Физические эффекты, свойства и закономерности в акустике и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Шахтный способ применения метода ССП

Гликман А.Г.
Директор ООО "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
Семенов С.Н.
"Тиссен Шахтбау ГмбХ" (Германия)
Зам. главного инженера УС ГПР
март 2019, Санкт-Петербург

Метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) создавался как альтернативный традиционной, лучевой сейсморазведке. С помощью этого метода  в 1993-м году был обнаружен геологический объект, который был назван зоной тектонического нарушения (ЗТН). За 26 лет, которые прошли с тех пор, были осуществлены тысячи измерений, которые позволили обнаружить множество свойств ЗТН [1], и использовать их для прогнозирования и определения причин катастроф геологического происхождения, а также для поисков воды.

Зоны тектонических нарушений возникают в результате вертикальных трещин в коре Земли, которые периодически возникают из-за повышения давления в ядре Земли. Эти трещины имеют строго вертикальную ориентацию и выход их на поверхность Земли сопровождается возникновением воронкообразного объекта на ССП-разрезе типа показанного на рис.1.

Любое инженерное сооружение, оказавшееся в ЗТН, неизбежно разрушается. Характер разрушения определяется параметрами ЗТН, конструкцией сооружения, а также режимом его эксплуатации. Разрушаются как наземные, так и подземные сооружения, а также сами горные породы. Поскольку ЗТН формируются вертикальными трещинами, соединяющими поверхность Земли с околоядерным пространством, то глубина горных выработок при прогнозировании их состояния не имеет значения. Разрушаться будет горная выработка, находящаяся на любой глубине, если она находится на вертикали к ЗТН.

Особый упор делается на исследование подземного пространства. В зонах тектонических нарушений происходит обрушение пород кровли подземных выработок, обводнение их, а также выброс метана. Внезапная встреча подземной выработки с ЗТН является причиной возникновения аварийной ситуации, зачастую приводящей к травматизму и даже гибели людей. Таким образом, метод ССП, позволяющий прогнозировать эту встречу, решает проблему безопасности при ведении горных работ.

Наиболее удобно использовать метод ССП на Земной поверхности, на открытых пространствах типа газонов. Если стоит задача сделать прогноз надежности наземного сооружения перед началом его строительства, то на территории, предназначенной для возведения инженерного сооружения, следует осуществить профили типа шахматной доски с заранее оговоренным расстоянием между профилями, и определить наличие ЗТН с помощью расшифровки сделанных ССП-профилей.

Если стоит задача найти точку водопритока, тогда на заданном участке следует делать профиль за профилем до тех пор, пока не встретим ЗТН. В этом случае требования к ЗТН вполне конкретные. В районе тектонического нарушения не должно быть плывуна, а образующие ЗТН зоны должны быть примерно симметричными.

На рис.1 показан пример ССП-разреза, на котором виден воронкообразный объект с центром около 19-го метра. Точка, помеченная крестиком, является точкой водопритока.  Дело в том, что, как оказалось, вода на Земле возникла в результате синтеза [2] в околоядерном пространстве при соединении находящегося там водорода и кислорода, и выходит на поверхность Земли в ЗТН. При бурении в 19-й метр профиля вода пойдет с глубин 40 и 64м. Поскольку она идет снизу вверх, то на глубине 64м дебет воды будет больше, чем на глубине 40м.

На рис.1 показан пример ССП-разреза, на котором виден воронкообразный объект с центром около 19-го метра
Рис. 1

Образующие воронкообразных объектов, показанные красными штриховыми линиями, возникают за счет сползания вниз разрушающихся породных слоев.

Объект на рис.1 как бы двухэтажный, но если посмотреть этот же профиль на глубину, большую, чем 70м, то мы увидим там еще сколько-нибудь этажей. Дело в том, что воронкообразные объекты формируются только там, где залегают прочные породы. Там, где породы имеют меньшую прочность, образующие воронкообразных объектов разрушаются, истираются до состояния прессованной пыли при сползании пород.

Первоначально прочные породы, оказавшиеся в ЗТН, расслаиваются и, находясь в кровле горных выработок, обрушаются.

Геологические объекты, подобные изображенному на рис.1, были обнаружены в 1993-м году, и с тех пор их свойства изучаются, и всё большее количество людей пользуется этими свойствами [3].

Таким образом, действие ЗТН не ограничивается какой-либо глубиной. ЗТН разрушает как наземное сооружение, так и находящееся строго на вертикали к нему подземное сооружение, функционирующее на любой глубине. Поэтому выявляя ЗТН, мы можем прогнозировать аварийную ситуацию при эксплуатации объекта на любой глубине.

Понятно, что универсальных исследовательских методов не существует. Метод ССП также имеет очень серьезное ограничение. Оно заключается в том, что если земная поверхность является недоступной по причине, скажем, очень крутой поверхности или из-за наличия болот, то проведение спектрального сейсмопрофилирования становится невозможным.

Однако в 2008 году инженеры, эксплуатирующие аппаратуру ССП на Донском Горно-Обогатительном Комбинате (ДГОК) «ТНК «Казхром», город Хромтау, нашли возможность это ограничение снять.

Аппаратура ССП эксплуатируется  с 2005-го года в научно-инженерном центре (НИЦ) ДГОКа. Сотрудники НИЦ используют аппаратуру для определения состояния приконтурного массива вокруг выработки. С ее помощью удалось получать информацию по наличию зон с повышенной трещиноватостью массива и тектонических разломов в исследуемом массиве.

В 2008 году сотрудники НИЦ ДГОКа сделали попытку осуществлять разведку непосредственно из груди забоя подземной выработки. Схема этих измерений приведена на рис.2. При этом удар наносился в поверхность (в грудь) забоя, в непосредственной близости от прижатого к поверхности забоя сейсмоприемника. Информация представляет собой расстояние от поверхности забоя до ближайшей точки ЗТН. Зная величину L, проходчики получают информацию о расстоянии до тектоники и зон повышенной трещиноватости, и могут подготовиться к встрече с этим коварным объектом. Заранее выполнить ряд мер для предотвращения вывалообразований. В частности, использовать предохранительную опережающую  крепь или осуществить предварительное укрепление массива с помощью имеющихся в арсенале проходчиков средств и т.п.

В 2008 году сотрудники НИЦ ДГОКа сделали попытку осуществлять разведку непосредственно из груди забоя подземной выработки. Схема этих измерений приведена на рис.2.
Рис. 2

× – точки ударов (и контактов с сейсмоприемником?)

L – расстояние от груди забоя до границы ЗТН.

При такой схеме измерений ССП-разрез имеет вид, показанный на рис.3.

При такой схеме измерений ССП-разрез имеет вид, показанный на рис.3
Рис. 3

На первый взгляд, принцип действия очень прост, и полностью соответствует идее традиционной лучевой сейсморазведки. Сигнал, возникающий в результате удара, распространяется в направлении, перпендикулярном груди забоя, и отражается от ЗТН. Но тогда почему же этот принцип не работает при обычном, наземном использовании сейсморазведки? Для того, чтобы это понять, обратимся к эффекту акустического резонансного поглощения (АРП) [4].

Эффект АРП заключается в том, что при нормальном (перпендикулярном) ультразвуковом прозвучивании пластины-резонатора1 в случае совпадения частоты излучаемого сигнала с собственной частотой прозвучиваемой пластины зондирующий сигнал изменяет направление своего распространения и переориентируется на 90°. Схема установки для изучения АРП приведена на рис.4.

Схема установки для изучения АРП приведена на рис.4.
Рис. 4

Генератор импульсно-гармонического сигнала возбуждает пьезокерамический преобразователь 1, который излучает зондирующий сигнал в направлении х. На всех частотах кроме собственной частоты f0 слоя-резонатора 2 этот сигнал регистрируется пьезокерамическим преобразователем 3. Зондирующий сигнал с частотой f0 переориентируется в слое-резонаторе на 90° и пьезопреобразователем 3 не регистрируется, а регистрируется пьезопреобразователем 4.

Эффект АРП доказывает, что при проведении сейсморазведочных работ ударное воздействие на земную поверхность преобразуется в сумму затухающих гармонических сигналов, частоты которых соответствуют залегающим в земной толще геологическим объектам-резонаторам, и каждый из этих сигналов переориентируется в соответствующем геологическом объекте-резонаторе так, что распространяется в направлениях, параллельных земной поверхности.

При наличии объектов, прерывающих породную структуру (каковым является и ЗТН), зондирующий сигнал, распространяющийся вдоль земной поверхности, отражается от этих объектов и возвращается в виде эхо-сигнала к точке ударного воздействия.

То есть, при проведении обычных сейсморазведочных работ зондирующий акустический сигнал, возникающий в результате ударного воздействия на земную поверхность, распространяется не вниз, как всегда предполагалось, а в направлениях, параллельных земной поверхности. И если при этом приходит эхо-сигнал, то он приходит не снизу, а сбоку. Вернее, с боков. Понятно, что если эхо-сигнал, который ожидается снизу, приходит сбоку, то совпадения сейсморазреза с геологическим разрезом быть не может.

В самый первый момент после ударного воздействия зондирующий сигнал имеет форму короткого импульса, но он сразу же преобразуется в совокупность гармонических затухающих сигналов в соответствии с размерами залегающих в земной толще (в данном месте) геологических структур-резонаторов.

Процесс преобразования ударного воздействия в совокупность гармонических затухающих сигналов аналогичен тому, как ударное воздействие на струнный музыкальный инструмент преобразуется в совокупность звуков, соответствующих определенным частотам.

Затухающий гармонический сигнал имеет вид, подобный показанному на рис.5.

Затухающий гармонический сигнал имеет вид, подобный показанному на рис.5.
Рис. 5

Вот именно такой сигнал возникает при ударе в грудь забоя, если промпласт имеет четкую границу с вмещающей породой. Частота этого сигнала f определяется мощностью промпласта H следующим образом:

f = 2500 / H (Гц)

Этот сигнал будет распространяться вдоль по промпласту, не выходя за его пределы, со скоростью, примерно равной 2500м/с, до первого препятствия, от которого он отразится и будет зарегистрирован сейсмоприемником, прижатым к груди забоя, как эхо-сигнал.

Этот эхо-сигнал будет сложным, потому что сначала зондирующий сигнал отразится от границы ЗТН, а затем, от всех границ, находящихся внутри ЗТН.

Как показывает опыт более 10 лет работы по этой схеме, шахтный метод ССП является надежным источником информации о наличии и местонахождении ЗТН в подземных выработках.

Таким образом, использование метода ССП в условиях шахтного пространства показывает новые возможности для получения эксклюзивной информации о строении подземного массива и позволяет повысить надежность и безопасность проводимых работ.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Зоны тектонических нарушений 
  2. Ларин В.Н. Наша Земля (происхождение, состав, строение и развитие изначально гидридной Земли). М. «Агар» 2005, - 248 с., табл., илл.
  3. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений
  4. Гликман А.Г. Эффект акустического резонансного поглощения (АРП) как основа новой парадигмы теории поля упругих колебаний.

1 Объекты из подавляющего большинства материалов (металлы и сплавы, стекло, горные породы) являются резонаторами. То есть, при ударном воздействии на них, в простейшем случае возникает отклик в виде затухающего гармонического (синусоидального) сигнала.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"

Реклама на сайте: