Акустическая и электромагнитная эмиссии для определения степени удароопасности месторождений

УДК 662

Акустическая и электромагнитная эмиссии для определения степени удароопасности месторождений

Аннотация: в работе рассмотрены основные параметры и закономерности акустической и электромагнитной эмиссии. Отмечены достоинства и недостатки при определении удароопасности месторождений. Проанализированы перспективные направления разработки моделей.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, электромагнитная эмиссия степень удароопасности, месторождение, промышленность, контроль.

 При разработке месторождений полезных ископаемых и подземном строительстве в сложных горно-геологических условиях, когда работа производится на больших глубинах, промышленные процессы сопровождаются повышенным горным давлением, которое может проявиться в таких опасных формах как: движение и разрушение участка массива; внезапный выброс породы и газа; «стреляние» породы; горный и горно-тектонический удар. Все вышеуказанное нередко приводит к катастрофическим последствиям. Таким образом, горнодобывающей промышлености наносится большой материальный и социальный урон, так как происходит длительная остановка добычи полезного ископаемого. Соответственно возникает необходимость проводить масштабные восстановительные работы на больших площадях. В таких условиях особенно актуальны исследования предотвращения подобных потерь.

Деформацию и разрушение твердого тела сопровождает генерация в широкой полосе частот акустической, и в отдельных случаях электромагнитной эмиссии. Природа акустической и электромагнитной эмиссии напрямую взаимосвязана с процессом образования и развития трещин. При деформации твердых материалов, находящихся в состоянии напряжения распространяется ряд упругих колебаний. Такое явление лежит в основе акустико-эмиссионного контроля, целью которого является обнаружить слабые места в трубопроводах в теплообменниках, реакторах, колоннах резервуарах, сосудах, сварных швах, деталях и узлах каких-либо механизмов на предприятиях. Контроль на основе акустической эмиссии проводится, только если проверяемый объект под нагрузкой. Для того чтобы получить результаты проверки на него оказывают воздействие физической силой, повышенным давлением, при помощи поля высоких или низких температур. Таким образом, акустическая эмиссия является пассивным методам неразрушающего контроля. Главная цель в данном случае выявить трещины, расслоения, коррозионные процессы. Также, при помощи данного метода возможно обнаружение развивающихся дефектов, которые являются наиболее опасными. Контроль акустической эмиссии не нуждается в применении каких-либо внешних источников сигналов. При помощи данного метода улавливаются упругие колебания, которые генерируют сами проверяемые объекты. Так обеспечена достаточно высокая точность обнаружения деформаций.

В настоящее время эмиссионной контроль применяется на предприятиях нефтегазовой сферы, металлопрокатных предприятиях, металлургических комбинатах, в авиационной и космической технике, на железной дороге и другое. Главным требованием к приборам акустической эмиссии является отслеживание ложных сигналов.

Электромагнитная эмиссия является нестационарным изменением потенциала электрического поля вблизи деформируемого сигнала, то есть в близлежащей зоне излучения. При этом длина электромагнитной волны значительно превышает дистанцию между зондом и источником излучения.

Изобретение электромагнитной эмиссии относится к горному делу, ее предназначением является оценивание напряженно-деформированного состояния участка массива горных пород в условиях шахт и рудников, которые разрабатывают пласты опасные по горным ударам и выбросам. Суть данного метода в том, что регистрируется импульсное излучение электромагнитных и упругих колебаний от образующихся под действием предельных напряжений трещин разрушения.

В связи с интенсивным ростом объема добычи полезных ископаемых увеличивается глубина их разработки и усложняются геомеханические условия горных работы. Как следствие возникает ряд опасных ситуаций, при которых многие методы контроля динамики изменений прочностных характеристик в горном массиве не могут отразить в полной мере истинной картины происходящих в нем процессов. В основе предупреждения таких природных и технологических явлений лежит региональный прогноз, представляющий собой оценку геодинамической опасности пластов в пределах месторождений и горных отводов шахты; локальные прогнозы, то есть прогнозы и оценка напряженно-деформированного состояния участков массива горных пород в пределах выемочных полей конкретных выработок. При этом, для обеспечения эффективности проведения горных работ, особую актуальность приобретает разработка и развитие современных способах непрерывного контроля и оценивания напряженно-деформированного состояния массива при помощи портативных приборов.

Если обратиться к истории можно отметить, что акустическая эмиссия как явление было обнаружено в середине XIX века. При деформировании олова процесс сопровождался характерным звуковым эффектом, который получил название «крик олова».

В тридцатых годах XX века была опубликована работа Абрама Федоровича Иоффе, главной темой которой были механические свойства кристаллов. Публикацию данного труда можно принять за начало отсчета акустоэмиссионных исследований геоматериалов [6]. Автор отмечал, что каждый из единичных актов скачкообразной деформации образцов каменной соли сопровождался шумом, который напоминал «тиканье» часов. Ученый обратил внимание на возможность использования этого шума в качестве инструмента при изучении природы и закономерности указанной деформации.

Позднее, в середине пятидесятых годов пришло понимание того, что акустическая эмиссия может быть одним из наиболее эффективных средств мониторинга разрушения горных пород в реальном времени. Данное определение появилось после ряда успешных использовании сигналов акустической эмиссии, которые возникали в напряжённом массиве, для прогноза опасных динамических явлениях на угольных шахтах [2]. В этот же период начинается систематическое изучение закономерностей акустической эмиссии на образцах горных пород, что позволяет выявить ряд преимущества данного метода исследования. В 1970-ых годах XX смогли разработать высокочувствительною аппаратуру и собрать необходимый экспериментальный материал для решения задач на практике.

Авторы ряда научных работ описывают появление электромагнитных импульсов при нагружении металлов с разными электрическими и магнитными свойствами, но можно отметить, что в них часто допускается различная интерпретация. Электромагнитные импульсы связывают с изменением геометрии образцов при выходе полос пластической деформации на поверхность [5], с электростатическим процессом при трещинообразовании. В некоторой степени такое различие может быть связано с объективной сложностью измерений слабого электромагнитного излучения при механическом испытании, так как оно сопровождается, как правило, сильными электромагнитными помехами от электромагнитных узлов испытательных машин. Помимо того амплитудные характеристики сигнала и его частотный спектр могут зависеть от методики измерения, а именно разные результаты могут появляться когда используются датчики ёмкостного типа, улавливающие изменения электрической составляющей излучения и индуктивного типа, которые измеряют колебания магнитного потока.

В изучение акустической и электромагнитной эмиссии значительный вклад внесли отечественные ученые-исследователи: М.С. Анциферов, Н. И. Гершензон, В. С. Куксенко, В.И. Панин, А.Д. Рубан; зарубежные: К. Моги, В. М. Маккейбл, и др.

Как и у любой методики акустико-эмиссионный контроль имеет и преимущества, и ряд недостатков. Положительно можно оценить следующее: выявляются опасные дефекты на стадии их развития, что позволяет своевременно обнаружить деформацию и отследить состояние проверяемого объекта, и в дальнейшем на основе этого спланировать ряд мер для устранения проблемы; осуществляется полный контроль за объектом при минимуме датчиков; появляется возможность провести проверку на расстоянии при помощи дистанционного контроля; работу можно осуществлять с опасными объектами, и при этом не нужно останавливать работу предприятия; можно использовать акустико-эмиссионный контроль для любых материалов; наблюдение за оборудованием или трубопроводам постоянно; отсутствие необходимости и подготовке объектов к проверке; оборудования можно установить на поверхностях с высокой степенью загрязнённости и получить при этом точные результаты.

Методика регистрации акустической эмиссии с успехом используется в разработке и эксплуатации горных выработок. Данный метод распространён при подземном расположении датчиков.

При очевидных достоинствах есть у вышеуказанных методов и недостатки: сигналы регистрируется от источника эмиссии одновременно с шумами постоянного или переменного уровня, таким образом, за счёт этого снижается эффективность акустического контроля; ограничение частотного диапазона реальных практических применений акустической эмиссии, он, как правило, в узких рамках (от единицы килогерц до мегагерц); методика ухода от шумов и помех ограничивается в основном простейшей реализацией амплитудных и частотных фильтров; аппаратная часть оборудования часто низкого качества с большим уровнем искажений, как следствие это понижает точность анализа; сложно выделить сигнал на фоне помех, когда дефект очень мал; высокая стоимость аппаратуры; отсутствие высококвалифицированных социалистов; необходимость акустического контакта преобразователя с объектами контроля [1].

Все вышеуказанное приводит к возрастанию погрешности измерений. Необходимо создание серьезного математического обеспечения и аппаратной реализации технологий.

В таких условиях рационально: расширять динамический диапазон оборудования на величину порядка 30-50 ДБ; снижать уровень помех и искажений на 1-2 порядка по сравнению с традиционными приборами; расширять в низкочастотной области частотный диапазон, вплоть до того, что достигается суперспектральная полоса частоты от десятых долей герца для ультразвука. Благодаря этому можно производить диагностику достаточно больших объектов без применения нагружения, непрерывно в процессе эксплуатации; применять мощный математический аппарат для того чтобы решать задачи ухода от шумовых помех и искажений [7].

В современных геофизических системах на практике внедряя методы акустической и электромагнитной эмиссии, используют компьютеризированные устройства и новейшие ЭВМ, посредством которых проводится цифровая регистрация и обработка больших массивов информации. Также применяются современные материалы и изделия, которые позволяют проводить измерения на больших глубинах и в экстремальных климатических условиях. Благодаря этому можно по-новому осуществлять новые подходы к самому процессу получения и обработки геофизической информации.

Прогресс в области технологии обработки акустических сигналов привел к возможности расширения области применения методов акустической и электромагнитной эмиссии для определения дефектов в пространстве при помощи несложных аппаратных реализаций. В рамках множество проектов в настоящее время ведется научно-практическая работа, которая направлена на доведение данной работы до практических применений в диагностике [4].

Оборудованием для акустико-эмиссионного контроля являются усилители сигналов; модули, посредством которых происходит обработка принятых акустических сигналов; кабельная линия, благодаря которым происходит подключение датчиков и приемников; модуль настройки калибровки оборудования.

Таким образом, в приборы акустико-эмиссионного контроля входят: комплект устройств для получения информации с датчиков и пара преобразователей. Также включена обработка и вывод информации на периферийное оборудование, каждым из которого регистрируется время улавливания сигнала.

В устройство для регистрации электромагнитного излучения включены: блок регистрации, приёмная электромагнитная антенна, зарядное устройство и комплект кабелей (антенный и интерфейсный).

Акустическая эмиссия является случайным процессом, поэтому важна адекватная регистрация акустико-эмиссионный источников в объектах. На данном этапе роль играют технические параметры, возможности и надежность аппаратуры, и детальный анализ зарегистрированных данных. В настоящее время существует ряд моделей серийно-выпускаемых сертифицированных промышленных акустических эмиссий систем российского и зарубежного производства, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1.Акустико-эмиссионные системы и их производители [3].

Особое место в процессе обработки акустической эмиссии занимает продуманность программного обеспечения. Важными являются следующие показатели: возможность построения диаграмм и графиков, возможность проводить углублённый анализ, оценки по критериям, скорость, наличие вспомогательных утилит, совместимость с другими программными обеспечениями.

Можно отметить ряд особенностей продуктов разных проихводителей. Возможность анализа локационных параметров (РВП, количество импульсов в событии, второго импульса события и т.п.) не реализуется в акустико- эмиссионных системах DiSP, ALine-32D, Эксперт-2014. В системах DiSP, AMSY-5 реализованы технологии контроля днищ резервуаров, сосудов давления, Малахит 12-АС – магистральных нефтепроводов. Функции анализа формы волны, кластерный анализ реализованы в каждом из рассматриваемых систем, распознавание образов в системах DiSP, AMSY-5. Встроенная система помощи реализована во всех системах, помимо DiSP. Наличие конвертера из других форматов возможно для AMSY-5 (DiSP), Малахит 12-АС. Программное обеспечение акустико-эмиссионных систем разных фирм, наряду со стандартными возможностями, имеет дополнительные функции, которые обеспечивают наиболее сложный и глубокий анализ акустико-эмиссионных данных. Можно отметить, что у производителей разный подход к публикации технических характеристик. Когда эти характеристики публикуются подобным образом часто не понятно, что конкретно имеется в виду [3].

В последнее время большое внимание как в отечественной, так и зарубежной литературе уделяются вниманию акустической и электромагнитной эмиссии для определения удароопасноти в горной промышлености, появляются новые средства обработки сигналов

Вопрос применения акустических эмиссий для контроля массивных пород и составления прогноза был поднят уже более полувека назад, и сейчас уже достаточно изучен. На практике используются одно и двух канальные регистраторы (ЗУА, ПГМ, «Волна-1», «Прогноз-Иа», «Ритм», «АЭР», «Ангел» и др.) Благодаря им возможно определить ограниченное число параметров АЭ. Но чаще всего регистрируется лишь интенсивность эмиссии (т. е. количество импульсов АЭ в единицу времени). Одновременно есть и преимущество –эти приборы просты и мобильны , что является важным показателем.

Вместе с этим можно отметить, что в настоящее время необходимы более совершенные инструменты, которые позволяют регистрировать, обрабатывать, измерять и анализировать, как основные параметры, так и дополнительные. Для углубленного анализа параметров акустической активности массива горных пород применяемая аппаратура должна обеспечивать запись процесса измерения. Необходимо также иметь возможность автоматизированной настройки и выбора режима измерения в различной шумовой обстановке действующего горнодобывающего предприятия.

Апробирован в шахтных условиях геоакустический портативный прибор для локального контроля удароопасности «Prognoz L», который позволяет регистрировать и определять параметры АЭ даже в условиях наличия технологических шумов. При тестировании зафиксирована надежная работа прибора «Prognoz L» в шахтных условиях действующих рудников, возможность измерения различных параметров акустической активности, включая: интенсивность акустической эмиссии; основную частоту импульсов АЭ; длительность, амплитуду и относительную энергетическую характеристику АЭ-событий [4].

В заключение отметим, что развитие наукоемких технологии в сфере применения акустической и электромагнитной эмиссии играет большую роль в диагностике опасных производственных объектов. При помощи акустико-эмиссионного контроля, который является одним из немногих развивающихся методов неразрушающего контроля, появляется ряд возможностей, идущих далеко за рамки существующих норм и регламентов. При помощи таких уникальных технологий возможно без вывода объектов из эксплуатации осуществлять современную регистрацию и отслеживать опасные процессы разрушения. Тем не менее, на сегодняшний день существует ряд проблем, мешающих широкому распространению данных методов в промышленности. В первую очередь – это субъективность метода, когда результат зависит от квалификации персонала, его опыта работы, умения применять нестандартные решения. Это не должно допускаться при контроле объекта на производстве, где нужны точно обработанные методические рекомендации, исчерпывающий результат, который позволит оценить в реальном времени состояние объекта.

Одной из серьезных проблем для осуществления акустической эмиссии является подготовка квалифицированного персонала. В данном случае речь идет о фундаментальном образовании.

На предприятиях подконтрольных Ростехнадзору отмечен большой процент устаревшего изношенного оборудования.

Зачастую на практике метод акустической и электромагнитной эмиссии существуют как бы обособлено, и довольно узконаправлены, имеет частный характер.

Опасение вызывает и нормативная база. Документация устарела и нуждается в обновлении, адекватном современным условиям.

Проблема повышения безопасности и эффективности подземной разработки удароопасных рудных месторождений занимает важное место в развитии горнодобывающей промышленности многих стран и регионов [4]. Именно эти методы позволяют контролировать процесс гидрообработки углепородного массива и оценивать влияние гидрообработки на напряженное состояние обработанной зоны и ее выбросоудароопасность. Однако для практического применения эти методы необходимо доработать в методическом плане и в совершенствовании программно-аппаратных средств по их реализации.

Список использованных источников