CC BY
58
© B.B. Набатов, P.M. ГаЁсин, Д.С. Буянова, 2013
УДК 550.8::[624.191.6:625.78]
В.В. Набатов, Р.М. Гайсин, Д.С. Буянова
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОРАЗВЕДОЧНЫХ ИЗЫСКАНИЙ ПРИ ОБСЛЕДОВАНИЯХ МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД ДО ПРОХОДКИ КОЛЛЕКТОРОВ
Описан опыт применения методов георадиолокации и электроразведочной томографии для оценки состояния геомассива до проходки коллекторов с помощью щитовой проходки. Описаны основные проблемы, приведена интерпретация результатов.
Ключевые слова: щитовая проходка, коллектор, георадар, георадиолокация, электроразведочная томография, прикладная геофизика, сейсморазведка, помеховые факторы, основные проблемы, комплексирование, глубинность, накопление сигналов, интерпретация результатов.
При шитовой проходке коллекторов в условиях города ряд причин может вызвать аварийную ситуацию. Области разуплотнения (зоны карстово-суффозионных процессов, пустоты, линзы водонасышен-ных и увлажнённых грунтов, засыпанные свалки, древние русла рек), нахо-дяшиеся на пути шита могут приводить к порче оборудования или к аварийному состоянию строяшегося объекта. Например, к затоплению строяшегося коллектора со сдвижением дневной поверхности (так развивалась авария в районе улицы Большая Дмитровка в Москве в 1998-м году [1]). Более детально спектр проблем изложен в [2]. Поэтому, до проходки коллекторов, необходимо выяснять наличие областей разуплотнения и по результатам исследований либо изменять трассу коллектора, либо изменять режимы и технологию проходки потенциально опасных областей. В большинстве случаев речь идёт об оценке нарушенности геомассива до глубин в 5-15 м.
Для контроля состояния геомассивов в городах уже многие годы используются геофизические методы, среди которых наибольшее распространение получили сейсморазведка, электроразведка и георадиолокация; изредка используется гравиразведка [3, с.64]. Появляются модификации уже перечисленных методов: так, например, в сфере сейсморазведки помимо традиционных MOB ОГТ и КМПВ в практику входит MASW. Развиваются традиционные методики - существуют варианты МОВ\МОВ ОГТ, позволяющие изучать первые метры глубин [4]. Методы, использующие электромагнитные поля также не ограничиваются георадиолокацией [3, с.68;5]. Однако георадиолокация имеет определённые преимущества в сфере описываемых задач. Этот метод оперативен; не столь трудоёмок и поэтому позволяет снимать большие площади (по сравнению с сейсморазведкой); обладает высокой разрешающей способностью (по сравнению с сейсморазведкой и электроразведкой); позволяет детально анализиро-
вать первые метры геомассива. Проблемами же для георадиолокация являются: так называемые "воздушные" помехи; неравномерность распределения физических свойств грунтов; зависимость оценок глубины заложения объектов от свойств грунтов; необходимость выбирать между глубинностью и разрешающей способностью.
"Воздушные" помехи это паразитные отражения от надземных объектов - они достаточно хорошо просматриваются на радарограммах, не смотря на то, что георадары конструируются так, чтобы диаграмма направленности имела свой максимум в направлении геомассива, а сама антенна была экранирована материалом, поглощающим энергию волн. Невозможность избавиться от этого типа помех в частности связана с тем, что в воздушной среде волна слабее затухает. В некоторых случаях специфика "воздушных" помех такова, что они слишком зашумляют радаро-грамму и снижают её читабельность. Однако в приведённом выше списке проблем георадиолокации "воздушные" помехи не являются самой острой проблемой. В мегаполисах грунты обычно являются нарушенными -т.е. геомассив уже "вскрывался" и подвергался воздействию (котлованы, траншеи, искусственные грунты, строительный мусор, нарушенные гидрорежимы) и содержит в себе множество отражающих границ, среди которых трудно выявить необходимые объекты. Другим следствием нарушенности грунтов становится небольшое значение предельной глубины, с которой еще можно получить отражённые сигналы (так называемая "глубинность"). Малая глубинность также может быть связана со строением геологического разреза (водо-упоры создают высокоамплитудные
отражения и не пропускают излучение ниже, в глинистых породах наблюдается высокое затухание сигнала), а также с приповерхностными помехами (многослойные асфальтовые покрытия, другие элементы конструкции дорог и т.п.).
Увеличение глубинности возможно при понижении частоты электромагнитного излучения георадара, но это означает снижение разрешающей способности (в некоторых задачах достаточно заметное) и часто означает увеличение зашумлённости радаро-граммы так называемыми «звенящими» записями. Другой подход - увеличение мощности импульса, подаваемого на антенну. У него есть свои ограничения - значительное увеличение мощности импульса приводит к незначительному приросту глубинности [6]. Тем не менее, некоторый прирост глубинности получить можно, если подавать на антенны очень высокие по мощности импульсы (1-10 МВт) [7]. Опыт работы с подобными георадарами вынесен в отдельную статью [2]. Попытка справиться с проблемой недостаточной глубинности с помощью накопления, предложенная, например, в [8] не всегда даёт результаты. Поскольку в воздухе сигналы георадаров распространяются вне проблемы неравномерности распределения электрических свойств и затухают слабее, чем в геомассиве, накопление "воздушных" помех становится более эффективным, чем накопление откликов от подземных объектов. Рада-рограмма становится менее читабельной.
Примером описываемой ситуации могут послужить радарограммы рис. 1, а и б. Это один и тот же профиль (георадар "ОКО-2", 250 МГц, обработка - веозсап32). Вариант рис. 1, а пройден с накоплением 128 сигналов на трассу, вариант рис. 1, б
■я а 1 i 6 2 Ш II 14 [6 13 И 22 "24 И 'И Я К И Ж К И-« Щ 'Щ ■>! 5) № Я 5® Я ч
Рис. 1. Изыскания с различным накоплением: А - накопление 128 сигналов на трассу, Б - накопление 1024 сигнала на трассу. ВП - "воздушная" помеха
пройден с накопление 1024 сигнала на трассу. Обработка обоих радаро-грамм (деконволюция, АРУ) и шкалы кодирующие уровни амплитуд идентичны. Во втором случае пришлось проходить профиль по точкам, поскольку регистрация одной трассы занимала несколько секунд (шаг на профиле - 25 см; общее время съёмки - более 30 мин). Из-за трудоёмкости процесса снимается меньше трасс на погонный метр профиля (т.е. снижается горизонтальное разрешение), хотя при поиске аварийно опасных областей эта проблема не становится острой.
Интерпретируя приведённые ра-дарограммы, можно сказать что, профиль, пройденный с большим накоплением существенно больше за-шумлён (рис. 1, а). На радарограмме выделен пример помехи, который обозначен как ВП ("воздушная" помеха). Исходя из анализа расстояний, скорее всего помеху создали провода над площадкой, параллельные профилю. Также просматривается гипербола, вызванная проводами, перпендикулярными профилю. Участок 34-52 м - засыпанный котлован. Нужно уточнить, что в ряде случаев накопление может сыграть и положи-
тельную роль [9]. Также стоит заметить, что на приведённом примере не только помехи, но и полезные отражения просматриваются лучше. Однако в этом случае увеличение глубинности оказалось не достаточным для решения задачи.
В случаях, когда необходимая глубина георадаром не достигается, приходится довольствоваться поиском тех нарушений которые, находясь на глубинах 5-15 м, как-то проявляются и на глубинах 1-5 м. Либо комплек-сировать георадиолокацию другими методами, например электроразведочной томографией (Electric Resistivity Tomography; далее ERT).
В последние годы электроразведка постепенно занимает всё большее место в инженерной геофизике [10, 11, 12, 13]. Достоинством комплексиро-вания методов является различная чувствительность методов к различным особенностям выявляемых объектов, а также влияние на результаты различных источников помех. Результаты разных методов дополняют друг друга. Для описываемой задачи важно, что при ERT не так остро стоит проблема глубинности; не столь сложна оценка глубины расположения объекта от свойств грунтов; на результаты влияют совершенно другие типы помех.
Однако ERT имеет ряд собственных проблем. Для метода характерна достаточно низкая разрешающая способность, которая к тому же падает с глубиной. Важно и то, что результаты дают распределение кажущегося сопротивления не по сечению профиля, а включают массив в обе стороны от профиля на расстояние примерно 1/4 разноса электродов AB (т.е. с глубиной объём, за который усредняются результаты, увеличивается). Если речь идёт о зонах разуплотнения, то их типичные размеры обычно доста-
точно велики, чтобы эта особенность не становилась проблемой. Но камни на пути шита этим методом обычно не выявляемы. Также по этим причинам трудно давать оценки, чем является область разуплотнения.
Сушествует еше одна проблема. Глубинность ERT оценивают как 1/4 максимального разноса электродов АВ. Это означает, что область на глубине 15 м можно анализировать с помошью профиля длинной минимум 60 м. При этом для анализа геомассива нужно получить несколько точек на глубине. Т.е. длина профиля должна увеличиться еше на несколько межэлектродных расстояний - до 75-90 м. В условиях плотной городской застройки и при наличии асфальтового покрытия можно просто не найти необходимой плошадки для проведения обследования. При этом небольшие асфальтовые покрытия (пешеходные дорожки) вполне можно игнорировать, не монтируя электроды в этих местах. В этом случае незначительно будет утеряна детальность разреза в некоторых местах томограммы.
Еше одна проблема ERT - трудоёмкость работ. Монтирование многоэлектродной установки на профиле, измерения, перенесение аппаратуры на следуюший профиль занимают су-шественно больше времени, чем прохождение того же профиля георадаром (даже в случае использования очень больших накоплений). К недостаткам метода стоит отнести и влияние поверхностных условий на результаты. Если на протяжении профиля есть плошадка с нарушенным грунтом (засыпанная яма, котлован) в пределах которой смонтированы электроды, это создаст аномалии на томограмме. Если размеры этой пло-шадки не велики, то на томограмме они проявляются у поверхности и на глубокие точки разреза повлияют
слабо. Однако засыпанный котлован может данные исказить сушественно -подобные особенности стоит учитывать при интерпретации. В ряде случаев их удобно выявлять с помошью георадиолокации (см. рис. 1).
На рис. 2 представлены примеры результатов ERT: рис. 2, а - геомассив оценён как нарушенный, рис. 2, б
- как ненарушенный. В обоих случаях середина профиля находится над коллектором. Межэлектродное расстояние - 2 м; оборудование - электроразведочная станция "Электротест" (производство НТК "Диоген") с дополнительно изготовленными коммутатором и электроразведочными косами. Программа обработки -RES2DINY (фирма "веегото"). Как может просматриваться сам коллектор показано на рис. 2, в.
Интерпретировать эти томограммы можно следуюшим образом. В ненарушенных геомассивах кажушееся сопротивление обычно не испытывает резких изменений (особенно вдоль профиля - из-за склонности массивов к горизонтальной слоистости). При этом на грунтах мегаполисов некоторое изменение сопротивления наблюдается в большинстве случаев (это связанно с техногенным воздействием на грунты), однако на нарушенных геомассивах распределение областей повышенного и пониженного кажуше-гося сопротивления начинает себя вести более хаотично. Именно такую картину можно наблюдать на рис. 2, а
- в правой части можно даже заметить ярко выраженное чередование областей высокого и низкого сопротивления. Еше одной важной деталью, проявившейся и в этом примере, является наличие субвертикальных структур. Подобная структура просматривается на участке 16-24 м. Ненарушенный массив скорее будет предполагать горизонтально-слоистую
структуру. Для сравнения на рис. 2, б представлен ненарушенный геомассив - распределение значений кажушего-ся сопротивления не столь хаотично. Вполне просматривается горизонтально-слоистая структура с тем уточнением, что какие-то её нарушения могут быть вызваны не только спецификой залегания пород, но и распределением воды в массиве. Если сравнить шкалы рис. 2, а, б, то можно заметить что перепад значений сопротивления на ненарушенном массиве (рис. 2, б) выше. Подобная ситуация возникла скорее всего потому что изыскания по нарушенному массиву происходили весной (конец апреля 2011), а по ненарушенному - засушливым летом (август 2010, длительная 40-градусная жара в Москве). Во втором случае грунт более сухой.
Здесь интересен пример радаро-граммы, полученной на том же профиле, где снята и томограмма рис. 2, а. Этот георадарный профиль представлен на рис. 3 (георадар ОКО-2, 250 МГц). Здесь на участке 8 - 24 м просматривается изменение характера волнового поля. На этих трассах возникает большое количество так называемых "звеняших" записей, которых нет на других частях радаро-граммы. Анализируя радарограмму, можно сказать, что глубинность георадара на этом геомассиве не превышает 3 м. Однако, в данном случае можно предположить, что нарушение выходит на поверхность и поэтому видна на результатах георадиолокационного обследования. Область 8 -24 м хорошо просматривается и на соседних профилях. И что важно -она находится в том же месте, где просматривает ярко выраженная субвертикальная аномалия на томограмме рис. 2, а. Участок 34 - 42 м также представляет интерес, но эта область
Рис. 2. Примеры томограмм полученных при обследованиях с помощью электроразведочной томографии
более ярко проявилась на радаро-граммах других профилей и при другой обработке.
Комплексирование электроразведочной томографии с георадиолокацией также позволяет выявлять структуры, которые не являются важными для геофизических изысканий, но могут искажать результаты электрораз-
ведочной томографии. Например, на результатах георадиолокационного профилирования рис. 1 хорошо просматривается засыпанный котлован. То, что это котлован очевидно по чётким границам и прямоугольной его форме, просматри-ваюшейся при анализе ряда соседних профилей.
Рис. 3. Радарограмма с областью оценённой как "подозрение на область разуплотнения"
Таким образом, при обследованиях геомассивов до проходки коллекторов эффективным решением может быть использование ком-
плекса георадиолокации и электроразведочной томографии. Хотя возможно и дальнейшее расширение комплекса.
1. Изюмов С.Б., Дручинин С.В., Вознесенский А.С. Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие / М.: «Горная книга», 2008. - 196 с.
2. Набатов В.В., Гайсин P.M., Го-раньков И.И. Опыт георадиолокационного обследования массива для прогнозирования условий щитовой проходки коллекторов в условиях мегаполиса // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011, №8. С. 202-211.
3. Слепак З.М. Геофизика для города. На примере территории г. Казани / Тверь: Герс. 2007, 240 с.
4. Gregory Baker Chris, Chris Schmeissner, Don W. Steeples, Richard G. Plumb. Seismic Reflections From Depths of Less Than Two Meters / Geophysical reseach letters, vol. 26, №2. P.279-282.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
5. Изюмов C.B. Новые геофизические технологии при решении инженерно-геологических задач в строительстве / Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий и исследований при строительстве подземных сооружений. - (Тезисы докладов и сообщений круглого стола / М. 14-03-2007). С. 12 - 21.
6. Дудник A.B. Влияние излучаемой мощности на глубину зондирования в георадиолокации // Разведка и охрана недр. 2008, №1. С. - 38-40.
7. Общие технические параметры георадаров серии "ЛОЗА". [Электронный документ]. (http://www.geo-radar.ru/articles/ article2.php). Проверено 21.09.2011.
8. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник А.В. Расширение спектра георадарных задач как следствие совершенствования аппаратурной базы // Разведка и охрана недр. 2005, №12. С. - 18-21.
9. Блохин Д.И., Вознесенский А.С., Ку-динов И.И., Набатов В.В., Шейнин В.И. Опыт использования геофизических методов для оценки фактических конструктивных параметров железобетонных фундаментных плит // Горный информационно-аналитический бюллетень. Москва, 2011, №2. С. 283-289.
10. Урусова А.В., Овчинников С.М., Клепикова С.М. Применение комплекса геофизических методов при изучении оползневых склонов железнодорожных магистралей // Разведка и охрана недр. 2004, №12. С. - 28-30.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
11. Гайсин P.M., Набатов В.В., Дуд-ченко Т.О. Опыт электротомографического исследования геомассива в зоне расположения коллекторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011, №10. С. 118-121.
12. Волынин А.Ф. Геофизическое обследование грунтов на участках подземных сооружений и коммуникаций водоканала «Санкт-Петербург» // Разведка и охрана недр. 2008, №1. С. - 4-8.
13. Гайсин P.M., Набатов В.В., Дуд-ченко Т.О. Исследование динамики зон обводненности в районе коллектора методом электротомографии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012, №10. С. 103-106. EES
Набатов Владимир Вячеславович - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, ftkp@mail.ru
Гайсин Роберт Мударисович - кандидат технических наук, доцент кафедры ФТКП, ftkp@mail.ru
Буянова Дарья Сергеевна - аспирант кафедры ФТКП, ftkp@mail.ru Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
A
ГОРНАЯ КНИГА
Менеджмент горного производства. Терминологический словарь
В.И. Ганицкий 2013 г. 472 с.
ISBN: 978-5-98672-355-6 UDK: 658: 622.3
Настоящее издание представляет собой терминологический словарь-справочник (систематизированный в алфавитном порядке перечень слов, устойчивых словосочетаний и выражений, наиболее широко употребляемых в теории и практике менеджмента в горном деле, с краткими определениями их значений). Для ряда терминов в приложениях даны необходимые расширенные пояснения и расчеты.
Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников горных вузов.
