CC BY
124
УДК 622.831.31 © С.Н. Мулёв, В.Н. Старников, О.А. Романевич, 2019
Современный этап развития геофизического метода регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ)
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-10-6-14
ш
Ii mf
МУЛЁВ С.Н.
Директор по науке АО «ВНИМИ»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected]
СТАРНИКОВ В.Н.
Инженер геофизической лаборатории АО «ВНИМИ»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected]
РОМАНЕВИЧ О.А.
Инженер геофизической лаборатории АО «ВНИМИ»,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются условия применения метода регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ), современные способы оперативной обработки, визуализации и интерпретации данных, полученных с помощью аппаратурного комплекса ЛЫСЕ1-М. Ключевые слова: угольные шахты, рудники, тоннели, электромагнитная эмиссия, аппаратура, мониторинг, лабораторные исследования, напряженно-деформированное состояние
ВВЕДЕНИЕ
Одной из перспективных разработок АО «ВНИМИ» (г. Санкт-Петербург), направленных на решение задач по оценке и контролю напряженно-деформированного состояния (НДС) породных массивов, определению степени удароопасности и структурной нарушенности угольных пластов и рудных залежей в зоне опорного давления, яв-
ляется геофизическая аппаратура типа «Ангел». С ее помощью методом регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) также решаются задачи контроля и прогнозирования состояния вмещающих массивов горных пород и конструкций капитальных горных выработок, таких как транспортные и гидротехнические тоннели, проводятся работы по геодинамическому районированию территорий. В режиме автоматизированного комплексного геотехнического мониторинга метод регистрации ЕЭМИ используется для оперативного контроля негативных (техногенных и природных) воздействий на инженерные сооружения. Различными исследователями с помощью аппаратуры типа «Ангел» ведется поиск прогнозных критериев землетрясений в сейсмоактивных зонах по данным долгосрочных измерений естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ).
АО «ВНИМИ» (г. Санкт-Петербург) разработана новая модификация комплекса «Ангел» - ANGEL-M. В настоящее время новая аппаратура проходит опытную эксплуатацию и наработку критериев на шахтах и рудниках России, также проводятся экспериментальные работы в лабораторных условиях.
МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ЕЭМИ
Метод регистрации естественного электромагнитного излучения (ЕЭМИ) (метод естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ)) основан на взаимосвязи параметров электромагнитного излучения и степени НДС в массивах горных пород различного состава. Данный метод является наиболее оперативным средством оценки изменения НДС - опыт использования бесконтактных эмиссионных методов горной геофизики свидетельствует о возможностях оперативного выполнения сплошной инструментальной диагностики конструкций подземных сооружений и вмещающих их массивов горных пород со скоростью до 1-2 км в сутки с шагом 5-10 м, включая время на обработку и анализ результатов.
Явление электромагнитной эмиссии при разрушении геоматериалов известно давно, и уже на ранних этапах исследований предполагалось, что возбуждение ЕЭМИ связано с активизацией сейсмоэлектрических и сейс-момагнитных явлений [1]. Впервые электризацию при пластическом деформировании наблюдал А.В. Степанов
(1933 г.) [2], нагружая не склонные к проявлению пьезо-эффекта кристаллы каменной соли. В дальнейшем проводились исследования влияния условий деформирования и различных факторов (примесей, облучения, температуры, наличия внешнего электрического поля) на характер электризации ионных кристаллов в процессе их пластического деформирования.
Интерес к ЕЭМИ как индикатору разрушения горных пород возрос в 1970-х годах в связи с проблемой прогноза землетрясений. Оказалось, что при подготовке землетрясений характер возмущения ЕЭМИ имеет некоторые общие черты. Так, например, возрастание интенсивности ЕЭМИ фиксируется за часы и сутки до землетрясения, которое происходит на спаде или непосредственно после аномалии ЕЭМИ. Процесс неустойчивого деформирования горных пород, как в земной коре, так и на образцах, сопровождается возбуждением многочисленных меха-ноэлектрических преобразователей, причем динамичность и масштабность развития начальной стадии процесса разрушения определяют характеристики процесса ЕЭМИ [3, 4, 5].
На ранней стадии практического использования метода, в Томском политехническом институте под руководством профессора А.А. Воробьева, в лабораторных условиях зафиксировано ЕЭМИ при механическом воздействии на диэлектрические материалы [6].
В дальнейшем явление ЕЭМИ было исследовано как в России, так и за рубежом при деформациях различных материалов, включая щелочно-галоидные кристаллы, металлы и сплавы, монокристаллы, горные породы и лед. Наиболее интересные результаты были получены при проведении лабораторных и натурных исследований в ИФЗ РАН (Г.А. Соболев, А.В. Пономарев, М.Б. Гох-берг), в Томском ПУ (А.А. Воробьев, Р.М. Гольд, Ш.Р. Мастов, Ю.П. Малышков, Л.В. Яворович, A.A. Беспалько, В.Н. Са-ломатин, В.Н. Сальников), в ИГД СО РАН (М.В. Курленя, В.Н. Опарин, Г.Е. Яковицкая, Г.И. Кулаков, А.Г. Вострецов), в КузГТУ (В.В. Тарасов, В.В. Дырдин), в ЛМГТ (К.П. Безродный, А.И. Баданин, А.С. Максимов, А.Д. Басов, К.В. Рома-невич), в МГГУ (В.В. Ржевский, В.С. Ямщиков, В.Л. Шку-ратник, А.С. Вознесенский, В.В. Набатов, Д.В. Тамарин), в МИФИ (В.В. Сурков), во ВНИМИ (В.И. Фрид, А.П. Скакун, В.М. Проскуряков, А.П. Шабаров, С.Ф. Панин, С.Н. Мулёв).
Аналогичные исследования проводились также за рубежом - в Грузии, Армении, Казахстане, Узбекистане, Украине и Киргизии. Важные результаты исследований, заключающиеся в фиксации возникновения ультранизкочастотных излучений перед землетрясениями, а также за кономерностей увел ичения кол и чества электрома г-нитных эмиссионных сигналов перед внезапными выбросами угля и газа, были получены в США, Канаде, Японии, Китае, Индии, Израиле и других странах.
Из многочисленных лабораторных исследований было установлено, что ЕЭМИ связано с развитием процессов микротрещинообразования и возникает в процессе разрушения материалов. Эта особенность аномалии ЕЭМИ аутентична как на уровне лабораторных испытаний, так и для крупномасштабных исследований, включая взрывы и землетрясения.
■1 ■ Ы и 11
90 ЛЕГ
Тщательное исследование особенностей ЕЭМИ во время разрушения горных пород, стекла и стеклокерамиче-ских материалов привело к пониманию того, что колеблющиеся электрические диполи, создаваемые на поверхностях трещин, являются источниками ЕЭМИ вне зависимости от химической/минералогической структуры материала и/или режима приложения нагрузки. Обосновано использование метода ЕЭМИ для идентификации активных разломов и оценки направления напряжений вокруг тоннелей. Наибольшее признание метод ЕЭМИ получил для оценки интенсивности напряжений в подземных выработках и тоннелях. Например, в работе [7] представлено наличие положительной корреляции между интенсивностью ЕЭМИ и напряжением горных пород, в то время как частота сигналов ЕЭМИ была обратно пропорциональна ширине микротрещин. Отметим, что это наблюдение согласуется с данными работы [8]. В работах [9, 10] продемонстрировано, что характеристики сигнала ЕЭМИ изменяются во временной и частотной областях при изменениях напряженного состояния, интенсивности трещинообразования и газовыделения в процессе добычи. В работах [11, 12] сравниваются особенности ЕЭМИ, вызванные разрушением горных пород, и показано, что увеличение скорости распространения трещин приводит к увеличению интенсивности ЕЭМИ. Эти результаты согласуются с результатами работы [13], в которой проанализированы изменения интенсивности, числа импульсов и частоты ЕЭМИ, соответствующих одноосному сжатию, растяжению и циклической нагрузке образцов горных пород, и продемонстрирована высокая степень корреляции между этими параметрами ЕЭМИ и уровнем приложенной нагрузки.
АО «ВНИМИ» (г. Санкт-Петербург) разработана методика регистрации активности ЕЭМИ в горных выработках. Согласно этой методике выделение наиболее напряженных участков осуществляется по активности или амплитуде ЕЭМИ, измеряемых на одном пороге регистрации, в процессе профилирования выработок, а расстояние до максимума определяется с помощью каротажа скважин или регистрации ЕЭМИ при бурении. Эта методика в различных модификациях нашла применение на рудных месторождениях. Исследования проводились на Ташта-голе, в Норильске и Апатитах. Способ определения уда-роопасности массива горных пород по электромагнитной эмиссии защищен патентом РФ 2535329. Патентообладателем является АО «ВНИМИ».
Исследования феномена ЕЭМИ продолжаются. В 2019 г. в Национальном исследовательском Томском политехническом университете А.А. Беспалько успешно защищена докторская диссертация на тему «Физические основы и реализация метода электромагнитной эмиссии для мониторинга и краткосрочного прогноза изменений НДС горных пород» [14]. Разрабатываются новые методики и средства оценки и контроля параметров электромагнитных сигналов и характеристик электромагнитной эмиссии. В результате исследований ЕЭМИ при строительстве транспортных тоннелей в России обосновано применение метода регистрации электромагнитного излучения на дневной поверхности над горными выработка-
ми и внутри них для обнаружения и контроля изменений НДС крепи и вмещающего породного массива при изменениях напряжений 5-20% от разрушающих, разработана методика оперативной идентификации и прогнозирования относительно слабых геомеханических процессов в массиве горных пород по регистрации электромагнитного излучения [15].
АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ANGEL-M
На базе метода регистрации естественного импульсного электромагнитного излучения институтом ВНИ-МИ (г. Санкт-Петербург) разработана новая модификация аппаратурного комплекса ANGEL-M, являющаяся одной из наиболее перспективных разработок компании (рис. 1).
Комплекс ANGEL-M предназначен для оценки параметров нестационарных геофизических полей, связанных с разрушением горных пород, и может применяться в горных выработках, в том числе опасных по газу и пыли. В шахтных условиях комплекс ANGEL-M используется для контроля устойчивости горных пород.
Комплекс состоит из блока регистрации и приемной электромагнитной штыревой антенны. ANGEL-M в автоматическом режиме выполняет прием сигналов переменного магнитного поля на антенну и выделяет аналоговыми методами и методами цифровой обработки импульсную составляющую нестационарных сигналов, связанную с естественным излучением горных пород. Фиксированное направление приема излучения задают ориентацией антенны.
Рис. 1. Блок регистрации аппаратурного комплекса ANGEL-M Fig. 1. Registration unit of the hardware complex ANGEL-M
Комплекс переносится и обслуживается одним оператором. Оператор выбирает режим при помощи вложенного меню, отображаемого на экране матричного дисплея. Цикл наблюдений в каждом режиме включает: прием сигналов от датчика в течение заданного интервала времени, обработку полученных данных, запоминание параметров и оценки. Через заданный временной интервал происходит запись файла, содержащего динамику изменения измеряемого поля с частотой дискретизации сигнала до 467000 Гц. Данные копируются из памяти прибора в компьютер и оформляются в виде табличных файлов для текстового или графического документирования.
Результаты измерений выводятся на табло прибора (рис. 2), где указываются номер замера и показатели структуры излучения А, В, где А - средняя амплитуда импульсов, зарегистрированных в заданный промежуток времени (10; 20; 40; 80 с), В - показатель распределения амплитуд импульсов по 10 уровням (И-И0) ^д угла наклона прямой распределения).
Фильтрация и визуализация результатов регистрации ЕЭМИ, получаемых с помощью аппаратуры ANGEL-M, производятся по специальному алгоритму, интерпретации подвергаются как сам сигнал, так и его спектральные характеристики и рассчитанные автоматически показатели структуры излучения.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕГИСТРАЦИИ ЕЭМИ
Наиболее мощные импульсы электромагнитного излучения фиксируются на участках горных выработок, где происходит резкое изменение напряженно-деформированного состояния в динамической форме: шелушение, стреляние, динамическое заколообразова-ние, микроудары и горные удары.
Пример визуализации натурных данных, полученных ВНИМИ (2017 г.) при регистрации в нестабильных горных выработках Таштагольского месторождения с помощью аппаратуры ANGEL-М, представлен на рис. 3.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЕЭМИ
Аналогичные сигналы получены в ходе многочисленных лабораторных исследований [16, 17, 18, 19] при на-гружении на прессах различных материалов (гранит, мрамор, мел, стеклокерамика, стекло, металлы, лед и проч.), причем характерные виды излучения получены для каждой из стадий напряженно-деформированного состояния, начиная от стадии упругого деформирования и заканчивая стадией разрушения образца.
В работе [16] показано, что чем больше горная порода склонна к хрупкому разрушению, тем больший уровень
tue
packet 1 2
3
4 •>
4 7
5
9
10
comp.
: LS] Afmkvj LlfjflfeV] LioEmkvj var_A[S£] в Ll L 2 L3 L4 Li Li L7 L8 L9 L10
10 9.3 13. 2 72.9 0 0.190 65005 64909 64786 64412 63433 59892 4 5472 15196 3819 256
10 10.0 19. S 63*1 0 U. 134 65003 64S94 64752 64417 63411 59396 42921 125Я 3321 256
10 9.6 IS. 7 77.1 0 0.134 65CDO 64904 64730 64467 6343? i98$i 45717 14700 3566 2S6
LO 9,0 19,1 76 i о 0-186 65003 64909 647S0 644 Si 63619 «Ш0 46734 16434 3939 i56
10 10,0 19,9 74.1 0 0,190 65001 64904 64780 64471 63623 60539 47871 17835 3893 250
10 9.1 17.9 68.4 0 0. 195 65010 64929 64796 64109 63659 60440 47506 17295 3907 250
10 9.2 ia.o 68. 3 0 o. 194 65000 64903 64783 64 511 63647 603 74 4 7243 17194 4072 256
10 9.1 13. 2 67.9 0 a. 2oa 65002 64S93 64784 64S2a 6363 s 60479 47540 17543 3848 257
10 9.0 17.9 бб.в 0 0.197 65004 64905 64779 64510 636S3 $0645 4 790 5 17S16 4069 2S$
LO s.5 IS, 9 66.3 о 0- 1» 65MM 64 057 6474? 64431 63490 59739 45900 16700 4Oi0 256
Рис. 2. Пример вывода информации текстового файла
Fig. 2. An example of the output of text file information
90 ЛЕГ
поверхностной плотности энергии регистрируется при образовании трещин. В работе [17] подробно рассмотрены спектрально-временные характеристики сигналов электромагнитного излучения при разрушении горных пород.
В ходе лабораторных экспериментов, целью которых являлась оценка возможности оперативной визуализации и интерпретации электромагнитных сигналов от разрушающихся образцов различных материалов, во ВНИМИ были получены данные, соответствующие теоретическим представлениям распространения электромагнитного импульсного излучения и данным предыдущих многочисленных испытаний на прессах (рис. 4).
Лабораторные эксперименты представляют собой регистрацию акустической и электромагнитной эмиссии на нескольких видах датчиков в широком диапазоне частот в процессе разрушения образцов горных пород и искусственных материалов под действием внешних сил на нагружающих устройствах различного типа с фиксацией величины нагрузки. Разрушение образца происходит после перехода за предел прочности нормальных и касательных напряжений, возникающих в материале при его упругих де-
1
а
<и
с 0,5
и ^
га 0 i
i -0,5
2 3 4 5 6 7 8 Время регистрации сигнала, сек
200
100
1 2 3 4 5 6 7 Время регистрации сигнала, сек
Рис. 3. Пример визуализации натурных данных, полученных при регистрации ЕЭМИ в горных выработках Таштагольского месторождения (ВНИМИ, 2017 г). Зарегистрированный сигнал - вверху, спектрограмма - внизу
Fig. 3. An example of the visualization of field data obtained during the registration of EEMI (NER) in the mine workings of the Tashtagol field (VNIMI, 2017). The registered signal is at the top, the spectrogram is at the bottom
формациях - сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, в основном по ослабленным сечениям, имеющим дефекты, которые практически всегда присутствуют в горных породах. Регистрация электромагнитного излучения производится на расстоянии 0,5-1 м от разрушаемого образца.
Системой нагружения является испытательный гидравлический пресс, измерительная система реализована на базе модулей QMBox («Р-Технолоджи», г. Москва), акустическим каналом является акселерометр ВС-201 (ООО «ЭТМС»,
Рис. 4. Опытная регистрация ЕЭМИ в лаборатории
ВНИМИ: А, В - набор образцов различных материалов
для испытаний; С - монтаж приемной антенны
на защитную пенополистироловую пластину;
D - зона разрушения образцов; Е - регистрация ЕЭМИ
аппаратурным комплексом ANGEL-M
Fig. 4. Experimental registration of EEMI (NER) in the VNIMI
laboratory: A, B - a set of samples of various materials
for testing; C - installation of a receiving antenna
on a protective polystyrene foam plate; D - is the destruction
zone of the samples; E - registration of the EEMI (NER)
with the hardware complex ANGEL-M
0
9
150
50
0
0
8
9
г. Зеленоград), каналом ЕЭМИ - штыревая ферритовая антенна и аналоговый модуль комплекса ANGEL-M, датчик нагрузки - тен-зометрический.
На рис. 5 представлены характерный вид сигнала ЕЭМИ и его спектрограмма при разрушении образца горной породы (аргиллит).
Также были исследованы параметры импульсов ЕЭМИ, возникающих в образцах горных пород под приложенной нагрузкой (без ее увеличения) до момента их разрушения. Испытанию подвергались образцы различных горных пород: гранит, аргиллит и другие.
Так, при испытаниях гранитного керна диаметром 40 мм, высотой 85 мм (рис. 6) были получены характерные сигналы электромагнитного излучения и акустической эмиссии при прорастании микротрещин в образцах под статической нагрузкой без ее увеличения.
Испытания проводились в режиме одноосного сжатия образца с нарастанием приложенного усилия - от 0 до % критического, выдержка нагружения составляла 0,5 мин, после чего проводилось дальнейшее увеличение нагрузки до момента разрушения образца, скорость приложения разрушающего усилия - 75 кН/с. Регистрация результатов велась в режиме реального времени, фиксировались величина нагрузки, сигналы акустической эмиссии (АЭ) и сигналы ЕЭМИ (рис. 7).
1
а е с 0,5 с
S 0
тли-0,5
С
м < -1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Время регистрации сигнала, с
ас100
50
1 1,5 2 2,5 3
Время регистрации сигнала, с
Рис. 5. Результаты регистрации ЕЭМИ при разрушении образца горной породы (аргиллит). Форма сигнала - вверху, его спектрограмма - внизу
Fig. 5. The results of the registration of EEMI (NER) during the destruction of a rock sample (mudstone). The waveform is at the top, its spectrogram is at the bottom
Рис. 6. Внешний вид образца Fig. 6. Appearance of the sample
При расшифровке записи результатов и их анализе отмечалось следующее:
- на отметке 4 с - скол образца (усилие - порядка 175 кН): на графике нагрузки - кратковременный скачок усилия, на графиках ЕЭМИ и АЭ - фиксация импульсов эмиссии;
- в интервале 4-32 с - нагрузка 180 кН (величина напряжения - 138 МПа): регистрируются импульсы ЕЭМИ и редкие импульсы АЭ на протяжении всего периода статической нагрузки;
- в интервале 32-38 с - возобновление режима роста нагрузки до момента разрушения образца;
- на отметке 32 с - падение нагрузки (вероятно, из-за конструкции гидравлической системы);
- разрушение образца происходит при нагрузке 240 кН (предел прочности образца - 185 МПа): при разрушении образца регистрируются импульсы ЕЭМИ и АЭ.
Результаты подобных опытов подтверждают наличие практической возможности прогнозирования разрушения образцов горных пород и других искусственных материалов по электромагнитному излучению, регистрируемому аппаратурой ANGEL-M.
В настоящее время в аппаратурном комплексе ANGEL-M также реализована возможность учета и фильтрации промышленных помех при диагностике реальных массивов
200
150
0
■1 ■ H IN I i
90 ЛЕГ
Рис. 7. Результаты регистрации величины нагрузки, сигналов ЕЭМИ и АЭ при прорастании микротрещин в образце Fig. 7. The results of recording the magnitude of the load, the EEMI and AE signals during the germination of microcracks in the sample
о h-
ra 100
горных пород. На рис. 8 приведен пример регистрации электромагнитного поля с искусственной помехой, создаваемой генератором электромагнитных импульсов в широкой полосе частот (аналог индустриальных помех в строящихся и действующих подземных сооружениях). Таким образом, получаемый сигнал после его визуализации может быть «очищен» от влияния различных помех и проинтерпретирован с их учетом.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА
РЕГИСТРАЦИИ ЕЭМИ
В соответствии с действующими нормативными документами [20] метод регистрации ЕЭМИ может применяться для решения широкого круга задач при инженерно-геологических изысканиях для строительства:
- изучение в плане и разрезе положения геологических границ;
- обнаружение и локализация участков смещения масс горных пород и трещиноо-бразования на ранних стадиях подготовки этих процессов при изменениях напряженного состояния массива с определением времени начала смещений и его прогноз;
- контроль развития деформаций подработанных территорий,осадок и просадок территории, в том числе вследствие сейсмической активности;
- выявление и оконтуривание зон повышенной трещиноватости, тектонических нарушений и активных разрывных структур;
- определение состояния и свойств грунтов в массиве и их изменений;
- наблюдение за изменением напряженного состояния, возникновением и развитием трещин и проведение мониторинга опасных геологических и инженерно-геологических процессов.
Метод регистрации ЕЭМИ широко применяется для контроля напряженно-деформированного состояния с
1,5 2 2,5 3 3,5 Время регистрации сигнала, сек
Рис. 8. Результаты регистрации сигнала аппаратурой ANGEL-M от источника электромагнитных импульсов в широкой полосе частот Fig. 8. Results of signal registration by ANGEL-M equipment from a source of electromagnetic pulses in a wide frequency band
целью выделения участков, склонных к проявлению динамических форм горного давления на шахтах и рудниках [21].
Являясь эффективным техническим средством нераз-рушающего контроля, метод регистрации ЕЭМИ способен регистрировать и отображать даже незначительные изменения напряженно-деформированного состояния как конструкций, так и вмещающего грунтового масси-
ва при строительстве и последующей эксплуатации подземных сооружений. Так, в работе [22] показана техническая возможность применения метода регистрации ЕЭМИ для контроля устойчивости выработок Петербургского метрополитена, а в работе [23] - опыт оценки взаимного влияния подземных сооружений метрополитена при строительстве и эксплуатации, в том числе с использованием метода ЕЭМИ. В последнем случае отмечается, что максимум уровня сигналов естественного электромагнитного излучения регистрируется не в пределах самого пересекающегося в плане тоннеля, а в тех интервалах, где по теоретическим и практическим данным находятся максимумы опорного давления, а также еще и вторичные зоны опорного давления. Этими исследованиями подтверждаются общие представления о знакопеременном распределении напряженно-деформированного состояния в окрестностях подземных выработок, имеющем характер зональной дезинтеграции горных пород.
Весьма актуальным является применение метода регистрации ЕЭМИ для мониторинга опасных геологических процессов, включающего систему постоянных наблюдений, анализа и прогноза состояния геологической среды, а также оценку негативного влияния горных работ на окружающую среду и безопасность. В соответствии с требованиями действующих нормативных документов [24] при мониторинге проводят контроль процессов, протекающих в конструкциях объектов и грунте, для своевременного обнаружения на ранней стадии тенденции негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций и оснований, которое может повлечь переход объекта в ограниченно работоспособное или аварийное состояние. Одним из специальных методов раннего выявления и локализации зон изменения напряженно-деформированного состояния вмещающих пород и конструкций подземных сооружений является метод регистрации ЕЭМИ, применение которого обосновано как в виде режимных наблюдений с заданным регламентом измерений, так и в виде автоматизированной системы мониторинга.
В качестве примера реализации стационарной автоматизированной системы мониторинга технического состояния строительных конструкций уникальных подземных сооружений, основанной на регистрации ЕЭМИ, можно привести мониторинговую систему непрерывной регистрации естественного электромагнитного излучения в действующих транспортных (автодорожных и железнодорожных) тоннелях линии Сочи - Красная поляна. В работе [25] приводится краткое описание методики выделения прогнозных критериев в сигналах электромагнитного излучения, регистрируемых автоматической системой регистрации ЕЭМИ в транспортных тоннелях. В общем виде представлена структура этой системы, являющейся, по сути, инструментом локального автоматизированного мониторинга состояния конструкций контролируемых тоннелей и вмещающих их массивов горных пород и оперативного контроля за негативными (техногенными и природными) воздействиями на тоннельные сооружения на всем их протяжении. Вместе с тем представлена техническая возможность
проведения регистрации удаленных землетрясении и выполнения контроля сеИсморежима региона в целом с помощью подсистем комплексного автоматизированного геотехнического мониторинга (ГТМ). Также приводятся некоторые результаты, демонстрирующие эффективность предлагаемых прогнозных критериев сейсмо-событий по результатам регистрации ЕЭМИ [25]. О похожих результатах, полученных с помощью аппаратуры ANGEL-M при землетрясениях в Гималаях, сообщают также коллеги из Центральной Индии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе кратко рассмотрены условия применения метода регистрации ЕЭМИ, современные способы оперативной обработки, визуализации и интерпретации данных, полученных с помощью аппаратурного комплекса ANGEL-M, в котором реализована возможность учета и фильтрации промышленных помех при диагностике реальных массивов горных пород.
Результаты лабораторных испытаний, а также многочисленные натурные наблюдения методом регистрации ЕЭМИ с аппаратурой ANGEL-M подтверждают наличие практической возможности контроля деформирования и разрушения массивов горных пород и искусственных материалов по электромагнитному излучению.
Отмечается, что исследование феномена естественного электромагнитного излучения продолжается - разрабатываются новые методики и средства оценки и контроля параметров электромагнитных сигналов и характеристик естественного электромагнитного излучения горных пород и материалов конструкций подземных сооружений.
Широкое применение метода регистрации ЕЭМИ в угольной и рудной промышленности, при инженерно-геологических изысканиях для строительства, а также в режиме мониторинга (в том числе автоматизированного мониторинга) опасных геологических процессов позволяет говорить о значительном прогрессе, достигнутом на современном этапе изучения ЕЭМИ, в том числе благодаря разработке аппаратуры типа «Ангел» и ее новой модификации ANGEL-M.
Сп исок литературы
1. Гридин О.М., Гончаров С.А. Электромагнитные процессы: учебник для вузов. М.: Горная книга, 2009. 498 с.
2. Stepanow A.W. Uber den Mechanismus der plastischen Deformation // Zeitschrift fuer Physik. 1933. Bd. 81. H. 7-8. P. 560-564.
3. Яковицкая Г.Е. Разработка метода и измерительных средств диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии: дис. ... д-ра техн. наук. Новосибирск, 2007. 427 с.
4. Яворович Л.В. Взаимосвязь параметров электромагнитных сигналов с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород: дис. . канд. техн. наук. Томск, 2005. 196 с.
5. Каталог импульсных электромагнитных предвестников землетрясений / АН СССР, Ин-т физики Земли им. О.Ю. Шмидта [составители Н.Н. Никифорова, С.И. Зубков и др.]. М.: Наука, 1991. 126 с.
6. Воробьев А.А. О возможности электрических разрядов в недрах Земли // Геология и геофизика. 1970. № 12. С. 3-13.
7. Study on the characteristics of coal rock electromagnetic radiation (EMR) and the main influencing factors / X. Song, X. Li, Z. Li, Z. Zhang, F. Cheng, P. Chen, Y. Liu // Journal of Applied Geophysics. 2018. Vol. 148. P. 216-225.
8. Rabinovitch A., Frid V., Bahat D. Surface oscillations-A possible source of fracture induced electromagnetic radiation // Tectonophysics. 2007. Vol. 431. P. 15-21 (and refs therein).
9. Characteristics and precursor information of electromagnetic signals of mining-induced coal and gas outburst / L. Qiu, Z. Li, E. Wang, Z. Liu, J. Ou, X. Li, M. Ali, Y. Zhang, S. Xia // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2018. Vol. 54. P. 206-215.
10. Measurement of the stress field of a tunnel through its rock EMR / L. Qiu, E. Wang, D. Song, Z. Liu, R. Shen, G. Lv, Z. Xu // Journal Geophys. Eng. 2017. Vol. 14. P. 949-959.
11. Changes in frequency of electromagnetic radiation from loaded coal rock / D. Song, E. Wang, X. Song, P. Jin, L. Qiu // Rock Mech Rock Eng. 2016. Vol. 49. P. 291-302.
12. Use of electromagnetic radiation from fractures for mining-induced stress field assessment / D. Song, E. Wang, X. He, H. Jia, L. Qiu, P. Chen, S. Wang // Journal Geophys. Eng. 2018. Vol. 15. P. 1093-1103.
13. Liu X., Wang E. Study on characteristics of EMR signals induced from fracture of rock samples and their application in rockburst prediction in copper mine // Journal Geophys. Eng. 2018. Vol. 15. P. 909-920.
14. Беспалько А.А. Физические основы и реализация метода электромагнитной эмиссии для мониторинга и краткосрочного прогноза изменений напряженно-деформированного состояния горных пород: дис. ... д-ра техн. наук. Томск, 2019. 398 с.
15. Романевич К.В. Разработка критериев и методики идентификации геодинамических процессов по электромагнитному излучению вблизи выработок неглубокого заложения: дис. ... канд. техн. наук. М., 2015. 156 с.
16. Характеристики электромагнитного излучения горных пород при их разрушении в лабораторных экспериментах / А.Г. Вострецов, А.В. Кривецкий, А.А. Бизяев, Г.Е. Яковицкая // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2013. № 2. С. 46-54.
■1 ■ I i m I i
90 ЛЕГ
17. Регистрация и обработка сигналов электромагнитного излучения горных пород / М.В. Курленя, А.Г. Вострецов, Г.И. Кулаков, Г.Е. Яковицкая. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. 232 с.
18. Фурса Т.В. Электромагнитная эмиссия строительных материалов: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 1998. 167 с.
19. Bahat D., Rabinovitch A., Frid V. Tensile fracturing in rocks. Tectonofractographic and Electromagnetic Radiation Methods. Springer. Heidebberg, 2005. 569 p.
20. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. I. Общие правила производства работ; ГОСТ Р 57208-2016 Тоннели и метрополитены. Правила обследования и устранения дефектов и повреждений при эксплуатации; ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния; СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Ч. VI. Правила производства геофизических исследований. М.: Стандартинформ, 2014.
21. Яковлев Д.В., Мулёв С.Н. Опыт применения многофункциональной геофизической аппаратуры АНГЕЛ-М в угольной и рудной промышленности // Уголь. 2014. № 10. С. 14-19. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/102014.pdf (дата обращения: 15.09.2019).
22. Романевич К.В., Басов А.Д. О возможности применения метода регистрации естественного электромагнитного излучения для контроля устойчивости выработок Петербургского метрополитена // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2016. Т. 1. № 3. С. 163-167.
23. Лебедев М.О., Романевич К.В., Басов А.Д. Оценка взаимного влияния подземных сооружений метрополитена при строительстве и эксплуатации // Геотехника. 2018. Т. 10. № 1. С. 82-92.
24. ГОСТ 32019-2012. Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений. Правила проектирования и установки стационарных систем (станций) мониторинга (с изменением № 1, с поправкой). М.: Стандартинформ, 2014.
25. Поиск прогнозных критериев сейсмособытий по данным автоматической системы комплексного геотехнического мониторинга в транспортных тоннелях Сочи / С.Г. Катаев, М.О. Лебедев, К.В. Романевич и др. // Тезисы конференции «Инженерная и рудная геофизика 2019». Геленджик, 22-26 апреля 2019 г.
SUBSOIL USE
UDC 622.831.31 © S.N. Mulev, V.N. Starnikov, O.A. Romanevich, 2019
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 10, pp. 6-14 DOI: http://dx.doi.org/! 0.18796/0041 -5790-2019-10-6-14
Title
THE CURRENT STAGE OF DEVELOPMENT OF THE GEOPHYSICAL METHOD FOR RECORDING NATURAL ELECTROMAGNETIC RADIATION (EEMI - NER)
Authors
Mulev S.N.1, Starnikov V.N.1, Romanevich O.A.'
1 "Research Institute of Mining Geomechanics and Mine Surveying -the Intersectoral Research Center VNIMI" JSC, Saint-Petersburg, 199106, Russian Federation Authors' Information
Mulev S.N., Director of Science, e-mail: [email protected] Starnikov V.N., geophysical laboratory engineer, e-mail: [email protected] Romanevich O.A., geophysical laboratory engineer, e-mail: [email protected]
Abstract
In this paper, we consider the conditions for applying the method of recording natural electromagnetic radiation (EEMI - NER), modern methods for the operational processing, visualization and interpretation of data obtained using the ANGEL-M hardware complex.
Keywords
Coal mines, Mines, Tunnels, Electromagnetic emission, Equipment, Monitoring, Laboratory tests, Stress-strain state.
References
1. Gridin O.M. & Goncharov S.A. Elektromagnitnyye protsessy: uchebnik dlya vuzov [Electromagnetic processes: a textbook for high schools]. Moscow, Gornaya kniga Publ., 2009, 498 p. (In Russ.).
2. Stepanow A.W. Uber den Mechanismus der plastischen Deformation. Zeitschrift fuer Physik, 1933, Bd. 81, H. 7-8, pp. 560-564.
3. Yakovitskaya G.E. Razrabotka metoda i izmeritel'nykh sredstv diagnostiki kriticheskikh sostoyaniy gornykh porod na osnove elektromagnitnoy emissii. Diss. dokt. techn. nauk [Development of a method and measuring tools for the diagnosis of critical conditions of rocks based on electromagnetic emission. Dr. eng. sci. diss.]. Novosibirsk, 2007, 427 p. (In Russ.).
4. Yavorovich L.V. Vzaimosvyaz' parametrov elektromagnitnykh signalov s izmeneniyem napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya gornykh porod. Diss. kand. techn. nauk [The relationship of the parameters of electromagnetic signals with a change in the stress-strain state of rocks. PhD eng. diss.]. Tomsk, 2005, 196 p. (In Russ.).
5. Nikiforova N.N., Zubkov S.I. et al. Katalog impul'snykh elektromagnitnykh predvestnikovzemletryaseniy. AN SSSR, In-t fiziki Zemli im. O.Yu. Shmidta [Earthquake Pulsed Electromagnetic Earthquake Catalog. USSR Academy of Sciences, Institute of Physics of the Earth named after O.Yu. Schmidt]. Moscow, Nauka Publ., 1991, 126 p. (In Russ.).
6. Vorobyev A.A. O vozmozhnosti elektricheskikh razryadov v nedrakh Zemli [About the possibility of electric discharges in the bosom of the earth]. Geology and geophysics, 1970, No. 12, pp. 3-13. (In Russ.).
7. Song X., Li X., Li Z., Zhang Z., Cheng F., Chen P. & Liu Y. Study on the characteristics of coal rock electromagnetic radiation (EMR) and the main influencing factors. Journal of Applied Geophysics, 2018, Vol. 148, pp. 216225.
8. Rabinovitch A., Frid V. & Bahat D. Surface oscillations-A possible source of fracture induced electromagnetic radiation. Tectonophysics, 2007, Vol. 431, pp. 15-21 (and refs therein).
9. Qiu L., Li Z., Wang E., Liu Z., Ou J., Li X., Ali M., Zhang Y. & Xia S. Characteristics and precursor information of electromagnetic signals of mining-induced coal and gas outburst. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2018, Vol. 54, pp. 206-215.
10. Qiu L., Wang E., Song D., Liu Z., Shen R., Lv G. & Xu Z. Measurement of the stress field of a tunnel through its rock EMR. Journal Geophys. Eng., 2017, Vol. 14, pp. 949-959.
11. Song D., Wang E., Song X., Jin P. & Qiu L. Changes in frequency of electromagnetic radiation from loaded coal rock. Rock Mech Rock Eng., 2016, Vol. 49, pp. 291-302.
12. Song D., Wang E., He X., Jia H., Qiu L., Chen P. & Wang S. Use of electromagnetic radiation from fractures for mining-induced stress field assessment. Journal Geophys. Eng., 2018, Vol. 15, pp. 1093-1103.
13. Liu X. & Wang E. Study on characteristics of EMR signals induced from fracture of rock samples and their application in rockburst prediction in copper mine. Journal Geophys. Eng., 2018, Vol. 15, pp. 909-920.
14. Bespalko A.A. Fizicheskiye osnovy i realizatsiya metoda elektromag-nitnoy emissii dlya monitoringa i kratkosrochnogo prognoza izmeneniy napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya gornykh porod. Diss. dokt. techn. nauk [Physical foundations and implementation of the method of electromagnetic emission for monitoring and short-term forecast of changes in the stress-strain state of rocks. Dr. eng. sci. diss.]. Tomsk, 2019, 398 p. (In Russ.).
15. Romanevich K.V. Razrabotka kriteriyev i metodiki identifikatsii geodi-namicheskikh protsessov po elektromagnitnomu izlucheniyu vblizi vyrabotok neglubokogozalozheniya. Diss. kand. techn. nauk [Development of criteria
and methods for identifying geodynamic processes by electromagnetic radiation near shallow workings. PhD eng. diss.]. Moscow, 2015, 156 p. (In Russ.).
16. Vostretsov A.G., Krivetsky A.V., Bizyaev A.A. & Yakovitskaya G.E. Kharak-teristiki elektromagnitnogo izlucheniya gornykh porod pri ikh razrushenii v laboratornykh eksperimentakh [Characteristics of electromagnetic radiation of rocks during their destruction in laboratory experiments]. Doklady Akademii nauk vysshey shkoly Rossiyskoy Federatsii - Reports of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation, 2013, No. 2 (21), pp. 46-54. (In Russ.).
17. Kurlenya M.V., Vostretsov A.G., Kulakov G.I. & Yakovitskaya G.E. Regis-tratsiya i obrabotka signalov elektromagnitnogo izlucheniya gornykh porod [Registration and processing of signals of electromagnetic radiation of rocks]. Novosibirsk, Publishing House SB RAS, 2000, 232 p. (In Russ.).
18. Fursa T.V. Elektromagnitnaya emissiya stroitel'nykh materialov. Diss. kand. techn. nauk [Electromagnetic emission of building materials. PhD eng. diss.]. Tomsk, 1998, 167 p. (In Russ.).
19. Bahat D., Rabinovitch A. & Frid V. Tensile fracturing in rocks. Tectonofrac-tographic and Electromagnetic Radiation Methods. Springer, Heidebberg, 2005, 569 p.
20. SP 11-105-97. Inzhenerno-geologicheskiye izyskaniya dlya stroitel'stva. Ch. I. Obshchiye pravila proizvodstva rabot; GOST R 57208-2016 Tonneli i metropoliteny. Pravila obsledovaniya i ustraneniya defektov i povrezh-deniy pri ekspluatatsii; GOST 31937-2011 Zdaniya i sooruzheniya. Pravila obsledovaniya i monitoringa tekhnicheskogo sostoyaniya; SP 11-105-97 Inzhenerno-geologicheskiye izyskaniya dlya stroitel'stva. Ch. VI. Pravila proizvodstva geofizicheskikh issledovaniy [SP 11-105-97. Engineering and geological surveys for construction. Part I. General rules for the production of work; GOST R 57208-2016 Tunnels and subways. Rules for inspection and elimination of defects and damage during operation; GOST 31937-2011 Buildings and structures. Rules for inspection and monitoring of technical condition; SP 11-105-97 Engineering and geological surveys for construction. Part VI. Rules for the production of geophysical surveys]. Moscow, Standardinform Publ., 2014. (In Russ.).
21. Yakovlev D.V. & Mulyov S.N. Opyt primeneniya mnogofunkcional'noj geofizicheskoj apparatury ANGEL-M v ugol'noy i rudnoy promyshlennosti [Experience of ANGEL-M multipurpose geophysical equipment use in coal industry and ore mining]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2014, No. 10, pp. 14-19. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/102014.pdf (accessed 15.09.2019). (In Russ.).
22. Romanevich K.V. & Basov A.D. O vozmozhnosti primeneniya metoda registratsii yestestvennogo elektromagnitnogo izlucheniya dlya kontrolya ustoychivosti vyrabotok Peterburgskogo metropolitena [About the possibility of using the method of recording natural electromagnetic radiation to control the stability of the workings of the St. Petersburg metro]. Fundamental'nyye i prikladnyye voprosy gornykh nauk - Fundamental and applied issues of mining, 2016, Vol. 1, No. 3, pp. 163-167. (In Russ.).
23. Lebedev M.O., Romanevich K.V. & Basov A.D. Otsenka vzaimnogo vliya-niya podzemnykh sooruzheniy metropolitena pri stroitel'stve i ekspluatatsii [Assessment of the mutual influence of underground metro structures during construction and operation]. Geotehnika, 2018, Vol. 10, No. 1, pp. 82-92. (In Russ.).
24. GOST 32019-2012. Monitoring tekhnicheskogo sostoyaniya unikal'nykh zdaniy i sooruzheniy. Pravila proyektirovaniya i ustanovki statsionarnykh sistem (stantsiy) monitoringa (s izmeneniyem № 1, s popravkoy). [GOST 32019-2012. Monitoring the technical condition of unique buildings and structures. Rules for the design and installation of stationary monitoring systems (stations) (as amended by No. 1, as amended).] Moscow, Stand-ardinform Publ., 2014. (In Russ.).
25. Kataev S.G., Lebedev M.O., Romanevich K.V. et al. Poisk prognoznykh kriteriyev seysmosobytiy po dannym avtomaticheskoy sistemy kompleksnogo geotekhnicheskogo monitoringa v transportnykh tonnelyakh Sochi: Tezisy konferentsii "Inzhenernaya i rudnaya geofizika 2019" [Search for predictive criteria for seismic events according to the data of an automatic system for integrated geotechnical monitoring in Sochi transport tunnels: Abstracts of the conference "Engineering and ore geophysics 2019"]. Gelendzhik, April 22-26, 2019. (In Russ.).
Received September 03,2019
