Расчетная и аппаратурная база геомониторинга состояния массива методом регистрации естественного электромагнитного излучения

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки перспективного метода прогноза удароопасности массива по параметрам естественного электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании в горных породах. Существующие методики интерпретации данных геофизического мониторинга не учитывают связи параметров электромагнитного излучения с основными геомеханическими критериями, определяющими вероятность проявления горного удара: концентрацией напряжений в массиве и расположением их максимума. Цель: установление рациональных параметров для дальнейшего экспериментального обоснования критериев локального прогноза удароопасности методом регистрации электромагнитного излучения на базе экспериментальной аппаратуры «Ангел-М», разработанной в МНЦ ВНИМИ. Объекты: массивы горных пород, склонных к динамическим проявлениям горного давления на горнодобывающих предприятиях Кузбасса (шахта «Таштагольская», глубина 700 м; шахта «Зиминка», глубина 300 м; шахта № 12, глубина 340 м). Методы: анализ физических механизмов электризации пород в поле механических напряжений на основе фундаментальных закономерностей физики твердого тела и электродинамики, экспериментально-теоретические основы метода регистрации электромагнитного излучения в лабораторных и натурных условиях. Результаты. Рассмотрены физические предпосылки возникновения электромагнитного излучения при разрушении твердых тел и горных пород, основные теоретические и экспериментальные результаты, полученные в данной области ведущими научными коллективами. Изложена методика расчета амплитудно-частотной характеристики электромагнитного излучения при трещинообразовании в горных породах, включающая решение волнового уравнения, прямое и обратное преобразование Фурье, эффекты суперпозиции систем трещин и затухания электромагнитного излучения в проводящей среде. Обоснован перспективный метод прогноза удароопасности массива методом регистрации электромагнитного излучения на основе комплексных критериев, косвенно взаимосвязанных с фундаментальными геомеханическими параметрами массива (концентраций напряжений в точке их максимума и расстоянием от контура до этой точки): средняя амплитуда импульсов за интервал регистрации и крутизна графика скорости нарастания импульсов.

The relevance of the study is caused by the need to develop a promising method for predicting the impact hazard of the array according to the parameters of natural electromagnetic radiation that occurs during cracking in rocks. The existing methods of interpretation of geophysical monitoring data do not take into account the relationship of electromagnetic radiation parameters with the main geomechanical criteria determining the probability of a mountain impact: the concentration of stresses in the array and the location of their maximum. The main aim is to establish rational parameters for further experimental substantiation of the criteria for local prediction of impact hazard by the electromagnetic radiation registration method based on the experimental equipment «Angel-M» developed at the MNC. Objects: massifs of rocks prone to dynamic manifestations of mountain pressure at Kuzbass mining enterprises (Tashtagolskaya mine, depth 700 m; Ziminka mine, depth 300 m; mine no. 12, depth 340 m). Methods: analysis of the physical mechanisms of electrification of rocks in the field of mechanical stresses based on the fundamental laws of solid state physics and electrodynamics, experimental and theoretical foundations of the method of recording electromagnetic radiation in laboratory and field conditions. Results. The paper considers the physical prerequisites for electromagnetic radiation occurrence during the destruction of solids and rocks, the main theoretical and experimental results obtained in this field by leading scientific teams. A method for calculating the amplitude frequency response of electromagnetic radiation during fracturing in rocks is described, including the solution of the wave equation, the forward and inverse Fourier transform, the effects of superposition of crack systems and electromagnetic radiation attenuation in a conductive medium. A promising method for predicting the impact hazard of an array by the electromagnetic radiation registration method is substantiated on the basis of complex criteria indirectly interrelated with the fundamental geomechanical parameters of the array (stress concentrations at their maximum point and the distance from the contour to this point): the average amplitude of pulses during the registration interval and the steepness of the pulse rate graph.