Наблюдения изменений напряженного состояния массива горных пород после массового взрыва по параметрам электромагнитной эмиссии

Наблюдения изменений напряженного состояния массива горных пород после массового взрыва по параметрам электромагнитной эмиссии

А.А. Беспалько, А.П. Суржиков, Н.Н. Хорсов, Л.В. Яворович,

В.К. Климко1, В.А. Штирц1, О.В. Шипеев1

Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия 1 Таштагольский рудник, Таштагол, Кемеровская область, 652992, Россия

Проведены исследования электромагнитной и акустической эмиссий при изменении напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Исследования выполнены в шахте Таштагольская в период времени, включающий массовый технологический взрыв. Установлена взаимосвязь быстрых и медленных изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород с вариациями интенсивности импульсного потока электромагнитной эмиссии и интенсивности электромагнитного сигнала.

Investigation of stress state of rock mass after single blast by means of electromagnetic emission

A.A. Bespalko, A.P. Surzhikov, N.N. Khorsov, L.V. Yavorovich, V.K. Klimko, V.A. Shtirts, and O.V. Shipeev

Investigations of electromagnetic and acoustic emissions upon change of stress-strain mode of rock masses were performed. The investigations were carried out in Tashtagolskaya mine in the period including single technological blast. The relation of fast and slow stress-strain state changes of a rock mass with variations of intensity of electromagnetic emission impulse flux and that of electromagnetic signal is found.

Исследования взаимосвязи напряженно-деформированного состояния массива горных пород с параметрами электромагнитной эмиссии проводятся в Горной Шо-рии на железорудном руднике Таштагольский.

Эксплуатирующийся в настоящее время Таштаголь-ской рудник является одним из участков залегания железорудного сырья, на котором выполняются горные работы в удароопасных условиях [1]. Регистрация динамических проявлений горного давления началась на Таштагольском руднике с 1959 года при глубине отработки 300 м от поверхности. За период с 1987 года (начало регистрации толчков сейсмостанцией Таштагольс-кого рудника) при ведении горных работ на месторождении зафиксировано свыше 5 000 проявлений горного давления в динамической форме с энергией от первых десятков до 1 • 109 Дж [2]. В ходе работ, проводимых специалистами рудника и ученых научно-исследовательских и учебных институтов, были установлены характерные для Таштагольского рудника особенности проявлений горного давления, которые позволили определить основные направления работ и задачи прогноза и

предупреждения горных ударов. Основными факторами, способствующими проявлению горного давления в динамической форме, являются технология отработки и структурно-геологический фактор. В рамках прогнозных мероприятий на шахте проводятся исследования влияния геолого-тектонических, горнотехнических и других факторов на величину и распределение напряженно-деформированного состояния, которое определяет частоту и энергию динамических проявлений. Исходя из этого одним из основных направлений по прогнозу и предупреждению горных ударов является аппаратурный контроль за динамической ситуацией на месторождении, прогноз и предупреждение проявлений горного давления в динамической форме. С этой целью в Томском политехническом университете ведется изучение явления механоэлектрических преобразований энергии в твердых телах с дефектной структурой, в том числе в горных породах, и на основе этого явления разрабатывается метод оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород по параметрам электромагнитной эмиссии. Существенным для разра-

© Беспалько А.А., Суржиков А.П., Хорсов Н.Н., Яворович Л.В., Климко В.К., Штирц В.А., Шипеев О.В., 2004

батываемого метода является вопрос о природе сигналов электромагнитной эмиссии, связанных с динамикой напряженно-деформированного состояния.

В горных породах в условиях естественного залегания под действием медленно меняющихся или импульсных механических нагрузок происходят механоэлект-рические преобразования энергии [3, 4]. Эти преобразования сопровождаются возникновением импульсного электромагнитного поля. В лабораторных исследованиях было установлено, что вариации этого поля обусловлены в том числе и изменением дипольного момента двойных электрических слоев, формирующихся на границах неоднородности материалов или на границах раздела разнородных материалов. В горных массивах это множественные контакты различных пород и минералов. Колебания величины дипольного момента могут происходить в исследуемом объекте вследствие изменения расстояния между зарядами разного знака при прохождении акустических волн, которые возникают либо при импульсном механическом возбуждении материалов, либо за счет акустической эмиссии при их механическом нагружении. Вследствие этого во внешней среде появляется переменное электрическое поле, которое можно зарегистрировать соответствующей аппаратурой с помощью емкостных или индуктивных датчиков.

Акустическая эмиссия в напряженно-деформированных массивах обусловлена трещинообразованием в неоднородных, с точки зрения механических свойств, горных породах при изменении механической нагрузки. Наши эксперименты показали, что сигнал акустической эмиссии не полностью отражает те процессы, которые происходят внутри массива. Это определяется тем, что акустический датчик регистрирует в основном бегущие волны, проходящие через поверхность акустического приемника, тогда как механоэлектрические преобразования происходят как за счет бегущих, так и за счет стоячих волн [5, 6]. Кроме того, электрический сигнал несет информацию о параметрах двойных электрических слоев, которые связаны с прочностью материала. Для выявления основных закономерностей взаимосвязи изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород при его динамическом возбуждении и электромагнитной эмиссии нами проведены измерения параметров электромагнитной и акустической эмиссий при проведении технологических взрывов большой мощности.

При отработке рудных месторождений происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния горного массива. Использование при этом взрывной технологии приводит к возникновению динамических проявлений горного давления различного энергетического класса. В результате натурных исследований было установлено, что после массовых технологических взрывов в шахте Таштагольская существенно

изменяются параметры интенсивности импульсного потока, отображающей усредненное количество импульсов в единицу времени, и интенсивности электромагнитного сигнала, пропорциональной среднему значению напряженности электромагнитного поля. Такие изменения могут быть обусловлены как увеличением напряженности электромагнитного поля на одном участке массива, так и увеличением числа этих участков.

Наблюдения электромагнитной эмиссии в Ташта-гольской шахте проводились с использованием исследовательского комплекса на базе регистраторов РЕМС, разработанных в ПНИЛ ЭДиП ТПУ, работающих в режиме мониторинга. Время автономной работы регистраторов около 6 суток. Данные измерений электромагнитной и акустической эмиссий с усреднением 5 секунд записывались в память регистратора с последующим считыванием этих данных на персональный компьютер для дальнейшей обработки. Максимальная чувствительность приборов по входу составляла 50 мкВ.

Измерения проводились во время массовых технологических взрывов 12 октября 2003 года и 21 марта 2004 года. Местом проведения технологического взрыва в октябре 2003 был 11 блок между горизонтами -210 и -280 м. Масса заложенного взрывчатого вещества 285 т, при этом энергия, выделившаяся при взрыве, составила 3.51 -108 Дж. Регистраторы комплекса были установлены в 8 орте горизонта -280 м. В месте установки комплексов массив сложен магнетитовой рудой. Дифференциальные индуктивные датчики располагались около Южного борта выработки в направлении к взрываемому блоку. Расстояние между датчиками составляло 5 м. Один из датчиков находился в 1 м от дайкообразного тела. Через 50 с после массового технологического взрыва произошел горный удар с энергией 1.1 • 108 Дж. Очаг находился в 50 м на юго-запад от места взрыва на глубине -240 м. На рис. 1 приведены изменения электромагнитной активности за 12 часов до технологического взрыва и 37 часов после него.

Изменение интенсивности электромагнитного потока, зарегистрированное во время проведения технологического взрыва в марте 2004 года, приведено на рис. 2. Взрыв был произведен в 6 блоке между горизонтами -210 и -140 м. Масса, заложенного взрывчатого вещества, 297.5 т. Энергия, выделившая при взрыве, составила 3.9-108 Дж. Электромагнитные датчики располагались в орте 7 горизонта -210 м около северного борта. Массив в месте установки регистратора сложен сланцами и скарнами. Датчики в этом случае использовались скважинного типа, т.е. они были помещены в предварительно пробуренные в борту выработки скважины на высоте 2 м от основания борта. Расстояние между датчиками 5 м. На рис. 2 приведены изменения электромагнитной (рис. 2, а) и акустической (рис. 2, б) активности за 11 часов до технологического взрыва и 36 часов после него. Анализируя приведенные на рис. 1 и 2 данные, видим,

О 4 8 12 16 20 О 4 8 12 16 20 24

Время, час

Рис. 1. Изменение интенсивности электромагнитного потока, зарегистрированное во время проведения технологического взрыва и горного удара 12 октября 2003 года

что момент технологического взрыва в обоих случаях отмечается увеличением интенсивности потока электромагнитной эмиссии. Затем наблюдается некоторое снижение, после которого снова происходит увеличение интенсивности. Это увеличение длится в обоих случаях 17 часов. Возрастание интенсивности потока электромагнитной эмиссии после технологического взрыва объясняется тем, что в зоне наблюдения после мощного динамического воздействия происходит изменение напряженно-деформированного состояния: подвижки по тектоническим нарушениям, разгрузка напряженных зон, пригрузка участков массива, попадающих в зону действия взрыва. Это сопровождается динамическими явлениями в виде горных ударов, толчков. На рис. 2, б приведены также изменения акустической активности после взрыва. Видно, что наиболее активно процесс перестройки напряженного состояния массива наблюдается в течение тех же 17 часов. При этом в горных породах активно идут механоэлектрические преобразова-

ния, результатом которых является электромагнитная эмиссия.

Особый интерес представляет подробный фрагмент изменения импульсного электромагнитного поля при массовом технологическом взрыве и следующим за ним горном ударе. На рис. 3 представлена развернутая запись изменения интенсивности потока электромагнитной эмиссии по магнитной составляющей импульсного электромагнитного поля в течение 6 минут. На графике видно, что взрыв вызвал возмущение электромагнитного поля, которое продолжалось около 15 секунд. Снижение уровня интенсивности потока электромагнитной эмиссии продолжалось также около 15 секунд, после чего наблюдается возрастание интенсивности импульсного потока, а затем последовал горный удар, энергия которого составила 1.1 -108 Дж. Горный удар, последовавший после технологического взрыва, также явился следствием изменения напряженно-деформированного состояния массива. Из рис. 3 видно, что после

Время, час

Рис. 2. Изменение интенсивности электромагнитного потока (а) и акустической эмиссии (б), зарегистрированное во время проведения технологического взрыва 21 марта 2004 года

о о o>s

£ О

0) I-ь го

i!

5000

4000

3000

2000

1000

0

12 октября 2003 года

1 1 1 1 1 1 1 1 • 1 1 1 1

1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 \

1 1 ' ], 1 ! 1 \

1 1 ' 1 1 ш ' Л \

-0 1 0.1 . СО 1 .Oi * и о. QJ ГО 'О1 «=с 1—1 >. —1 1 1 **М*|

13:29:26 13:30:16

Время, час:мин:сек

13:34:16

Рис. 3. Изменение среднего значения интенсивности потока электромагнитной эмиссии, зарегистрированное дифференциальными индуктивными датчиками во время технологического взрыва и последующего горного удара

горного удара наблюдается увеличение интенсивности потока электромагнитной эмиссии, которое связано с процессом перераспределения механических напряжений в массиве. Подтверждением этого являются зарегистрированные сейсмостанцией геодинамические проявления в виде толчков различной энергии в этот же период времени. Обращает на себя внимание реакция массива горных пород на техногенное воздействие и геодинамические события. Так, время релаксации интенсивности потока электромагнитной эмиссии после технологического взрыва составило около 25 секунд, тогда как после горного удара в течение 4 минут наблюдалось увеличение потока интенсивности электромагнитной эмиссии и только затем некоторое снижение активности механоэлектрических преобразований. Следует отметить, что не всегда после технологического взрыва происходит горный удар. Так, технологический взрыв 12 октября 2003 года спровоцировал горный удар, порядок энергии которого соответствовал энергии самого взрыва, а после взрыва 21 марта 2004 года сейсмостанцией рудника зафиксирован ряд динамических проявлений в виде толчков с энергией от 101 до 105Дж. Такое «мягкое» релаксирование массива отразилось незначительным увеличением интенсивности потока электромагнитной эмиссии по сравнению с интенсивностью потока электромагнитной эмиссии после горного удара.

Следует отметить, что столь длительные наблюдения электромагнитной и акустической эмиссии до мощного

технологического взрыва в шахте, во время и после него производятся впервые. Нам удалось зарегистрировать взаимосвязь изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород в Таштагольском руднике с изменениями параметров электромагнитной и акустической эмиссий.

На основании проведенных наблюдений установлена корреляция изменений в структуре электромагнитной эмиссии массива горных пород с геодинамическими событиями, происходящими в пределах шахты, а также со взрывами и отпалами, находящимися в определенных направлениях от зоны приема датчиков. При непрерывном наблюдении электромагнитной эмиссии до взрыва, во время и после него, в том числе во время горного удара, установлена взаимосвязь быстрых и медленных изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород с вариациями интенсивности импульсного потока электромагнитной эмиссии и интенсивности электромагнитного сигнала. Выявленная взаимосвязь имеет важное научное значение для понимания процессов механоэлектрических преобразований энергии в горных массивах и для разработки метода контроля изменений напряженно-деформированного состояния в массивах шахтных выработок по параметрам электромагнитной эмиссии.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Интеграция».

Литература

1. Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях Горной Шории, склонных к горным ударам / Новокузнецк: ВостНИГРИ, ВНИМИ, 1991. - 93 с.

2. Матвеев И.Ф., Ваганова В.А. К вопросу о классификации динамических проявлений на Таштагольском руднике // Сб. докл. конф. «Оценка современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений, методам прогноза и предупреждения горных ударов», Таштагол, 2000. - С. 196-206.

3. Гольд Р.М., Марков Г.П., Могила П.С., Самохвалов М.А. Импульсное электромагнитное излучение минералов и горных пород, подверженных механическому нагружению // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1975. - № 7. - С. 109-111.

4. Хатиашвили Н.Г., Перельман М.Е. Генерация электромагнитного

излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы // ДАН СССР. -1982. - Т. 263. - № 4. - С. 839-842.

5. Беспалько А. А., Гольд Р.М., Яворович Л.В., Дацко Д.И. Возбуждение

электромагнитного излучения в слоистых горных породах при акустическом воздействии // ФТПРПИ. - 2003. - № 2. - С. 8-14.

6. Беспалько А.А., Гольд Р.М., Яворович Л.В., Дацко Д.И. Влияние слоистости алевролита на параметры электромагнитного сигнала при акустическом возбуждении образцов // ФТПРПИ. - 2002. -№ 2. - С. 27-31.