izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2024-7-52-59izmertech-2204Research ArticleЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯELECTROMAGNETIC MEASUREMENTSРегистрация ультранизкочастотного электромагнитного излучения при нагружении образца горной породыRecording of ultra-low frequency electromagnetic emission during loading of a rock samplehttps://orcid.org/0000-0002-8729-7518ТягуновД. С.TyagunovD. S.

Дмитрий Сергеевич Тягунов

Екатеринбург

Dmitrij S. Tyagunov

Ekaterinburg

tds-07@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4746-6185ШестаковА. Ф.ShestakovA. F.

Алексей Федорович Шестаков 

Екатеринбург

Alexej F. Shestakov

Ekaterinburg

alxsh@mail.ruИнститут геофизики им. Ю. П. Булашевича Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Geophysics, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202412092024075259Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2204

Приведён обзор публикаций, посвящённых изучению и особенностям регистрации электромагнитного излучения, наблюдаемого в процессе нагружения образцов горных пород, металлов, композиционных материалов в лабораторных условиях, а также в зонах дезинтеграции массивов горных пород на участках горных выработок. При разрушении образцов горных пород в лабораторных экспериментах и натурных условиях электромагнитное излучение может наблюдаться не только в высоко- и низкочастотном диапазонах (соответственно 1000–3·106 Гц и 500–1000 Гц), но и в очень низко- и ультранизкочастотном диапазонах (соответственно 200–500 Гц и 0,01–200,00 Гц). Однако большинство экспериментальных исследований образцов горных пород под влиянием разрушающей нагрузки в лабораторных условиях направлены на измерение электромагнитного излучения в высокочастотном диапазоне. Описан аппаратурно-измерительный комплекс, позволяющий регистрировать электромагнитное излучение в ультранизкочастотном диапазоне. В состав аппаратурно-измерительного комплекса в качестве датчиков магнитного поля входят магнитомодуляционные преобразователи магнитной индукции. Представлена методика лабораторных экспериментов по регистрации c помощью аппаратурно-измерительного комплекса электромагнитных сигналов, возникающих при воздействии внешней нагрузки на образцы горных пород. Приведён пример одноосного нагружения образца базальта. При нагружении рассматриваемого образца амплитуда импульсов электромагнитного излучения на два порядка превышает фоновые значения техногенного магнитного шума. Высокая чувствительность магнитомодуляционного преобразователя магнитной индукции позволяет применять его для регистрации компонент магнитной индукции в процессе разрушения образцов горных пород в условиях помех техногенного магнитного шума. Полученные результаты важны для контроля и прогноза процесса трещинообразования перед горными ударами, а также для изучения геологической среды и процессов, порождающих низкочастотное электромагнитное излучение, в районах расположения горных выработок.

The review of publications devoted to the study and features of the registration of electromagnetic emission observed during the loading of samples of rocks, metals, composite materials in laboratory conditions, as well as in areas of disintegration of rock massifs at mining sites is given. Electromagnetic emission observed during the destruction of rock samples in laboratory experiments and field conditions can appear itself not only in the high and low frequency ranges (1000–3·106 Hz and 500–1000 Hz, respectively), but also in the very low and ultra-low frequency (200–500 Hz and 0.01–200.00 Hz, respectively) ranges. However, the overwhelming majority of experimental studies of rock samples under the influence of a destructive load in laboratory conditions are aimed at measuring electromagnetic emission of the high frequency range. An instrumentation and measurement complex is described that allows recording electromagnetic emission in the ultra-low frequency range. The composition of the instrumentation and measurement complex includes magnetic modulation transducers of magnetic induction as magnetic field sensors. The methodology of laboratory experiments on recording electromagnetic signals arising from the influence of an external load on rock samples using an instrumentation and measuring complex is presented. An example of uniaxial loading of a basalt sample is given. When loading the sample under consideration, the amplitude of the electromagnetic emission pulses exceeds the background values of technogenic magnetic noise by two orders of magnitude. The high sensitivity of the magnetic modulation transducer of magnetic induction allows it to be used to register the components of magnetic induction in the process of destruction of rock samples in conditions of interference from technogenic magnetic noise. The results obtained are important for monitoring and forecasting the process of cracking before mining impacts, as well as for studying the geological environment and processes that generate low-frequency electromagnetic emission in the mining areas.

магнитомодуляционный преобразовательмагнитная индукцияобразцы горных породтрещинообразованиеэлектромагнитное излучениерегистрация сигналовmagnetomodulating transducermagnetic inductionrock samplesfracturingelectromagnetic emissionsignals registrationReferencesВоробьев А. А., Завадовская Е. К., Сальников В. Н. Изменение электропроводности и радиоизлучение горных пород и минералов при физико-химических процессах в них. ДАН СССР, 220(1), 82–85 (1975).Vorobyov A. A., Zavadovskaya E. K., Salnikov V. N. Changes in electrical conductivity and radio emission of rocks and minerals during physico-chemical processes in them. DAN USSR, 220(1), 82–85 (1975). (In Russ.)Соболев Г. А., Демин В. М., Лось В. Ф., Майбук Ю. Я. Исследование электромагнитного излучения пород, содержащих минералы-полупроводники и пьезоэлектрики. Физика Земли, (11), 72–85 (1982). https://elibrary.ru/saaagpSobolev G. A., Demin V. M., Los V. F., Maybuk Yu. Ya. Investigation of electromagnetic radiation of rocks containing minerals semiconductors and piezoelectrics. Physics of the solid Earth, (11), 72–85 (1982). (In Russ.) https://elibrary.ru/saaagpКурленя М. В., Кулаков Г. И., Опарин В. Н., Яковицкая Г. Е. Способ прогноза разрушения горных пород: пат. RU 1740665 А1. Бюллетень изобретений, № 22 (1992).Kurlenya M. V., Kulakov G. I., Oparin V. N., Yakovitskaya G. E. A method for predicting the destruction of rocks. Patent RU 1740665 A1, Bull. Izobret., no. 22 (1992).Курленя М. В., Кулаков Г. И., Марков В. А., Яковицкая Г. Е. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород: пат. RU 2006884 С1. Бюллетень изобретений, № 3 (1994).Kurlenya M. V., Kulakov G. I., Markov V. A., Yakovitskaya G. E. A device for recording electromagnetic radiation that occurs during the cracking of rocks. Patent RU 2006884 С1, Bull. Izobret., no. 3 (1994).Курленя М. В., Кулаков Г. И., Марков В. А., Яковицкая Г. Е. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород: пат. RU 2085736 С1. Бюллетень изобретений, № 21 (1997).Kurlenya M. V., Kulakov G. I., Markov V. A., Yakovitskaya G. E. A device for recording electromagnetic radiation that occurs during the cracking of rocks. Patent RU 2085736 С1, Bull. Izobret., no. 21 (1997).Тимоненков Ю. А., Яковицкая Г. Е. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород: пат. RU 2155973 С1. Бюллетень изобретений, № 25 (2000).Timonenkov Yu. A., Yakovitskaya G. E. A device for recording electromagnetic radiation that occurs during the cracking of rocks. Patent RU 2155973 С1, Bull. Izobret., no. 25 (2000).Кулаков Г. И., Бритков Н. А. Способ, устройство и датчик для регистрации электромагнитного излучения деформируемых твёрдых тел, например образцов горных пород: пат. RU 2172005 С1. Бюллетень изобретений, № 22 (2001).Kulakov G. I., Britkov N. A. A method, device and sensor for detecting electromagnetic radiation from deformable solids, such as rock samples. Patent RU 2172005 С1, Bull. Izobret., no. 22 (2001).Вострецов А. Г., Кулаков Г. И., Яковицкая Г. Е. и др. Регистрация электромагнитного излучения при трещинообразовании горных пород с помощью цифровой автоматизированной системы измерений. Прикладная механика и техническая физика, 38(1), 167–169 (1997). https://elibrary.ru/towqmbVostretsov A. G., Kulakov G. I., Yakovitskaya G. E. et al. Recording of electromagnetic radiation upon fracturing of rocks using a digital computer-controlled measuring system. Journal of Applied Mechanics and technical Physics, 38(1), 151–153 (1997). https://doi.org/10.1007/BF02468286Беспалько А. А., Федотов П. И., Яворович Л. В. Регистратор электромагнитных и акустических сигналов для контроля прочности и разрушения материалов и массивов горных пород. Известия ТПУ, 312(2), 255–258 (2008).Bespalko A. A., Fedotov P. I., Yavorovich L. V. Registrator elektromagnitnyh i akusticheskih signalov dlya kontrolya prochnosti i razrusheniya materialov i massivov gornyh porod. Izvestiya TPU, 312(2), 255–258 (2008). (In Russ.)Бомбизов А. А., Филатов А. В., Лощилов А. Г., Беспалько А. А. Полевой регистратор электромагнитных и акустических сигналов РЭМАС-1 для мониторинга развития геодинамических процессов. Вестник науки Сибири. Серия 5. Инженерные науки, (1(2)), 99–103 (2012).Bombizov A. A., Filatov A. V., Loshilov A. G., Bespalko A. A. Field recorder of electromagnetic and acoustic signals REMAS-1 for monitoring the development of geodynamic processes. Bulletin of Science of Siberia. Ser. 5. Engineering sciences, (1(2)), 99–103 (2012). (In Russ.)Опарин В. Н., Вострецов А. Г., Кривецкий А. В. и др. Модернизированная система АСИ-2 для контроля электромагнитной эмиссии образцов горных пород при их одноосном нагружении. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, (4), 104–115 (2010). https://elibrary.ru/mwbzezOparin V. N., Vostretsov A. G., Krivetsky A. V. et al. Modernized electromagnetic emission control system for uniaxial testing of rocks. Journal of Mining Science, 46, 458–467 (2010). https://doi.org/10.1007/s10913-010-0058-xВострецов А. Г., Кулаков Г. И., Бизяев А. А., Яковицкая Г. Е. Измерительная система синхронной регистрации сигналов ЭМИ и механических параметров деформирования образцов горных пород в лабораторных экспериментах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, (6), 204–210 (2017). https://doi.org/10.15372/FTPRPI20170622Vostretsov A. G., Kulakov G. I., Bizyaev A. A. et al. Instrumentation system for synchronous recording of EME and mechanical deformation parameters in lab-scale tests of rock specimens. Journal of Mining Science, 53, 1152–1158 (2017). https://doi.org/10.1134/S1062739117063269Вострецов А. Г., Бизяев А. А., Яковицкая Г. Е. Экспериментальные исследования по синхронной регистрации механических и электромагнитных параметров сигналов ЭМИ при нагружении образцов горных пород. Доклады Академии наук Высшей школы Российской Федерации, (3(40)), 38–46 (2018). https://doi.org/10.17212/1727-2769-2018-3-38-46Vostretsov A. G., Bizyaev A. A., Yakovitskaya G. E. Experimental investigations on synchronous recording of mechanical and electromagnetic parameters of EMP signals under loading of mineral rock. Proceedings of the Russian Higher school Academy of Sciences, (3(40)), 38–46 (2018). (In Russ.) https://doi.org/10.17212/1727-2769-2018-3-38-46Потокин А. С., Пак А. К. Исследования акустической и электромагнитной эмиссий при одноосном сжатии образцов скальных горных пород. Наукосфера, (11-2), 86–91 (2020). https://elibrary.ru/lhiubnPotokin A. S., Pak A. K. Studies of acoustic and electromagnetic emissions under uniaxial compression of hard rock samples. Naukosphere, (11-2), 86–91 (2020). (In Russ.) https://elibrary.ru/lhiubnМешков А. А., Ледяев Н. В., Хамутский А. А. и др. Совершенствование способа регистрации электромагнитного излучения при нарушении сплошности горных пород. Горный информационно-аналитический бюллетень, (6-2), 135–148 (2022). https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_62_0_135Meshkov A. A., Ledyaev N. V., Khamutsky A. A. et al. Improvement of the method registration electromagnetic radiation preceded to rock failure. Mining information and analytical bulletin, (6-2), 135–148 (2022). (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_62_0_135Chengwu Li, Shuai Fu, Cheng Guan et al. Characteristics and generation mechanism of ULF magnetic signals during coal deformation under uniaxial compression. Journal of Geophysics and Engineering, 15(4), 1137–1145 (2018). https://doi.org/10.1088/1742-2140/aaac59Chengwu Li, Shuai Fu, Cheng Guan et al. Characteristics and generation mechanism of ULF magnetic signals during coal deformation under uniaxial compression. Journal of Geophysics and Engineering, 15(4), 1137–1145 (2018). https://doi.org/10.1088/1742-2140/aaac59Сокол-Кутыловский О. Л. Магнитомодуляционные датчики на основе аморфных ферромагнитных сплавов. Измерительная техника, (2), 46–49 (2016). https://elibrary.ru/vtytdnSokol-Kutylovsky O. L. Magnetomodulation sensors based on amorphous ferromagnetic alloys. Measurement Techniques, 59(2), 170–175 (2016). https://doi.org/10.1007/s11018-016-0937-xСурков В. В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах. МИФИ, Москва (2000).Surkov V. V. Electromagnetic effects in earthquakes and explosions, MEPhI, Moscow (2000). (In Russ.)Тягунов Д. С., Сокол-Кутыловский О. Л. Спектральное распределение городского магнитного шума в диапазоне низких частот. Вестник Камчатской региональной ассоциации «Учебно-научный центр». Серия: Науки о Земле, (3(31)), 58–64 (2016). https://elibrary.ru/wsracpTyagunov D. S., Sokol-Kutylovsky O. L. Spectral distribution of urban magnetic noise in the low frequencies. Bulletin of Kamchatka Regional Association “Educational-Scientifc Center”. Earth Sciences, (3(31)), 58–64 (2016). (In Russ.) https://elibrary.ru/wsracpТягунов Д. С. Распределение техногенного магнитного шума низких частот по площади крупного промышленного города. Геофизические процессы и биосфера, 16(4), 21–27 (2017). https://elibrary.ru/xqyvajTyagunov D. S. Distribution of manmade low-frequency magnetic noise in a big industrial city. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 54(7), 700–704 (2018). https://doi.org/10.1134/S0001433818070162Тягунов Д. С. Измерения вариаций геомагнитного поля в диапазоне низких частот. Вестник Камчатской региональной ассоциации «Учебно-научный центр». Серия: Науки о Земле, (3(43)), 99–108 (2019). https://elibrary.ru/gpqzpxTyagunov D. S. Measurements of variations of the geomagnetic feld in the low frequency range. Bulletin of Kamchatka Regional Association “Educational-Scientifc Center”. Earth Sciences, 43(3), 99–108 (2019). (In Russ.) https://doi.org/10.31431/1816-5524-2019-3-43-99-108Сокол-Кутыловский О. Л., Тягунов Д. С. Регистрация вариаций геомагнитного поля магнитомодуляционным датчиком. Вестник ДВО РАН, (3), 25–30 (2020). https://doi.org/10.37102/08697698.2020.211.3.002Sokol-Kutylovsky O.L., Tyagunov D.S. Registration of variations of the geomagnetic feld with a magnetic modulating sensor. Vestnik of the FEB RAS, (3), 25–30 (2020). (In Russ.) https://doi.org/10.37102/08697698.2020.211.3.002Сокол-Кутыловский О. Л., Тягунов Д. С. Аппаратура для регистрации магнитного поля низких частот. Уральский геофизический вестник, (4(13)), 69–73 (2007).Sokol-Kutylovsky O. L., Tyagunov D. S. The equipment for registration of a magnetic feld of low frequencies. Ural’skiy geofziceskiy vestnik, (4(13)), 69–73 (2007). (In Russ.)Сокол-Кутыловский О. Л. Автопараметрический датчик магнитной индукции. Датчики и системы, (1), 37–39 (2009). https://elibrary.ru/jwyaftSokol-Kutylovsky O. L. An auto-parametric magnetic induction sensor. Sensors and systems, (1), 37–39 (2009). (In Russ.) https://elibrary.ru/jwyaftЛось В. Ф., Лементуева Р. А., Ирисова Е. Л. Решение аппаратурно-методических проблем и изучение электромагнитного излучения в лабораторных экспериментах по разрушению горных пород. Сейсмические приборы, 46(4), 14–24 (2010). https://elibrary.ru/nuemwdLos V. F., Lementueva R. A., Irisova E. L. Studies of electromagnetic emission during rock fracture in laboratory experiments: instruments, techniques, results. Seismic instruments, 46(4), 14–24 (2010). (In Russ.) https://elibrary.ru/nuemwdСокол-Кутыловский О.Л., Тягунов Д.С. Влияние техногенных магнитных полей на геомагнитные измерения в обсерваториях. Измерительная техника, (9), 58–60 (2012). https://elibrary.ru/pimcxtSokol-Kutylovskii O. L., Tyagunov D. S. The effect of technogenic magnetic felds on geomagnetic measurements in observatories. Measurement techniques, 55(9), 1083–1087 (2012). https://doi.org/10.1007/s11018-012-0079-8

The authors declare that there are no conflicts of interest present.