Rational frequency range and criteria for diagnosing endogenous fire zones in coal massifs by using the georadiolocation method

Full Text

Введение

На сегодняшний день разработка угольных месторождений – один из самых аварийных и опасных видов добычи ископаемых [1]. За последние несколько лет количество аварий в угольной промышленности хоть и имеет тенденцию к снижению, но число эндогенных возгораний угля не уменьшается [2]. В целях разработки действенных мер борьбы с эндогенными пожарами проводятся масштабные исследования процесса самовозгорания породоугольных массивов. Так, в работах [3–5] были проведены эксперименты по определению роста интенсивности тепловыделения в зависимости от начальной температуры, крупности, влажности угля и воздуха, а также скорости движения газа. В настоящее время разработаны решения для ограничения доступа кислорода в очаги эндогенных пожаров в минимальные сроки и предотвращения их возникновения в случае протекания интенсивного окислительного процесса [6].

Важным требованием, предъявляемым к открытым геотехнологиям, является снижение негативного воздействия на экологию и здоровье людей. При угольных пожарах в окружающую среду поступает большое количество химических компонентов, что приводит к неблагоприятным экологическим последствиям [7]. Эндогенные пожары ухудшают санитарно-гигиенические условия труда шахтеров, загрязняют воздух прилегающих территорий токсичными продуктами горения и окисления [8].

Для Кузбасса проблема эндогенных пожаров особенно актуальна. Регулярно публикуются научные статьи, отчеты и исследования, в которых описывается зарегистрированный пожар эндогенного происхождения. Территориями, на которых происходит самовозгорание угольный залежей, выступают различные объекты угольных предприятий – отвалы [9], терриконики [10], пласты ликвидированных шахт [11], угольные склады [12] и т. д.

Проблема эндогенных пожаров волнует не только ученых Кузбасса и России, эту проблему также активно изучают зарубежные исследователи. Их труды направлены на анализ проблем в аспекте самовозгорания угля [13, 14], определение факторов, влияющих на интенсивность разогрева, разработку методов предотвращения и ликвидации эндогенных пожаров [15]. Исследованы такие факторы, способствующие повышению склонности к самовозгоранию, как циклическое замораживание-размораживание угля [16] и приток воздуха, окисляющего уголь, в выработанное пространство [17]. Иностранные исследователи также приводят научный опыт на тему борьбы с последствиями эндогенных пожаров [18, 19].

Одним из наиболее информативных и эффективных способов обнаружения очага эндогенного пожара является применение электромагнитных методов, включающих электическое зондирование (ЭЗ), геоэлектрический (ГЭ) и георадиолокационный (ГР) метод [20].

Георадиолокационное зондирование (высокочастотное электромагнитное сканирование) основано на отражении электромагнитных волн от неоднородностей, контрастных по диэлектрическим свойствам. Основная область применения георадаров – строительные изыскания с земной поверхности, локация коллекторов, трубопроводов и т. п.

Теории и практике применения георадиолокации посвящено большое количество как отечественных [21–24], так и зарубежных монографий [25–27]; количество же небольших публикаций уже давно исчисляется сотней статей. Однако как первые, так и вторые уделяют внимание в основном практическим аспектам применения георадара в различных геологических условиях, а также вопросам обработки и интерпретации радарограмм. Теоретическим вопросам моделирования (решения прямых и обратных задач) из указанного списка частично или полностью посвящены работы [23, 24, 26].

Возможности георадиолокации для решения задач геомеханики, подземной, открытой и строительной геотехнологии исследованы недостаточно. Кроме технических трудностей, связанных с отсутствием аппаратуры в искробезопасном исполнении, экранированием контура выработки металлическими элементами крепи (рамы, арматура, затяжка), высоким уровнем электромагнитных помех в выработках из-за наличия кабельных ЛЭП и электросиловых установок, активное применение георадаров на шахтах сдерживается отсутствием методик и программного обеспечения для интерпретации подземных радарограмм.

Обнадеживающие результаты получены в Институте горного дела Севера СО РАН. Авторами предложено использовать при интерпретации георадиолокационных данных вейвлет-преобразования, включающего анализ измеренного радаром сигнала на разных частотах и масштабах [28]. Этот подход реализован для радара «Тритон» с центральной частотой 30 МГц. Разработанные теоретические основы и физическое моделирование в данном диапазоне позволили реализовать предложенный метод при изучении мерзлого массива горных пород, отличительной особенностью которого является заполнение пустот и пор породы как льдом, проявляющим диэлектрические свойства, так и электропроводящим талым раствором [29–32].

Проведены испытания георадара ОКО-2 с антенным блоком с центральной частотой 400 МГц в условиях шахты «Талдинская-Западная». Зафиксированы расслоения в кровле подготовительной выработки. Вместе с тем следует отметить, что при интерпретации радарограмм авторы не учитывали указанные выше факторы, существенно влияющие на информативность георадиолокационного метода [33, 34].

В работе [35] изложены результаты использования георадара ОКО-2 с антенным блоком АБ-1200. Основная проблема состояла в сильном влиянии на результаты зондирования полостей, заполненных водой с высокой проводимостью. Применение комплекса корректирующих операций (выравнивание амплитуд, преобразование Гильберта, горизонтальная фильтрация) позволило повысить информативность мониторинга.

Целью исследования является экспериментально-теоретическое обоснование рационального частотного диапазона и критериев диагностирования зон эндогенных пожаров в породоугольных массивах методом георадиолокации с учетом физических особенностей этих зон.

Материалы и методы

Георадары предназначены для диагностирования зон, аномальных по электромагнитным свойствам, методом бесконтактного подповерхностного зондирования. Основным информирующим электромагнитным параметром при георадиолокации является диэлектрическая проницаемость ɛ, которая для сред с конечной электрической проводимостью может быть выражена в комплексной формуле [21]:

e = e' + je",

где e' – действительная часть , отражающая процесс поляризации идеального диэлектрика; e" – мнимая часть, обусловленная проявлением проводимости, зависящая от удельного электросопротивления (УЭС) среды ρ и круговой частоты электромагнитного поля ω=2πf, e"=1/ρω (f – циклическая частота).

Зона эндогенного пожара на стадиях самовозгорания и развития пожара характеризуется следующими изменениями электромагнитных свойств породоугольного массива: вследствие испарения влаги величины e' и ρ изменяются до значений, соответствующих высушенному состоянию.

Измерения e' в диапазоне частот георадиолокации (50–3000 МГц) связаны со значительными техническими трудностями, поэтому банк экспериментальных данных весьма ограничен. Так, в работе [36] приведены диапазоны e' и ρ на частоте 100 МГц (табл. 1).

 

Таблица 1. Электромагнитные свойства пород (f=100 МГц)

Table 1. Electromagnetic properties of rocks (f=100 MHz)

Порода/Rock	Степень влажности/Humidity degree
	Высушенная Dried		Водонасыщенная Water saturated
	e'	ρ, Ом·м/Ohms·m	e'	ρ, Ом·м/Ohms·m
Грунт песчаный Sandy soil	4–6		15–30
Суглинок/Loam	4–6		10–20
Грунт глинистый Clay soil	4–6		10–15
Глина/Clay	2–6		15–40
Гранит/Granite	5		6
Известняк Limestone	7		8

 

Кроме того, отмечается, что с повышением температуры влажного пористого грунта величина ρ уменьшается в 1,5–2,0 раза за счет снижения вязкости порозаполняющих жидкостей.

Более детальные данные о характере изменения электромагнитных параметров песчано-глинистых грунтов в диапазоне частот f=30–2000 МГц приведены в работе [37] (рис. 1).

 

Рис. 1. Зависимость электромагнитных свойств суглинка серого от частоты f: 1 – e' при влажности W=20 %; 2 – e' при W=10 %; 3 – e' при W=5 %; 4 – e' при W=2,5 %; 5 – e' при W=0 %; 1' – ρ при W=20 %; 2' – ρ при W=10 %; 3' – ρ при W=5 %; 4' – ρ при W=2,5 %; 5' – ρ при W=0 %

Fig. 1. Dependence of electromagnetic properties of gray loam on frequency f: 1 – e' at humidity W=20%; 2 – e' at W=10%; 3 – e' at W=5%; 4 – e' at W=2,5%; 5 – e' at W=0%; 1' – ρ at W=20%; 2' – ρ at W=10%; 3' – ρ at W=5%; 4' – ρ at W=2,5%; 5' – ρ at W=0%

 

Из приведенных данных следует, что по мере повышения температуры и снижения влажности породоугольного массива (W→0) в очаге эндогенного пожара происходит формирование зоны с ярко выраженными диэлектрическими свойствами (e'<4–6; ρ>100 Ом·м).

Частотный диапазон георадиолокации в значительной мере влияет на основные параметры точности диагностирования аномальной зоны: глубинность и разрешающая способность.

Оценка глубинности георадиолокационного зондирования представляет собой весьма сложную задачу, поскольку на затухание генерируемых электромагнитных волн влияет целый ряд факторов, точный учет которых в условиях неоднородности среды практически невозможен:

• потери за счет наведения вихревых токов в проводящей среде и формирования вторичного поля (скин-эффект);
• расхождение волны по мере удаления от источника (антенны);
• расхождение и преломление сигнала на границах диэлектрически контрастных слоев.

Под глубинностью зондирования H понимают максимальную глубину границы исследуемого объекта, которая может быть зафиксирована на радарограмме данной аппаратурой, а разрешающая способность – это минимальное расстояние Δ по глубине (в плане) между соседними объектами или их элементами [21]. Выбор рациональной центральной частоты f₀ георадара является задачей оптимизации, поскольку с увеличением f₀ глубинность зондирования H и величина, обратная разрешающей способности (1/Δ), снижаются.

Для решения поставленной в работе задачи возможны следующие пути.

1. Из условий равенства мощности волны, отраженной от границы на глубине H, и мощности собственных шумов приемного тракта следует, что величина H линейно зависит от lgQ [21]:

$Q= P_{0}N{K}_{\text{отр}}^{\text{2}},$                      (1)

где Q – комплексный параметр георадиолокации; P₀ – излучаемая мощность антенны; N – число накоплений; K_отр – коэффициент отражения от нижней границы объекта.

Получены линейные зависимости H=H(f₀,lgQ,r), по найденному значению f₀ выбирают ближайшую меньшую центральную частоту штатного антенного блока. Разрешающую способность проверяют из условия:

$\Delta <\frac{1}{2}\lambda =\frac{C}{2f_0\sqrt{{\epsilon }^{\text{'}}}},$               (2) 

где λ – длина волны в среде; c – скорость волны в вакууме.

В работе [38] предложено ввести целевую функцию $F\left(f\right)=F\left[H\left(f,\rho \right);\text{Δ}\left(f,{\epsilon }^{\text{'}}\right)\right],$

включающую оба критериальных параметра H, D, электромагнитные параметры r, e', постоянную, комплексно учитывающую все неизменяемые параметры зондирования, и требуемую детальность.

Теоретическое значение f₀ определится из решения уравнения

$\frac{dF}{df}=0:f_0=\left(\frac{\mathrm{1,125}C}{L}K\sqrt{\frac{\rho }{{\epsilon }^{\text{'}}}}\right),$ (3)

где L=3–10 м² – постоянная, отражающая диапазон детальности; K=3‧10¹² м·Гц^1,5(Ом·м)^–0,5 – постоянная, включающая неизменные параметры зондирования.

2. Наиболее экспериментально и теоретически обоснованной представляется методика, предложенная в работе [22], идея которой состоит в сопоставлении функции ослабления сигнала A (дБ/м) с энергетическим потенциалом E (дБ) георадара. В расчетах были использованы следующие зависимости:

$\begin{array}{c}A=\frac{20}{\text{ln}\left(10\right)}\sqrt{\frac{\pi }{C{\epsilon }_0\lambda \rho }};\\ E=20\lg \left(\frac{U_{\text{г}}}{U_{\text{т}}}\right)+10lgN-E_{\text{сш}},\end{array}$

где U_г, U_т – соответственно, напряжения на выходе генератора и сигнала помехи на входе приемника; N – число накоплений сигнала; E_сш – соотношение (в дБ) «сигнал–шум».

Приведены решения этой системы уравнений относительно f₀ в графической форме (номограммы) для плоскостных, линейных и локальных объектов.

Для оценки разрешающей способности рекомендовано использовать выражение

$\Delta <\frac{1}{2}\sqrt{\lambda H}.$                        (4)

Результаты исследования

Рассмотрим физические особенности зоны эндогенного пожара объекта исследований.

Метод георадиолокации целесообразно применять на стадиях самонагревания и развития пожара, когда электромагнитные свойства пород в очаге изменяются существенно вследствие удаления влаги. По данным экспериментально-теоретических исследований [3, 4, 11] развитие пожара в глубине углепородного массива возможно при условии превышения количества тепла, образующегося при окислении и горении угля за счет притока кислорода, количества тепла, отдаваемого в окружающее пространство вследствие термодинамических процессов. При этом зона развития пожара классифицируется как плоскостной объект с относительно стабильным расположением очага (верхней и нижней границ) в диапазоне H=3–6 м. С учетом данных табл. 1 и средних значений электромагнитных свойств, вмещающих безугольных пород для условий Кузбасса [22] необходимые для расчетов значения электромагнитных параметров вне и внутри объекта составят соответственно: r₁=46,3 Ом·м; e'₁=11,5; r₂≈10³ Ом·м; e'₂=5. Тогда расчетный коэффициент отражения от верхней границы объекта составит

$K_{\text{отр}}=\frac{\sqrt{{{\epsilon }^{\text{'}}}_1}-\sqrt{{{\epsilon }^{\text{'}}}_2}}{\sqrt{{{\epsilon }^{\text{'}}}_1}+\sqrt{{{\epsilon }^{\text{'}}}_2}}=\mathrm{0,206.}$

Перейдем к оценке рационального частотного диапазона георадиолокации для рассматриваемого объекта по трем рассмотренным выше методикам для георадара «ОКО-2». Результаты расчетов сведены в табл. 2.

Для пояснения расчета методом 3 приведены зависимости центральной частоты f₀ от глубины H и числа накоплений N для плоскостных объектов [22. С. 50].

 

Таблица 2. Результаты расчетов рациональных параметров f₀ и Δ для георадара «ОКО-2»

Table 2. Results of calculations of rational parameters f₀ and Δ for georadar «ОКО-2»

Величина Value	Метод 1 [21] (формула) Method 1 (formula)	Метод 2 [38] (формула) Method 2 (formula)	Метод 3 [22] Method 3
Промежуточная величина Intermediate value	(1) Q=8520 Вт/W P0=200 Вт/W N=103	L=10 м2/m2 K=3·1012 м·Гц1,5/(Ом·м)–0,5 m·Hz1,5/(Ohm×m)–0,5	H=3 м/m N=104
f0	lgQ=3,91 r2=103 Ом·м/Ohm×m [21. С. 38] 100 МГц/MHz	(3) 132,6 МГц/MHz	H=3 м/m N=104 (рис. 2) 49,2 МГц/MHz
Δ	(2) 0,442 м/m	(4)
		l=0,667 м/m 0,707 м/m	l=1,770 м/m 1,152 м/m

 

Рис. 2. Расчетные значения f₀ в зависимости от глубины зондирования H и числа накоплений N по данным [22] для плоскостных объектов

Fig. 2. Calculated values f₀ depending on the depth of sensing H and the number of savings N according to [22] for planar objects

 

Обсуждение и заключение

Таким образом, с учетом физических особенностей зоны эндогенного пожара рациональный диапазон центральной частоты георадиолокации по различным методикам оценки составляет f₀=49,2–132,6 МГц, при этом диапазон детальности Δ=0,44–1,15 м.

При диагностировании запожаренных зон на радарограммах следует учитывать следующие особенности этих объектов:

• при развитии пожаров в борту угольного разреза эта зона будет иметь форму вытянутого сфероида с большей осью, параллельной бровке уступа, а при развитии пожара под плоской горизонтальной поверхностью она будет близка к сплюснутому по вертикали сфероиду или цилиндру;
• на начальных стадиях интенсивного горения угля из-за высокой температуры образуются зоны высушенной породы с предельно низкими значениями e'=4–6, поэтому эти зоны на радарограммах должны характеризоваться пониженными значениями амплитуд отраженного сигнала и существенным ослаблением осей синфазности;
• при длительном горении и выгорании угля вероятно образование пустот, приводящих к обрушению над очагом вплоть до земной поверхности, которые отличаются на радарограммах хаотичным типом волновой картины при практическом отсутствии осей симфазности отраженных волн.

В качестве примера применения приведенных выше критериев интерпретации результатов георадиолокации на рис. 3 приведен фрагмент радарограммы, полученной георадаром «ОКО-2» с антенным блоком АБ-150 (f₀=150 МГц) в борту угольного разреза «Бачатский» [39].

На радарограмме достаточно чётко выделяются запожаренные участки на интервалах профиля x= –120– –60 м и x= –20– –40 м на глубине 2–4 м (значительно ослаблены линии синфазности), а на интервале x= –40– –20 м между этими зонами радарограмма имеет хаотичную волновую картину, что указывает на вероятное образование пустот и обрушенных пород.

Результаты георадиомониторинга согласуются с данными визуальных наблюдений и контактной геофизики.

Выводы

1. Рациональный диапазон центральной частоты георадара f₀ может быть определен следующими методами: на основе комплексного параметра георадиолокации, включающего излучаемую мощность антенны, число накоплений и коэффициент отражения от границы объекта; по экстремальному значению целевой функции, включающей глубину и детальность зондирования как функции частоты; решением системы уравнений функции ослабления сигнала и энергетического потенциала георадара. Разрешающая способность Δ с достаточной степенью точности равна половине длины волны в среде.
2. Физические особенности зоны эндогенного пожара на стадиях самовозгорания и интенсивного горения состоят в высушивании породоугольного массива с образованием аномальной зоны с ярко выраженными диэлектрическими свойствами (e'=4–6; r>100 Ом·м), по форме близка к вытянутому эллипсоиду (в борту угольного разреза) или сплюснутому по вертикали сфероиду (под плоской поверхностью). С учетом этих особенностей расчетный рациональный диапазон центральной частоты для георадара «ОКО-2» составил f₀=49,2–132,6 МГц, при этом разрешающая способность составит Δ=0,442–1,152 м.
3. При интерпретации радарограммы запожаренные зоны диагностируют по участкам, отличающимся аномальным ослаблением осей синфазности, а зоны обрушенных пород и пустот над очагом – по аномальной хаотичной волновой картине.

 

Рис. 3. Радарограмма, полученная на участке борта угольного разреза «Бачатский»: 1 – зона эндогенного пожара; 2 – зона обрушения

Fig. 3. Radarogram obtained at the site of the side of the Bachatsky coal mine: 1 – endogenous fire zone; 2 – collapse zone

About the authors

Sergey М. Prostov

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: psm.kem@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0780-2690

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, Kemerovo

Vsevolod V. Kalaygoroda

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Author for correspondence.
Email: Kalay232@gmail.com

Postgraduate Student

Russian Federation, Kemerovo

Evgeny А. Shabanov

T.F. Gorbachev Kuzbass State Technical University

Email: evgenshab@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2460-6467

Cand. Sc., Associate Professor

Russian Federation, Kemerovo

References

Supplementary files