Фізико-технічні основи механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геотехнічної механіки

УДК (550.37+550.83) : (622.02+622.83)

05.15.11 - "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Фізико-технічні основи механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід

Скіпочка Сергій Іванович

Дніпропетровськ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної академії наук України (ІГТМ НАН України).

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Усаченко Борис Миронович, ІГТМ НАН України, завідуючий відділом.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Колєсніков Володимир Григорович, ІГТМ НАН України, завідуючий відділом;

- доктор технічних наук, професор Назімко Віктор Вікторович, Донецький державний технічний університет, завідуючий лабораторією;

- доктор технічних наук Поліщук Сергій Зіновєвич, Інститут проблем природокористування і екології НАН України, завідуючий відділом.

Провідна установа - Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра підземної розробки родовищ корисних копалин.

Захист відбудеться "1" червня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а, факс (0562) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ІГТМ НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-а

Автореферат розісланий " 25 "квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Перепелиця В.Г.

Анотації

Скіпочка С.І. Фізико-технічні основи механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - фізичні процеси гірничого виробництва. - Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2000.

Дисертація присвячена розробці високоінформативного методу гірничої геофізики, який базується на механоелектричних ефектах порід.

Виконано комплекс досліджень механоелектричних ефектів напружено-деформованих порід. Отримані значення модулів і виконана класифікація порід за їх механоелектричними властивостями. Дана фізична трактовка встановлених залежностей механоелектричних ефектів порід від вмісту води, пористості, типу флюїду і його концентрації, температури. Визначені залежності амплітуди, фази і спектральної щільності механоелектричних ефектів від величини та характеру деформування порід, стискующих зусиль та коефіцієнту розпушення. Отримані аналітичні залежності параметрів механоелектричного методу від властивостей і стану породного масиву. Розроблені способи та засоби реалізації механоелектричного методу в шахтних і польових умовах. Встановлена можливість змінювати міцностні характеристики гранично напружених порід дією зовнішнього електричного поля. Запропоновано елемент механізму додаткової десорбції газу в процесі руйнування вуглепородного масиву. Виконані експериментальні роботи на ряді підприємств вугільної, рудної і нерудної галузей, які підтвердили високу ефективність методу. Основні результати роботи реалізовані у вигляді приладів та нормативно-технічних документів і впроваджені на ряді гірничодобувних підприємств.

Ключові слова: моніторинг масиву, механоелектричні ефекти напружено-деформованих порід, механоелектричний метод, способи та засоби практичної реалізації методу, перспективні напрямки використання механоелектричного методу.

Скипочка С.И. Физико-технические основы механоэлектрического метода контроля свойств и диагностики напряженно-деформированного состояния массива горных пород.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.11 - физические процессы горного производства.- Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск, 2000.

Работа посвящена разработке физико-технических основ высокоинформативного метода контроля свойств и диагностики напряженно-деформированного состояния горного массива, обеспечивающего комплексность и повышение достоверности геомеханического мониторинга массива, эффективности, технической и экологической безопасности разработки месторождений полезных ископаемых. Основу метода составляют два основных эффекта: пьезоэлектрический и сейсмоэлектрический второго рода (эффект Е) и один вспомогательный, базирующийся на естественном импульсном электромагнитном излучении Земли.

Для определения информативных параметров метода выполнен комплекс исследований на разработанном оборудовании, позволяющем проводить испытания в статическом и напряженно-деформированном состояниях в режимах жесткого одноосного, трехосного неравнокомпонентного, объемного и циклического сжатия в области упругих деформаций, вблизи и за пределом прочности породы. Определены механоэлектрические модули пород пяти месторождений осадочного и трех - магматического и смешанного типов, а также Кольской сверхглубокой скважины. Выполнена классификация пород по величине и типу механоэлектрического эффекта. Получены и истолкованы физически зависимости механоэлектрических эффектов от влажности пород, пористости, типа флюида и его минерализации, температуры. Особое внимание уделено эффекту трехфазной среды и среды, содержащей углеводородную компоненту. Установлены явления усиления динамического пьезоэлектрического эффекта полем сжимающих напряжений и резкого уменьшения амплитуды эффекта вблизи предела прочности. Показано, что сейсмоэлектрическая чувствительность пород является неубывающей функцией коэффициента разрыхления породы во всем диапазоне механических нагрузок. Установлено, что приращение сжимающих напряжений () вызывает изменение разности фаз () между акустическим и электрическим сигналами по закону

=k,

где k варьирует от 0,5 до 1,5. Получены аналитические зависимости, связывающие информативные параметры механоэлектрического метода с характеристиками свойств и напряженно-деформированного состояния породного массива. Разработаны способы и средства реализации механоэлектрического метода в шахтных и полевых условиях, отличающиеся использованием, в качестве информативных, кинематических и динамических, в том числе спектральных, характеристик, а также скорости нарастания потока импульсов естественного электромагнитного поля Земли. Определены перспективные направления использования механоэлектрического метода. Показано, что при воздействии внешним электрическим полем на породы, находящиеся за пределом их прочности, благодаря присутствию механоэлектических эффектов, происходит упрочнение пьезоактивных и ослабление пород с сейсмоэлектрическим эффектом второго рода. При этом энергия реакции пород, за счет высвобождения накопленной в массиве потенциальной энергии, в несколько раз превышает энергию внешнего воздействия. Определен оптимальный частотный диапазон внешнего воздействия. Предложен элемент механизма дополнительной десорбции газа при разрушении углепородного массива, базирующийся на механоэлектрических эффектах углей и песчаников. Показано, что угли средней степени метаморфизма отличаются аномально высоким значением механоэлектрического модуля, причем для них характерен сейсмоэлектрический эффект трехфазной среды с преобладающим вкладом границ "вода-газ" и "уголь-газ", разрушение которых с параллельным разрывом трещин в песчанике приводит к эмиссии электронов, способных активировать связанные молекулы метана. Опытно-методические исследования, а также работы, связанные с решением горно-геологических и технологических задач, выполненные на ряде предприятий угольной, рудной и нерудной отраслей, подтвердили высокую эффективность механоэлектрического метода и целесообразность его включения в систему геомеханического мониторинга, в частности, при решении задач, связанных с оценкой и прогнозом напряженно-деформированного состояния массива, определением границ рудных тел и размеров нарушений тектоно-карстового типа, картированием техногенных и карстовых пустот, локацией тектонических нарушений в угольных пластах. Основные результаты работы реализованы в виде приборов и нормативно-технических документов и внедрены на ряде предприятий горнодобывающих отраслей.

Ключевые слова: мониторинг массива, механоэлектрические эффекты напряженно-деформированных пород, механоэлектрический метод, способы и средства практической реализации метода, перспективные направления использования механоэлектрического метода.

Skipochka S.I. Physico-technical basis of mechano-electrical method of controlling the properties and diagnostics of stress-strain state of rockmass. -Manuscript.

Thesis for scientific degree of doctor of technical sciences on speciality 05.15.11 - physical processes in mining.- Institute of Geotechnical Mechanics of NAS of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to the development of a highinformative method of the mining geophysics on the basis of mechano-electrical effects of rocks.

A complex of researches of mechano-electrical effects of stress-strained rocks has been made. Values of modules have been obtained and a classification of rocks aссording to their mechano-electrical properties has been developed. A physical explanation of obtained dependences of mechano-electrical effects of rock on water contents, porosity, fluid type and its concentration, and temperature has been given. Dependences of the amplitude, phase and spectral density of the mechano-electrical effects on the value and the character of rock deformations, compressive and bulking factor have been determined. Analytical dependences of parameters of the mechano-electrical method on properties and the state of the rockmass have been obtained. Methods and means of a realization of the mechano-electrical method in-situ underground have been developed. A possibility of an active changing of the strength properties of superstressed rock by means of an external electrical field have been found. One more element to the mechanism of initiating the gas-dynamic phenomenon in coalmeasure rocks has been offered to use. Experimental works in a number of coal, iron ore and industrial minerals mines have been done which substantiate a high efficiency of the method. The main results of the work have been realized in the form of testing devices and technical documents with implementation in a number of mining enterprises.

Key words: rockmass monitoring, mechano-electrical effects, stress-strained rocks, mechano-electrical method, methods and means of practical realization of the method, perspective trends of mechano-electrical method usage.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток гірничих підприємств і збільшення обсягу видобутку корисних копалин в умовах зростання глибини розробки та погіршення гірничо-геологічних характеристик родовищ потребують високого ступеня вивченості літосферного середовища, зокрема, виконання ефективного контролю властивостей породного масиву і діагностики його напружено-деформованого стану. Безперервний контроль процесів деформування масиву гірських порід і керування його станом відповідно з геомеханічними умовами особливо актуальні для зменшення витрат на охорону гірських виробок та безпечної їх експлуатації. Ще один важливий елемент діагностики стану масиву - контроль зсувів порід у зонах підробки земної поверхні, які є потенційними джерелами техногенних катастроф, а також в зонах взаємного впливу карєрів і гірських виробок при сумісній розробці родовища відкритим і підземним способами. Також відомо, що напружено-деформований стан масиву суттєво залежить від ступеня його неоднорідності, зокрема, наявності структурних, тектонічних, тектоно-карстових і інших порушень, присутність яких негативно впливає і на технологічний процес гірничих робіт. Тому інформація про такі порушення є вкрай необхідною як на стадії проектування, так і в процесі розробки родовища. механоелектричний порода шахтний десорбція

Рішення наведених задач можливе шляхом створення системи геомеханічного моніторингу масиву гірських порід. Основу такого моніторингу складають, як правило, методи гірничої геофізики - галузі науки, яка спрямована на вирішення завдань гірничого виробництва, що пов'язані з контролем властивостей і діагностикою стану породних масивів, шляхом вивчення їх взаємодії із різними фізичними полями. Пріоритет розробки і впровадження методів гірничої геофізики належить вітчизняним вченим. Зокрема, основні досягнення в трансформації стосовно до задач гірничої справи таких класичних методів як електрометрія, сейсмічна розвідка і магнітометрія, а також створенні ультразвукового і сейсмоакустичного методів пов'язані з розробками, що здійснені у МДГУ, ІГС ім. О.О. Скочинського, ВНДМІ, НВО "Сибкольорметавтоматика", НВО "Рудгеофізика", ГІ КФ РАН, ІГТМ НАНУ, ДонФТІ НАНУ, НГАУ, ПНДВІ, ДонНДІ, ДДТУ, НДГРІ, КТУ, КазПІ, ІГМ ім. Г.А. Цулукідзе та інших установах. Однак, досвід використання методів гірничої геофізики показав, що достовірність моніторингу породного масиву може бути забезпечена використанням відомих методів тільки в комплексі з новими нетрадиційними і більш інформативними методами. Серед останніх особливе місце належить методу, що базується на механоелектричних ефектах порід, одна з модифікацій якого - п'єзоелектричний, успішно застосовується для вирішення задач пошуково-розвідувальної геофізики. Незважаючи на величезні можливості і переваги механоелектричного методу перед іншими, які обумовлені тим, що в ньому обєднанні три, найбільш інформативних методи: сейсмічний, сейсмоакустичний і радіохвильовий, діапазон його використання в гірничій геофізиці надто малий. Це пояснюється недостатньою вивченістю фізики явищ, які покладені в основу методу, і не розробленістю методології його застосування для контролю властивостей і діагностики стану масиву напружено-деформованих порід. Тому розробка фізико-технічних основ високоінформативного механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід, який забезпечує підвищення достовірності геомеханічного моніторингу масиву і, як наслідок, ефективності і безпеки розробки родовищ корисних копалин, є актуальною науково-прикладною проблемою, що має важливе народно-господарське значення. Саме вирішенню цієї проблеми присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетних тем №1.3.5.9 "Розробити фізичні основи контролю властивостей і стану гірського масиву (у тому числі викидонебезпечного) при здійсненні гірничих робіт", №1.3.5.45 "Розробити геофізичні способи оперативного контролю напружено-деформованого стану масиву гірських порід, у тому числі викидонебезпечних, з метою прогнозу проявів гірського тиску на великих глибинах", №1.3.5.11 "Наукові основи автоматизованого контролю геомеханічних процесів у вуглепородному масиві при гірничо-технологічних роботах", а також тем Держкомітету України з питань науки і технологій №6/108 "Встановити закономірності поведінки гранично напружених гірських порід у зовнішніх слабкоенергетичних фізичних полях" і №4.1.2.25 "Створити комплекс методів і засобів, що забезпечують оперативний і довгостроковий контроль гранично напружених порід в процесі технологічного керування станом гірського масиву".

Мета і задачі досліджень

Метою роботи є розробка фізико-технічних основ механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід, який забезпечує підвищення достовірності геомеханічного моніторингу літосферного середовища.

Ідея роботи полягає у використанні залежності динамічних і кінематичних характеристик механоелектричних ефектів від величини і виду діючих напружень, деформаційних та інших фізико-механічних властивостей порід як інформативних параметрів методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану гірського масиву.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані наступні задачі:

1) визначити залежність динамічних і кінематичних параметрів електричних коливань, які викликані механоелектричними ефектами, від основних фізичних властивостей гірських порід;

2) розробити методику і комплекс приладів для досліджень механоелектричних ефектів напружено-деформованих порід у дограничній, граничній і позаграничній областях напружень;

3) встановити закономірності проявлення механоелектричних ефектів у напружено-деформованих породах і визначити інформативні параметри механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики стану гірського масиву;

4) розробити теоретичні основи використання механоелектричного методу для вирішення задач контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід;

5) розробити способи і технічні засоби реалізації механоелектричного методу в шахтних і польових умовах;

6) на прикладі вирішення гірничо-геологічних задач підтвердити ефективність механоелектричного методу, визначити перспективні напрямки його використання для контролю і керування станом масиву гірських порід.

Обєкт досліджень - механоелектричні ефекти у напружено-деформованих гірських породах.

Предмет досліджень - механоелектричний метод контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод досліджень, який включає аналіз і узагальнення відомих положень за даною проблемою; теоретичні дослідження із застосуванням методів математичної фізики, електродинаміки і механіки суцільних середовищ; лабораторні, шахтні і польові експериментальні дослідження із застосуванням дослідних і промислових зразків апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів

На захист виносяться наступні наукові положення.

1. Практично у всіх найбільш розповсюджених типах гірських порід спостерігаються механоелектричні ефекти, при цьому в магматичних породах переважає п'єзоелектричний ефект, величина якого визначається текстурованістю агрегату, вмістом і модулем мінералів-п'єзоелектриків, а в осадових - сейсмоелектричний ефект другого роду (ефект Є), величина якого залежить від об'єму порового простору, ступеня заповнення його водою, наявності високопровідних компонентів і характеру електронно-іонних зв'язків, що дозволяє використовувати механоелектричний метод на будь-яких родовищах корисних копалин.

2. В межах абсорбційної здатності породи наявність вологи прискорює процес стікання зарядів у п'єзоелектриках, не змінюючи величини п'єзоелектричного модуля, і визначаюче впливає на ефект Є, при цьому заміщення води органічним флюїдом призводить до зменшення сейсмоелектричного модуля.

3. В області пружних деформацій відбувається посилення динамічного п'єзоелектричного ефекту (UП) порід полем стискуючих напружень (), причому зменшення швидкості зміни напруження стиску збільшує тангенс кута нахилу залежності

UП = f(),

а поблизу межі міцності відбувається різке зменшення п'єзоелектричного ефекту, що дозволяє використовувати динамічний п'єзоелектричнй ефект як для оцінки напружень в масиві, так і для прогнозу руйнування порід.

4. Сейсмоелектрична чутливість (S), яка визначається відношенням напруженості електричного поля до напруження зміщення, що обумовлене фронтом акустичної дії, пропорційна коефіцієнту розпушення породи у всьому діапазоні механічних напружень, а зміна напружено-деформованого стану порід викликає пропорційну зміну різниці фаз () між акустичним і електричним сигналами за законом

= k,

де k варіює від 0,5 до 1,5, при цьому для п'єзоелектричного ефекту характерне випередження електричним сигналом акустичного, а для сейсмоелектричного ефекту - запізнення. Встановлені закономірності дозволяють використовувати параметр S при оцінці деформаційних процесів, а параметр - при оцінці абсолютних значень діючих у масиві напружень механоелектричним методом.

5. Вугілля середнього ступеня метаморфізму має аномально високе значення сейсмоелектричного модуля, що зумовлено наявністю в трифазному середовищі "вода-газ-вугілля" подвійних електричних шарів, руйнування яких з паралельним розривом тріщин у пісковику призводить до емісії електронів, спроможних активувати зв'язані молекули метану, що дозволяє пояснити причину їх додаткової десорбції в процесі руйнування вуглепородного масиву.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному.

1. Подальший розвиток отримали дослідження характеру впливу на механоелектричні ефекти основних природних чинників: вологості порід, ступеня мінералізації і типу флюїду, пористості, шаруватості, температури. Вперше виконана класифікація порід за величиною і типом механоелектричного ефекту.

2. Вперше вивчене проявлення механоелектричних ефектів в умовах одновісного, тривісного нерівнокомпонентного та об'ємного стиску. Встановлені експериментально і підтверджені теоретичними розрахунками закономірності, що зв'язують характеристики механоелектричних ефектів з параметрами напружено-деформованого стану порід. Визначені інформативні параметри механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики стану масиву гірських порід.

3. Виявлено явище посилення динамічного п'єзоелектричного ефекту полем стискуючих напружень в області пружних деформацій і різкого зменшення амплітуди ефекту в граничній області напружень. Визначена залежність спектральних характеристик механоелектричних ефектів від коефіцієнту розпушення породи.

4. Показано вперше, що введений для опису сейсмоелектричних властивостей порід параметр - сейсмоелектрична чутливість, який визначається відношенням напруженості електричного поля до напруження зміщення акустичною дією, є неспадаючою функцією тріщинуватості середовища у всьому діапазоні механічних напружень. Вперше встановлено функціональний зв'язок фазових характеристик механоелектричних ефектів з параметрами напружено-деформованого стану порід. Показано, що різниця фаз між первинним акустичним і індукованим ним електричним сигналами пропорційна об'ємній деформації породи як у дограничній, так і в позаграничній областях напружень.

5. Вперше встановлено, що дією електричного поля можна змінювати міцностні характеристики порід у позаграничній області напружень. Подальший розвиток отримали дослідження механізму додаткової десорбції газу при руйнуванні порід вугільних формацій, в основі якого лежать механоелектричні ефекти вугілля і пісковиків.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблені і впроваджені в практику наукових досліджень методика і комплекс лабораторного устаткування для вивчення механоелектричних ефектів напружено-деформованих гірських порід.

2. Розроблені принципово нові способи оцінки властивостей і діагностики напружено-деформованого стану гірського масиву, які базуються на механоелектричних ефектах порід.

3. Модернізовані існуючі, розроблені і впроваджені нові технічні засоби, які дозволяють виконувати вимірювання в шахтних і польових умовах методами сейсмічної, сейсмоелектричної і п'єзоелектричної розвідок, включаючи спектральний аналіз отриманої інформації.

4. Розроблені і впроваджені у виробництво нормативно-технічні документи, які регламентують виконання шахтних і польових геофізичних робіт, що підвищує ефективність контролю властивостей і діагностики стану масиву гірських порід.

Результати дисертаційної роботи:

впроваджені шляхом включення складовою частиною до нормативно-технічних документів: "Тимчасові методичні вказівки з експрес-визначення пружних властивостей гірських порід ультразвуковим методом на неопрацьованих кернах геологорозвідувальних свердловин. РД" (Мінвуглепром СРСР, 1987), "Методичний посібник з виявлення приповерхневих порожнин геофізичними методами на гірничих підприємствах" (Мінкольормет СРСР, 1988), "Методичні рекомендації з оцінки напружено-деформованого стану ціликів і визначення гіпсометрії пласта бокситів механоелектричним методом" (ВО "Північуралбокситруда", 1991), "Методичні рекомендації з контролю і прогнозу зсувів масиву механоелектричним методом в зонах підробки очисними роботами шахт ДХК "Павлоградвугілля" (ДХК "Павлоградвугілля", 1998), "Посібник з геофізичної діагностики стану системи "кріплення-породний масив" вертикальних стовбурів. Доповнення до РД 12.18.073-88" (Мінвуглепром України, 1999);

використані в наукових дослідженнях, які виконані в ІГТМ НАНУ за програмами ДКНТ України, Президії НАНУ, Мінкольормету і Мінгео СРСР;

випробувані і впроваджені в умовах Березівського рудника, шахт "Північна" і "Південна" ВО "Уралзолото", шахт ВО "Північуралбокситруда", Микитівського ртутного комбінату, Артемівського алебастрового комбінату, ДГХП "Полімінерал", ДХК "Павлоградвугілля" та "Добропіллявугілля" з економічним ефектом більше 1 млн. карбованців (у цінах до 1990 р.).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета і задачі досліджень, ідея роботи, її основні положення, висновки і рекомендації, програма лабораторних і натурних експериментів, розроблена методика і проаналізовані результати лабораторних досліджень, обрано метод аналітичних досліджень. Як науковий керівник і відповідальний виконавець автор приймав безпосередню участь у розробці технічних засобів для проведення лабораторних і натурних досліджень, виконанні теоретичних і експериментальних робіт, розробці нормативно-технічних документів, впровадженні результатів досліджень у виробництво. Зміст дисертації викладено автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на ІІІ, ІV, V-му Всесоюзних семінарах з гірничої геофізики (Батумі, 1985; Боржомі, 1987; Телаві, 1989); Всесоюзній конференції "Тріщинуватість матеріалів і елементів конструкцій" (Київ, 1985); VI-му Всесоюзному з'їзді з теоретичної і прикладної механіки (Ташкент, 1986); ІХ-й Всесоюзній конференції "Комплексні дослідження фізичних властивостей гірських порід і процесів" (Москва, 1987); VII-му Міжнародному конгресі з маркшейдерської справи (Ленінград, 1988); Науковій раді АН СРСР з проблем фізики Землі і геофізичних методів розвідки (Троїцьк, 1989); VIII-й Всесоюзній нараді з фізичних властивостей гірських порід при високих тисках і температурах (Уфа, 1990); ІХ-й Міжнародній конференції з механіки гірських порід (Москва, 1993); Міжнародній конференції "Ефективний і безпечний видобуток вугілля на базі сучасних досягнень геомеханіки" (С.-Петербург, 1996); Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми екологічної безпеки і керованого контролю динамічних природно-техногенних систем" (Львів, 1996); Міжнародній конференції "Гірнича геофізика-98" (С.-Петербург, 1998); Міжнародній конференції "Геотехнічна механіка освоєння надр" (Дніпропетровськ, 1998); науковому симпозіумі. "Тиждень гірника-2000" (Москва, 2000).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 43 друкованих роботах, з яких 24 роботи у наукових фахових виданнях, в тому числі 8 одноосібних, 2 брошури, 3 доповіді, 3 авторських свідоцтва на винаходи, 3 депоновані роботи і 8 тез доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 277 найменувань, містить 307 сторінок машинописного тексту, в тому числі 74 рисунки, 9 таблиць, 22 сторінки додатка.

Основний зміст роботи

Аналіз проблеми створення системи моніторингу геомеханічного стану літосферного середовища свідчить про те, що для забезпечення достовірності результатів контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід необхідні комплексування механічних і геофізичних методів вимірювань, а також розробка нових, більш інформативних, методів гірничої геофізики.

Значні наукові наробки в галузі створення таких елементів геомеханічного моніторингу, як розробка методології та засобів визначення властивостей порід і вимірювань напружень в гірському масиві, розрахункових моделей і методів оцінки його геомеханічного стану, що наведені в працях А.Д. Алексєєва, Н. Бартона, З. Бенявського, А.І. Берона, В.І. Бондаренка, А.Ф. Булата, М.С. Буличьова, В.В. Виноградова, В.Т. Глушка, М.П. Гузя, А.М. Дінника, Ю.З. Заславського, М.П. Зборщика, А.М. Зоріна, В.Г. Колєснікова, М.В. Курлені, С.Г. Лехницького, Г.Г. Литвинського, В.В. Назімко, Л.В. Новікової, Л.Я. Парчевського, Г.Г. Півняка, М.М. Протод'яконова, К.В. Рупенейта, Г.Н. Савіна, Б.М. Усаченка, Г.Л. Фісенка, Є.І. Шемякіна, О. Якобі та інших, дозволили отримати загальні закономірності ходу геомеханічних процесів в породних масивах, які порушені гірськими роботами. Однак значний діапазон властивостей гірських порід, їх анізотропія, а також мінливість гірничо-геологічних умов та широка гама технологічних схем розробки корисних копалин вимагають розробки способів і засобів постійного експрес-контролю геомеханічного стану масиву. Для цього з польової і розвідувальної геофізики були залучені і трансформовані, стосовно до задач гірничої справи, методи, що базуються на взаємодії породного масиву з різними фізичними полями, які сформувалися в окрему галузь науки - гірничу геофізику. Основні заслуги в становленні гірничої геофізики і її впровадженні у виробництво належать вітчизняним вченим М.Я. Азарову, М.С. Анциферову, О.А. Байконурову, А.Ф. Булату, В.Т. Глушку, В.А. Мельникову, А.М. Мухаметшину, Н.Р. Надирашвілі, В.І. Паніну, В.В. Ржевському, А.Д. Рубану, І.А. Турчанінову, Д.В. Яковлеву, А.О. Яланському, В.С. Ямщикову та іншим.

В розділі фізики, що вивчає взаємодію порід із зовнішніми полями особливе місце належить явищам електризації, які, не дивлячись на маловивченність, зуміли на окремих напрямках геофізики витиснути традиційні методи, завдяки своїй високій інформативності і простоті реалізації. Вивчення процесів електризації в гірських породах, відкриття нових явищ, створення на їх основі нових геофізичних методів та впровадження в практику геологорозвідувальних робіт пов'язані з іменами В.І. Вернадського, М.П. Воларовича, В.М. Дьоміна, А.Г. Іванова, С.Н. Кондрашова, О.Л. Кузнецова, М.І. Мігунова, Н.М. Нейштадта, Е.І. Пархоменко, Г.О. Соболєва, Г.Я. Черняка та інших вчених.

За результатами аналізу стану проблеми зроблено висновок, що одним з найперспективніших напрямків підвищення достовірності геомеханічного моніторингу літосферного середовища є розробка нового високоінформативного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану гірського масиву, який базується на механоелектричних ефектах порід.

З числа механоелектричних ефектів, які спостерігаються в гірських породах, для практики гірничої геофізики інтерес представляють три ефекти: п'єзоелектричний, який обумовлений присутністю п'єзоелектричних текстур, сейсмоелектричний другого роду (ефект Є), який обумовлений наявністю в породах, що містять вологу, подвійних електричних шарів, а також імпульсне електромагнітне випромінювання Землі, яке виникає в результаті деформаційних процесів в масиві.

Для визначення інформативних параметрів механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід в даній роботі вивчено механізм виникнення механоелектричних ефектів в породах, встановлена їх залежність від основних фізико-механічних, електродинамічних і петрофізичних характеристик, пружних і деформаційних властивостей масиву.

Експериментальні дослідження механоелектричних ефектів складались з двох етапів. Задача досліджень на першому етапі зводилась до визначення літотипу гірської породи, що володіє механоелектричним ефектом та типу самого ефекту, оцінки його величини, встановлення залежності від вологості, пористості, температури, мінералізації розчину і типу насичуючого флюїду. Цю частину досліджень виконували на модернізованій установці яка являє собою розташовані на одній осі демпфер, випромінювач акустичної енергії, електростатичний екран, зразок породи, діелектричну прокладку, приймальний електрод, акустичний уловлювач, пристрій контролю притиснення зразка та поршень, що містяться у екрануючому кожусі. Живлення випромінювача здійснювали зовнішнім генератором імпульсів або гармонійних коливань, а реєстрацію механоелектричних сигналів (після підсилення) - цифровим вольтметром і двопроменевим осцилографом. При дослідженнях впливу температури на механоелектричні ефекти в зразку породи робили отвір діаметром біля 4 мм, в якому розташовували термодатчик, а нагрів здійснювали ниткою розжарювання, яку на час вимірювання відключали для усунення електричних наводок.

Належність ефекту до конкретного явища визначали його полярністю, або шляхом порівняння амплітуд водонасичених та висушених порід при температурах 105 °С (без вільної води) і 165 °С (без зв'язаної води). Відсутність ефекту в сухих зразках і одночасно полярності у водонасичених вказували на його належність до ефекту Є, а незалежність від вологості та присутність полярності - до п'єзоелектричного ефекту.

Перед вимірюваннями всі зразки зазнавали стандартної процедури промивання, насичення дистильованою водою і витримання в гумовій оболонці для рівномірного заповнення порового простору. Час насичення зразків водою у вакуумній установці складав 1-2 години, а витримання в оболонці - 1-2 доби. Відбір зразків, їх підготовку до випробувань, визначення об'ємної ваги, вологості і пористості здійснювали за стандартною методикою. Зразкам надавали форму циліндра (для кернів) або куба (для моноблоків) розміром 40х 40х 40 мм, за виключенням зразків Кольської надглибокої свердловини, розміри яких складали 20х 20х 20 мм.

За аналогією з загальноприйнятим параметром М - п'єзоелектричним модулем, для опису сейсмоелектричних властивостей порід введено параметр S - сейсмоелектричну чутливість (модуль), який зв'язує електричний потенціал, що виникає між двома точками середовища, з механічним напруженням, яке створене фронтом плоскої акустичної хвилі на площадці, що перпендикулярна її розповсюдженню. Отримані результати наведені в таблиці 1 (для порівняння наведені дані динамічних п'єзоелектричних модулів).

Аналіз наведених у таблиці даних, а також результатів визначення залежностей динамічних і кінематичних параметрів електричних коливань, які обумовлені механоелектричними ефектами, від основних фізичних властивостей гірських порід, дозволив зробити наступні висновки стосовно наявності механоелектричних ефектів та виконати класифікацію порід за величиною і типом ефекту.

Зокрема, встановлено, що практично всі вивчені породи володіють механоелектричними ефектами. При цьому в породах осадового походження переважає сейсмоелектричний ефект другого роду, величина якого неоднозначно залежить від об'єму порового простору і ступеня заповнення його водою, а в магматичних - п'єзоелектричний, величина якого пропорційна вмісту мінералів-п'єзоелектриків та їх п'єзомодулям.

Певну роль у фізиці ефекту Є відіграє присутність високопровідних компонентів та характер електронно-іонних зв'язків. За величиною ефекту Є породи класифіковані у чотири групи. Перша група (S 1010^-7) - достатньо пористі, не схильні до замулювання, з малим вмістом високопровідних компонентів, добре змочувані осадові породи. Друга група (S 210^-7) - всі інші осадові породи, крім трифазних. Третя група (S 0) - магматичні породи. Четверта група - породи з трифазною структурою середовища.

Таблиця 1 - Механоелектричні модулі гірських порід

Тип породи	П'єзоефект	Ефект є	Тип породи	П'єзоефект	Ефект є
	М107, вм/н	Кв, %	S107, вм/н	Кв, %		М107, вм/н	Кв, %	S107, вм/н	Кв, %
Центральний район донбасу	Стебницьке калійне
Пісковик	2,1	16	39,0	27	Лангбейніт	0,4	16	-	-
Алевроліт	0,42	17	13,0	21	Епсоміт	0,04	12	1,2	12
Аргіліт	0,06	10	1,9	9	Шеніт	0,06	14	0,9	10
Сланець	0,08	16	1,9	23	Каїніт	0,08	14	-	-
Алевр.шарув.	0,7	24	19,0	15	Якутська алмазоносна провінція
Аргіл.шарув.	0,54	18	9,2	14	Доломіт	-	-	12,5	23
Вугілля а	0,04	20	0,6	24	Мергель	-	-	2,9	32
- т,к,ж	0,016	19	2,9	33	Кімберліт	0,05	6	9,6	21
Західний район донбасу	Туф кімб.	-	-	24,0	18
Пісковик	2,2	18	27,0	32	Брекчія	0,04	4	11,2	27
Аргіліт	0,02	12	1,8	14	Туфобрекч.	-	-	17,5	29
Алевроліт	0,4	16	9,2	16	Тімано-печорська газонафтоносна
Вугілля г, дг	0,01	10	1,0	16	Вапняк	0,8	16	2,4	14
Північноуральське бокситове	Доломіт	0,02	9	13,5	18
Вапняк	0,5	9	0,9	25	Мергель	0,04	12	6,3	16
- сірий	1,0	12	1,9	17	Пісковик	1,7	24	18,0	24
- розовий	0,9	10	1,8	19	Вапняк дол.	0,2	8	9,4	18
- оолітовий	0,8	10	1,6	21	Кольська нгс
Боксит черв.	1,6	14	104,0	20	Діабаз	3,5	52	1,6	69
- барвистий	3,2	15	87,0	19	Філліт	0,9	35	-	-
- кам'яний	2,8	14	117,0	21	Перідотіт	1,4	46	0,6	48
- маркий	1,2	15	135,0	15	Алевроліт	0,9	42	3,8	58
Березівське золоторудне	Сланець	0,4	63	1,4	32
Кварц жил.	1450,0	56	-	-	Пісковик	1,3	30	5,2	39
Діабаз	2,0	14	-	-	Метаандезіт	0,4	48	1,2	52
Березіт	2,9	12	-	-	Гнейс	10,2	46	9,4	63
Лиственіт	2,4	8	-	-	Апліт	8,2	24	-	-
Порфір	5,7	16	-	-	Амфіболіт	0,8	56	2,6	23
Артемівське гіпсове	Мігматіт	12,8	33	-	-
Доломіт	-	-	20,4	12	Кр.сланець	0,8	41	8,0	34
Аргіліт	-	-	14,6	13	Горнблендіт	0,7	23	-	-
Гіпс білий	0,4	10	0,8	8	Метагабро	0,6	14	0,4	32
Гіпс сірий	0,5	9	0,9	9	Біотіт	1,2	24	-	-

За величиною п'єзоефекту породи розділені на три групи. Перша група подана єдиною породою - жильним кварцем, який має аномально високе значення модуля. Майже на три порядки нижче п'єзоефект у порід другої групи (граніт, діабаз, гнейс, пісковик). Практично відсутній п'єзоефект у порід третьої групи (всі осадові породи, крім пісковика, і магматичні з аморфною структурою).

Оскільки в природних умовах переважна більшість порід знаходиться у вологому стані, визначення залежності механоелектричних ефектів від вмісту води має першорядне значення. Встановлено, що п'єзоелектричний модуль практично не залежить від вологості порід, а деяке його зменшення - позірне, тому що обумовлене стіканням зарядів у вологих середовищах і збільшенням коефіцієнту поглинання електромагнітних коливань.

Показано, що сейсмоелектричний ефект другого роду суттєво залежить від вологості порід. За характером цієї залежності породи умовно розділені на чотири групи. До першої групи віднесені щільні, нерозмокаємі породи дрібнокристалічної структури. Для них характерний обмежений вміст води (до 1 %) і нездатність утворювати під її впливом додаткові подвійні електричні шари. Зріст ефекту Є в цих породах відбувається за лінійним законом і пояснюється пропорційним збільшенням подвійних електричних шарів. Друга група - щільні породи без схильності до розмокання, які здатні поглинати кількість води, що більше об'єму зв'язаної. Оскільки вільна вода не бере участі в утворенні подвійних електричних шарів, для порід цієї групи характерна залежність виду

EEmax(cth W)

Для порід третьої групи (практично усі глинисті) характерні як зріст залежності

E=E(W),

так і її спад за межею насиченості, що обумовлено зростанням кількості значних пор, підвищенням коефіцієнту поглинання пружних коливань, зменшенням амплітуди механоелектричних перетворень. До четвертої групи віднесені породи, що складаються з рідини, газу і твердої фази, які погано змочуються, у тому числі з вуглеводневою компонентою. Хід їх залежності від вмісту води достатньо добре описується функцією виду

EWaebW

при умові, що 0 a 1, b 0. Для таких порід характерний механоелектричний ефект трифазного середовища з переважним внеском ефекту меж "газ-інше середовище".

Друга за впливом на механоелектричні ефекти - пористість порід. Встановлено, що як закрита, так і відкрита пористість порід практично не впливають на їх п'єзоелектричний модуль. Деяка зміна напруженості електричного поля пов'язана з більш високим коефіцієнтом поглинання акустичних збуджуючих коливань в пористих породах та суперпозицією різнополюсних потенціалів, що виникають завдяки заломленню та відбиттю хвиль на порах значних розмірів.

Певний вплив на електрокінетичні властивості вологих порід мають хімічний склад твердої і рідинної фаз, а також концентрація розчину. Кількісний зв'язок між хімічним складом твердої фази і ефектом Є - складний і неоднозначний. Тому в породах і інших гетерогенних середовищах треба оцінювати їх електрохімічні властивості в цілому з урахуванням ступеня мінералізації та типу флюїду. Встановлено, що більший вплив на ефект Є мають катіони більшого об'єму, оскільки зростання їх розмірів сприяє зростанню поляризованості і зменшенню гідратації (K Na Li). Залежність ефекту Є від типу флюїду і ступеня заміщення ним води має складний характер. Загальними є: деяке зростання ефекту у діапазоні заміщення від 0 до 20 % (0-0,5 % за абсолютним значенням) і подальше інтенсивне зменшення ефекту та його стабілізація при значеннях заміщення більших, ніж 80 %. При цьому положення екстремуму вказаної залежності відносно осі абсцис визначається в'язкістю органічного флюїду. Фізично характер такої залежності роз'яснюється тим, що органічний флюїд в першу чергу витискує воду з великих пор глиноподібних порід, а це, одночасно з поліпшенням проходження пружних коливань крізь породу і зниженням поверхневої електропровідності, призводить до зростання ефекту Є. Подальше падіння ефекту пояснюється заміщенням полярної рідини (води) неполярною (органічний флюїд), що зменшує кількість подвійних електричних шарів, а також електропровідність і діелектричну проникність, завдяки чому зменшується електрокінетичний потенціал середовища.

Оскільки гірнича геофізика вирішує завдання на глибинах до 1000 м, де діють температури від 10 до 80 °С, була вивчена залежність механоелектричних ефектів від температури порід. Встановлено, що для механоелектричних ефектів характерний температурний гістерезис, що обумовлено інерційністю термодинамічних процесів. Амплітуда п'єзоелектричного ефекту при зростанні температури падає, що пояснюється порушенням поляризації зарядів за рахунок теплового руху часток. Але температура 80-90 °С є недостатньою для радикальної перебудови кристалічної структури, тому це падіння більше пов'язане зі зміною діелектричної проникності і електропровідності домішок, а також появою теплових напружень. Температурна залежність ефекту Є в породах, які містять воду у замкнених порах і капілярах, відрізняється зворотністю. Підвищення ефекту у діапазоні 20-30 °С пов'язане із збільшенням активаційної здатності іонів, а падіння у діапазоні 30-100 °С - із збільшенням розмірів пор і капілярів, що призводить до зменшення електрокінетичного потенціалу середовища. Більш активно ці процеси відбуваються у породах, які пересичені вологою. В цьому випадку процеси збільшення розмірів пор переважають над активаційною здатністю. Крім того, завдяки втраті деякої кількості води під час нагріву, початкова і кінцева ділянки гістерезисних кривих не збігаються.

Дослідженнями встановлена незалежність механоелектричних єфектів від шаруватості порід, а також відсутність зв'язку різниці фаз між акустичним сигналом та індукованим ним електричним від типу породи. Показано, що різниця амплітуд ефектів вздовж і вхрест шарів визначається виключно анізотропією згасання акустичних збуджуючих коливань.

Для реалізації другого етапу експерементальних робіт були розроблені методика і комплекс приладів для досліджень механоелектричних ефектів напружено-деформованих порід в дограничній, граничній і позаграничній областях напружень.

При всіх варіантах досліджень як силову установку використовували прес ПСУ-500, жорсткість якого забезпечувалась пружними елементами, що розпирали опорні плити навантажуючого пристрою. Такими елементами служили гідродомкрати високого тиску. В цьому випадку, при збільшенні навантаження на зразок, жорсткість випробувальної машини забезпечувала його перерозподіл між домкратами і зразком у співвідношенні не менш, ніж 10:1, що дозволяло керувати процесом деформування навіть за межею міцності. порід. При випробуваннях особливо міцних порід додатково з домкратами використовували два силових елементи, які були виготовлені зі сталі, з дюралюмінієвими прокладками завтовшки 1-2 мм. У цьому випадку методика навантаження складалась з поетапного підбору необхідної кількості прокладок для забезпечення деформування зразків у потрібному діапазоні, створенні тиску у гідродомкратах та наступного навантаження усієї системи пресом ПСУ-500. Для виключення впливу електропровідності зразок ізолювали від робочих поверхонь пресу електротехнічним картоном. Акустичним випромінювачем служила п'єзокераміка ЦТС з власною частотою 100 кГц, приймачем пружних коливань - кераміка з частотою 1,5 МГц, приймачем електричних сигналів - плоский електрод, які закріплювали до зразка за допомогою струбцини. На протязі всього часу випробування реєстрували наступні параметри: поздовжні і поперечні деформації, стискуюче зусилля, амплітуди акустичного сигналу та механоелектричного ефекту. У разі вивчення залежності механоелектричних ефектів від швидкості навантаження сигнал від силовимірювача модулювали імпульсним відмітчиком часу. Всі параметри реєстрували за допомогою двокоординатних самозаписуючих приладів. При цьому по осі абсцис, як правило, записували поздовжні деформації.

Технічні характеристики установки для одновісних випробувань:

максимальний стиск у жорсткому режимі, МПа 200;

чутливість деформометрів, мкм/мм 5;

частота акустичного опромінення, кГц 60;

чутливість до механоелектричного ефекту при співвідношенні

сигнал/шум 40 дБ, мВ 0,2;

напрямок акустичного опромінення - перпендикулярно стиску.

Для досліджень у тривісному нерівнокомпонентному напружено-деформованому стані вищевказану силову установку застосовували зі спеціальним пристроєм бокового підпору, який дозволяв створювати бокове стиснення до 25 кН і підтримувати його на постійному рівні завдяки ефекту дроселювання. При моделюванні гірського масиву поблизу виробки один з елементів бокового підпору виключали і основна частка поперечних деформацій відбувалась в цьому напрямку.

Моделювання об'ємного напружено-деформованого стану здійснювали за допомогою стабілометра позамежного деформування БВ-21, який дозволяв під час випробувань змінювати, в тому числі циклічно, боковий тиск, при цьому основне навантаження могло досягати і перевищувати межу міцності породи. Стабілометр був оснащений пристроями акустичного опромінення, приймачами акустичних та електричних коливань. Початкове бокове стиснення створювали зовнішнім насосом середнього тиску, підтримували або регулювали поршневими елементами стабілометру, а основне навантаження здійснювали пресом ПСУ-500.

Характеристики установки для об'ємних досліджень:

максимальне навантаження, тс 40;

максимальний боковий тиск, МПа 60;

максимальна поздовжня деформація, мм 30;

жорсткість системи, Н/м 25106;

частота акустичного опромінення, кГц 60.

Основні особливості вимірювань фазових характеристик механоелектричних ефектів зводились до створення додаткових мір усунення електричних наводок від зовнішніх полів і дотримання умови для частоти акустичного опромінення:

f сp / 10l,

де сp - швидкість поздовжніх коливань у зразку породи розміром l. Стабільність контактів забезпечували наклейкою зразка до випромінювача за допомогою шару гіпсу завтовшки 0,5-1,0 мм і металізацією його граней сумішшю In та Ga, а також нанесенням "технічного меду" між зразком і приймачем акустичних коливань.

Завдяки розробленим методиці та устаткуванню були встановлені закономірності проявлення механоелектричних ефектів у напружено-деформованих породах, визначені інформативні параметри механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики стану гірського масиву.

Дослідження механоелектричних ефектів при одновісному, тривісному і об'ємному стисненнях були виконані: для п'єзоелектричного ефекту - на зразках жильних кварців і гранітоїдів, а сейсмоелектричного - бокситів і пісковиків. Найбільш типові результати наведені на рис. 1, з якого випливає, що динамічний п'єзоелектричний ефект в області пружних деформацій пропорційний стискуючим напруженням, а при наближенні до межі міцності та за її межею відбувається інтенсивне зменшення ефекту.

За результатами виконаних досліджень зроблено висновок про наявність явища підсилення динамічного п'єзоелектричного ефекту полем стискуючих напружень. Явище обумовлене збільшенням заряду зразка породи, компенсація якого струмами провідності неможлива завдяки акустичному опроміненню, що еквівалентно виникненню електричного джерела дипольного типу. В квазістатичному наближенні дипольний момент буде пропорційним стискуючому напруженню, якщо навантаження зразка не буде супроводжуватися змінами в структурі його матеріалу. При наявності таких змін, що спостерігається поблизу та за межею міцності, відбувається послаблення ефекту аж до його зникнення. Присутність першого малого екстремуму, який зникає при тренуванні зразків циклами "навантаження-розвантаження", пояснюється руйнуванням породи на різних енергетичних рівнях. На цьому (першому) рівні відбувається зростання деформацій, а в подальшому руйнування, зрізаного елементу структури в приповерхневій області зразка. Тільки після того відбуваються процеси в полікристалічному агрегаті породи (другий енергетичний рівень), які призводять до зміни п'єзоелектричної текстури, що може бути використане для прогнозу руйнування породи.

Ефект Є порід у тривісному напружено-деформованому стані веде себе по-іншому. З ростом стискуючих напружень амплітуда ефекту падає у діапазоні від нуля до самої межі міцності.. Фізика такого явища полягає у витисненні води з тріщин і пор, які закриваються під впливом стискуючих напружень, що веде до зменшення сумарної площини розподілу твердої і рідинної фаз і, як слідство, амплітуди ефекту Є. За межею міцності відбувається стабілізація залежності завдяки компенсації тріщин і пор, які закриваються, тими, що розкриваються у процесі об'ємного деформування.

Циклічними випробуваннями встановлено, що, на відміну від амплітуди, сейсмоелектрична чутливість і механічне напруження синфазні, при цьому збільшенню S відповідає розкриття тріщин та навпаки. Це явище обумовлене збільшенням змочуваної поверхні твердої фази в процесі утворення тріщин. В цілому нормоване значення S є неспадаючою функцією стискуючих напружень.