Электромагнитные предвестники опасных геодинамических процессов в подземных горных выработках разного назначения

Структура любого твердого тела является несовершенной. Особенно это касается естественных природных соединений-минералов и горных пород, представленных в подавляющем большинстве диэлектриками, содержащими всевозможные примеси, заряженные дислокации, поры и прочие дефекты. Внешний источник энергии и поглощение её вызывают возбуждение структуры. Она выходит из равновесного состояния, а избыток энергии может излучаться. Переход структуры из одного состояния в другое происходит при различных преобразованиях, среди которых особый интерес представляют механоэлектрические. В переменном поле механических напряжений происходит возбуждение кристаллической решетки. Минеральный скелет в полускальных и скальных породах первым начинает участвовать в механоэлектрических преобразованиях. В глинистых породах, кроме раскалывания и деформации частиц минерального скелета, в формировании импульсных электромагнитных полей принимают участие и двойные электрические слои (ДЭС). Интенсивная фильтрация жидкости в капиллярах, порах и других полостях также сопровождается поляризацией и возникновением ЕИЭМПЗ. Физическая сущность явлений, формирующих импульсные поля весьма разнообразна. Это и сухое трение, адгезионные и когезионные явления, пиропьезоэффекты при фазовых переходах. Импульсные электромагнитные поля, окружающие человека, имеют и техногенную природу. Особенно сильно они распространяются от всевозможных искрящих устройств и радиостанций, работающих на этих же частотах, что и природные естественные поля.

Современные представления о природе импульсных электромагнитных явлений были разработаны профессором А.А. Воробьевым в 50-70гг. прошлого столетия [1]. Им было введено в петрофизике понятие естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), хотя оно упоминалось ранее А.П. Краевым [4 ]. Естественное импульсное электромагнитное поле Земли создается источниками, располагающимися непосредственно в литосфере и доступно наблюдению на удалениях от них, от первых десятков метров до сотен километров. Источниками ЕИЭМПЗ являются массивы горных пород, в которых под действием механических напряжений разнообразного происхождения происходят необратимые деформации зерен минералов-диэлектриков или капилляров, заполненных электролитом (природной влагой). А.А. Воробьев рассматривал два типа механизмов возмущения электрического состояния геологической среды в источнике: либо её электрическую поляризацию (возникновение избыточного дипольного момента), либо электризацию (появление избыточного заряда)

Поскольку в природных диэлектриках избыточный электрический заряд одного знака индуцирует возникновение заряда другого знака, избыточный дипольный момент возникает всегда, и состояние поляризации является общим свойством источника ЕИЭМПЗ.

Поляризация является главным электрическим свойством диэлектриков. Возникновение электрических дипольных моментов в кристаллах-диэлектриках обусловлено смещением в разных направлениях положительных и отрицательных ионов кристаллической структуры. Во многих случаях поляризация кристаллических веществ сохраняется без дополнительного влияния внешних полей, т.е. они являются электретами. В спокойных условиях электрет на поверхности нейтрализуется за счет притягивания противоположных по знаку зарядов. В случае быстрой смены поляризации под действием теплового или механического полей электрет не успевает нейтрализоваться и будет обладать на какой-то определенный момент времени стационарным полем. Таким образом, при определенных условиях в твердых диэлектриках могут накапливаться объемные заряды, которые способствуют появлению локальных электромагнитных полей.

Поскольку в природных диэлектриках избыточный электрический заряд одного знака индуцирует возникновение заряда другого знака, избыточный дипольный момент возникает всегда и состояние поляризации является общим характерным свойством источника электромагнитной энергии. Интенсивность её зависит от энергии кристаллической решетки твердого тела и степени её возбуждения тем или иным полем. Отсюда можно оценивать величину преобразования одного вида энергии, например, механической в энергию электрического или электромагнитного поля в дефектной структуре твердого тела.

Механоэлектрические преобразования, происходят в твердой фазе пород и на границе её с жидкостями. Все это является источником импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) и формирующимся естественным импульсным электромагнитным полем Земли. Исходя из основных положений механоэлектрических преобразований в горных породах, вытекают предпосылки для возможного локального прогнозирования геодинамических процессов. Глубокое понимание взаимосвязанных явлений невозможно без рассмотрения теории трещинообразования в горных породах, как в твердых телах. Процесс трещинообразования, приводящий к разрушению горных пород и в целом всего массива, может рассматриваться на основе принципов кинетической теории прочности, сформулированных С.Н. Журковым и др.[3]

В силовом поле в породах в результате механического внешнего воздействия происходит ускоренное движение элементарных частиц. Оно вызывает электрические, электродинамические и магнитные силы, выводящие из условия равновесия. Нарушение устойчивого равновесия в электростатистической системе зарядов создает поле. По Я.И. Френкелю, помимо кристалла в существующем двойном электрическом слое, суммарные концентрации дефектов, несущих разноименные заряды, могут быть неодинаковыми. Для соблюдения электронейтральности кристалла эти концентрации компенсируются зарядом противоположного знака в соседней фазе.

С увеличением механического нагружения естественно возрастает движение атомов, молекул и напряженность поля. Неразрывно вопросы электрической теории кристаллических решеток связаны с прочностью твердых тел.

Геологическая среда благодаря развитию в ней механоэлектрических процессов и явлений является мощным источником электромагнитных возмущений, Особенно ярко это проявляется и используется при исследовании подземных горных выработок. На протяжении многих лет метод успешно применялся и в Крыму: в Ялтинском гидротоннеле: пассажирских шахтолифтоподъемниках и штольнях в Ялте; Кореизе; Жуковке; Инкермане; тоннелях Севастополя. Полученный положительный опыт нашел затем применение во всех тоннелях трассы БАМ, в выработках разного назначения на руднике «Таштагольский», известного проявлениями горного давления в виде мощных горных ударов, стреляниями и сдвижениями. Во всех исследованиях непосредственное участие принимал автор [6].

При повторных измерениях в Ялтинском гидротоннеле позднее была установлена трансформация напряжений, особенно со стороны южного портала, что связано с неотектоническими движениями, землетрясениями и другими геодинамическими явлениями. На основе анализа общих закономерностей в распределении напряжений в массиве горных пород и интенсивности импульсной электромагнитной эмиссии вдоль оси тоннеля нами выделяются четыре зоны.

Анализ полученных результатов показывает, что деформация тоннеля во многих местах связана с проявлениями горного давления, которое определяется, в основном, тектоническими нарушениями. Тектоническая расчлененность горного сооружения хорошо согласуется с графиком средних значений ЕИЭМПЗ

В трещиноватых зонах, вдоль линий сместителей в результате разгрузки напряжений наблюдается снижение интенсивности электромагнитной импульсной эмиссии. На участках, прилегающих к сместителю - повышение дисперсии напряженности. Как выяснилось на многих экспериментах и при наблюдениях в других выработках, это связано с процессами накопления и релаксации напряжений в таких зонах. Тектонические элементы характеризуются максимумами средних значений интенсивности поля, а ширина экстремумов, чаще всего, соизмерима с их размерами .Импульсное электромагнитное поле, его интенсивность зависит, прежде всего, от масштабов нарушения, степени его активности, от состава и свойств пород. В сильно трещиноватых породах скорость счета импульсов ощутимо снижается. Отдельные крупные макротрещины отбиваются минимумами на графике средних значений интенсивности поля.

В гидротоннеле неоднократно отмечались интенсивные деформации. Раскрытие трещин в бетонной обделке стен достигает 25-30мм и больше, обрушение свода, на локальных участках протяженностью до 40м происходит пучение почвы и взламывание бетонного лотка. После неоднократного ремонта деформации возобновляются, что подтверждает активность происходящих в массиве процессов изменения напряженно-деформированного состояния. Деформации приурочены к тектоническим дизъюнктивным нарушениям. Потери воды по таким нарушениям превышают во много раз количество воды, поступающей за счет водопритоков.

Шахтные стволы Н.Капитальный, Сибиряк глубиной свыше 800м на Таштагольском руднике, лифтоподъемники на южном берегу Крыма глубиной до 100м за годы эксплуатации стали испытывать деформации направляющих, обделки. Исследования носили специфический характер (круговая развертка через 1-5м) и позволили выявить главные причины деформаций: аномальное проявление горизонтальных напряжений, действие гидродинамических сил. На сложную пространственную структуру поля напряжений, в которых построены шахтные лифтоподъемники в Крыму, накладывают отпечаток древние временно стабильные и современные активные оползни.

Литература

1. Воробьев А.А. О возможности электрических разрядов в недрах Земли. Изв. Ан СССР, геол. и геоф., 1970, №12, 3-14с.

2. Воробьев А.А. Прямое преобразование механической энергии в электрическую на основе дефектной структуры твердого тела Ч II. Деп.ВИНИ Томск, 1976. 158с.

3. Журков С.Н., Куксенко В.С., Петров В.А. и др. О прогнозировании разрушения горных пород. Изв. АН СССР, сер. Физика Земли, 1977, № 6, с.11-18.

4. Краев А.П. Основы геоэлектрики. Л., Недра, 1965, 587с.

5. Саломатин В.Н., А.А.Воробьев Постановка метода изучения естественного импульсного электромагнитного поля при искусственной активизации оползневого процесса. Разведочная геофизика: теория, метод. результаты. Киев, 1984, с.120-127. P 6. Саломатин В.Н., Мастов Ш.Р, Защинский Л.А. и др. Методические рекомендации по изучению напряженного состояния пород методом регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). КИПКС, Союз НИО Крыма, Симферополь, 1991. 88с.