Методика тарировки скважинного зонда сэми-1

1. Система SSP показала свою работоспособность в экстремальных для такой чувствительной техники условиях: - перебои в подаче электроэнергии,- частичный пригруз бентонитом забоя и неполный контакт датчиков с грунтом,- сложная геология, представленная абразивными породами,- отсутствие времени на обслуживание датчиков в забое.

2. Системой прозондировано и отслежено около 1/3 длины трассы тоннеля, в том числе

на самом опасном участке в районе свай за рекой Яуза.

3. Зондирование позволяет обнаруживать неоднородности с большой разницей акустической плотности, например границы «железобетон-глина» и «известняк-глина».

4. Зондирование позволяет с большой вероятностью предсказать долю песковой фракции на сепараторной по величине наименьшего значения энергии отражения звука от включений.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------------

Мазеин Сергей - сервисный менеджер ЗАО "Herrenknecht tunneling".

Стафеев Геннадий - главный маркшейдер ООО "Трансстройтоннель".

— © Н. А. Бритков, Л.Н. Семенова,'

М.Д. Ефремова, 2005

УДК 622.83

Н.А. Бритков, Л.Н. Семенова, М.Д. Ефремова

МЕТОДИКА ТАРИРОВКИ СКВАЖИННОГО ЗОНДА СЭМИ-1*

Семинар № 2

последние годы при геофизических и геомеханических исследованиях находит применение метод электромагнитного излучения массива деформируемых горных пород (ЭМИ), позволяющий получать информацию о напряженном состоянии массива и прогнозировать опасность динамических проявлений при отработке удароопасных месторождений [1, 2]. Для регистрации электромагнитного излучения в ряде организаций [3] разработаны приборы, обеспечивающие измерение напряженности электромагнитного поля Е в подземных горных выработках.

Электромагнитное излучение горных пород, открытое в конце прошлого столетия, нашло применение в сейсмологии для прогноза землетрясений [4] и горном деле для контроля и прогноза удароопасности приконтурных зон горных выработок

Вместе с тем, при ведении горных работ практически на всех рудниках и шахтах в технологических целях пробуривается значительное количество скважин диаметром 75-150 мм

и длиной 2-50 м. Они служат для снижения удароопасности и механических напряжений в массиве, а также для целей дегазации на угольных шахтах. Такие скважины, однажды пробуренные в бортах горных выработок для конкретных целей, затем зачастую не используются. В связи с расширением области применения метода ЭМИ возможно повторное использование таких скважин для исследований напряженно-деформированного состояния массива горных пород и его удароопасности.

На эффекте электромагнитного излучения горных пород разработан целый ряд приборов, позволяющих вести наблюдения за горным

Рис. 1. Скважинный электромагнитный зонд СЭМИ-1

давлением и давать прогноз горных ударов и

* Работа выполнена при поддержке гранта «Интеграционный проект № 129 СО РАН», а также гранта по научной школе академика М. В. Курлени.

возможных обрушений в подземных выработках [3, 7].

В ИГД СО РАН разработан специальный электромагнитный зонд для регистрации электромагнитного излучения в скважинах. Схема измерений с использованием такого зонда приведена на рис. 1.

Зонд состоит из приемного устройства 1, обеспечивающего регистрацию электромагнитного излучения и его преобразование в электрические сигналы, которые могут быть зафиксированы регистратором 2 (компьютер, цифровой осциллограф и т. д.). Система смонтирована на диэлектрической штанге 3 и в процессе измерений перемещается вдоль скважины.

При натурных исследованиях, связанных с измерением электромагнитного излучения в скважинах, пробуренных в стенках подземных

выработок, всегда возникает вопрос о пересчете показаний регистрирующего прибора в значения первоначальной измеряемой величины.

В частности, при измерении электромагнитного излучения по электрическим параметрам необходимо определить напряженность электромагнитного поля, имеющую размерность В/м.

В институте разработан специальный стенд (рис. 2, а, б) для тарировки скважинных зондов и других приборов по регистрации ЭМИ.

Стенд основан на использовании стандартного электромагнитного поля, формируемого кольцами Гельмгольца. Общий вид стенда приведен на рис. 2, а, блочная электрическая схема - на рис. 2, б. Технические характеристики стенда: частотный диапазон 0-200 кГц, амплитуда выходного напряжения 0-2 В, диапазон регистрируемой напряженности поля -0-20 В/м.

Стенд (рис. 2, а) содержит задающий генератор гармонических сигналов 1, подключенный экранированным кабелем 2 через измерительный резистор 3 к входам колец Гельмгольца 4. Во внутренней полости колец размещается электромагнитный преобразователь 5 зонда, например, конденсаторного типа. Падение напряжения на измерительном резисторе 3 синусоидального тока, используется в качестве меры напряженности Е эталонного поля. Оно подается на вход первого электронно-лучевого осциллографа 6.

Выходы электромагнитного преобразователя 5 связаны с входами усилителя 7. питающегося от аккумуляторной батареи 8. Выход усилителя 7 подключен либо к входу второго электронно-лучевого осциллографа 9, либо через аналого-цифровой преобразователь к входу персонального компьютера (не показаны).

Вход осциллографа 9 может быть непосредственно подключен к выходу первичного преобразователя, выполненного, например, в виде ферритовой антенны 10, обмотка 11 которой экранирована фольгой 12 и зашунтирована конденсатором переменной емкости 13 для настройки входного контура антенны в резонанс. В этом случае отпадает потребность в усилителе 7, и синусоидальные сигналы напряжения в обмотке 11 усиливаются за счет добротности Q колебательного контура во входной цепи антенны.

б

Методика тарировки включает размещение электромагнитного преобразователя 5 или 10 в центре колец Гельмгольца 4. Амплитуда напряжения задающего генератора 1 с интервалом 0,5 В в диапазоне 0-5 В подается в кольца Гельмгольца 4 и измеряется ток I, протекающий через измерительный резистор 3. Геометрические размеры колец Гельмгольца: диаметр самой трубки, диаметр большого кольца и их взаимное расположение выбираются с таким расчетом, чтобы амплитуде тока в измерительном резисторе 3, равного, например, 1 мА соответствовала амплитуда напряженности Е электрического поля, равная 1 В/м.

В примере приведена тарировка серийно выпускаемого объединением «ВЕГА» (г.

Бердск) переносного малогабаритного регистратора типа ИЭМИ-1, заводской номер № 02005. Прибор предназначен для регистрации фонового и аварийного уровня электромагнитного излучения горных пород в подземных выработках, не опасных по газу и пыли. Он оснащен цифровым жидкокристллическим индикатором емкостью в 3,5 декады, устройствами аварийной световой и звуковой сигнализации.

Основные технические характеристики прибора ИЭМИ-1:

• диапазон принимаемых частот 10 Гц

- 70 кГц;

• чувствительность при отношении сигнал/шум 3ДБ на частоте 1кГц, не более 1,7 В/м;

• динамический диапазон, не менее 40

ДБ;

• габаритные размеры приемника 14875- 29 мм;

• время непрерывной работы от одного источника питания 24 ч;

• масса с элементом питания 0,26 кг.

Прибор ИЭМИ-1 подвешивается в центре

колец Гельмгольца на нитяных подвесках. Показания снимаются с цифрового индикатора

Рис. 2. Стенд СЭМИ-1: а - внешний вид стенда СЭМИ-1; б - блочная схема стенда СЭМИ-1

емкостью в 3,5 декады, чему соответствует максимальное показание 1999 относительных единиц (о. е.). Перед тарировкой необходимо следить за тем, чтобы внешний мешающий фон от персональных компьютеров и работающих промышленных установок был минимальным.

С этой целью основание, где закреплены кольца Гельмгольца следует поворачивать в сторону наименьшего влияния помех, судя по показаниям цифрового индикатора прибора, либо поместить весь стенд в металлический экран и вести тарировку прибора в вечернее время, когда промышленные установки выключены.

Тарировка проводилась на частоте 30 кГц, соответствующей середине предписанного за-водом-изготовителем высокочастотного диапазона. Амплитуды напряжений задающего генератора их должны равняться амплитудам Ио. Значения Ио и Ео - характеристики стандартного электромагнитного поля, присущие данной конструкции колец Гельмгольца величины Ых, Их и Ех - являются функциями, величина Их может быть аргументом, когда Ех является параметром, и наоборот.

Данные тарировки приведены в таблице.

На рис. 3 приведены тарировочные зависимости изменения напряженности Е электромагнитного поля в функции амплитуды И синусоидального напряжения задающего генератора 1 при изменении частоты Е в диапазоне 0 -70 кГц. Из графика рис. 3 находим коэффициент преобразования прибора согласно выражения:

Кеи = (Ы тах-Ы тіп) / (Е тах-Е тіп) =

=25 о.е. / В/м.

где Ых = £(И х, Ех) - текущее показание прибора ИЭМИ-1.

Рис. 3. Тарировочные графики прибора ИЭМИ-1

№/№ ио, в Ео, в/м в И £ ^, о.е. Ех, в/м Ех, Гц Кеп

1 0,5 07,07 0,5 280 07,07 30 25

2 1,0 14,14 1,0 486 14,14 30 25

3 1,5 21,21 1,5 660 21,21 30 25

4 2,0 28,28 2,0 830 28,28 30 25

5 2,5 35,35 2,5 960 35,35 30 25

6 3,0 42,42 3,0 1180 42,42 30 25

7 3,5 49,49 3,5 1170 49,49 30 25

8 4,0 56,56 4,0 1500 56,56 30 25

Эта величина должна оставаться постоянной при нормальной эксплуатации прибора и исправном источнике питания.

Тарирование скважинного зонда ЗЭМИ-1 (рис. 1) проводится аналогично изложенному выше, за исключением того, что в нем используется более чувствительный первичный электромагнитный преобразователь конденсаторного типа [5]. При этом, тарировочная прямая 1 в четвертом квадранте тарировочного графика (рис. 3) сохраняется прежней. Однако следует увеличить масштаб по оси Е, так как в скважине электромагнитное поле значительно ниже и свободно от помех.

Искомая прямая 2 в первом квадранте строится точно так же, и по найденным значениям определяется новый коэффици-ент преобразования Кеи по формуле 1, величина которого должна быть на порядок выше, так как

первичный электромагнитный преобразователь должен иметь большую чувствительность.

Кривая 3 во втором квадранте служит для наведения поправок в показаниях прибора в зависимости от частоты Е принимаемого сигнала.

Приборы, предназначенные для контроля и прогноза удароопасности, продолжительно эксплуатируются и проходят промышленные испытания на Таштагольском руднике.

Проведенные предварительные натурные испытания скважинного зонда ЗЭМИ-1 на двух рудниках Норильского комбината, показали его устойчивую и надежную работу при исследовании ЭМИ как непосредственно в зоне проведения очистных работ, так и в уделенных от забоя технологических горных выработках [6].

Предложенные приборы и стенды [7] могут быть поставлены заказчикам на основании хоздоговора.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев Д.В. О форме импульсов электромагнитной эмиссии, генерируемого движущейся трещи-ной//Алексеев Д.В., Егоров П.В./ Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). - 1999. - №6. - С. 3-5.

2. Викторов В.В., Кулинич Ю.В., Сиротин А.А. Возмущение электрических и магнитных полей при деформировании и разрушении твердых тел. - М.: изд. ИПМ АН СССР. - 1987.- 56 с.

3. Иванов В.В. Динамика трещин и электромагнитное излучение нагруженных горных пород// Иванов В.В., Егоров П.В., Колпакова Л.А., Пимонов А.Г./ ФТПРПИ. - 1988. - №5. - С.21- 27.

4. Алексеев А.С. Об электрическом поле в очаговой зоне землетрясений// Алексеев А.С., Аксенов В.В./ ДАН РФ.- Геофизика. - 2003. - том 392. - №1. - С. 106110.

5. Бритков Н.А. Конденсаторный цилиндрический преобразователь электромагнитного излучения// Бритков Н.А., Кулаков Г.И./ «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». - №10. - 2003. - Том 69. - С.29- 33.

6. Бритков Н.А. Электромагнитные излучения горных пород предупреждают.../«Горная промышленность». - №3 (52). - 2004. - С.6-9.

7. Яковицкая Г.Е. О некоторых особенностях структуры сигналов электромагнитного излучения при разрушении горных пород/ ФТПРПИ. - 2004. - №3. - С

5

и 6

— Коротко об авторах -----------------------

Бритков Н.А., Семенова Л.Н., ЕфремоваМ.Д. - ИГД СО РАН.

------------------------------------ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ им. Г.В. ПЛЕХАНОВА

МИХАЙЛОВ Александр Викторович Повышение эффективности машин для добычи фрезерного торфа с пооперационно адаптированными щеточными рабочими органами 05.05.06 д.т.н.

© П.Ф. Сидоренко, 2005

УДК 550. 83: 519.86 П.Ф. Сидоренко

ВЫЯВЛЕНИЕ В УГЛЕВМЕЩАЮЩЕМ МАССИВЕ ОБЪЕКТОВ С НИЗКИМИ АКУСТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И КОНТРОЛЬ ИХ СОСТОЯНИЯ МЕТОДАМИ ГЕОАКУСТИКИ

Семинар № 2

~П углевмещающем массиве горных пород имеют место геологические и техногенные объекты с низкими акустическими свойствами. К таким геологическим объектам относятся угольные пласты, карстовые пустоты, зоны повышенной трещиноватости и др., к техногенным - скважины различного назначения, подземные горные выработки, различные подземные и приповерхностные сооружения.

Перечень последствий негативного влияния этих объектов при разработке угольных пластов достаточно велик. Это деформации крепи, обрушения пород непосредственной кровли, завалы, обводнение и пр. проходческих и очистных горных выработках [4, 10]. Поэтому выявление таких объектов и контроль параметров, описывающих и характеризующих их со-

стояние во времени и пространстве, является важной задачей для повышения экономической эффективности и безопасности горных работ.

При прогнозировании горно-геологических условий отработки угольных пластов к числу основных факторов, на которые влияют данные объекты, относятся, прежде всего, устойчивость и обрушаемость горных пород. Кроме того, контроль пространственного местоположения угольных пластов и пропластков позволяет прогнозировать наличие, протяженность и элементы залегания малоамплитудной нарушенности [1, 3, 5, 6].

В практике горно-геологического прогнозирования этих факторов набольшую эффективность и достоверность имеют прогнозы, разработанные по результатам комплексного использования геологических и шахтных гео-