CC BY
24
© Г. И. Кулаков, Н.А. Бритков, 2005
УДК 622.831
Г.И. Кулаков, Н.А. Бритков
ОСОБЕННОСТИ ФОНОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СКВАЖИНАХ*
Семинар № 2
"П удник Таймырский Норильского
-I горнометаллургического комбината ведет отработку медноникелевых руд на глубине до 1050 м слоевой системой с твердеющей бетонной закладкой. Рудная залеж представлена пологопадающим пластом большой мощности. На руднике в целях доразведки отдельных участков регулярно бурится значительное количество скважин. Широко применяется бурение скважин и как способ разгрузки прикон-турной зоны горных выработок на участках с повышенными напряжениями. Длина таких скважин от нескольких метров до десятков метров, диаметр 112 мм. Все это позволяет считать перспективным развитие методов контроля напряженного состояния отрабатываемых массивов и степени удароопасности приконтурных зон на удароопасных участках по регистрации электромагнитного излучения массива в скважинах.
В Институте горного дела СО РАН разрабатывается способ регистрации упомянутого излучения с использованием специальных скважинных зондов. Последний состоит из регистрирующего прибора типа РЭМИ-2 и антенны-преобразователя напряженности электромагнитного поля. На одном конце деревянной штанги размещается регистратор излучения, на втором антенна. В используемой в шахтных экспериментах конст-
рукции зонда снятие показаний регистратора производится визуально. Длина зонда составляла 1,7 м.
Методика измерений включала размещение зонда в скважине и постепенное перемещение в обратном направлении. Отсчеты обычно снимались через 0,1 м. Ниже приводятся сведения об экспериментах, выполненных на руднике Таймырский. Измерения проведены на шахте № 1, восток, в слоевом штреке 45-12.
В горизонтальной выработке длиной около 20 мв обоих бортах были пробурены разгрузочные скважины через 0,8 м. Скважины располагались по правому борту на высоте 0,8 м от почвы выработки, по левому борту на высоте 1,6 м. В правом борту пробурено 19 скважин, в левом более 20. Длина скважин не менее 5-8 м. Измерения выполнены в устье скважин на участках длиной 1,7 м. Результаты регистрации электромагнитного излучения в скважинах правого борта приведены в табл. 1, в скважинах левого борта в табл.
2.
Рассмотрим экспериментальные данные при измерениях в правом борту. Основная особенность - величины интенсивности излучения в пределах скважины измерения оставались примерно постоянными по ее длине. Так, в скважине № 1 (табл. 1) отсчеты составляли
*Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционных проектов СО РАН № 73, № 129.
101
№№
Расстояние от устья скважин до точки измерения, см
скважин 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 130 140 150 160 170
о о
1 65 65 64 64 65 65 65 65 65 65 65 65 65
2 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64
3 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64 64
6 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63
8 62 62 62 62 63 63 63 63 63 63 63 63
10 61 62 62 61 61 60 60 61 60 60 60 60 60
12 60 61 61 61 61 61 61 61 60 61 61 61 60 60 60 60
14 61 62 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61
16 60 60 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61 61
16 60 60 60 60 60 60 60 58 58 59 60 60 61 62
1050
16 58 57 58 57 58 58 58 58 59 58 58 58 59 59 59 59 59
1100
18 58 56 55 55 54 56 48 56 56 56 55 55 57 57 57 57 57
18 58 56 56 57 56 57 56 56 56 56 56 56 56 56 57
1230 15 17 18 19 68 68 68 69 68 68 68 68 68 68 68 68 68
1300 12 13 14 70 70 69 70 70 69 70 70
№№
Расстояние от устья скважин до точки измерения, см
скважин 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
123°
1 67 67 67 67 67 68 67 67 67 67 67 67 67 67 67
13°°
2 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67 67
1320 4 66 66 66 66
6 67 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66
134°
8 65 65 65 65 66 66 65 65 66 66
16 66 66 66 66 66 66
17 67 66 66 66 67 67 67 67 67 67
18 67 67 67 67 67 67 67
19 67 67 67 67 68 68 68
2° 68 68 68 68 68 68
21 68 68 58 68 68 69 69 69
22 69 69 69 69 69 69 69 69
23 69 69 69 69 69 69 69
24 7° 7° 7° 7° 7° 7°
25 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7°
26 7° 71 71 71 71 71 7° 71
143° 27 28 71 71 71 7° 71 7° 7° 7° 7° 7°
1445 29 3° 31 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7° 7°
5 с: О
32
б7
б5
х, = 65 отн.единиц, в скважине № 2 х, = 64 отн. единиц, в скважине № 14 х , = 61 отн.единиц. Для скважины № 16 приведено три отсчета, сделанные с некоторым перерывом во времени. Аналогичные данные приведены для скважины 18. По мере перехода от скважины 1 до скважины 18 интенсивность излучения постепенно снижалась от х, = 65 отн.ед. до х, = 55-57 отн.ед. Имеются незначительные колебания в отсчетах на глубине 0,2-0,4 м от устья скважин, т.е. вблизи возможных точек максимума опорного давления.
После замеров в скважине № 18 правого борта проведены некоторые подготовительные замеры по скважинам левого борта, где интенсивность излучения оказалась выше. Было принято решение повторить часть измерений в скважинах правого борта. (В табл. 1 это замеры после 1230). Обнаружилось, что интенсивность излучения в скважинах правого борта к этому времени возросла. В скважинах 15, 17, 18 отсчеты в устье и вблизи него составили х, = 68 отн.ед. Отсчет по скважине № 19 составил х, = 69. Отсчеты по скважинам №№ 12, 13 составили х, = 70, по скважине № 14 х, = 69. Все эти величины заметно выше, чем в начале смены. Выпишем начальные величины и замеренные после 12— (см. табл. 3). Прочерки здесь связаны с тем, что первоначально, в начале смены, замеры выполнялись через одну скважину.
Выпишем величины замеров для скважин, где проставлены прочерки, используя замеры в соседних скважинах: выше черты - предыдущая скважина, ниже черты - последующая. В последней строке приведены данные разности между второй и первой строками, видно, что отсчеты после времени 1230 возросли на 7-11 отн.ед.
Рассмотрим замеры по скважинам борта выработки (табл. 2). Здесь ситуация аналогичная. Отсчеты по длине скважин от их устья до глубины 1,6 м практически одинаковые. В табл. 2: замеры выписаны не во всех точках вследствие того, что по-
казания прибора при его продвижении по скважине не изменялись. Последнее видно на примере скважин № 1 и № 2. Начиная со скважины № 20 отсчеты несколько возросли, составив х, = 68 отн.ед.; по скважине № 24 х, = 70 отн.ед.; по скважине № 27 х , = 71 отн.ед.
Отметим некоторые особенности электромагнитного излучения в скважинах, установленные в проведенном эксперименте.
1. Интенсивность излучения по длине скважины на участках, прилегающих к устью скважины (область исследования составляла 1,7 мот устья скважины) остается постоянной и примерно равной ее величине перед устьем. Поскольку интенсивность излучения в устье скважины и вблизи него совпадает с величиной фонового электромагнитного излучения в подготовительной выработке, из которой пробурена скважина, то интенсивность фонового электромагнитного излучения в скважине совпадает с интенсивностью фонового электромагнитного поля в горной выработке, из которой исследуемая скважина пробурена. Сказанное справедливо, по крайней мере, для области выработки, примыкающей к устью скважины.
2. Интенсивность фонового электромагнитного поля в скважине отражает изменение напряженного состояния примыкающего к ней участка массива горных пород.
3. Интенсивность фонового электромагнитного излучения в скважинах, а следовательно и в горных выработках, может изменяться, что свидетельствует о процессах изменения напряженного состояния массива.
В день экспериментов в массиве происходили следующие процессы. В начале смены интенсивность излучения находилась на уровне х, = 65 отн.ед. Затем интенсивность постепенно снижается вплоть до минимальной величины
х, = 55-58 отн.ед. фиксировавшейся, примерно в 11—, по скважине № 18 (табл. 1).
Отсчеты в начале сме- №№ скважин
ны 12 13 14 15 17 18 19
60; 61 60 61; 62 61 60 58; 56 58
61 60 58 -
Отсчеты после 12- 70; 70 70; 70 69; 69 68; 68 68; 68 68; 68 69
Возрастание отсчетов 10.9 10.9 8.7 7.8 8.1 10.1 11
Далее с момента времени 12— интенсивность излучения начинает возрастать. Это фиксируется по скважинам №№ 15; 17; 18; 19 (табл. 1), а также по скважинам №№ 1; 2 левого борта (табл. 2). Синхронно происходит изменение напряжений в массиве пород (поскольку, в конечном счете, напряжения ответственны за процессы тре-щинообразования, порождающего электромагнитную эмиссию).
С момента времени 13— (табл. 2) начинается процесс снижения интенсивности электромагнитного излучения. Минимальная интенсивность фиксируется по скважине № 8 примерно в 1340. Затем начинается процесс возрастания интенсивности излучения, который продолжается примерно до 14—(скважины №№ 27 и 28 по табл. 2). Примерно с момента времени 14— начинается снова процесс снижения интенсивности излучения, при этом минимальное значение достигнуто в 15— по скважине № 32. Описанный процесс изменения интенсивности электромагнитного излучения по скважинам в виде графика приведен на рисунке. Очевидно этот график отражает и изменение напряжений в рассматриваемом массиве.
Приведенный график удовлетворительно согласуется с технологическими процессами на руднике. В начале смены
а
о
наблюдается некоторое затишье или стабилизация напряженного состояния. К концу смены развиваются процессы отбойки руды и напряжения возрастают. При этом величина интенсивности излучения в начале смены и в конце смены примерно совпадают. Итак, в начале смены через участок наблюдений проходит отрицательная полуволна горного давления. К концу смены через этот участок проходит положительная полуволна горного давления, осложненная наложением другой волны от технологических процессов на других участках шахтного поля. Суммарную кривую можно представить в виде суммы двух косинусоид с разными амплитудами и разными периодами.
Первая косинусоида Асоб(2л; + а) на отрезке времени 9—-13-.
Вторая косинусоида Всоб(2л; + Р) на отрезке времени 13—-14-.
Амплитуда В<А.
В целом процесс представлен на рисунке в виде суммы этих двух косинусоид.
4. Помимо значительных колебаний напряженного состояния массива и соответственно интенсивности электромагнитной эмиссии в скважинах и выработке
в целом, имеют место локальные колебания на небольших участках массива. Так, в скважине № 10 показания прибора сменились 4 раза за
График изменения интенсивности электромагнитного излучения в слоевом штреке 45-12 и в скважинах, пробуренных в его бортах
К
к Я
70
65'
60
55'
55-58
10
11
12
70
71
67-68,
13
674*
65
14
1;,
15
период снятия отсчетов, в скважине № 16 снятие показаний прибора пришлось повторить три раза, чтобы получить устойчивые значения.
Можно предположить, что непрерывные изменения физико-механичес-ких
1. Вознесенский А.С., Набатов В.В. Оценка трещинообразования в массиве с гипсисодери-сакзами породами методом регистрации электромагнитного излучения // ФТПРПИ. - 2003. - № 3. - С. 3-13.
2. Иванов В.В., Егоров П.В., Колпакова Л.А., Лимонов А.Г. Динамика трещин и электромагнитное излучение нагруженных горных пород // ФТПРПИ.- 1988.- № 5. - С. 20-27.
3. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений / Под. ред. М.Б. Гохберга / ИФЗ АН СССР. - М., 1988. - 243 с.
4. Мирешниченко М.И., Куксенко B.C. Измерение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках // ФТТ. -1980. - Т. - 22, № 5. - С. 1531-1533.
5. Яковицкая Г.Е. О некоторых особенностях структуры сигналов электромагнитного излучения при разрушении горных пород // ФТПРПИ. - 2004. - № 3. - 20-28.
6. Хачай О.А., Ковгородова Е.Н., Влох Н.П., Худяков С.М. Электромагнитный монито-
параметров массива в локальных участках, скорее его обычное состояние, а не совокупность случайных изменений,
происходящих на фиксированных отрезках времени.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ринг миграции зон повышенной трещиноватости массива при технологическом воздействии // Геомеханика и напряженное состояние недр Земли / Труды международной конференции 4-7 октября 1999. - С. 363-367.
7. Беспалько Ю.А., Гольд P.M., Яворович Л. В., Дацко Д. И. Исследование электромагнитного отклика образцов горных пород при акустическом возбуждении // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли / Труды международной конференции 2-4 ноября. 2001. С. 132137.
8. Егоров Л.В., Колмакова Л.А., Малъшин А.А., Бузбанаков А.С., Бобенко А.В., Грибанов К.В. Определение некоторых параметров разрушения горных пород, основанным на регистрации импульсного электромагнитного излучения // Физические проблемы разрушения горных пород / Сб. трудов третьей международной конференции 914 сентября 2002 г. Абаза (Хакасия)/ Под ред. К.Н. Трубецкого, д.т.н., проф. С.Д. Викторова/ -Новосибирск., Наука, 2003 - С. 59-64.
— Коротко об авторах —
Кулаков Г.И. - доктор технических наук, Бритков Н.А. - ст. научный сотрудник,
ИГД СО РАН, г. Новосибирск, Россия.
© Т.В. Кадыкова, 2OO5
1O7
