 22разрядный аналого-цифровой преобразователь на основе AD 7716 / Ю.В. Федоренко, С.В. Пильгаев, М.В. Филатов, О.И. Ахметов // ПТЭ. 20о9. № 4. С. 179-180. 3. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 4. Заборовский А.И. Переменные электромагнитные поля в электроразведке. М.: МГУ, 1960. 5. Aruliah D.A. A method for the forward modeling of 3D electromagnetic quasi-static problems /

D.A. Aruliah, U.M. Ascher, E. Haber, D. Oldenburg // Mathematical Models in Applied Sciences (M3AS). 2001. Vol. 11. P. 1-21.

Сведения об авторах

Терещенко Евгений Дмитриевич - д.ф.-м.н., директор; e-mail: general@pgi.ru Любчич Владимир Алексеевич - к.ф.-м.н., научный сотрудник; e-mail: lubchich@yandex.ru Миличенко Александр Николаевич - зам. директора по общим вопросам; e-mail: alexander@pgi.ru Пильгаев Сергей Васильевич - младший научный сотрудник; e-mail: pilgaev@pgia.ru