Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ. Сенсоры для сейсморазведки. Сенсоры на ПАВ

7.3. Интеллектуальные портативные сенсоры для сейсморазведки

Геологи уже давно стали развивать методы исследования земной коры с помощью акустических волн. Их традиционно называют сейсморазведкой. Длительное время доминировало представление о том, что материал, из которого состоит земная кора, является упругим, как жидкость или металл, и распространение в ней акустических волн описывается известным волновым уравнением, выведенным для однородных жидкостей и металлов. Однако экспериментальные исследования по эхолокации земной коры показали, что это не совсем так. Земная кора оказалась неоднородной, особенно ее приповерхностный слой, состоящий в основном из осадочных пород [ [ 200 ] , [ 201 ] ]. Да и кристаллический фундамент из-за тектонических процессов, постоянно происходящих в недрах Земли, оказался неоднородным. Он имеет блочную структуру из-за наличия значительных разрывных разрушений, вызванных тектоническими процессами. В местах разрывов между блоками возникают пустоты. Находящиеся над пустотами осадочные породы, не выдерживая давления выше расположенных слоёв, начинают разрушаться и, постепенно проседая, заполнять эти пустоты. Область множественных разрушений и проседания медленно распространяется по осадочным породам снизу вверх. И спустя некоторое время вся толща осадочных пород над тектоническим разрывом кристаллического фундамента пронизывается трещинами, порами и пустотами. И только самый верхний слой осадочных пород толщиной 10-30 м, на который ничего не давит сверху, временно сохраняет относительную целостность и плотность, скрывая наличие глубоко под ним разрывных нарушений кристаллического щита. Если над такими тектоническими нарушениями возводят массивные инженерные сооружения, то их вес провоцирует продвижение нарушений и в самый верхний слой осадочных пород. Со временем, в результате утраты несущей способности и проседания грунта, это может послужить причиной неожиданных аварий [ [ 205 ] ].

7.3.1. Метод спектрально-сейсморазведочного профилирования

В роботах [ [ 199 ] , [ 200 ] , [ 201 ] , [ 202 ] , [ 301 ] ] показано, что такие опасные зоны можно выявить с помощью метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). Он состоит в том, что вертикально вглубь земли от мобильного ССП сенсора посылается импульсный акустический зондирующий сигнал. Затем "прослушивается" и записывается его растянутый во времени "отклик" – слабые вторичные акустические волны, возбужденные этим сигналом в земной коре. Они принимаются пьезоэлектрическим пленочным датчиком, который (это принципиально важно!) не имеет собственных резонансных частот. После усиления и фильтрации эхо-сигналов интеллектуальный сенсор выполняет их спектральный анализ. В спектре полученного сейсмического отклика слоям недр, которые находятся на большей глубине, соответствуют все более низкие частоты в спектре. Потом сенсор перемещают на определенное расстояние по горизонтали в заданном направлении "разреза", и повторяют измерения. Результаты многих последовательных измерений сводят вместе и строят "ССП-разрез" геологической структуры, один из примеров которого показан на рис. 7.8.

Рис. 7.8. ССП-разрез геологического массива вдоль газопровода "Уренгой – Новопсков" на расстоянии 80 км от г. Уфы; К – карстовая зона

Профилирование выполнено в зоне неожиданно произошедшей аварии газопровода. На участке этого разреза от 0 м до 110 м на глубине 70-80 м выявлена четкая граница между слоями, обусловленная наличием известняковой плиты. Дальше на участке от 120 м до 220 м проявился лейкоподобный объект (светлая штриховая линия), который и является характерным для зон тектонических нарушений. Это – следствие постепенного векового проседания осадочных пород. Темной штриховой линией выделена граница карстовой области К, возникшей в результате размыва грунтовыми водами, мигрирующими в таких зонах из глубин земли.

Замечено, что карсты всегда находятся рядом с подобными зонами. Из-за описанных особенностей геологической структуры, грунт на участке от 130 м до 250 м постепенно теряет несущую способность. Утратив опору, труба газопровода под действием собственного веса провисла, что со временем и привело к её разрыву. Если бы до прокладки или хотя бы вскоре после прокладки трассы трубопровода было проведено спектрально-сейсморозведочное профилирование, то, приняв надлежащие меры, аварии можно было бы избежать.

7.3.2. Возможности ССП в горном деле

Интеллектуальные спектральные сейсмические сенсоры помогают бороться и с такими грозными врагами горняков, как обрушение пород в шахту и внезапные выбросы угля и газа. Когда из-под земли добывается уголь, соль или руда или производится проходка туннеля, то над штреком без прежней опоры остаются верхние слои породы, которые начинают провисать и постепенно пронизываются мелкими нарушениями и отслоениями. Как правило, отслоения происходят по границам угольных, слюдяных и других прослоек породы со слабым сцеплением с соседними слоями породы. С помощью ССП можно своевременно выявить поверхности ослабленного механического контакта между слоями породы, расположение и размеры опасных отслоений, т.е. получить важную технологическую информацию, позволяющую выбрать оптимальные методы защиты штрека, людей, техники.

На рис. 7.9 показан ССП разрез над конвейерным штреком одной из шахт Донбасса.

Рис. 7.9. ССП разрез геологического массива над конвейерным штреком. Измерения проводились снизу. Уровень "0" соответствует "потолку" штрека.

Нижние 0,5-1 м породы, прилегающие к потолку штрека, не дают сигналов. Пробное бурение вверх от потолка штрека показало, что это – песчаник, который, как представлялось, является сплошным до 10 м толщины. Это было основанием надеяться на стойкость и надежность кровли. Однако на сделанном ССП разрезе четко проявились поверхности ослабленного механического контакта между слоями (на рис. 7.9 – горизонтальные штрихи), которые, как позже было установлено, обусловлены тонкими прослойками угля, сцепление которых с песчаником довольно слабое. Т.е. представление о надежности и стойкости кровли было обманчивым. По результатам ССП в штреке было установлено дополнительное усиленное крепление. И когда верхние слои породы обвалились, именно это крепление позволило избежать человеческих жертв и потери техники.

Внезапные выбросы угля и газа – грозное стихийное бедствие, которое и до сих пор является причиной трагических случаев у горняков. Но ведь эти выбросы являются "внезапными" только для тех, у кого нет информации об их назревании. Выбросы не происходят беспричинно. Их источником являются большие герметические пустоты в породах, постепенно заполненные метаном под высоким давлением и расположенные вблизи от горных выработок. Такие пустоты можно выявить акустическими методами. Имея информацию об их расположении и размерах, можно разными методами осторожно снизить давление газа в них и тем самым ликвидировать угрозу выбросов.

Метод ССП может помочь и в поисках месторождений алмазов. Ведь они могут сформироваться лишь там, где при разрыве кристаллического щита, породы перемещались (выносились) снизу вверх. На ССП разрезах тело трубки выносов обычно выглядит как куполообразный объект с двойной окантовкой на глубинах 70-150 м ( рис. 7.10).

Рис. 7.10. ССП разрез геологического массива месторождения "Поморское" (Архангельская область). Серыми линиями выделена трубка выноса пород

И с целью повышения эффективности поисков детальные геологические исследования целесообразно проводить лишь в районах, где выявлены такие объекты.