Регистрация ультранизкочастотного электромагнитного излучения при нагружении образца горной породы

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.

1. Воробьев 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).

2. 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/saaagp

3. Курленя М. В., Кулаков Г. И., Опарин В. Н., Яковицкая Г. Е. Способ прогноза разрушения горных пород: пат. RU 1740665 А1. Бюллетень изобретений, № 22 (1992).

4. 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).

5. 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).

6. Тимоненков Ю. А., Яковицкая Г. Е. Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород: пат. RU 2155973 С1. Бюллетень изобретений, № 25 (2000).

7. 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).

8. 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/towqmb

9. Беспалько 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).

10. 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).

11. 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/mwbzez

12. Вострецов 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/FTPRPI20170622

13. Вострецов 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/10.17212/1727-2769-2018-3-38-46

14. Потокин 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/lhiubn

15. Мешков 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_135

16. Chengwu 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/aaac59

17. Сокол-Кутыловский О. Л. Магнитомодуляционные датчики на основе аморфных ферромагнитных сплавов. Измерительная техника, (2), 46–49 (2016). https://elibrary.ru/vtytdn

18. Сурков В. В. Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах. МИФИ, Москва (2000).

19. 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/wsracp

20. Тягунов 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/xqyvaj

21. Тягунов 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/gpqzpx

22. Сокол-Кутыловский О. Л., Тягунов Д. С. Регистрация вариаций геомагнитного поля магнитомодуляционным датчиком. Вестник ДВО РАН, (3), 25–30 (2020). https://doi.org/10.37102/08697698.2020.211.3.002

23. Сокол-Кутыловский О. Л., Тягунов Д. С. Аппаратура для регистрации магнитного поля низких частот. Уральский геофизический вестник, (4(13)), 69–73 (2007).

24. Сокол-Кутыловский О. Л. Автопараметрический датчик магнитной индукции. Датчики и системы, (1), 37–39 (2009). https://elibrary.ru/jwyaft

25. Лось 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/nuemwd

26. Сокол-Кутыловский О.Л., Тягунов Д.С. Влияние техногенных магнитных полей на геомагнитные измерения в обсерваториях. Измерительная техника, (9), 58–60 (2012). https://elibrary.ru/pimcxt