VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

В процессе механического воздействия на горные породы регистрируется электромагнитная эмиссия (ЭМС), параметры которой связаны с изменением напряженно-деформированного состояния (НДС) и процессом разрушения. Это позволяет использовать ЭМС в качестве одного из информационных каналов для оценки изменений НДС различных материалов и массивов горных пород.

Исследования показали, что излучаемая электромагнитная энергия является многофакторным процессом, зависящим от физических свойств горных пород, их генетического типа и структурно-текстурных особенностей. В свою очередь на физические свойства горных пород, в частности, на электрические свойства, большое влияние оказывает присутствие минерализованной жидкости. Поэтому для разрабатываемого метода оценки НДС необходимо знать влияние минерализованной жидкости, входящей в состав горных пород, на параметры ЭМС.

Исследования параметров ЭМС при акустическом возбуждении контакта горных пород с жидкостью входят в программу работ по разработке метода оценки изменения НДС массивов горных пород по параметрам ЭМС. Это является важнейшей научной и практической задачей, т.к ее решение обеспечит инструментальное и оперативное наблюдение за подготовкой геодинамических событий, таких как горные удары, тектонические толчки. Итогом программы исследований будет создание аппаратуры и метода контроля геодинамических явлений.

Натурные исследования в условиях железорудной шахты Таштагольская показали, что параметры ЭМС, при регистрации емкостными датчиками зависят от степени увлажненности бортов выработок. Наиболее водообильными являются зоны тектонических нарушений, трещин, контакты литологических разностей пород и известняки. Водообильность повышается от однородных массивов пород к участкам с частой перемежаемостью различных пород малой мощности. Химический состав подземных вод гидрокарбонатно-натриевый, кальциевый, минерализация изменяется от 0,2 до 0,4 г/л. Сульфатные воды приурочены к тектоническим зонам и к контактам интрузивных пород со сланцами.

Таким образом, существенным для разрабатываемого метода является вопрос о природе сигналов ЭМС, связанных с динамикой НДС, которая в свою очередь определяется и гидрологическими характеристиками массива горных пород.

Для выявления закономерностей изменения параметров в водонасыщенных горных породах необходимо знать, чем обусловлены такие изменения. В первую очередь – это за счет чего изменяется зарядовое состояние горных пород, являющееся источником ЭМС. Теоретическими и экспериментальными результатами доказано, что при образовании и изменении двойного электрического слоя генерируются ЭМС.

Поверхностный слой ионов минеральной частицы имеет свободные ненасыщенные валентности и несет, поэтому электрические заряды. Ионы поверхностного слоя обычно несут отрицательный электрический заряд. Электрические заряды поверхностного слоя минеральной частицы прочно скреплены с внутренней ее частью и образуют вместе с ней, так называемое ядро. В жидкости, непосредственно примыкающей к минеральной частице, расположен слой противоположно заряженных ионов. Молекулы этого слоя также прочно связаны и образуют неподвижный адсорбционный слой, прочно притянутый к поверхности минеральной частицы силами электростатического притяжения. Вода этого слоя соответствует понятию гигроскопической воды. Минеральное ядро вместе с прочно притянутым адсорбционным слоем воды образует так называемую гранулу. Распределение ионов в воде, окружающей гранулу, происходит под действием электрических сил и сил, вызывающих молекулярное тепловое движение. Электростатические силы к поверхности гранулы притягивают противоположно заряженные ионы и отталкивают одноименно заряженные. Силы, вызывающие молекулярное тепловое движение, стремятся равномерно распределить ионы в воде или водном растворе. Взаимодействие этих двух факторов определяет распределение ионов в воде вблизи поверхности минеральной частицы. В результате вокруг гранулы образуется диффузионный слой рыхлопритянутой воды, соответствующий понятию физически связанной молекулярной (пленочной) воды. В диффузионном слое концентрация ионов с зарядом, противоположным заряду частицы, постепенно убывает, а концентрация ионов с одинаковым зарядом увеличивается. Отрицательно заряженные ионы поверхности частицы и окружающие их противоионы водного слоя образуют двойной электрический слой, который обычно уподобляют конденсатору[1].

Толщина диффузионного слоя определяется расстоянием от минеральной частицы, на котором силы электростатического притяжения уравновешиваются силами, вызывающими молекулярное тепловое движение. Это расстояние зависит от многих факторов, в частности от концентрации электролитов, растворенных в воде, и от их валентности [1].

Колебание акустическими волнами границ неоднородностей и контактов разных пород и минералов, в которых сформированы или формируются двойные электрические слои, сопровождается электромагнитной эмиссией. Акустические сигналы приводят к изменению дипольных моментов двойных электрических слоев на границах контактов разнородных веществ и, как следствие, к возбуждению ЭМС, параметры которых несут информацию о механическом состоянии исследуемого материала.

Еще одним из источников генерации ЭМС в водонасыщенных горных породах является изменение электрических свойств горной породы.

Влажность оказывает большое влияние на величину электризации горных пород. Увеличение влажности приводит к уменьшению заряда и времени релаксации электризации. При электризации влагонасыщенных образцов в результате трения или раскалывания они приобретают электретное состояние. Поляризация возникает за счет:

1. Разрыва капилляров заполненных жидкостью в условиях деформирования горной породы, сдвижений в пределах подземных выработок и вне их.

2. Интенсивной фильтрации жидкости в капиллярах и других нарушений двойных электрических слоев на поверхности раздела фаз диэлектрик-электролит [2].

В исследованиях М.Я. Балбачана и Э.И. Пархоменко [3] было выявлено, что величина и время релаксации заряда «насыщения» при механоэлектризации влажных горных пород функционально не зависят от их электросопротивления и определяются для образца мрамора толщиной слоя адсорбированной воды.

В работе [4] исследовано влияние пористости на параметры ЭМС. Выявлено, что с возрастанием пористости амплитуда сигнала снижается.

Исследование изменения параметров электромагнитного сигнала от влажности образцов песчаников [5] показали, что увлажнение образцов приводит к уменьшению амплитуды сигнала, вследствие изменения упругопластических свойств поверхности образца, что в свою очередь обуславливает изменение его диэлектрических свойств песчаника.

В ПНИЛ ЭДиП ТПУ на модельных образцах было показано, что под действием акустической волны происходит преобразование механических колебаний в электромагнитные за счет изменения дипольного момента двойных электрических слоев на границе раздела разнородных материалов. Вследствие этого во внешней среде появляется переменное электрическое поле, которое можно зарегистрировать специальной аппаратурой с использованием емкостных или индуктивных датчиков.

В работе [6] представлены результаты исследования параметров ЭМС при акустическом возбуждении контакта горной породы с минерализованной жидкостью. Эксперименты показали, что при акустическом возбуждении контакта дистиллированной воды с горной породой наблюдается появление электромагнитного сигнала в диапазоне частот 45-84 кГц. А незначительная 2 % минерализация воды приводит к существенным изменениям в спектре ЭМС. Это обстоятельство необходимо учитывать при разработке метода контроля изменения НДС по параметрам ЭМС в шахтных выработках.

Полученные результаты в работах [1-6] дают основание для более тщательного изучения параметров ЭМС для оценки минерализованного состояния горных пород, оказывающего влияния на оценку изменения напряженно-деформированного состояния массивов по параметрам ЭМС.

Список использованной литературы

1. Л.М. Пешковский, Т.М Перескокова. Инженерная геология: Учебное пособие для студентов и вузов.-М.: Высш.школа, 1982.-341 с.

2. В.Н. Саломатин, А.Ф. Бессмертный, М.В. Саломатин. Контроль гидродинаимческих полей напряжений по интенсивности импульсной электромагнитной эмиссии // ГиНСНЗ. Труды мкждународн. Конф. – Новосибирск: Изд. Инстит. Горн. Дела СО РАН, 2006.-586 с.

3. М.Я. Балбачан, Э.И. Пархоменко. Исследования влияния влажности на механоэлектретный эффект горных пород // Физика земли.-1987.- №12

4. Р.М. Гольд, Л.В. Яворович, Ш.Р. Мастов, В.В. Ласуков, О.Н. Соколовский. Определение пористости образцов горных пород методом регистрации электромагнитной активности, 1991.

5. Л.В. Яворович, Р.М. Гольд, В.В. Ласуков. Исследование амплитуды электромагнитного сигнала при ударном воздействии на образцы горных пород с различной пористостью// ФТПРПИ. – 1999.-№6.

6. И.О. Раргацев, А.А. Гусейнов, А.С. Батырмурзаев. Диэлектрическая релаксация в системе песчаник - минеральная вода // Физика земли. – 2000.- №8.