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

Вивченням впливу на механоелектричні ефекти швидкості навантаження встановлено, що амплітуда динамічного п'єзоелектричного ефекту із зростанням швидкості навантаження зменшується, однак характер залежності в цілому зберігається. Таке явище пов'язане з впливом швидкості навантаження на величину п'єзоелектричного заряду. Показано, що встановлені закономірності поведінки ефекту Є у напруженому стані справедливі для квазістатичних режимів навантаження. При збільшенні швидкості навантаження залежність амплітуди ефекту Є від напруження стиску послаблюється, що не виключає можливості використання різкого зменшення амплітуди ефекту Є під час збільшення швидкості зміни напружень, як параметра, що прогнозує момент руйнування породи.

Вивчення механоелектричних ефектів порід в об'ємному напружено-деформованому стані не виявило суттєвих відмін в закономірностях і механізмі явищ. Відбулось деяке масштабування абсолютних значень ефектів у зв'язку зі збільшенням межі міцності порід і зменшенням їх об'ємних деформацій.

За результатами випробувань шаруватих порід було встановлено, що зміни абсолютних значень механоелектричних ефектів в більшій мірі характеризують деформаційні процеси в зразку, ніж стискуюче напруження. В цілому анізотропія порід не впливає на закономірності поведінки механоелектричних ефектів в напружено-деформованому стані. Однак амплітуда ефектів залежить від взаємної орієнтації векторів стиску, акустичного опромінення і реєстрації ефекту. Початкове значення ефекту Є при акустичному збудженні вздовж шарів майже на 50 % вище, ніж вхрест. Градієнт зміни механоелектричних ефектів із зростанням стискуючих напружень вище в тому випадку, коли вектори стиску і акустичного впливу ортогональні, що пояснюється переважанням вертикальної системи тріщин в процесі навантаження і руйнування зразка породи.

Спектрограма ефекту Є напружено-деформованих порід характеризується присутністю локальних екстремумів, положення яких визначається спектром акустичного опромінення, резонансними властивостями системи "зразок-установка", частотною залежністю ефекту і т.д. Переважають два фактори. По-перше, тріщинувата порода є фільтром акустичних коливань. В області пружних деформацій відбувається зімкнення тріщин, що веде до зростання амплітуди ефекту. Зростання об'ємної деформації в граничній та позаграничній областях напружень викликає збільшення кількості мікротріщин, їх об'єднання в макротріщини, що зменшує амплітуду ефекту Є і зміщує спектр в сторону низьких частот. По-друге, у зрівнянні з варіаціями спектру пружних коливань, зміна спектральної щільності ефекту, при збільшенні коефіцієнта розпушення зразка породи, відрізняється суттєвим послабленням на частотах 50-200 кГц, що обумовлене збільшенням часу релаксації зарядів подвійних електричних шарів. Дані досліджень спектру п'єзоелектричного ефекту констатують його слабку залежність від деформаційних процесів. При цьому вплив тріщинуватості на спектр акустичного опромінення збігається з результатами, які були отримані при сейсмоелектричних вимірюваннях. Виходячи з чого було запропоноване зміщення максимуму спектральної щільності акустичного сигналу відносно п'єзоелектричного як інформативний параметр, що характеризує тріщинуватість і деформаційні процеси в масиві гірських порід.

Оцінити механоелектричним методом діючі в масиві напруження можна також за допомогою параметра - різниці фаз між збуджуючим акустичним і індукованим ним електричним сигналами. Встановлено, що зі зміною напружено-деформованого стану порід змінюються фази як акустичного, так і електричного сигналів. При цьому різниця фаз із зростанням напружень збільшується за законом = k, де k варіює від 0,5 до 1,5, тобто є дуже чутливою до змін стискуючих напружень. Слід відмітити, що для фази п'єзоелектричного ефекту характерне випередження електричним сигналом акустичного, а фази ефекту Є - запізнення.

Теоретичні основи використання механоелектричного методу для вирішення задач контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід розроблені на базі законів класичної електродинаміки і механіки суцільного середовища. Відмітною особливістю задач була їх об'ємна постановка, а також врахування діючих в масиві механічних напружень.

Розрахунки глибини дії механоелектричного методу виконані з використанням формул М.А. Садовського, рівнянь Максвелла і Ламе, теореми Хевісайда та стандартних програм обчислення інтегральної експоненти. При цьому отримані наступні вирази.

Для електричної складової поля:

, (1)

де Кв - коефіцієнт вибуху, який залежить від фізико-механічних властивостей масиву і умов вибуху; М - механоелектричний модуль об'єкта; b - щільність порід; mз - маса заряду ВР; r - відстань до об'єкта;

r0 tcр /(1+ cр /c);

t - час між моментами вибуху і реєстрації приймачем електричного сигналу; c - швидкість електромагнітних хвиль.

Для магнітної складової поля:

(2)

де

;

Р₀ - початковий тиск; а - радіус джерела (ВР); Т₀ - тривалість імпульсу тиску; t t; R₀ - відстань між об'єктом і пунктом спостереження;

- інтегральна компонента.

Зв'язок параметрів механоелектричних ефектів з напруженим станом середовища встановлено з додатковим залученням теорії Я.І. Френкеля, яка була створена для умов плоских монохроматичних хвиль без урахування впливу електрокінетичних явищ на швидкість їх розповсюдження та згасання.

Показано, що сейсмоелектричний ефект пов'язаний з напруженням акустичної дії (А) формулою:

, (3)

де - циклічна частота коливань; - комплексне значення швидкості акустичної хвилі;

D=L+2H;

L, H - постійні Ламе; F1 - деяка функція структурних параметрів;

K=L+2H/3;

K₀ - модуль стисливості твердої фази; g - електрокінетичний потенціал.

Параметри сейсмоелектричного ефекту пов'язані з напруженим станом середовища () виразом:

, (4)

де - коефіцієнт згасання акустичних хвиль; - довжина акустичної хвилі в об'єкті;

AA=Kвmз 0,33 /r

- амплітуда акустичних коливань.

З урахуванням фільтраційної теорії Гельмгольца-Смолуховського встановлений зв'язок сейсмоелектричної чутливості з тріщинуватістю порід (при відсутності зовнішніх напружень) має вигляд:

, (5)

де - електрокінетичний потенціал; - в'язкість породи; , s - електропровідність породи та поверхні, що розділяє тверду і рідинну фази, відповідно;

rк= al/s

- середнє значення гідравлічного радіуса капіляра; l, a, s - довжина каналу, переріз і площа поверхні капіляра.

У співвідношенні (5) відсутня явна залежність параметра S від тріщинуватості породи. Однак, така залежність присутня в неявному вигляді, оскільки зміни тріщинуватості еквівалентні змінам відкритої пористості.. Збільшення внутрішнього об'єму тріщинувато-пористого середовища супроводжується збільшенням радіуса капілярів, що зменшує вплив електропровідності подвійних електричних шарів на амплітуду ефекту Є і збільшує їх дифузну частину, товщина якої визначає електрокінетичний потенціал. Розкриття тріщин призводить до зростання поглинання енергії акустичних хвиль і, відповідно, збільшення коефіцієнта , що також є причиною зростання S.

Основні параметри, які потрібно знати перед застосуванням методу гірничої геофізики - глибина дії і роздільна здатність. Як правило методика механоелектричних вимірювань базується на виділенні об'єктів з високим механоелектричним модулем в породах з низьким модулем. На рис. 2 наведені теоретичні номограми для визначення глибини дії методу в залежності від маси вибухівки, механоелектричного модуля об'єкта і коефіцієнта згасання електромагнітних хвиль в середовищі.. Наведені розрахунки виконані з урахуванням дисперсії електричних і магнітних властивостей порід, яка призводить до дисперсії коефіцієнта згасання електромагнітних коливань. Наявність такої дисперсії необхідно враховувати, оскільки гірська порода не може розглядатися ні як квазідіелектрик, ні як квазіпровідник.

Визначені інформативні параметри покладені в основу механоелектричного методу гірничої геофізики, для реалізації якого в шахтних і польових умовах були розроблені способи та відповідні технічні засоби.

При проведенні експериментальних робіт в натурних умовах використовували комплекс апаратури, який складався з дослідних зразків приладів, що були розроблені і виготовлені в ІГТМ НАНУ за участю автора дисертації, а також промислові зразки геофізичної техніки. Зокрема, при визначенні меж рудних тіл та картуванні техногенних порожнин і карстів - модернізована апаратура запису сейсмічних і електричних сигналів в аналоговому вигляді "Агат-М" (ІГТМ НАНУ), локації тектонічних порушень у вугільних пластах - MDGB (Prakla-Seismos GMbH), визначенні розмірів порушень тектоно-карстового типу - "Спектр-1М" (ІГТМ НАНУ, ДонФТІ НАНУ), реєстрації імпульсного електромагнітного поля Землі -"ДЕМОН" (ФІІЕ). Для обробки інформації залучали світлопроменеві осцилографи, комплекти октавних фільтрів і третьоктавний цифровий аналізатор моделі 2131 (Brьl & Kjжr).

Апаратура "Агат-М" (модернізований варіант апаратури "Агат") являє собою магнітний реєстратор, до комплекту якого входять: блоки запису, реєстрації і відтворення, сейсмічні коси, комплекти електродів, антен, сейсмічних приймачів та малошумливих винесених підсилювачів. Апаратура має наступні технічні характеристики:

кількість робочих каналів 8;

робочий діапазон частот, Гц 20-10000;

чутливість по входу блоку запису, не гірше, мВ 1;

чутливість по входу винесеного підсилювача, не гірше, мкВ 50;

відношення сигнал/шум при номінальній чутливості, не менш, дБ 68;

динамічний діапазон, дБ 42;

нерівномірність АЧХ наскрізного каналу, дБ 2;

вхідний опір, МОм 4,7;

маса комплекту, кг 21,1.

Прилад "Спектр-1М" являє собою спектроаналізатор електричних і акустичних сигналів, який має наступні технічні характеристики:

кількість смуг фільтрації 20;

середні частоти фільтрів, кГц 0,03; 0,06; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,52; 0,65; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,2; 6,5;

крутизна спаду АЧХ фільтрів, дБ/октаву 16;

динамічний діапазон, дБ 60;

робочий діапазон імпульсу сили удару, кгм/с 1,9-4,5;

маса електронного блоку, кг 2,7;

дисплей - світлодіодна матриця 10х 20.

Для реєстрації коливань безконтактним способом були розроблені магнітні антени, що являють собою магнітний диполь, на феритовій основі якого знаходиться обмотка дротом ЛЕШО. Вся система розміщена в електростатичному екрані і загерметизована епоксидною смолою.

Використання механоелектричного методу в шахтних і польових умовах здійснюється шляхом виконання послідовності визначених технологічних операцій, які покладені в основу розроблених і захищених авторськими свідоцтвами на винаходи способів геофізичної розвідки. Всі способи базуються на збудженні в масиві (шляхом вибуху або удару) сейсмічних коливань, реєстрації акустичних і механоелектричних сигналів та аналізі їх кінематичних і динамічних, в тому числі спектральних, характеристик. Зокрема, при використанні як інформативних параметрів коефіцієнтів згасання акустичних і електричних коливань - можна визначити інтегральне значення напруження масиву на окремій ділянці, яка обмежена "базою простеження", а по сейсмоелектричній чутливості і частоті максимуму спектральної щільності - оцінити динаміку напружено-деформованого стану масиву гірських порід.

Під час інтерпретації результатів визначення меж рудних тіл і техногенних порожнин враховуються наявність та стабільність уздовж вимірювального профілю механоелектричних сигналів, а також їх амплітуда та спектральна щільність. При цьому похибка у визначенні координат об'єкта залежить від точності визначення швидкості акустичних хвиль в породах, що доцільно робити як за годографами, так і на зразках (кернах) порід за розробленою методикою.

Для контролю процесів деформування у приповерхневому шарі Землі, що розташований над техногенними і карстовими порожнинами, доцільно використовувати пасивний варіант методу, який базується на механоелектричних перетвореннях в породах під час їх деформування. Таке явище супроводжується імпульсним електромагнітним випромінюванням, кількість та швидкість наростання якого запропоновані як інформативні параметри контролю процесів зсуву.

Спосіб локації тектонічних порушень у вугільних пластах базується на реєстрації сейсмічних та сейсмоелектричних сигналів у фазі Ейрі, що значно спрощує виділення каналової хвилі, підвищує достовірність пластової розвідки і точність визначення координат порушення.

Використання механоелектричного методу дозволяє визначити не тільки координати об'єкта, наприклад тектоно-карстових порушень, але і його розміри (потужність). Розроблений для цього спосіб базується на визначенні частот, які відповідають максимумам спектрів електричного fЕ і сейсмічного fС сигналів. За умовою, що

fЕ fС,

розміри об'єкта (L) визначають за формулою

L = сср / 2fЕ,

де сср - середня швидкість акустичних хвиль в об'єкті.

Ефективність механоелектричного методу і області його можливого використання були визначені на прикладі вирішення конкретних гірничо-геологічних задач та шляхом експериментально-методичних досліджень.

Зокрема, працездатність методу при контролі напружено-деформованого стану і діагностиці проявів гірського тиску була встановлена в умовах шахт ВО "Північуралбокситруда". Протягом багатьох місяців на ділянках оголення масиву та декількох ціликах виконували спостереження, під час яких визначали динаміку зміни сейсмоелектричної чутливості порід і спектрального співвідношення акустичного і електричного сигналів. Спрогнозована на деяких ділянках схильність до зрушень в подальшому була підтверджена шляхом візуальних спостережень. Аналогічні дослідження, мета яких полягала у прогнозі стійкості ціликів, були виконані в гіпсовій шахті ААК. Оскільки гіпс не відрізняється механоелектричними властивостями, як сигнальний елемент було використано прошарок доломіту з високим сейсмоелектричним модулем. Отримані результати увійшли до висновків про можливість експлуатації головної транспортної галереї, яка розташована в зоні впливу обстежених ціликів.

Випробування та впровадження механоелектричного методу визначення місцеположення і меж рудних тіл були здійснені на ряді ділянок шахт "Південна" і "Північна" ВО "Уралзолото", а також шахтах 13-13 і 16-16 біс ВО "Північуралбокситруда". При цьому були вирішені задачі дорозвідки рудних тіл з польових штреків, визначена їх потужність, здійснено пошук втрачених красичних жил, визначена гіпсометрія лежачого боку пластів бокситів з польових виробок, що необхідне для планування схем закладення ціликів і максимального вилучення корисних копалин.

Отримані результати перевіряли шляхом буріння розвідувальних свердловин або за даними розкриття гірничими виробками. При цьому відносна похибка не перевищувала 20 %.

Геофізичні роботи по пошуку тектонічних порушень у вугільних пластах, визначенні координат і розмірів тектоно-карстових порушень виконані на шахті "Алмазна" ДХК "Добропіллявугілля" та гіпсовій шахті ААК. Роботи на шахті "Алмазна" мали виключно дослідно-методичне призначення і підтвердили працездатність механоелектричного методу при пошуку тектонічних порушень у вугільних пластах, а дані, які були отримані на ААК, увійшли до скоригованих планів гірничих робіт.

Технологія пошуку приповерхневих порожних і гірничих виробок та контролю деформаційних процесів в породному масиві із залученням механоелектричного методу була відпрацьована і впроваджена на територіях міст Березівський і Стебнік, а також кар'єрі "Західне замкнення" Микитівського ртутного комбінату і шахті "Павлоградська" ДХК "Павлоградвугілля". Загальна площа обстежених територій склала близько 30 га, а діапазон коливань глибин розташування порожнин складав від 10 до 120 м. Впровадження цих робіт дозволило запобігти провалів людей і техніки, які траплялися до того часу, а також забезпечити безперебійну роботу кар'єру. За результатами цього епапу досліджень був запронований комплексний показник оцінки стійкості земної поверхні, що підроблена гірничими роботами, за даними геофізичних вимірювань.

Використання розробок тільки за радянські часи (з 1985 до 1991 р.р.) забезпечило отримання фактичного економічного ефекту у розмірі більш, ніж 1 млн. крб. (у цінах до 1990 р.).

В процесі виконання робіт визначені перспективні напрямки використання механоелектричного методу для контролю і керування масивом гірських порід. Зокрема, в розвиток встановленої в ІГТМ НАНУ і зареєстрованої як наукове відкриття закономірності руйнування напружених порід при слабких діях, в даній роботі створені передумови використання механоелектричного методу для керування міцностними характеристиками порід, які знаходяться за границею міцності. Для цього в умовах тривісного нерівнокомпонентного стиснення на зразках, які схильні до в'язкого і крихкого руйнування, було вивчено вплив дій акустичного, електричного та теплового полів. Встановлено, що енергія механічної реакції порід, завдяки звільненню накопиченої потенційної енергії, абсолютно неадекватна енергіям ударно-імпульсного і гармонійного акустичних збуджень. Наприклад, при дії акустичним полем з енергією 0,06-0,1 Дж в зразку виконується робота у 0,2-0,6 Дж. Максимальна реакція спостерігається на спадній ділянці залежності "-". Оптимальний частотний діапазон акустичних збуджень становить 20-1200 кГц. Причому зі збільшенням міцностних властивостей крихких порід він зміщується в зону більш високих частот. В'язкі породи краще реагують на нижню частину зазначеного діапазону, що обумовлено розмірами тріщин в зразках та їх резонансними властивостями. На вплив електричного поля краще реагують вологі осадові породи, що пояснюється присутністю в них ефекту Є. Дія направленим електричним полем на п'єзоактивні породи призводить до їх тимчасового зміцнення, яке пояснюється ефектом упорядкування текстури кварцевих зерен. З цього випливає, що завдяки наявності в породах механоелектричних ефектів та їх оборотності, може бути створений спосіб керування станом масиву гранично напружених порід дією зовнішнього електричного поля. Причому, змінюючи спектр і енергетику зовнішнього поля, можна буде керувати величиною та швидкістю звільнення накопиченої в масиві потенційної енергії, що дозволить як відвернути, так і ініціювати за заданою програмою прояви гірського тиску. Перевага дії електричним полем, у зрівнянні з акустичним, полягає в тому, що, по-перше, не потрібний надійний контакт випромінювача з масивом, по-друге, згасання електромагнітних хвиль значно менше ніж акустичних, по-третє, електричне поле можна сконцентрувати на заданій ділянці масиву, по-четверте, навіть при розсіяному опроміненні електричним полем максимальна дія буде сконцентрована по осі мінімальної компоненти напруження.

В розвиток традиційних енергетичних теорій газодинамічних явищ, які відбуваються у вуглепородних масивах, та гіпотези М.П. Зборщика і В.В. Назімко про присутність під час розв'язання викиду активаційної десорбції молекул газу під впливом механоемісії п'єзоактивних порід, виконані дослідження механоелектричних ефектів порід вугільних формацій. На базі отриманих результатів сформульовані наступні положення, які служать фундаментом гіпотези про роль механоелектричних ефектів в механізмі додаткової десорбції газу при руйнуванні вуглепородного масиву.

1. Пісковики вугільних формацій відрізняються високим модулем і коефіцієнтом анізотропії тензору п'єзоелектричних властивостей.

2. Всі породи вугільних формацій володіють ефектом Є, модуль якого близький за значенням або більший п'єзомодуля пісковика.

3. Оскільки для вугілля характерний сейсмоелектричний ефект трифазного середовища, зростання кількості адсорбованого газу призводить до збільшення ефекту Є.

4. В натурних умовах, за критерієм "вологість", ефект Є буде максимальним.

5. В процесі зростання тріщинуватості відбувається підвищення сейсмоелектричної чутливості порід.

6. Максимальний сейсмоелектричний ефект спостерігається в напрямку, який є ортогональним дії основного стискуючого зусилля.

Тобто під час руйнування вуглепородного масиву вплив механоелектричних ефектів на його стан буде максимальним. З урахуванням фундаментальних основ квантової хімії і експериментальних матеріалів ІФХ РАН, запропонований елемент механізму додаткової десорбції газу може діяти за наступною схемою. У процесі руйнування вугілля і породи відбувається розрив адгезійних контактів (подвійних електричних шарів). Емітуючі з контактів електрони прискорюються полем, яке обумовлене зарядами, що утворилися завдяки деструкції молекулярних та кристалічних зв'язків. Енергія таких електронів (за даними ІФХ РАН) досягає 10-14 Дж, що на чотири порядки вище енергії активації зв'язаної молекули метану. Якщо припустити, що час розв'язання викиду дорівнює, наприклад, 10 с, то емітуючими зарядженими частинками в 1 м 3 вугілля буде активовано до 41027 молекул метану. Це складає близько 150 м 3 газу, що відповідає як реальним умовам, так і на питання про причину додаткової інтенсивної десорбції газу, об'єм якого на порядок перевищує природню газоносність вугільних пластів, в процесі руйнування вуглепородного масиву.

Обґрунтованість і достовірність положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи забезпечується використанням фундаментальних положень класичної електродинаміки та механіки суцільних середовищ, законів електрокінетичної теорії капілярних систем; достатнім обсягом експериментальних досліджень, який забезпечив відносну похибку вимірювань 12-15 % при умові досягнення певної ймовірності 0,9-0,95; використанням стандартних засобів вимірювання; задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; достатнім обсягом шахтних і польових досліджень, перевірка даних яких методом розвідувального буріння або розкриттям гірничими виробками, виявила розбіжність не більше 20 %; впровадженням результатів розробок у виробництво.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій надані теоретичне узагальнення і рішення актуальної науково-прикладної проблеми підвищення достовірності геомеханічного моніторингу літосферного середовища, шляхом розробки фізико-технічних основ високоінформативного механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід, що має важливе народно-господарське значення.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Встановлено, що для підвищення ефективності роботи видобувних галузей і екологічної безпеки прилягаючих територій необхідне створення системи геомеханічного моніторингу навколишнього середовища, основу якого повинні складати методи гірничої геофізики, у тому числі один із найбільш інформативних - механоелектричний.

2. Досліджені механоелектричні ефекти найбільш представницьких типів порід осадового і магматичного походження, виконана класифікація порід за величиною і типом ефекту. Встановлено, що практично у всіх найбільш розповсюджених типах порід спостерігаються механоелектричні ефекти, при цьому в магматичних породах переважає п'єзоелектричний ефект, величина якого пропорційна вмісту і модулям мінералів-п'єзоелектриків, а в осадових - сейсмоелектричний ефект другого роду, величина якого залежить від об'єму порового простору, ступеня заповнення його водою, наявності високопровідних компонентів, характеру електронно-іонних зв'язків, що дозволяє використовувати механоелектричний метод на будь яких родовищах корисних копалин. 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. 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).

3. Визначено характер впливу на механоелектричні ефекти основних природних чинників: вологості порід, ступеня мінералізації і типу флюїду, пористості, шаруватості, температури. Показано, що в межах абсорбційної спроможності породи наявність вологи дещо 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.

4. Вивчено проявлення механоелектричних ефектів порід в умовах одновісного, тривісного нерівнокомпонентного, обємного і циклічного стиску. Показано, що в області пружних деформацій відбувається посилення динамічного п'єзоелектричного ефекту (Uп) полем стискуючих напружень (), причому зменшення швидкості зміни стиску збільшує тангенс кута нахилу залежності

Uп=f(),

а поблизу межі міцності відбувається різке зменшення амплітуди, що дозволяє використати динамічний п'єзоелектричний ефект як для оцінки напружень в масиві, так і для прогнозу руйнування порід

5. Встановлено, що сейсмоелектрична чутливість (S), яка визначається відношенням напруженості електричного поля до напруження зміщення, що обумовлене фронтом акустичної дії, пропорційна коефіцієнту розпушення породи у всьому діапазоні зміни механічних напружень. Показано, що 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.

6. Розроблена обємна математична модель хвильових процесів, що відбуваються при локації в масиві гірських порід об'єктів, які мають механоелектричні властивості, для умов ближньої хвильової зони електромагнітних і дальньої - акустичних коливань, що відповідає реальним задачам гірничої геофізики. Модель враховує деформаційні властивості порід, діючі механічні напруження, електродинаміку взаємодії заряджених частинок з електромагнітним полем, загасання акустичних і електромагнітних хвиль. Це дозволило оцінити граничну дальність дії методу, установити зв'язок напруженості електромагнітного поля з механічним напруженням, одержати залежність параметрів механоелектричних ефектів від деформаційних характеристик середовища.

7. Результати досліджень покладені в основу механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану породного масиву. Розроблені способи геофізичної розвідки, що базуються на механоелектричних ефектах порід, які значно підвищують достовірність контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву, а також збільшують точність і зменьшують витрати при визначенні меж рудних тіл і розмірів порушень тектоно-карстового типу, картуванні карстів і техногенних порожнин, локації тектонічних порушень у вугільних пластах. Розроблені і впроваджені: в практику наукових досліджень - методика і комплекс лабораторного устаткування для вивчення механоелектричних ефектів напружено-деформованих порід, у виробництво - технічні засоби і методичні керівництва для реалізації механоелектричного методу.

8. Визначені перспективні напрямки використання механоелектричного методу. Встановлено, що завдяки наявності механоелектричних ефектів дією зовнішнього електричного поля можна змінювати міцностні характеристики порід у позаграничній області напружень. Подальший розвиток отримали дослідження механізму додатковою десорбції газу при руйнуванні вуглепородного масиву, в основі якого лежать механоелектричні ефекти вуглля і пісковиків. Показано, що 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.

9. Результати роботи використані в наукових дослідженнях, які виконані за програмами ДКНТ України, Президії НАН України, Мінкольормету і Мінгео СРСР, та 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). Методика і апаратура механоелектричного методу контролю властивостей і діагностики напружено-деформованого стану масиву гірських порід випробувана і впроваджена 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.).

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

Брошури

1. Временные методические указания по экспресс-определению упругих свойств горных пород ультразвуковым методом на необработанных образцах керна геологоразведочных скважин: РД / А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук, С.И. Скипочка, Г.Т. Рубец, Б.М. Усаченко, В.А. Глухих, А.А. Майборода, А.И. Комаров, Р.Х. Миняфаев, Р.А. Такранов, В.В. Фромм, В.М. Бобренко, В.В. Рябова. - Л.:ВНИМИ, 1987.- 40 с.

2. Руководство по геофизической диагностике состояния системы "крепь-породный массив" вертикальных стволов. Дополнение к РД 12.18.073-88 / А.Ф. Булат, Б.М. Усаченко, А.А. Яланский, В.Н. Сергиенко, Т.А. Паламарчук, С.И. Скипочка, В.Б. Усаченко, Ал. А.Яланский, Е.А. Слащева, И.Г. Косков, А.В. Будник, В.В. Левит. - Донецк: Лебедь, 1999.- 44 с.

Статті, доповіді, авторські свідоцтва на винаходи

3. Скипочка С.И., Усаченко Б.М. Об использовании механоэлектрических эффектов пород для контроля состояния массива // Уголь Украины.- 1986.- №6.- С.31-32.

4. К выбору критерия контроля заколообразования в кровле горных выработок виброакустическим методом / А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук, С.И. Скипочка, А.В. Бойко. // Физика и процессы разрушения горных пород: Сб.науч.трудов / ИГТМ АН УССР.- Киев: Наук. думка, 1987.- С.124-127.

5. Скипочка С.И., Паламарчук Т.А. Механоэлектрические явления в горных породах // Геофизический контроль в шахтах и тоннелях / В.Т. Глушко, В.С. Ямщиков, А.А. Яланский.- М.: Недра, 1987.- Гл.2.6.- С.31-35.

6. Скипочка С.И. Система локации геологических нарушений, карстов и пустот // Геофизический контроль в шахтах и тоннелях / В.Т. Глушко, В.С. Ямщиков, А.А. Яланский.- М.: Недра, 1987.- Гл.5.- С. 139-157.

7. Применение сейсмоэлектрического и виброакустического методов для изучения состояния горного массива / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, А.А. Яланский, А.В. Бойко, Г.Ф. Галкин // Цветная металлургия. - 1987.- №8.- С.1-4.

8. Скипочка С.И., Паламарчук Т.А., Быков Е.В. О возможностях сейсмоэлектрического метода при локации тектонических нарушений угольных пластов // Уголь Украины.- 1988.- №5.- С.40-42.

9. Усаченко Б.М., Скипочка С.И. Напряженно-деформированное состояние целиков при камерно-столбовой отработке мощных пологих пластов // Горный журнал.- 1988.- №3.- С.50-52.

10. Усаченко Б.М., Скипочка С.И. Контроль геологической нарушенности гипсовых пластов сейсмоэлектрическим методом // Изв. вузов. Горный журнал.- 1988.- №7.- С.13-16.

11. Скипочка С.И. Контроль трещиноватости пород по их механоэлектрическим свойствам // Разрушение горных пород: Сб.науч.трудов / ИГТМ АН УССР.- Киев: Наук. думка, 1988.- С.72-74.

12. Скипочка С.И. Сейсмоэлектрический эффект предельно напряженных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли.- 1989.- №7.- С.88-92.

13. Мигунов Н.И., Скипочка С.И. Сейсмоэлектрический эффект горных пород в режиме управляемого деформирования // Физика горных пород при высоких давлениях: Сб.науч.трудов / ИФЗ АН СССР.- М.: Наука, 1991.- С.187-194.

14. Скипочка С.И. Использование динамических характеристик механоэлектрических эффектов - предвестников разрушения предельно напряженных горных пород // Повышение эффективности разрушения горных пород: Сб.науч.трудов / ИГТМ АН УССР.- Киев: Наук. думка, 1991.- С.128-130.

15. Кокорев А.А., Скипочка С.И., Мигунов Н.И. Пьезоэлектрический эффект напряженно-деформированных горных пород // Изв. РАН. Физика Земли.- 1992.- №4.- С.41-46.

16. Мигунов Н.И., Скипочка С.И., Кокорев А.А. О сейсмоэлектрическом эффекте трещиноватых горных пород // Изв. РАН. Физика Земли.- 1992.- №12.- С.20-28.

17. Скипочка С.И., Исаев Ю.С., Зайденварг В.Е. Механоэлектрический эффект выбросоопасных углей // Уголь Украины.- 1993.- №6.- С.36-38.

18. Усаченко Б.М., Скипочка С.И., Мухин А.В. Ударно-волновой метод для экспресс-контроля горного давления в окрестностях магистральных выработок // Уголь Украины.- 1995.- №11.- С.8-9.

19. Диагностика состояния подработанной земной поверхности в условиях Стебниковского ГГХП "Полиминерал" / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, Ю.И. Кияшко, З.В. Варивода, А.Ф. Краснокутский // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1996.- №1.- С.51-53.

20. Скипочка С.И. Сейсмоэлектрический эффект трещиноватых пород // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ. - 1997. - №3. - С.47-50.

21. Скипочка С.И. К вопросу о механизме газодинамических явлений в углепородном массиве // Геотехническая механика: Сб. науч. трудов / ИГТМ НАНУ.- 1997.- №3.- С.50-53.

22. Булат А.Ф.,Скипочка С.И., Усаченко Б.М. Механоэлектрические эффекты пород угольных формаций и их роль в механизме газодинамических явлений // Доповіді НАН України.- 1998.- №1.- С.153-158.

23. Скипочка С.И. Фазовая характеристика механоэлектрических эффектов, как информативный параметр оценки состояния предельно напряженной горной породы // Геотехническая механика: Сб. науч.трудов / ИГТМ НАНУ.- 1998.- №9.- С.164-167.

24. Скипочка С.И. О дополнительном элементе механизма развязывания газодинамического явления в углепородном массиве // Уголь Украины.- 1999.- №7.- С.34-36.

25. Скипочка С.И., Усаченко Б.М. Оценка возможностей механоэлектрического метода при управлении напряженно-деформированным состоянием массива горных пород // Проблеми гірського тиску: Зб.наук.праць / ДонДТУ.- 2000.- №4.- С.20-27.

26. Скипочка С.И., Черватюк В.Г. Особенности геомеханики массива неустойчивых пород вблизи сопряжений лав со штреками // Уголь Украины.- 2000.- №8.- С.26-28.

27. Яланский А.А., Паламарчук Т.А., Скипочка С.И. Оперативный контроль свойств и состояния массива горных пород // Доклады VII-го Международного конгресса по маркшейдерскому делу.- Л.: Наука, 1988.- Т.13.- С.30-35.

28. Скипочка С.И. Механоэлектрические эффекты пород, их применение в горной геофизике и роль в механизме газодинамических явлдений // Горная геофизика: Доклады Международной конференции.- С.-Пб.: ВНИМИ, 1998.- С.224-228.

29. Скіпочка С.І., Варивода З.В., Веселовський І.С. Діагностика стану підземних порожнин, як основа передбачення еколого-геомеханічних змін на земній поверхні // Матеріали Міжнародн. конф. "Проблеми екологічної безпеки та керованого контролю динамічних природно-техногенних систем".- Львів: Знання, 1996.- С.47-50.

30. А.с. 1322832 СССР, МКИ G01V 1/00. Способ геофизической разведки / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, А.А. Яланский (СССР).- №3913155/24-25; Заявл. 26.03.85; Не публикуется.

31. А.с. 1603318 СССР, МКИ G01V 1/00. Способ локации тектонических нарушений угольных пластов из забоя горной выработки / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, Н.В. Кузнецов (СССР).- №4407344/31-25; Заявл. 11.04.88; Опубл. 30.10.90, Бюл. №40.- 3 с.

32. А.с. 1752951 СССР, МКИ Е 21С. Способ оценки напряженного состояния массива горных пород / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, В.Н. Сергиенко, А.А. Кокорев (СССР).- №4789535/03; Заявл. 07.02.90; Опубл. 07.08.92, Бюл. №29.- 3 с.

Депоновані роботи, тези доповідей

33. Яланский А.А., Скипочка С.И., Паламарчук Т.А. Контроль трещиноватости пород при их нагружении // Трещиноватость материалов и элементов конструкций: Тезисы докл. Всесоюзн. конф.- Киев: ИПП АН УССР, 1985.- С.56.

34. Скипочка С.И. Контроль устойчивости целиков по динамическим параметрам сейсмоэлектрических сигналов // Горная геофизика: Тезисы докл. ІІІ-го Всесоюзн. семинара.- Тбилиси: ИГМ АН ГССР, 1985.- С.235.

35. Теоретические предпосылки применения механоэлектрических эффектов для оценки состояния горного массива / Т.А. Паламарчук, С.И. Скипочка, А.А. Яланский; ИГТМ АН УССР.- Днепропетровск, 1986.- 12 с.- Рус.- Деп. ВИНИТИ 24.02.86, №3146-В 86.

36. К вопросу исследования трещиноватости массива горных пород геофизическими методами / А.А. Яланский, Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка; ИГТМ АН УССР.- Днепропетровск, 1986.-8 с.- Рус.- Деп. ВИНИТИ 24.04.86, №3147-В 86.

37. Паламарчук Т.А., Скипочка С.И., Яланский А.А. Локация структурных неоднородностей сейсмическим методом с использованием сейсмоэлектрических свойств горных пород // Тезисы докл VI Всесоюзн. съезда по теоретич. и прикладн. механике.- Ташкент: Национ. комитет СССР по теорет. и прикл. мех., 1986.- С.501.

38. Паламарчук Т.А., Яланский А.А., Скипочка С.И. Контроль нарушенности массива горных пород акустическими методами // Тезисы докл. ІХ Всесоюзн. конф. "Комплексные исслед. физических свойств горных пород и процессов".- М.: МГИ, 1987.- С.124-127.

39. Скипочка С.И., Быков Е.В., Кузнецов Н.В. Предпосылки применения сейсмоэлектрического метода для локации тектонических нарушений угольных пластов // Горная геофизика: Тезисы докл. IV-го Всесоюзн. семинара.- Тбилиси: ИГМ АН ГССР, 1987.- С.16.

40. Скипочка С.И. Применение сейсмоэлектрического метода для определения изменения напряженно-деформированного состояния // Горная геофизика: Тезисы докл. V-го Всесоюзн. семинара.- Тбилиси: Мецниереба, 1989.- С.99-100.

41. Сейсмоэлектрические исследования трещиноватости горных пород в напряженно-деформированном состоянии / Н.И. Мигунов, С.И. Скипочка; ИГТМ АН УССР.- Днепропетровск, 1989.- 27 с.- Рус.- Деп. ВИНИТИ 18.10.89, №6342-В 89.

42. Кокорев А.А., Мигунов Н.И., Скипочка С.И. Изменения пьезоэлектрического эффекта горных пород в процессе управляемого деформирования // Тезисы докл. VIII-го Всесоюзн. совещ. по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах.- Уфа: Минвуз РСФСР, 1990.- С.101-102.

43. Аппаратура для контроля состояния приконтурной области породного массива / Б.М. Усаченко, С.И. Скипочка, А.В. Бойко, В.А. Глухих // Тезисы докл. Международн. конф. по механике горных пород.- М.: МГИ, 1993.- С.101

Размещено на Allbest.ru