Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород

Федотов, Павел Иванович

Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород

кандидата технических наук: Федотов, Павел Иванович
город: Томск
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.11.13
цена: 450 рублей

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород»

Автореферат диссертации по теме "Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород"

На правах рукописи

ФЕДОТОВ ПАВЕЛ ИВАНОВИЧ

РЕГИСТРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.11,13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

005003956

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

ТОМСК-2011

005003956

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Суржиков Анатолий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук доктор технических наук

Люкшин Борис Александрович Гольдштейн Александр Ефремович

Ведущая организация:

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Защита состоится « 27» декабря 2011 г. в Г7 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, г. Томск, ул. Савиных, дом 7, ауд. 215 (актовый зал).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, дом 55.

Автореферат разослан « » ноября 2011 г

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

к.т.н., доцент Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В тектонически и сейсмически активных горнодобывающих регионах ведутся разработки ряда крупных железорудных месторождений. При горных работах в отрабатываемых массивах горных пород возникают катастрофические сейсмические и динамические явления в форме техногенных землетрясений, горных ударов, ударов горно-тектонического типа, обрушения больших масс горных пород и др. Освоение глубоких горизонтов обострило проблему прогноза и предотвращения горных ударов, наносящих значительный материальный ущерб промышленным предприятиям и гражданским объектам, находящимся в зойах влияния очистных пространств. Крупные технологические взрывы по обрушению рудных блоков на железорудных месторождениях также сопровождаются мощными динамическими явлениями. Проходка выработок, отработка новых рудных тел, образование протяженных свободных от нагрузок поверхностей вызывает перераспределение полей напряжений, их концентрацию в отдельных областях массива горных пород. Динамическое воздействие на горные породы при крупных технологических взрывах активизирует напряженные участки, провоцирует горные удары, приводит к образованию геодинамических опасных зон в породном массиве и на земной поверхности.

Для исключения этих явлений и, как следствие, травматизма и человеческих жертв необходим надежньш прогноз горно-геологических и геомеханических условий ведения горных работ, разработка новых методов и .способов отработки рудных месторождений, снижающих риск геодинамических явлений. В настоящее время наиболее перспективным методом контроля изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива и прогноза геодинамических событий, в том числе в шахтном поле рудников, является метод, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах, бетонах и других диэлектрических структурах. При механоэлектрических преобразованиях параметры возникающих электромагнитных сигналов (ЭМС) и характеристики электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) несут информацию о процессах образования деструктивных зон и об изменении НДС в шахтном поле. И здесь главным является аппаратурная оснащенность разрабатываемого метода. Поэтому тема «Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород» является актуальной.

Цель работы: разработать автономный полевой аналого-цифровой регистратор электромагнитных и акустических сигналов; провести проверку работы регистратора в лабораторных и натурных условиях Таштагольского железорудного месторождения при исследовании изменений напряженно-деформированного состояния образцов горных пород и породных массивов.

Идея работы состоит: в осуществлении комплексной регистрации характеристик электромагнитной и акустической эмиссий горных пород; в их предварительной обработке операционной системой регисгратора с последующим уменьшением количества выходных данных для их оперативного анализа; в демонстрации возможностей разрабатываемого регистратора при исследовании

и мониторинге изменений напряженно-деформированного состояния образцов горных пород при одноосном сжатии и породного массива при проведении технологических взрывов в руднике по характеристикам электромагнитной эмиссии.

Задачи исследований:

- обобщить теоретические и экспериментальные исследования механо-электрических преобразований в образцах диэлектрических материалов, горных пород и породного массива для выбора входных параметров электромагнитных и акустических сигналов и архитектурного построения регистратора;

- разработать структуру автономного аналого-цифрового регистратора;

- исследовать амплитудно-частотные характеристики регистратора;

- апробировать разработанный регистратор при исследовании характеристик электромагнитной эмиссии образцов горных пород при подготовке и развитии разрушения в процессе одноосного сжатия;

- используя разработанный регистратор, провести исследования характеристик электромагнитной эмиссии породного массива во время и после проведения массовых технологических взрывов в шахтном поле Таштагольского рудника;

- определить возможность использования характеристик электромагнитной эмиссии для мониторинга изменений НДС горных пород.

Методы исследования: метод механоэлектрических преобразований в диэлектрических структурах; электрические измерения силы и деформации; измерения токов поляризации; измерения аналоговых электромагнитных сигналов горных пород и их спектральный анализ с помощью программы быстрого преобразования Фурье; измерения характеристик электромагнитной эмиссии при изменении НДС горных пород; возбуждения и регистрации акустических сигналов с помощью пьезоэлектрических преобразователей, а также возбуждения акустических импульсов детерминированным ударом; регистрации сейсмической активности шахтного поля Таштагольского рудника; лицензионные программы Mathcad и Origin Lab.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Технические условия, позволяющие разработать и изготовить регистратор электромагнитных и акустических сигналов РЕМС-1 для определения изменений напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород.

2. Принцип действия и характеристики экспериментального образца РЕМС-1 для регистрации электромагнитных и акустических сигналов при изменении напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород.

3. Изменения амплитудно-частотных параметров электромагнитной эмиссии при подготовке разрушения в процессе одноосного сжатия образцов горных пород и при мониторинге изменений напряженно-деформированного состояния массивов горных пород во время проведения и после технологических взрывов.

Достоверность научных результатов подтверждается применением современной техники и методов измерения электрических величин, а также электрических измерений неэлектрических величин; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при разработке аналого-цифрового регистратора электромагнитных сигналов и при проведении лабораторных и натурных исследований; применением современной элементной базы при создании регистратора, современной аппаратуры и методов исследования явления меха-ноэлектрических преобразований в горных породах; корректностью постановки задач и их обоснованности; обработкой экспериментальных данных с использованием методов статистики и специальных компьютерных программ; получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.

Новизна научных положений:

- разработан аналого-цифровой регистратор РЭМС-1, при создании которого использован комплексный подход для расширения его возможностей при регистрации электромагнитной и акустической эмиссий в условиях подземных сооружений, а совокупность решений при реализации такого подхода обеспечивает новизну регистратора: произведена совместная регистрация и синхронизация измерений характеристик электромагнитной и акустических эмиссий; для отстройки от электромагнитных помех применена дифференциальная схема приема ЭМС; выделены частотные полосы с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, позволяющие судить о стадиях подготовки разрушения горных пород; осуществлен прием ЭМС в широкой полосе частот 1-400 кГц и интенсивности потока ЭМС при изменении напряженно-деформированного состояния горных пород; применена предварительная обработка регистрируемых ЭМС путем 1 или 5 секундного усреднения результатов измерений, уменьшающее поток данных и обеспечивающее оперативность дальнейшей обработки и анализа этих измерений;

- по характеристикам электромагнитной эмиссии, полученным при их измерении регистратором РЭМС-1, определяются этапы подготовки и развития разрушения, в том числе образование и развитие деструктивных зон при одноосном сжатии образцов горных пород;

- по изменениям характеристик электромагнитной эмиссии, измеренных регистратором РЭМС-1 в шахтном поле после технологических взрывов, достоверно определяется время и амплитуда возбужденного состояния массива горных пород.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в формулировании целей и задач исследований, разрабатывал регистратор электромагнитной и акустической эмиссий РЭМС-1, разрабатывал методики для проведения измерений, проводил эксперименты и обработку данных измерений, обобщал полученные результаты.

ЭМЭ и АЭ в лабораторных и натурных условиях внесли существенный вклад в разработку и развитие метода мониторинга и краткосрочного прогноза разрушения гетерогенных материалов и геодинамических событий в породных массивах по параметрам механоэлектрических преобразований.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы внедрены в Таштагольском филиале ОАО «Евразруда». Регистратор РЭМС-1 использовался при наблюдении за изменениями ЭМЭ и АЭ при проведении массовых технологических взрывов и в период релаксации напряженно-деформированного состояния (НДС) породного массива в подземных выработках Таштагольского рудника.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДИП) Томского политехнического университета, на научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2005 и 2011 г.г., Новосибирск; на V Международной конференции студентов и молодых ученых, 2008 г., Томск; на Всероссийской конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле». 2008 г., Москва; на VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», 2009 г., Юрга, Кемеровской обл.; на Международной научной конференции "Становление и развитие научных исследований в высшей школе", посвященной 100-летию со дня рождения профессора А.А. Воробьёва, 2009 г., Томск; на XI Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация", 2010 г., Барнаул; на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 2011 г., Томск; на Научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки удароопасных месторождений», 2011 г., Таштагол, Кемеровской обл.; на I Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 2011 г., г. Катунь, Горный Алтай.

Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РФФИ 06-08-00693-а, 06-08-02100-э_к, 10-08-02100-э_к, а также используются при выполнении действующих грантов РФФИ 11-07-00666-а и 11-07-98000р_сибирь_а.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, в том числе в 10 работах, опубликованных в рецензируемых научных журналах. Полученные результаты закреплены в 1 патенте.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 142 страницах и состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и списка используемой при написании диссертации литературы из 134 наименований. Диссертация содержит 49 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, сформулирована цель работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературных данных исследований, проведенных Воробьевым A.A., Сальниковым В.Н., Гохбергом М.Б., Егоровым П.В., Финкелем В.М., Молоцким М.И., Гершензоном Н.И., Головиным Ю.А., Хатиашвили Н.Г. об источниках и механизмах генерирования электромагнитных сигналов. Обобщены высказанные к настоящему времени типы источников и механизмы формирования электромагнитных сигналов (ЭМС), которые можно объединить в следующие группы процессов, приводящих к разделению зарядов и формированию электрического диполя: а) неравномерное распределение зарядов на противоположных бортах трещин при разрыве ионных или других видов связи; б) миграция заряженных дефектов в неоднородном поле механических напряжений, возникающих в области формирования трещин; в) электризация при трении в том случае, когда имеет место перемещение элементов структуры. Изменения дипольного момента в основном определяются: а) пробоем пространства между заряженными бортами трещины; б) релаксацией заряда при протекании тока по материалу не затронутом трещиной; в) колебанием заряженных поверхностей; г) эмиссией электронов. Закономерности генерирования электромагнитных сигналов в горных породах рассматривались в работах Воробьева A.A., Сальникова В.Н., Гольда P.M., Беспалько A.A., Яворович Л.В., Защинского Л.А., Вишневской Н.Л., Корнейчикова В.П., Булата А.Ф., Хо-холева В.К., Приходченко В.Л., Иванова В.В., Соболева Г.А. и других. Авторы, исследуя закономерности генерирования электромагнитных сигналов диэлектрическими материалами, в том числе горными породами, в лабораторных условиях при механическом воздействии на них и в условиях естественного залегания отметили, что наряду с интенсивностью электромагнитной эмиссии изменяются и параметры электромагнитного сигнала. Это отмечается в работах Воробьева A.A. с соавторами, Ямщикова B.C., Шкуратника В.Л., Лыкова Г.К. Кузнецова C.B., Курлени М.В., Опарина В.Н., Вострецова А.Г., Кулакова Г.И., Яковицкой Г.Е., Касьяна М.В., Робсмана В.А., Нюсогосяна Г.Н., Хатиашвили Н.Г., Егорова П.В., Иванова В.В., Колпаковой Л.А., Гершензона Н.И., Зилпи-миани Д.О., Манджгаладзе П.В., Беспалько A.A., Яворович Л.В. В четвертом параграфе 1 главы приведен обзор литературы по аппаратуре для измерения параметров ЭМС при механоэлектрических преобразованиях в горных породах. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе приводятся исследования закономерностей изменения параметров механоэлектрических преобразований в образцах горных пород. Эти исследования проведены с целью выявления входных параметров ЭМС горных пород, требующихся для разработки автономного аналого-цифрового регистратора электромагнитных сигналов, способного работать в натурных условиях рудников.

Для исследования связей параметров акустического воздействия и электромагнитного отклика образцов диэлектрических материалов, -минералов и горных пород использовались установки, разработанные и изготовленные в ПНИЛ ЭДиП. Ввод детерминированных акустических импульсов в исследуемые образцы осуществлялся с помощью пьезоэлектрического излучателя или ударом стального шарика. Приведены измерительные системы определения скорости звука и скорости пролета шарика для определения энергии удара. Акустический сигнал, проходя через образец, возбуждал ЭМС и регистрировался с помощью пьезопреобразователя на экране осциллографа. Для приема ЭМС служил емкостной электромагнитный датчик (ЭМД), который принимал электрическую составляющую ЭМС. Датчик имел согласованный дифференциальный вход со встроенным усилителем, с которого усиленный в 100 раз ЭМС поступал на другой вход осциллографа Tektronix TDS2024B. С осциллографа через интерфейс RS 232 акустический и электромагнитный сигналы записывались в память компьютера. В последующем производился их анализ, который выполнялся с помощью программ Mathcad и Origin Lab. Для выявления погрешностей экспериментальных измерений скорости распространения акустических волн по образцам, амплитуды и длительности акустических и электромагнитных сигналов, энергии удара шариком производили не менее 10 измерений. В результате расчетная погрешность составила не более 1,5%.

С использованием описанных методик проведены исследования закономерностей изменения параметров ЭМС от длительности и амплитуды акустического возбуждения и геометрических размеров образцов. На первом этапе объектом исследования являлись модельные образцы, представленные прямоугольными кристаллами искусственного кварца и образцами природного кварцита. Для экспериментально регистрируемых аналоговых Рис. 1. Зависимость амплитуды ЭМС ЭМС рассчитывался амплитудно-частотный от длительности возбуждающего им- £ с использованием операцИИ быстрого

пульса и расстояния ЭМД от грани * . 1 '

образца на частоте 60 кГц. преобразования Фурье. Проведено исследова-

ние влияния на амплитудные и спектральные характеристики ЭМС длительности и амплитуды возбуждающего АС, а также пространственного расположения ЭМД по отношению к источнику ЭМС. Длительность и амплитуда АС устанавливалась посредством задания параметров импульса напряжения с высоковольтного генератора, которое изменялось ступенчато по длительности в пределах 10"6-Ч0 с, а по амплитуде в интервале 100^800 В. Параметры электрического импульса на обкладках пьезокерамики акустического излучателя и параметры акустического импульса возбуждения измерялись осциллографом Tektronix TDS2024B. На рис. 1 приведены зависимости амплитуды ЭМС от длительности возбуждающего акустического импульса и расстояния электродов ЭМД от грани образца. Анализ полученных зависимостей показал, что с увеличением длительности импульса напряжений,

Ш 80 100 Дшшыюстъньпульса юеэовгобужкния, !0*с

прикладываемого к обкладкам пьезоэлектрической керамики, уменьшается амплитуда частотных полос во всем регистрируемом частотном диапазоне. При длительности возбуждающего импульса 5-10"5с амплитуда частотной полосы ЭМС существенно возрастает при любом положении образца и носит резонансный характер, связанный с размером образца. Следует заметить, что при удалении принимающего емкостного датчика от поверхности образца амплитуда ЭМС падает и нивелируется по величине.

Проведено исследование влияния амплитуды акустического импульса на величину ЭМС. На рис.2 приведена зависимость амплитуд основных спектральных гармоник (60, 70 и 88 кГц) электромагнитного отклика образца кварца от величины импульсов напряжения на обкладках пьезокерамики излучателя АС возбуждения. На рисунке видно, что амплитуды гармоник ЭМС линейно возрастают с увеличением напряжения возбуждения пьезокерамики излучателя и, соответственно, амплитуды АС. Это дает основание утверждать, что входные амплитуды частотных полос ЭМС в интервале от десятков микровольт до вольт в килогерцовом диапазоне частот линейны от величины возбуждающих акустических сигналов.

Проведенный анализ частотных характеристик ЭМС при акустическом возбуждении образцов кварцита, показал, что максимальные амплитуды имеют частотные полосы, соответствующие размерам образцов, а также размеров блоков, из которых состоит горная порода при наличии протяженных о "о 40» воо воо пространственных дефектов. Таким образом,

Напряжение импульса пьеаовоэбуждения. В _ _ _ ^

в спектре ЭМС при акустическом возоужде-

Рис. 2. Зависимость амплитуды гармоник ЭМС ог импульса напряжения на шш Г0РНЬ1Х П0Р°Д вссгДа присутствуют электродах пьезоэлектрической керами- спектральные ПОЛОСЫ, обусловленные Соб-ки, излучающей возбуждающий акусти- ственной резонансной частотой образца, ческии импульс. Этот вывод значим для определения диапа-

зона частот измерительной аппаратуры, проектируемой и используемой в лабораторных и натурных условиях, в частности для разрабатываемого автономного регистратора ЭМС. Экспериментально в натурных условиях установлено, что этот диапазон лежит в интервале от десятков герц до сотен килогерц. Исходя из наших исследований, это с большой вероятностью связано с размерами блоков, минеральных включений, трещин и пустот составляющих массивы горных пород.

Исследование влияния электрофизических и магнитных свойств горных пород на амплитуду ЭМС при акустическом возбуждении проведено на образцах Таштагольского железорудного месторождения. Показано, что электрические и магнитные свойства горных пород и минеральных включений в них оказывают существенное влияние на амплитудно-частотные параметры ЭМС при акустическом воздействии. Полученные данные важны для понимания влияния электрофизических и магнитных свойств горных пород на амплитуду электромагнитного отклика, возникающего при прохождении через них акустических

ш о.1 г-í

| о.оз-

Количество снятых слоев, шт

Рис. 3. Зависимость амплитуды ЭМС на частоте 32 кГц от количества убранных контактных слоев серпентина и хризотил-асбеста.

сигналов. Большое влияние на амплитуду ЭМС оказывает содержание кварца и присутствие упорядоченных контактов минералов в горных породах. В работе проведено исследование ЭМС природных слоистых структур, представленных серпентинитом, имеющим полосчатую текстуру и состоящий из слоев серпентина и хризотил-асбеста, которые образуют двойные электрические слои. Проводилось исследование влияния количества контактов этих слоев в серпентините на параметры ЭМС. На рис.3 приведена зависимость изменения амплитуды одной из основных спектральных составляющих ЭМС, соответствующей 32 кГц, при уменьшении количества контактов минералов в исследуемой горной породе. Установлено, что при уменьшении количества слоев происходит спад амплитуды основных частотных полос в спектре ЭМС близкий к экспоненте, несмотря на уменьшение затухания воздействующего АС. Следует отметить, что первоначальная амплитуда ЭМС из серпентинита близка по величине амплитуде ЭМС из кристалла кварца такого же размера.

Основываясь на данных экспериментальных исследований, результатах расчетов и их анализа, приведенных в главе 2, а также используя результаты анализа публикаций по методам контроля напряженно-деформированного состояния и аппаратуры для их реализации, отраженные в главе 1 настоящей диссертационной работы, были разработаны технические условия на разработку и изготовление регистратора электромагнитных и акустических сигналов гетерогенных материалов.

В третьей главе приведено описание разработанного автономного аналого-цифрового регистратора электромагнитных и акустических сигналов.

Принцип работы регистратора РЭМС-1 основан на преобразовании ЭМС и АС в аналоговые электрические сигналы с помощью емкостного или индукционного приемников и пьезоэлектрического приемника, соответственно, на их предварительной обработке и оцифровке с последующим запоминанием во встроенной памяти и выводом массива данных на персональный компьютер (ПК). Для уменьшения влияния электромагнитных помех прием аналоговых ЭМС осуществляется по дифференциальной схеме. Амплитуды регистрируемых ЭМС и АС оцифровывались в широкой полосе частот 1-400 кГц. Кроме того, ЭМС дополнительно фильтровались в трех полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц. Для уменьшения массива данных и улучшения их оперативного анализа производится усреднение амплитуд ЭМС и АС в задаваемом временном интервале 1 или 5 секунд. Полученные усредненные значения амплитуд ЭМС А(/) характеризуют временные закономерности изменения электромагнитной (ЭМЭ) и акустической (АЭ) эмиссий в процессе силового или акустического воздействия на гетерогенные материалы и горные породы. По-

лученные закономерности пропорциональны изменению напряженности электрической £(г) или магнитной //(/) составляющей электромагнитного поля в широкой полосе частот (Фшп) и в полосах с центральными частотами 2 кГц (Ф2), 15 кГц (Ф15) и 100 кГц (Ф100). Амплитуды АЭ отображают процесс трещи-нообразования, протекающий при подготовке и протекании разрушения в исследуемом объекте или при акустическом воздействии на него. Кроме того, регистрируется изменение количества ЭМС в заданном интервале усреднения, что характеризует изменение интенсивности импульсного потока электромагнитных сигналов.

Регистратор имеет блочное исполнение, это: блок сбора информации (БИС); выносные емкостные (ДЕП) и индукционные приемники (ДИП), выборочно подключаемые к дифференциальному входу БИС; акустический приемник (АП); внутренний и дополнительный аккумуляторные блоки питания (БДА) и блок питания (БП) для зарядки аккумуляторов. Связь приемников с БИС осуществляется с помощью унифицированных кабелей, имеющих разъем с усилителем тока для согласования сопротивлений датчиков и входных сопротивлений усилителей БИС.

На рис. 4 приведена блок-схема регистратора РЭМС-1. Электромагнитные сигналы принимаются емкостными или индукционными приемниками,

Рис.4. Блок-схема регистратора РЭМС-1, где Х1и Х2 - разъемы для подключения емкостных приемников ДЕП1 и ДЕП:, ХЗ и Х4 - разъемы для подключения индукционных приемников ДИП, и ДИП2, Х5 - разъем для подключения пьезоэлектрического приемника акустических сигналов АП, Х6 - разъем для поочередного подключения дополнительного источника питания БДА, зарядного устройства встроенных в регистратор аккумуляторов или персонального компьютера ПК. преобразуются в электрические сигналы, усиливаются и поступают на входы дифференциальных усилителей. Сигналы с дифференциальных усилителей поступают на входы программно управляемого узла коммутации и усиления. К выходу усилителя подключены три узкополосных и один широкополосный фильтры с регулируемым коэффициентом усиления. Усиленные сигналы поступают на узел усреднения и с его выходов подаются на входы АЦП микроконтроллера. Электрический сигнал с регулируемого усилителя подается также на вход компаратора с программируемым уровнем. Импульсы с компаратора поступают на счетчик, а затем на микроконтроллер. Акустические сигналы принимаются пьезоэлектрическим приемником, преобразуются в электрический сигнал, который усиливается и поступает на вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления. Регистратор работает под управлением программ, хранящихся в программной памяти блока БИС. Режимы работы выби-

раются оператором с помощью клавиатуры. Питание элементов электронных схем блоков производится стабилизированным напряжением +5В, которое снимается с выходов стабилизатора, +ЗВ используется для подсветки ЖКИ. На вход стабилизатора подается нестабилизированное напряжение +(6^7)В с батареи аккумуляторов. Зарядка аккумуляторов производится через элементы под управлением микроконтроллера.

Блок сбора информации обеспечивает: ввод и предварительную обработку аналоговых сигналов с электромагнитных и пьезоэлектрического акустического приемников; оцифровку аналоговых сигналов по шести каналам; подсчет импульсов; накопление и хранение информации; оперативный просмотр вводимой информации на ЖК дисплее; работу на встроенных аккумуляторах в течение не менее 40 ч; вывод накопленной информации в ПК; подзарядку аккумуляторов. Оперативное запоминающее устройство ОЗУ имеет объем 512 килобайт, и обеспечивает запись цифровой информации для временного хранения с максимальной частотой оцифровки микроконтроллера 200 кГц.

Программное обеспечение БИС позволяет производить: выбор приемника ДЕП или ДИП, коэффициэнтов усиления, время усреднения, уровень компорации; отображение на экране ЖКИ, устанавливаемых параметров, рабочего времени, объема свободной памяти и величин принимаемых сигналов; установку режимов (настройки, мониторинга, пере_ дачи массивов информации в ЭВМ,

зарядки аккумуляторов). В режиме .'fC f\ ~ fcrsll мониторинга информация сохраняется - . /' I \ ! \ / '. «страницами» в памяти регистратора / / \ / \ / \ 1 п0 256 усредненных значений ампли-/ / X \ \ ТУД ф2. Фи, Фюо, Фшп, АЭ и «счет». В J х' \ '.1 каждом блоке содержится информа-—~~ -'•"'']. ция об установленных параметрах ""Ги) ЭМЭ и АЭ и времени начала работы. Рис. 5. Амплитудно-частотные характери- Максимальное количество накапли-стики приемного тракта регистратора: <tb, .......... .

Ф,5.Ф,„о -усредненные сигн^ с ^копо: ВЗеМЫХ «^НИЦ» данных М0НИТ0-лосных фильтров; Фшп - усредненный сиг- ринга - 512. Конструкция блока БИС нал с широкополосного фильтра. выполнена, исходя из требований его

герметичности (1Р53), защиты от внешних электромагнитных помех и механических повреждений. Корпус блока выполнен в виде металлической коробки с уплотняющими прокладками со стороны разъемов и на крышке клавиатуры и индикатора. На лицевой поверхности БИС выведены кнопочная панель управления для задания режимов работы регистратора.

В этой же главе приведена калибровка приемного тракта канала измерения электромагнитного поля (ЭМП), включающая определение амплитудно-частотных характеристик приемного тракта канала измерения электромагнитного поля (ЭМП), полосы пропускания, уровня собственных шумов, коэффициента подавления синфазного сигнала усилительного тракта. На рис. 5 приведены амплитудно-частотные характеристики приемного тракта регистратора: Ф2,

Ф15, Фюо - усредненные сигналы с узкополосных фильтров; Фщп - усредненный сигнал с широкополосного фильтра. Приведены калибровки канала измерения магнитной и электрической составляющих ЭМП.

В связи с тем, что регистратор должен работать в условиях подземных рудников, блок сбора информации, датчики ДЕП, ДИП и АП, дополнительный блок аккумуляторов имеют следующие общие рабочие условия: температура окружающей среды - (-10 + + 40)°С; относительная влажность воздуха - до 100% при + 35°С; атмосферное давление - 60+ 106 кПа; питание - 6 В / 50 мА.

Блок питания может работать от электрической сети 220В при следующих условиях эксплуатации: температура окружающей среды - (-20 + +40)°С; относительная влажность воздуха - до 95% при + 30 °С; атмосферное давление - (60+106) кПа; питание от сети - (220 ±22) В с частотой (50 ±0,5) Гц, потребляемый ток - 300 мА.

Основные технические характеристики регистратора: автономное встроенное питание (6+1) В от батареи из 5 аккумуляторов АА с общей емкостью 2,5 А-ч; время работы при питании от встроенных аккумуляторов - не менее 40 часов; дополнительный блок питания емкостью 9,0 А-ч; время работы с дополнительным аккумуляторами не менее 180 часов; потребляемый ток в режиме мониторинга и записи в ОЗУ не более 50 мА; центральные частоты в выделенных полосах - 2, 15, 100 кГц; количество интеграторов аналогового сигнала - 5шт; объем ППЗУ FLASH - 4 Мбайт.

Перезапись информации с регистратора РЭМС-1 в компьютер осуществляется с помощью специальной сервисной программы, дальнейшая обработка и анализ стандартными программами MathCAD и Origin. Разработан протокол представления результатов проведенных измерений ЭМЭ и АЭ. В протоколе, который формируется после запуска РЭМС-1 в работу, фиксируется дата и время начала измерений, номер регистратора, начальная «страница» записи данных измерений, тип датчика, усиление ЭМС и АС в условных единицах, уровень амплитуд для измерения импульсного потока ЭМС и время усреднения записываемых в память данных. На рис.6 представлен протокол измеряемых величин с записью данных через каждые 5 секунд. В первой колонке записывается текущее время в секундах, в последней - напряжение на клеммах питающих аккумуляторов.

В четвертой главе приведены результаты апробирования регистратора электромагнитных сигналов РЭМС-1 при исследовании электромагнитной эмиссии образцов и массива горных пород Таштагольского железорудного месторождения.

Горные породы изначально представляют собой сложную иерархически организованную систему. В процессе механического воздействия эта система

;Дата 11/6/22 11:57:26 Прибор:2 Стр.:0 Датчик:ДИП

Усил.:16 Усил.АП:4 Уров . :410 Усред. :5сек.

; Инде гс *1 Ф2 ФЗ Ш АП СЧЕТ АКК

43046 628 121 185 2549 0 0 700

43051 629 121 190 2562 0 0 700

43056 628 121 194 2557 0 0 700

43061 638 124 196 2522 0 0 700

43066 636 123 182 2520 0 0 700

43011 647 125 189 2517 0 0 700

43076 650 125 203 2518 0 0 700

43081 651 125 196 2524 0 0 700

Рис. 6. Протокол данных РЕМС-1

эволюционирует по законам синергетики, образуя иерархию элементов разных масштабов. Разнообразие физических механизмов на определенных этапах механического воздействия обеспечивает развитие этого процесса, при котором горная порода накапливает дефекты разных масштабов, пока этот процесс не проявит себя на макроуровне в виде магистральных трещин, что и приводит к разделению горной породы на части. Высокая чувствительность механоэлек-трических преобразований к структурно-текстурным изменениям горных пород при деформировании, вследствие возникновения деструктивных зон с последующим их развитием до стадии разрушения, обуславливает пространственно-временное распределение электромагнитных сигналов. Сложная иерархическая структура горных пород приводит к тому, что на протяжении всего процесса деформирования изменяются параметры регистрируемого ЭМС. В связи с этим, важной задачей является установление амплитудно-частотных параметров ЭМС, которые характеризуют определенные этапы напряженно-деформированного состояния горных пород и могут служить прогностическими признаками образования деструктивных зон и разрушения образцов горных пород.

Исследования параметров ЭМС и характеристик ЭМЭ при одноосном сжатии образцов горных пород проводилось на гидравлическом прессе ИП-500. При проведении экспериментов по апробированию работы регистратора РЭМС-1 в процессе одноосного сжатия измерялись усилие, прикладываемое к образцу, деформация и предельная нагрузка разрушения. Это позволяло оценивать изменения механических напряжений на каждом этапе силового нагруже-ния. Одноосное сжатие производилось вдоль наибольшей оси образцов линейно до разрушающих значений. Параметры механоэлектрических преобразований измерялись с использованием двух емкостных дифференциальных датчиков. Один из датчиков обеспечивал прием аналоговых электромагнитных сигналов из одноосно сжимаемых образцов с последующей оцифровкой данных измерений посредством осциллографической приставки РСБ-500 УеНешап, работающей в режиме самописца. С помощью второго датчика, подключенного к регистратору РЕМС-1 производилась регистрация усредненной за 1 секунду интенсивности электромагнитной эмиссии и средних значений амплитуд ЭМС по трем частотным полосам с центральными частотами 2 кГц, 15 кГц, 100 кГц, а также в широкой полосе (1-Н00 кГц) и интенсивность генерации ЭМС. Информация с регистратора РЕМС-1 передавалась на компьютер для дальнейшей обработки и анализа.

Эксперименты, как и в главе 2, проводились на образцах горных пород, отобранных на месторождении Таштагольском в Кемеровской обл. Исследуемые образцы вырезались из кернов и имели форму цилиндра высотой 8 -10"2 м и диаметром 4 • 10"2 м.

При одноосном сжатии образцов горных пород на основании протокола, выведенного на компьютер, строились закономерности изменения параметров ЭМЭ по 5 каналам, отображающие изменения амплитуд ЭМЭ в относительных единицах отсчетов по полосам с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, в широкой полосе в интервале 1-100 кГц, а также интенсивность ЭМЭ (счет) от

относительной нагрузки Р/Рпрсд. Сравнение амплитуд ЭМЭ на каналах 2, 15, 100 кГц и в интервале 1-100 кГц позволяет судить об изменении спектра частот, не проводя спектрального анализа.

На основании экспериментально измеренных характеристик ЭМЭ для каждого образца определялись этапы уплотнения, этап формирования очага разрушения и этап предразрушения. В начале нагружения, когда реализуется этап уплотнения, поверхностный слой образца, контактирующий с плитами пресса, имеет наименьшую сдвиговую устойчивость, обусловленную специфической структурой поверхностного слоя. На этом этапе происходят локальные разрушение при неупругом сжатии, вызванные шероховатостью поверхности торцов образца и смыканием открытых трещин и пор. Следующим этапом в подготовке разрушении является формирования очага (очагов) разрушения. В процессе непрерывно увеличивающейся нагрузки на этом этапе происходит формирования областей или кластеров повреждений, представляющих собой совокупность микротрещин различных размеров. Образующиеся кластеры повреждений распределяются по объему не случайным образом, а в зависимости от структурно-текстурных особенностей конкретного образца и действующих

механических напряжений, возникающих в процессе его деформирования. Этот этап можно охарактеризовать еще и как начало разрушения. На третьем этапе, с приближением к пределу прочности, происходит быстрое увеличение концентрации микротрещин, слияние кластеров повреждений и образование магистральных трещин. 0.0 0.1 о,2 0.3 0.4 0.5 о.« о.7 о.8 о.9 На рис. 7, в качестве примера, при-

относительная нагрузка, ведено изменение усредненной амплиту-

Рис. 7. Изменение усредненной амплитуды дЫ электромагнитной ЭМИССИИ В широкой ЭМЭ в полосе частот 1-100 кГц для образца полосе частох ]-Ю0 кГц ДЛЯ образца вмещающей породы.

вмещающей породы, предельная прочность при сжатии которого составила 184 кН. Как было уже сказано, ЭМЭ является следствием механоэлектрических преобразований в процессе деформирования горной породы. Одним из побуждающих фактором таких преобразований является акустическая эмиссия, возникающая при раскрытии трещин разных размеров, а также поверхность образца. В зависимости от этапа НДС наблюдаются особенности ЭМЭ. Для данного образца отчетливо выделяются этапы: уплотнения до 0,2 Р/РпреД, формирования очага разрушения в области 0,30,5 Р/Рпрсд, предшествующий разрушению от 0,75 до 0,99 Р/Р„рСД, образования трещин отрыва или разрушения образца. На других образцах вмещающих пород также выделяются все перечисленные выше этапы, но для каждого образца свойственен свои диапазоны Р/Рпред •

Проведенные исследования на образцах горных пород с использованием РЕМС-1, позволили выявить закономерности в изменениях амплитудно-частотных параметров ЭМС при одноосном сжатии образцов горных пород, заключающиеся в том, что на этапе формирования очага разрушения в спектре

. 820 с!

^ а18

= 816 Г)

г 814 Р)

а 812

? 810

I 62° | 600 > 580

ЭМС присутствуют частотные полосы во всем частотном диапазоне и возможно появление сигналов, обусловленных биением. При приближении к предельной прочности спектр ЭМС смещается в низкочастотную область, и происходит увеличение амплитуды спектральных полос. По характеристикам электромагнитной эмиссии образцов вмещающих пород и магнетитовой руды Ташта-гольского рудника, измеренных с помощью регистратора РЭМС-1, можно достоверно судить об этапах подготовки их разрушения, а сам регистратор может быть успешно использован при разработке метода мониторинга и краткосрочного прогноза геодинамических событий на рудных месторождениях.

Для выявления возможностей регистратора РЭМС-1 при контроле изменений НДС горного массива и краткосрочного прогноза геодинамических событий апробирование работы автономного аналого-цифрового регистратора РЭМС-1 проводилось в руднике Таштагольского железорудного месторождения, имеющего глубины до 800 м. Это позволяло исключить влияние атмосферного электричества на измеряемые параметры ЭМС. Выбор этого рудника в качестве полигона для апробирования обусловлен взрывной технологией отработки рудного тела с закладкой взрывчатых веществ до 300 тонн. Возбуждение горного массива рудника взрывами, проведение очистных работ, прокладка штреков и ортов сопровождается геодинамическими событиями разного класса до энергий в несколько мегаджоулей. Регистратор РЭМС-1 позволял проводить измерения электромагнитных сигналов до взрывов, во время их проведения и в период релаксации горного массива в относительно устойчивое состояние. Запись амплитуд электромагнитных сигналов по электрической или магнитной составляющим осуществлялась с усреднением за 1 или 5 секунд. Усредненные амплитуды ЭМС являются одной из характеристик электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) горных пород. Вариации амплитуды ЭМЭ во времени пропорциональны напряженности электрического поля, изменяющегося в процессе прохождения механоэлектрических преобразований в породном массиве. Электромагнитные сигналы регистрировались РЭМС-1 по пяти каналам: в широкой полосе частот от 1 до 100 кГц; в выделенных полосах с добротностью в пределах 4-^-7 с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, а также фиксировалась интенсивность ЭМС. Интенсивность ЭМС пропорциональна среднему значению потока напряженности электромагнитного поля в единицу времени. По шестому каналу регистрировались амплитуды АЭ горных пород, которые отображают факт возникновения и прохождения геодинамического события и пропорциональны его энергии.

Прежде чем приступить к исследованиям характеристик ЭМЭ при взрывах путем профилирования борта проходки орта -210 были определены участки шахтного поля с наибольшей амплитудой ЭМЭ и интенсивностью ЭМС. Было установлено, что наибольшая амплитуда ЭМЭ и интенсивность ЭМС свойственна контактам магнетитовой руды и вмещающих пород с дайками и залеченными трещинами, распространяющимися в область взрыва или в область развития деструктивных зон в горном массиве. На этих участках проявляется также высокая нестационарность характеристик ЭМЭ.

Для анализа связи характеристик ЭМЭ с изменениями НДС и геодинамической обстановкой использовали, наряду с измерениями амплитуды АЭ, сейсмические данные Таштагольской сейсмостанции. На рис. 8 приведен график

Рис. 8. Усредненные значения интенсивности ЭМЭ при проведении технологического взрыва блока №11 между горизонтами (-210) и (-280) за временной интервал 22 часа после технологического взрыва (а). Развернутый ход интенсивности ЭМЭ в период взрыва и «горного удара», отмеченные стрелками ТВ и ГУ, соответственно (б).

изменения интенсивности ЭМЭ за отрезок времени 22 часа с прохождением горного удара (ГУ) в течение десятков секунд после проведения технологического взрыва (ТВ). Технологический взрыв блока №11 проводился между горизонтами (-210) и (-280). Было взорвано 285 тонн ВВ. По наблюдениям сейсмостанции г. Таштагол энергия взрыва соответствовала величине 3.51 10 Дж. Два регистратора РЕМС-1 были установлены в орте 8 горизонта -280 м. Расстояние до взрываемого блока составляло около 80 м. Все датчики были установлены в направлении к взрываемому блоку. Два датчика регистраторов ДЕП и ДИП находились в 1 м от дайкообразного тела. Через 50 секунд после технологического взрыва произошел горный удар с энергией 1.1-108 Дж. Эпицентр горного удара находился в 50 м на Ю-3 от места взрыва на отметке (-240) м, что соответствует глубине 690 м. На рис. 8а и 86 указан ГУ и виден релаксационный период после его прохождения в течение 4 минут. Затем массив перешел в возбужденное состояние, которое продолжалось около 17 часов, с возвратом на новый уровень состояния. Такое возбуждение характерно для сдвижения больших масс породы по активным разломам горного массива, которые имеются на Таштагольском руднике. В результате было выявлено 3 основных временных процесса: взрывное 15 секундное возбуждение горного массива и последующий горный удар спустя 50 секунд после взрыва; 4-х минутная релаксации горного массива после горного удара; 17 часовое возбуждение массива с возвратом в относительно устойчивое состояние. На рис. 86 приведен развернутый вид интенсивности ЭМЭ, полученной в течение 12 минут двумя регистраторами РЭМС-1 с использованием емкостных датчиков ДЕП и индукционных ДИП. Ход зависимостей интенсивности ЭМС от времени по электрической и магнитной составляющим несколько отличается, что обусловлен, вероятно, структурой горных пород, слагающих массив в местах взрыва и измерений ЭМЭ. При этом общие закономерности изменения интенсивности ЭМС, а также измене-

20 22 2< 26 26 30 32

ОД1

ний амплитуд ЭМЭ в широкой полосе частот и в полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц сохранялись для обоих типов принимающих датчиков. На рис. 9 приведен пример изменения интенсивности ЭМЭ и амплитуды АЭ, записанные регистратором РЭМС-1 в шахтном поле Таштагольского рудника

при технологическом взрыве блока №6 между горизонтами -140 и -210 без протекания горного удара. Видно, что после взрыва в горном массиве изменяется НДС, которое постепенно возвращается в первоначальное состояние, что подтверждалось и сейсмическими данными.

Таким образом, регистратор РЭМС-1 может успешно использоваться для дальнейшего развития метода контроля НДС горных пород в наземных и подземных сооружениях по параметрам механоэлектрических преобразований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

При выполнении диссертационной работы получены следующие научные и практические результата:

2. Регистратор РЭМС-1 обеспечивает в условиях подземных сооружений уверенный прием ЭМС и АС и отображает изменения амплитуд ЭМС в широкой полосе частот 1+100 кГц и в выделенных полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, а также изменения интенсивности потока ЭМС, производит предварительную обработку полученной информации путем усреднения амплитуд ЭМС и АС в течение 1 или 5 секунд, обеспечивает вывод информации на ПК в виде протокола для графического построения результатов измерений во времени.

3. Регистратор имеет низкое энергопотребление, что обеспечивает его работу в течение не менее 7 суток, а малые весогабаритные размеры создают необходимые условия для использования его при стационарных и маршрутных измерениях ЭМЭ и АЭ.

4. Разработанный регистратор электромагнитной и акустической эмиссий РЭМС-1 обеспечивает мониторинг изменений напряженно-деформированного состояния массивов горных пород и геодинамических проявлений в условиях рудников.

400 2

375 - ш

& 350 -1

Время, час

Рис. 9. Электромагнитная и акустическая эмиссии массива горных пород Таштагольского рудника до технологического взрыва, во время и после него в блоке №6 между горизонтами - 140 и - 210.

5. Установлено, что максимальные амплитуды спектра ЭМС имеют частотные полосы, соответствующие размерам образцов, а также размерам блоков массива горных пород, ограниченных пространственными дефектами в виде минеральных включений и трещин. Уменьшение количества контактных слоев минералов, составляющих горную породу, приводит к снижению амплитуды ЭМС при их акустическом возбуждении.

6. Электрические и магнитные свойства горных пород оказывают существенное влияние на амплитудно-частотные параметры ЭМС. Полученные данные важны для понимания влияния электрофизических и магнитных свойств горных пород на амплитуду электромагнитного отклика, возникающего при прохождении через горную породу акустических сигналов.

7. Параметры и интенсивность импульсного потока электромагнитных сигналов, несут информацию о характеристиках воздействующих на гетерогенные материалы акустических импульсах и, как следствие, несут информацию о процессах подготовки и развития разрушения этих материалов.

8. Диапазон амплитуд ЭМС в горных породах Таштагольского рудника лежит в интервале от десятков микровольт до сотен милливольт, частотный спектр - в интервале от единиц герц до единиц мегагерц, но наиболее значимыми являются частоты 1+80 кГц.

9. Выявлены закономерности в изменениях амплитудно-частотных параметров электромагнитных сигналов при одноосном сжатии образцов горных пород, заключающиеся в том, что на этапе формирования очага разрушения в спектре электромагнитных сигналов присутствуют частотные полосы во всем частотном диапазоне и возможно появление сигналов, обусловленных биением. При приближении к предельной прочности горных пород спектр электромагнитных сигналов смещается в низкочастотную область с увеличением амплитуды спектральных полос.

10. Показано, что мониторинг изменения НДС горных массивов целесообразно вести на дайках и контактах пород, имеющих выход на разломы, в зоны смещения и смятия, а также в места проведения технологических взрывов.

11. Изменения напряженно-деформированного состояния породного массива влекут за собой и изменения характеристик электромагнитной эмиссии, возникающей вследствие механоэлектрических преобразований в горных породах. Увеличение или уменьшение интенсивности и амплитуды электромагнитной эмиссии горных пород в натурных условиях рудников позволяет выявлять этапы подготовки и проявления геодинамических событий, определять характер перераспределения напряженно-деформированного состояния массива.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И. Связь параметров электромагнитных сигналов с электрическими характеристиками горных пород при акустическом и квазистатическом воздействиях// Известия Томского политехнического университета. -№ 7, т.308.- 2005.- с. 18-23;

2. Беспалько A.A., Яворович JI.B., Федотов П.И. Механоэлектрические преобразования в кварце и кварцеодержащих горных породах в процессе акустического возбуждения//ФТПРПИ, 2007, №5, с. 22-27;

3. Беспалько A.A., Федотов П.И., Яворович JI.B. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для контроля прочности и разрушения материалов и массивов горных пород// Известия Томского политехнического университета.- №2, т. 312.-2008.-C.255-258;

4. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И., Виитман Е.В. Механоэлектрические преобразования в горных породах Таштагольского железорудного месторождения// Геодинамика. -2008.-№1 (7).-с. 54-60;

5. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Виитман Е.В., Федотов П.И., Штирц В.А. Механоэлектрические преобразования в массиве горных пород Таштагольского рудника при взрывных воздействиях // ФТПРПИ,- 2010.- №2.-с.53-62;

6. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И. Диагностика развития деструктивных зон в образцах горных пород при одноосном сжатии по спектральным характеристикам электромагнитных сигналов//Дефектоскопия.-2011.-№10,-с. 41-49;

7. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И. Исследование параметров электромагнитных сигналов при акустическом возбуждении горных пород, контактирующих с жидкостью//Контроль. Диагностика.- 2011.- №11/1,- с. 9-17.

8. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Колесникова С.И., Букреев В.Г., Мертвецов А.Н., Федотов П.И. Исследование изменений характеристик электромагнитных сигналов при одноосном сжатии образцов горных пород Таштагольского рудника // Известия ВУЗов. Физика,- 2011.-Т.54, №1/2,- 2011,- с. 78-85.

9. Bespal'ko A.A., Yavorovich L.V., Fedotov P.I. Mechanoelectrical transformations in quartz and quartz-bearing rocks under acoustic action// Journal of mining Science.- 2007,-v. 43, №5.-pp.472-476.

10. Bespal'ko A.A., Yavorovich L.V., Viitman E.E., Fedotov P.I., Shtirts V.A. Dynamoelectric energy transfers in a rock mass under explosion load in terms of the Tashtagol mine // Journal of Mining Science.-2010.-Vol.46.- No. 2.- pp.136-142.

11. Патент на полезную модель № 80557. - Приоритет от 20.08.2008. Беспалько A.A., Хорсов H.H., Федотов П.И., Кураков С.А. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов.

12. Беспалько А.А, Яворович Л.В. Федотов П.И. Штирц В.А Электромагнитный мониторинг геодинамических процессов на Таштагольском железорудном месторождении// Сборник докладов I Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 25-29 июля 2011г., г. Катунь, горный Алтай,- с.135-139.

13. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И. Контроль прочности горных пород при одноосном сжатии по параметрам электромагнитных сигналов // Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 5-9 сентября 2011 г., Томск. - с. 434-436.

Подписано к печати 17.11.2011. Формат 60x84/16, Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. л. 1,1.

_Заказ 1712-11. Тираж 120 экз.__

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

imAmbCTBoVm. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Федотов, Павел Иванович

Введение.

1. Анализ изученности проблемы.

1.1. Об источниках и механизмах генерирования электромагнитных сигналов.

1.2. Закономерности генерирования электромагнитных сигналов.

1.3. Параметры регистрируемых электромагнитных сигналов.

1.4. Аппаратура для измерения электромагнитных сигналов при механоэлектрических преобразованиях в горных породах.

1.4.1. Регистраторы РВИНДС.

1.4.2. Анализаторы импульсного потока серии АИП.

1.4.3. Аппаратура для индикации участков с повышенной геодинамической активностью горных пород и грунтов типа «АНГЕЛ».

1.4.4. Регистраторы электромагнитных импульсов типа РЭМИ.

2. Исследования закономерностей изменения параметров механоэлектрических преобразований в образцах горных пород.

2.1. Установка для исследования ЭМС конденсированных сред с пьезоэлектрическим излучателем.

2.2. Установка для исследования ЭМС конденсированных сред с возбуждением акустических импульсов ударом шарика.

2.3. Исследование закономерностей изменения параметров электромагнитных сигналов от длительности и амплитуды акустического возбуждения и геометрических размеров образцов.

2.4. Исследование влияния электрофизических и магнитных свойств горных пород на амплитуду ЭМС при акустическом возбуждении.

2.5. Исследование ЭМС природных слоистых структур.

2.5.1. Петрографическое описание исследуемых образцов.

2.5.2. Исследование параметров ЭМС при акустическом возбуждении образцов серпентинита с изменяющейся слоистостью.

2.6. Технические условия на разработку и изготовление регистратора электромагнитных и акустических сигналов гетерогенных материалов.

3. Автономный полевой регистратор электромагнитных и акустических сигналов.

3.1. Устройство и работа регистратора.

3.1.1. Состав регистратора РЭМС-1.

3.1.2. Работа регистратора.

3.1.3. Устройство и работа блока сбора информации.

3.1.4. Калибровка приемного тракта канала измерения электромагнитного поля (ЭМП).

3.1.5. Калибровка канала измерения магнитной составляющей электромагнитного поля (ЭМП).

3.1.6. Калибровка канала измерения электрической составляющей электромагнитного поля (ЭМП).

3.2. Принимающие датчики электромагнитных и акустических сигналов.

3.2.1. Выносной емкостный приемник ДЕП.

3.2.2. Выносной индукционный приемник ДИП.

3.2.3. Акустический приемник АП.

3.3. Рабочие условия эксплуатации регистратора.

3.4. Технические характеристики регистратора.

3.5. Подготовка регистратора к работе и его запуск для измерений.

3.6. Режим перезаписи в компьютер.

4. Апробация работы регистратора РЭМС-1 в лабораторных и натурных исследованиях.

4.1. Апробирование работы регистратора РЭМС-1 при исследовании ЭМЭ горных пород в лабораторных экспериментах.

4.1.1. Установка для исследования параметров электромагнитных сигналов и характеристик электромагнитной эмиссии при одноосном сжатии образцов горных пород.

4.1.2. Исследования электромагнитной эмиссии образцов горных пород при одноосном сжатии.

4.2. Мониторинг электромагнитной эмиссии на Таштагольском железорудном месторождении.

4.2.1. Условия апробации работы регистратора в шахтном поле Таштагольского рудника.

4.2.2. Выявление участков шахтного поля с наибольшей эмиссионной способностью ЭМС.

4.2.3. Исследования изменений характеристик ЭМЭ при проведении массовых технологических взрывов на Таштагольском железорудном месторождении.

Выводы.

Введение 2011 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Федотов, Павел Иванович

Актуальность темы. В тектонически и сейсмически активных районах Алтае-Саянской складчатой горной области Сибири ведется разработка ряда крупных железорудных месторождений. В последние годы в районах разработки и добычи полезных ископаемых участились случаи проявления горно-тектонических ударов и техногенных землетрясений, что влечет за собой экономические и человеческие потери. При горных работах в отрабатываемых массивах горных пород возникают катастрофические сейсмические и динамические явления в форме техногенных землетрясений, ударов горнотектонического типа, обрушения больших масс горных пород и др. За последние 40 лет в этом регионе произошло более 25000 сейсмических событий различной интенсивности. Ряд из них имеет 11-ый энергетический класс и по разрушениям соответствует 6-7 балльным землетрясениям по 12-ти бальной шкале М8К-64. Наиболее крупные проявления горного давления в динамической форме произошли на рудниках Горной Шории и Хакасии. Ситуация усугубляется тем, что в настоящее время на горнорудных предприятиях отработка рудных запасов осуществляется под реками и другими водоемами, что приводит к созданию в массиве зон, опасных не только по горным ударам, но и по масштабному изменению гидрогеологической ситуации.

Освоение глубоких горизонтов обострило проблему прогноза и предотвращения горных ударов, наносящих значительный материальный ущерб промышленным предприятиям и объектам, находящимся в зонах влияния очистных пространств. Отработка месторождений ведется в регионах с высокой плотностью населения, с развитой промышленностью, в зонах интенсивного развития туризма, поэтому сохранение сплошности земной поверхности, недопущение ее значительных деформаций, предупреждение появления динамически опасных зон и ограничение влияния уже имеющихся очагов возникновения сейсмических и динамических явлений - непременное условие успешного развития горнопромышленных комплексов Сибири.

Крупные технологические взрывы по обрушению рудных блоков на железорудных месторождениях также сопровождаются мощными динамическими явлениями. Проходка выработок, отработка новых рудных тел, образование протяженных свободных от нагрузок поверхностей вызывает перераспределение полей напряжений, их концентрацию в отдельных областях массива горных пород. Динамическое воздействие на горные породы при крупных технологических взрывах активизирует напряженные участки, провоцирует горные удары, приводит к образованию геодинамических опасных зон в породном массиве и на земной поверхности.

Для исключения этих явлений и, как следствие, травматизма и человеческих жертв необходим надежный прогноз горно-геологических и геомеханических условий ведения горных работ, разработка новых методов и способов отработки рудных месторождений, снижающих риск геодинамических явлений.

В настоящее время наиболее перспективным методом контроля изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) горного массива и прогноза геодинамических событий, в том числе в шахтном поле рудников, является метод, основанный на механоэлектрических преобразованиях в горных породах, бетонах и других диэлектрических структурах. При механоэлектрических преобразованиях параметры возникающих электромагнитных сигналов (ЭМС) и характеристики электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) несут информацию о процессах образования деструктивных зон и об изменении НДС в шахтном поле. И здесь главным является аппаратурная оснащенность разрабатываемого метода. Поэтому тема «Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород» является актуальной.

Идея работы состоит: в осуществлении комплексного сбора характеристик электромагнитной и акустической эмиссий горных пород; в их предварительной обработке операционной системой регистратора с последующим уменьшением выходных данных для их оперативного анализа; в демонстрации возможностей разрабатываемого регистратора при исследовании и мониторинге изменений напряженно-деформированного состояния образцов горных пород при одноосном сжатии и породного массива при проведении технологических взрывов в руднике по характеристикам электромагнитной эмиссии.

Задачи исследований: обобщить теоретические и экспериментальные исследования механоэлектрических преобразований в образцах диэлектрических материалов, горных пород и породного массива для выбора входных параметров электромагнитных и акустических сигналов и архитектурного построения регистратора;

- разработать структуру автономного аналого-цифрового регистратора;

- исследовать амплитудно-частотные характеристики регистратора; апробировать разработанный регистратор при исследовании характеристик электромагнитной эмиссии образцов горных пород при подготовке и развитии разрушения в процессе одноосного сжатия; используя разработанный регистратор, провести исследования характеристик электромагнитной эмиссии породного массива во время и после проведения массовых технологических взрывов в шахтном поле Таштагольского рудника; определить возможность использования характеристик электромагнитной эмиссии для мониторинга изменений НДС горных пород.

Основные научные положения, защищаемые автором:

Достоверность научных результатов подтверждается применением современной техники и методов измерения электрических величин, а также электрических измерений неэлектрических величин; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при разработке аналого-цифрового регистратора электромагнитных сигналов и при проведении лабораторных и натурных исследований; применением современной элементной базы при создании регистратора, современной аппаратуры и методов исследования явления механоэлектрических преобразований в горных породах; корректностью постановки задач и их обоснованности; обработкой экспериментальных данных с использованием методов статистики и специальных компьютерных программ; получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.

Новизна научных положений:

- разработан аналого-цифровой регистратор РЭМС-1, при создании которого использован комплексный подход для расширения его возможностей при регистрации электромагнитной и акустической эмиссий в условиях подземных сооружений, а совокупность решений при реализации такого подхода обеспечивает новизну регистратора: произведена совместная регистрация и синхронизация измерений характеристик электромагнитной и акустических эмиссий; для отстройки от электромагнитных помех применена дифференциальная схема приема ЭМС; выделены частотные полосы с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, позволяющие судить о стадиях подготовки разрушения горных пород; осуществлен прием ЭМС в широкой полосе частот 1-гЮО кГц и интенсивности потока ЭМС при изменении напряженно-деформированного состояния горных пород; применена предварительная обработка регистрируемых ЭМС путем 1 или 5 секундного усреднения результатов измерений, уменьшающее поток данных и обеспечивающее оперативность дальнейшей обработки и анализа этих измерений;

Практическая ценность работы состоит в создании действующего регистратора РЭМС-1, способного вести в течение не менее 180 часов непрерывный мониторинг электромагнитной и акустической эмиссий в условиях рудников при проведении взрывных воздействий на породный массив. Создание регистратора и полученные с помощью него результаты исследований изменения ЭМЭ и АЭ в лабораторных и натурных условиях внесли существенный вклад в разработку и развитие метода мониторинга и краткосрочного прогноза разрушения гетерогенных материалов и геодинамических событий в породных массивах по параметрам механоэлектрических преобразований.

Реализация работы в промышленности. Результаты работы внедрены в Таштагольском филиале ОАО «Евразруда». Регистратор РЭМС-1 использовался при наблюдении за изменениями ЭМЭ и АЭ при проведении массовых технологических взрывов и в период релаксации напряженно-деформированного состояния породного массива в подземных выработках Таштагольского рудника.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДИП) Томского политехнического университета, а также на научной конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», 2005 и 2011 г.г., Новосибирск; на V Международной конференции студентов и молодых ученых, 2008 г., Томск; на Всероссийской конференции «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле». 2008 г., Москва; на VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», 2009 г., Юрга, Кемеровской обл.; на Международной научной конференции "Становление и развитие научных исследований в высшей школе", посвященной 100-летию со дня рождения профессора A.A. Воробьёва, 2009 г., Томск; на XI Международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация", 2010 г., Барнаул; на Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 2011 г., Томск; на Научно-практической конференции «Геодинамика и современные технологии отработки удароопасных месторождений», 2011 г., Таштагол, Кемеровской обл.; на I Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 2011 г., г. Катунь, Горный Алтай.

Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РФФИ 06-08-00693-а, 06-08-02100-эк, 10-08-02100-эк, а также используются при выполнении действующих грантов РФФИ 11-07-00666-а и 11-07-98000рсибирьа.

Заключение диссертация на тему "Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород"

ВЫВОДЫ

По результатам работы по созданию автономного аналого-цифрового регистратора электромагнитной и акустической эмиссий и проведенных исследований можно сделать следующие обобщающие выводы:

1. Разработан и изготовлен аналого-цифровой регистратор электромагнитной и акустической эмиссий для лабораторных и натурных исследований, обеспечивающий мониторинг электромагнитных и акустических сигналов при изменении напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов и горных пород. Разработаны емкостные и индукционные датчики для приема электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях и пьезоэлектрический датчик для приема акустических сигналов.

2. Регистратор РЭМС-1 обеспечивает в условиях подземных сооружений уверенный прием> ЭМС и АС и отображает изменения амплитуд ЭМС в широкой полосе частот 1-гЮО кГц и в выделенных полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц, а также изменения интенсивности потока ЭМС, производит предварительную обработку полученной информации путем усреднения амплитуд ЭМС и АС в течение 1 или 5 секунд, обеспечивает вывод информации на ПК в виде протокола для графического построения результатов измерений во времени.

7. Параметры и интенсивность импульсного потока электромагнитных сигналов, несут информацию о характеристиках, воздействующих на гетерогенные материалы акустических импульсах и, как следствие, несут информацию о процессах подготовки и развития разрушения этих материалов.

заключение:

1. При разработке метода мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния горных пород и краткосрочного прогноза геодинамических событий в карьерных и шахтных условиях при добыче полезных ископаемых наиболее целесообразно использовать явление механоэлектрических преобразований. Результатом этих преобразований являются электромагнитные сигналы, генерируемые горными породами по различным механизмам при воздействии акустических импульсов, возникающих в процессе подготовки разрушения.

2. Возникающие электромагнитные сигналы можно измерять аппаратурно и по изменению их параметров определять этапы развития процесса разрушения.

3. Усреднение амплитуд регистрируемых в режиме «самописца» электромагнитны сигналов за фиксированный промежуток времени существенно снизит поток информации и позволит оперативно проводить анализ полученных в ходе мониторинга данных.

4. Исходя из полученных результатов, представленных в настоящей главе, а также опираясь на работы, представленные в главе 1, при создании аппаратуры для мониторинга процессов развития разрушения горных пород и геодинамических явлений, в том числе в условиях подземных рудников, необходимо реализовать следующие технические условия:

5 3

• входные амплитуды ЭМС от 10" до 10" В;

• диапазон частот ЭМС 1-100 кГц;

• частота следования ЭМС - ЗОч-бО кГц.

5. Следует обеспечить прием ЭМС в широкой полосе и на определенных выбранных частотах, а также прием акустических сигналов для контроля самого факта свершения прорастания трещины в образцах или геодинамического события в породном массиве. На первом этапе целесообразно выбрать частоты ЭМС, соответствующие миллиметровой, сантиметровой и десятки сантиметровой длительности возникающего акустического импульса при прорастании трещин, либо соответствующих таким же размерам границ блоков, составляющих горный массив. Отсюда в регистраторе должно быть реализовано:

• количество каналов оцифровки вводимой аналоговой информации - 6 каналов;

• наличие 5 каналов регистрации ЭМС, из которых: три канала в полосах с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц с добротностью Зч-Ю, один широкополосный канал в интервале 1-^100 кГц, один канал для измерения интенсивности потока ЭМС;

• вход для ЭМС - дифференциальный;

• наличие канала для регистрации акустических сигналов с чувствительностью 50 мкВ;

• наличие интеграторов на каждом из каналов;

• времена усреднения на интеграторах - 1 и 5 сек с возможностью перестройки времени;

• объем ОЗУ не менее 512 Кбайт;

• объем ППЗУ FLASH не менее 4 Мбайт;

• отсчет и запись в протокол измерений текущего времени с точностью не менее 0.01 с; возможность считывания регистрируемых данных мониторинга на персональный компьютер в виде удобного протокола для дальнейшего использования и анализа.

6. Поскольку регистратор предполагается использовать в условиях карьеров и подземных рудников, то необходимо обеспечить его автономность и оптимальные весогабаритные характеристики:

• общая масса прибора с комплектом индукционных (2 шт.), емкостных (2 шт.) и акустических (1 шт.) датчиков, дополнительными аккумуляторами, соединительными кабелями и заземляющим штырем не должна быть более 12 кг;

• регистратор электромагнитных и акустических сигналов должен иметь размеры не более (0,3x0,3x0.04) м3;

• акустический датчик должен быть апериодическим и изготовлен на основе пьезоэлектрической керамики, с возможностью вбивания контактного наконечника в горные породы;

• конструктивно индукционные и акустические датчики должны иметь диаметр не более 42 мм, что соответствует диаметру шпуров в рудниках и шахтах;

• провода для подсоединения датчиков к регистратору должны быть унифицированы и иметь на конце, к которому подключается датчик, электронные схемы для согласования сопротивление датчиков и входного сопротивления регистратора;

• питание от встроенных и, при необходимости, дополнительных аккумуляторов должно быть (6+1) В;

• время работы регистратора в, автономном режиме без подзарядки и замены дополнительного аккумулятора не менее 6 суток;

• потребляемый ток в режиме мониторинга и записи в ОЗУ не более 50 мА;

• потребляемая общая электрическая мощность в режиме мониторинга и записи в ОЗУ не более 0,33 Вт;

• наличие зарядки блоков питания от электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц.

ГЛАВА 3. АВТОНОМНЫЙ ПОЛЕВОЙ РЕГИСТРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Математическое и физическое моделирование механоэлектрических явлений, а также экспериментальные исследования показали, что для мониторинга электромагнитной (ЭМЭ) и акустической (АЭ) эмиссий гетерогенных материалов, в том числе горных пород, необходимо разработать экспериментальный образец аналого-цифрового прибора, обеспечивающий регистрацию и запись во встроенную память электромагнитных и акустических сигналов в частотном диапазоне (1^100) кГц. Чувствительность по входу аналоговых усилителей: электромагнитных сигналов около 10 мкВ; акустических сигналов не более 50 мкВ. Для приема электромагнитных сигналов в лабораторных и натурных условиях необходимо разработать емкостные и индукционные датчики, а для приема акустических сигналов -пьезоэлектрические датчики.

В результате для мониторинга изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) гетерогенных материалов и горных пород был разработан и создан регистратор электромагнитных (ЭМС) и акустических (АС) сигналов РЭМС-1 (далее по тексту "регистратор") [90,100]. Прибор позволяет производить регистрацию ЭМС и АС как при маршрутных измерениях, так и в стационарных условиях подземных рудников и на земной поверхности.

3.1. Устройство и работа регистратора

Принцип работы регистратора РЭМС-1 основан на преобразовании электромагнитных сигналов с помощью емкостного или индукционного приемников и аналоговых акустических сигналов с помощью пьезоэлектрического приемника в аналоговые сигналы, их предварительной обработке и оцифровке с последующим запоминанием во встроенной памяти и выводом массива данных на ПК [98,101-103]. Следует отметить, что для уменьшения влияния электромагнитных помех прием аналоговых ЭМС осуществляется по дифференциальной схеме [104,105]. Регистрация сигналов

ЭМС и АС осуществляется в частотном диапазоне 1^-100 кГц. Полученные данные амплитуд ЭМС и АС оцифровываются в широкой полосе 1ч-100 кГц, а , ЭМС дополнительно фильтруются в трех полосах с центральными частотами 2,

15 и 100 кГц. Для уменьшения массива данных и улучшения их оперативного анализа производится усреднение амплитуд ЭМС и АС в задаваемом временном интервале 1 или 5 секунд. Полученные усредненные значения амплитуд ЭМС А(?) характеризуют временные закономерности изменения электромагнитной (ЭМЭ) и акустической (АЭ) эмиссий в процессе силового или акустического воздействия на гетерогенные материалы и горные породы. Полученные закономерности пропорциональны изменению напряженности электрической Е{() или магнитной Н(1) составляющей электромагнитного поля в I широкой полосе частот (Фшп) и в полосах с центральными частотами 2 кГц

Ф2), 15 кГц (Ф15) и 100 кГц (Ф100). Для увеличения надежности определения образования деструктивных зон на стадии отработки метода контроля изменений НДС гетерогенных материалов, в том числе горных пород, регистратор принимает и записывает акустическую эмиссию исследуемых объектов. Амплитуды АЭ отображают процесс трещинообразования, протекающий при подготовке и протекании разрушения в исследуемом объекте или при акустическом воздействии на него. Кроме того, регистрируется изменение количества ЭМС в заданном интервале усреднения, что ' характеризует изменение интенсивности импульсного потока электромагнитных сигналов.

3.1.1. Состав регистратора РЭМС-1

Регистратор имеет блочное исполнении и состоит: из блока сбора информации (БИС); выносных емкостных (ДЕП) и индукционных приемников (ДИП), подключаемых поочередно к дифференциальному входу БИС; акустического приемника (АП); внутреннего и дополнительного аккумуляторных блоков питания (БДА) и блока питания (БП) для зарядки аккумуляторов. Связь приемников и блоков питания с БИС осуществляется с помощью кабелей с разъемами. На рис. 3.1 приведена блок-схема регистратора РЭМС-1. Полная комплектация регистратора приведена в таблице 3.1.

Рис. 3.1. Блок-схема регистратора РЭМС-1, где Х1и Х2 - разъемы для подключения емкостных приемников ДЕГТ] и ДЕПг, ХЗ и Х4 - разъемы для подключения индукционных приемников ДИП] и ДИПг, Х5 - разъем для подключения пьезоэлектрического приемника акустических сигналов АП, Х6 - разъем для поочередного подключения дополнительного источника питания БДА, зарядного устройства встроенных в регистратор аккумуляторов или персонального компьютера ПК.

Библиография Федотов, Павел Иванович, диссертация по теме Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

1. Воробьев A.A. О возможности возникновения электрических разрядов в недрах Земли// Геология и геофизика.-1970.-№12.- с. 3-14.

2. Воробьев A.A. Равновесие и преобразование видов энергии в недрах. -Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1980.- 210 С.

3. Воробьев A.A., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение электропроводности и радиоизлучение горных пород и минералов при физико-химических процессах в них// Докл. АН СССР.-1975.-т.220, №1.- с.82-85.

4. Воробьев A.A., Сальников В.Н. Наблюдения радиоволн и аномальные изменения электропроводности при нагревании образцов горных пород и минералов// ФТПРПИ.-1976.-№5.-с. 3-15.

5. Гохберг М.Б., Гуфельд И.А., Гершензон Н.И. Электромагнитные эффекты при разрушении земной коры// Изв. АН СССР. Физика Земли.-1985.-№1.-с. 7287.

6. Егоров П.В., Корнейчиков В.П., Горелкин А.Ф. Метод бесконтактного прогноза динамических форм проявления горного давления// Шахтная геофизика и геология. Тр. ВНИМИ.-1978.-№1 Ю.-с. 35-39.

7. Воробьев A.A., Завадовская Е.К. и др.// Сборн. Вопр. Геологии Сибири.-Томск, 1971.-c.4-6

8. Финкель В.М., Тялин Ю.И., Колодин А.Н., Тялина Л.Н. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов// ФТТ.-т.9.-№9.

9. Молоцкий М.И. Дислокационный механизм электризации ионных кристаллов при расщеплении// ФТТ.-1976.-т.18.-№6.

10. Гершензон Н.И., Зилпимиани Д.О., Манджгаладзе П.В. и др. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов//Докл. АН СССР.-1986.-Т.288, вып.1.

11. Урусовская A.A. // Успехи физических наук, 1968, т.86, №1, с. 39-60.

12. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977, - 359 с.

13. Дерягин Б.В., Кротова Н., Смилга В.Г. Адгезия твердых тел.-М.: Наука, 1973.- 273 с.

14. Урусовская A.A. // Успехи физических наук, 1968, т.86, №1, с. 39-60.

15. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977.- 359 с.

16. Хатиашвили Н.Г. // Изв. АН СССР. Физика Земли,-1984, №9. -с. 13-19.

17. Иванов В.В., Егоров П.В., Колпакова JI.A., Пимонов А.Г. Динамика трещин и электромагнитное излучение нагруженных горных пород// ФТПРПИ.-1988.-№5.-с.20-27.

18. Головин Ю.И., Шибков A.A. Быстропротекающие процессы и динамика дислокаций в пластически деформируемых щелочно-галоидных кристаллах// ФТТ.-1987.-т.28.-№1.

19. Финкель В.М., Тялин Ю.И., Колодин А.Н., Тялина J1.H. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов// ФТТ.-т.9.-№9.

20. Мирошниченко М.И., Куксенко B.C. Излучение импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках// ФТТ.-1980.-т.22.-№5.

21. Урусовская A.A. Электрические эффекты, связанные с пластической деформацией ионных кристаллов// УФН.-1968.-Т. 96, вып. 1.- с.39-48.

22. Корнфельд М.И. Электризация ионных кристаллов при пластическом деформировании// ФТТ.-1973.- Т.15, №10, с.2435.

23. Финкель В.М., Тялин Ю.И., Головин Ю.И. Электризация щелочно-галоидных кристаллов в процессе скола// ФТТ.-1979.-Т.21.- с. 1943-1947.

24. Перельман М.Е., Хатиашвили Н.Г. О радиоизлучении при хрупком разрушении диэлектриков// ДАН.-1981.- Т.256, №4.- с. 824-826.

25. Вишневская Н.Л., Защинский Л.А. Расчет напряженности самосогласованного электрического поля, возникающего в диэлектрике при механическом воздействии//Изв. Вузов. Физика.- 1977.- №5.-с.71-74.

26. Гольд P.M., Марков Г.П., Могила П.Г. Электромагнитное излучение минералов и горных пород, подверженных механическому нагружению// Изв. АН СССР. Физика Земли,- 1975,- №7.- с.109-111.132

27. Воробьев А.А., Мастов Ш.Р., Гордеев В.Ф. Электромагнитные поля деформируемых образцов кварцевой керамики/Том. политех, ин-т.-Томск,1979.- 14 е.- Деп. В ВИНИТИ 14.01.80, №1219-80.

28. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твердых тел.- М.: Наука, 1973.-280 с.

29. Гуфельд И.Л., Постнов В.В. Электрическая прочность микронных зазоров// Герметизированные магнитоуправляемые константы.- Рязань, 1979.- №5.- С. 25.

30. Сальников В.Н., Страгис Ю.М., Беспалько А.А. Исследование свечения и ' электрических явлений, вызванных нагреванием некоторых минералов ввакууме/Тезисы 4 Всесоюзного симпозиума по механоэмиссии и механохимии твердых тел.-М.-1973.

31. Пархоменко Э.И. Явления электризации в горных породах. М.: Наука, 1968.

32. Пархоменко Э.И., Бондаренко А.Т. Электропроводность горных пород при высоких давлениях и температурах. М.: Наука, 1972.

33. Lewis D.R. Exoelectron emission phenomen und geological applications// Bull. Geol. Soc. America, 19.

34. Киш И. Исследование электрических эффектов, возникающих при ' локальном деформировании кристаллов LiF// Кристаллография.- 1965. Т.Ю.с.890.

35. Шевцов Г.И., Ольховатенко В.Е., Антонов Н.Ф. Взаимосвязь напряженного состояния и трещиноватости горных пород с их электризацией// Отражение современных полей напряжений свойств горных пород в состоянии скальных массивов.- Апатиты, 1974.- с. 290.

36. Соболев Г.А. и др. Электризация полевых шпатов при их деформировании и разрушении// ДАН,- 1975.- т. 225, №2.- с.313.

37. Хатиашвили Н.Г. Электрические явления при деформации и разрушении ' горных пород и минералов// Физические свойства горных пород при высокихдавлениях и температурах.- Тбилиси, 1974.- с.290.

38. Ласуков B.B. Озонный, перколяционный и аэрозольный механизмы электромагнитного предвестника землетрясений// Изв. Вузов. Физика.-2000.-№2.-с.64-70.

39. Гульельми A.B., Левшенко В.Т. Электромагнитный сигнал из очага землетрясения// Изв. АН СССР. Физика Земли.-1997.-№9.-с.22-30.

40. Гульельми A.B., Левшенко В.Т. Инерционный механизм генерации сейсмоактивных сигналов// Докл. РАН.-1993.-т.329.-с.432-434.

41. Gershenzon N.I., Gokhberg М.В., Yanga S.L. On the electromagnetic field of an earthquake focus// Phys. Earth Planet Interiors.-1993.-v.77.-p. 13-19.

42. Тарасов Б.Г., Дыр дин В.В., Иванов В.В. Геотектонические процессы и аномалии квазистационарного электрического поля в земной коре// Докл. АН СССР.-1990.-т.312.-№5.

43. Алексеев Д.В., Иванов В.В., Егоров П.В. Механизм формирования квазистационарного электрического поля в нагруженных горных породах// ФТПРПИ.-1993.-№2.-с.З-6.

44. Алексеев Д.В. Баратоки в твердых телах с диффузионным механизмом проводимости// ФТТ.-1991.-т.ЗЗ.- №10.

45. Алексеев Д.В. Баратоки в пьезоэлектриках с диффузионным механизмом проводимости// ФТТ.-1992.-Т.34.- №12.

46. Воробьев A.A., Чаусов В.М., Гордеев В.Ф. Импульсное радиоизлучениелпри царапании некоторых диэлектрических тел.// Изв. Вузов. Физика.- 1977, №10.-с.126-128.

47. Корнейчиков В.П. Исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород в связи с прогнозированием землетрясений: Автореф. канд. физ.-мат. наук.- Троицк, 1985.- 17 с.

48. Булат А.Ф., Хохолев В.К., Приходченко B.JI. Анализ кинетики акустической и электромагнитной эмиссии при деформировании горных пород// Инженерная геология.-1990.-№4.-с.68-74.

49. Соболев Г.А., Демин В.М., Лось В.Ф. Исследование ЭМИ пород, содержащих минералы, полупроводники и пьезоэлектрики// Изв. АН СССР. Физика Земли.-1982.-№11.-C.72-86.

50. Иванов В.В., Простов С.М. Параметры ЭМИ при хрупком разрушении горных пород// Изв. Вузов. Горный журнал.-1981.-№12.-с.1-4.

51. Булат А.Ф., Хохолев В.К. Геофизический контроль массива при отработке угольных пластов.- Киев: Наукова думка, 1990.- 168 с.

52. Грешников В.А., Дробот Ю.В. Акустическая эмиссия,- М.: Изд-воIстандартов, 1976,- 276 с.

53. Хаттон Р.Х., Орд Р.Н. Акустическая эмиссия// Методы неразрушающих испытаний.- М.: Мир,1972.-с.27-58.

54. Гершензон Н.И., Зилпимиани Д.О., Манджгаладзе П.В. и др. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов// Докл. АН CCCP.-1986.-t.288, вып.1.

55. Хатиашвили Н.Г. Об электромагнитном эффекте при трещинообразовании в щелочно-галоидных кристаллах и горных породах// Изв. АН СССР. Физика Земли,- 1984.- №9.-с.13-19.I

56. Ямщиков B.C., Шкуратник B.JL, Лыков Г.К. Измерение напряжений в массиве горных пород на основе эмиссионных эффектов памяти// ФТПРПИ.-1990.-№2.-с.23-28.

57. Егоров П.В., Иванов В.В., Колпакова Л.А. О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения ЩГК и горных пород// ФТПРПИ.-1988.-№ 1 .-с.67-70.

58. Кузнецов C.B. Совместная регистрация электромагнитных и сейсмоакустических сигналов/ Геофизические способы контроля напряжений и деформаций. Сб. докладов,- Новосибирск, 1985.

59. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Оценка длительности сигналов электромагнитного излучения при разрушении горных пород//ФТПРПИ.-1999.-№4.-с.61-65.

60. Касьян М.В., Робсман В.А., Никогосян Г.Н. Изменение спектров эмиссионных сигналов при развитии трещин и разрушении горных пород// Докл АН СССР. Геофизика.-1989.-т.306, №4.-с.826-830.

61. Гуфельд И.Л., Никифорова H.H., Рожной A.A. и др. Характеристики источников электромагнитного излучения в массиве горных пород// Напряженно-деформированное состояние массива горных пород. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1988.

62. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений/ под ред. М.Б. Гохберга. -М.: ИФЗ АН СССР, 1988.

63. Курленя М.В., Кулаков Г.И., Яковицкая Г.Е. Спектрально-временной анализ электромагнитной эмиссии при трещинообразовании образцов горных пород// ФТПРПИ.-1993.-№1.-с.З-13.

64. Курленя М.В., Яковицкая Г.Е., Кулаков Г.И. Стадийность процесса разрушения на основе исследования ЭМИ-излучения // ФТПРПИ.-1990.-№1.

65. Иванов В.В., Егоров П.В., Колпакова J1.A., Пимонов А.Г. Динамика трещин и электромагнитное излучение нагруженных горных пород// ФТПРПИ.-1988.-№5.-с.20-27.

66. Тамм И.Е. Основы теории электричества .-М.: Наука, 1976.

67. Вострецов А.Г., Кулаков Г.И., Тимоненков Ю.А., Яковицкая Г.Е. Прогнозирование разрушения горных пород по спектральным характеристикам сигналов электромагнитного излучения// ФТПРПИ.-1998.-№4.-с. 21-25.

68. Финкель В.М., Тялин Ю.И., Колодин А.Н., Тялина JI.H. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочно-галоидных кристаллов// ФТТ.-т.9.-№9.

69. Иванов В.В., Пимонов А.Г. Статистическая модель ЭМЭ из очага разрушения в массиве горных пород// ФТПРПИ, 1990.- №2.-с.53-56.

70. Беспалько A.A., Коровкин М.В., Парусова И.М., Сальников В.Н. Наблюдение импульсного электромагнитного излучения горных пород на Слюдянском месторождении флогопита// Конференция «Геология и полезные ископаемые Сибири», Томск.- ТГУ, 1974.-е. 14-15.

71. О природе радиоизлучения горных пород в их естественном залегании и результаты регистрации интенсивности электромагнитного поля на геологических объектах Хакасской АО, Тувинской АССР. Научный отчет Р-3064, г. Томск, 1974 г.

72. Натурные исследования вариаций электромагнитной активности в сейсмоактивных районах страны. Отчет по теме ТОМ-ЭДИП-4. ВНТИ-центр, № гос. per. 02900017339.-1989.-147 с.

73. Гольд P.M., Мастов Ш.Р., Яворович J1.B. Динамика изменения параметров ЭМС при росте механических напряжений в горных породах./ Геофизические способы измерения напряжений и деформаций. Сборник научных трудов, Новосибирск, 1992.-C.92-108.

74. Яворович J1.B. Взаимосвязь параметров электромагнитных сигналов с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород. Автореф. диссерт. Томск, 2005.- 19 с.

75. Беспалько A.A., Федотов П.И., Яворович JI.B. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для контроля прочности иразрушения материалов и массивов горных пород// Известия Томского политехнического университета, 2008.- №2.- т.312.-с.255-258.

76. Руководство по эксплуатации ЕГ20К.000 РЭ аппаратуры для индикации участков с повышенной геодинамической активностью горных пород и грунтов «АНГЕЛ», Часть 1 и 2, Санкт-Петербург, 2004.-43 с.

77. Вострецов А.Г., Кривецкий A.B., Бизяев A.A., Яковицкая Г.Е. Аппаратура регистрации сигналов ЭМИ в условиях подземных горных выработок// ФТПРПИ,- 2008.-№2.- с.115-122.

78. Беспалько A.A., Гольд P.M., Яворович JI.B., Дацко Д.И. Возбуждение электромагнитного излучения в слоистых горных породах при акустическом воздействии// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2003. - № 2. - с. 8-14.

79. Беспалько A.A., Яворович JI.B., Федотов П.И. Механоэлектрические преобразования в кварце и кварцсодержащих горных породах в процессе акустического возбуждения//ФТПРПИ. 2007. - №5. - с. 22-27.

80. Болотин Ю.И. О коэффициенте электроакустического излучения трещин нормального отрыва при разрушении горных пород/ ФТПРПИ.-1993.- № 5.-С. 44-46.

81. Бершов JI.B., Звягинцев Л.И., Осипов Т.А. Справочник физических констант горных пород//Изд-во Мир: Москва, 1969. 329 с.

82. Голямин И.П., Ультразвук, маленькая энциклопедия// Изд-во Советская энциклопедия: Москва, 1979. 230 с.

83. Опарин В.Н., Юшкин В.Ф., Акинин A.A., Балмашнова Е.Г. О новой шкале структурно иерархических представлений как паспортной характеристики объектов геосреды// ФТПРПИ. 1998. - №5. - с. 16-32.

84. Беспалько A.A., Хорсов H.H., Федотов П.И., Кураков С.А. Регистратор электромагнитных и электрических сигналов// Патент на полезную модель №80557. Приоритет от 20.08.08.

85. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. СПб.: Питер, 2003.-512 с.

86. Ультразвуковые преобразователи, под ред. Е. Кикучи, пер. с англ., М.: Мир, 1972.

87. Королев М.В. Апериодический пьезодатчик для ультразвуковых дефектоскопов// Дефектоскопия. 1973, - №4. - с. 12-18.

88. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. М.: Юнимедистайл, 2002. -448 с.

89. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.

90. Киреев М.А. Современные зарубежные микросхемы усилители звуковой частоты: справочник - М.: Горячая линия, 2004. - 257 с.

91. Операционные усилители и компараторы : справочник. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Додэка-ХХ1, 2002. — 560 с.

92. Спецификация ADuC812 8-канальный прецизионный 12-разрядный АЦП со встроенным микропроцессором и FLASH ЭРПЗУ. СПб.: АВТЭКС.- Режим доступа: http://www.autex.spb.ru.

93. ADuC812: Micro Converter, Multichannel 12-Bit ADC with Embedded Flash MCU Data Sheet (Rev E, 04/2003) Electronic resource. / Norwood: Analog Devices Inc., 2003. Режим доступа: http://www.analog.com.

94. Жидкокристаллический экран PC 1602,- Режим доступа: http://www.powertipusa.com.

95. Оптроны 6N137. Режим доступа: http://fairchildsemi.com.

96. Валенко B.C. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств// М.: Додэка-ХХ1, 2001. - 368 с.

97. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике// М.: Наука, 1964. -847 с.

98. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. -М.: Радио и связь, 2006.

99. ГОСТ Р 51086-97 «Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения, раздел 3 «Термины и определения».

100. Мейнке X. Радиотехнический справочник :- М.: Госэнергоиздат, 1960.

101. Богданов Г.Б. Основы теории и применения ферритов в технике измерений и контроля; Ферриты в технике измерений и контроля.- М.: Советское радио, 1967.

102. Панин В.Е. Синергетические принципы мезомеханики// Физическая мезомеханика. 2000. - Т.З. - №6.-с.5-36.

103. Макаров П.В. Эволюционная природа деструкции твердых тел // Физическая мезомеханика.-2007.-Т. 10.-№3.-с.23-38.

104. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин A.B. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровнего подхода// Физическая мезомеханика.-2006.-Т.9.-№3.-с.9-22.

105. Яворович J1.B., Беспалько A.A. Связь параметров электромагнитных сигналов с изменением напряженно-деформированного состояния горных пород // Деп. в ВИНИТИ 04.10.06, № 1198-В2006, 194 с.

106. Рузга 3. Электрические тензометры сопротивления. -Л.:Госэнергоиздат.I1961. -336 с.

107. Болотин Ю.И., Грешников В.А., Дробот Ю.Б. и др. Анализ акустической эмиссии, вызванной ростом трещины в прямоугольной пластине// Измерительная техника.- 1975.- № 1.- с. 24-28.

108. Иванов В.В., Егоров Н.В., Колпакова Л.А., Пимонов А.Г. Динамика трещин и электромагнитное излучение нагруженных горных пород// ФТПРПИ.-1988.- № 5,- с. 28-33.

109. Беспалько A.A., Яворович J1.B., Федотов П.И. Диагностика развития деструктивных зон в образцах горных пород при одноосном сжатии по спектральным характеристикам электромагнитных сигналов// Журнал «Дефектоскопия», 2011 - №10. - с. 41-49.

110. Беспалько A.A., Яворович Л.В., Федотов П.И., Виитман Е.В. Механоэлектрические преобразования в горных породах Таштагольского железорудного месторождения//Геодинамика. 2008. - № 1(7). - с. 54-60.

111. Панин В.Е., Гришаев Ю.В., Псахье С.Г. Физическая мезомеханика: достижения за два десятилетия развития, проблемы и перспективы// Физическая мезомеханика. 2004. - т.7, спец.выпуск, 4.1. - с. 25-40.

112. Koktavy P., Pavelka J. and Sikula J. Characterization of acoustic and electromagnetic emission sources//Measurement science and technology. -2004. -№ 15. p. 973-977.

113. Беспалько А.А., Яворович Л.В., Виитман Е.В., Федотов П.И., Штирц В.А. Механоэлектрические преобразования в массиве горных пород Таштагольского рудника при взрывных воздействиях// ФТГТРПИ. 2010. - №2. - с. 53-62.

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00