Технология МСП в инженерногеологических изысканиях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2019;(12):141-150

УДК 550.34 DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-141-150

ТЕХНОЛОГИЯ МСП В ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИЗЫСКАНИЯХ

И.П. Башилов1, А.А. Верещагин2, Л.С. Загорский3, Д.Л. Загорский2,

Ю.В. Рязанцев1, С.Ю. Червинчук1, Н.П. Юдочкин4

1 НТЦ «Геотехфизприбор», Институт физики Земли РАН, Москва, Россия, e-mail: chervinchuk@mail.ru 2 Институт физики Земли РАН, Москва, Россия 3 МГИ НИТУ «МИСиС», Москва, Россия 4 Институт динамики геосфер РАН, Москва, Россия

Аннотация: Рассмотрены результаты применения пассивной сейсморазведки МОВСР по технологии МСП — Малоканального Сейсмического Профилирования с помощью разработанного программно-аппаратного малоканального сейсмического комплекса МСК в инженерно-геологических изысканиях на полигоне Михнево ИДГ РАН. Приведены технические характеристики МСК, описание технологии полевых работ, краткое математическое описание алгоритма вычислений и их результаты в виде построенного по ним скоростного разреза. Технология МСП отличается простотой и оперативностью проведения полевых работ. Для ее реализации требуется 3 сейсмометра. Два сейсмометра устанавливаются на некотором удалении от места проведения работ и служат «базовыми» станциями, работающими постоянно и используемыми для устранения временных вариаций. Третий «передвижной» сейсмометр используется для получения данных на исследуемых пунктах. Одновременное использование двух «базовых» сейсмометров позволяет ускорить проведение полевых работ. Особенностью методики обработки является вычисление преобразования Фурье по координате вдоль профиля и применение почти периодических функций на резонансных частотах. Результаты расчетов выявили понижение скорости SV-компоненты волны Рэлея, обусловленное наличием вертикальной шахты и двух штолен в исследуемом массиве. Возможности метода иллюстрируются результатами сравнения со скважинными данными, полученными в районе поселка Михнево. Сделан вывод о применимости программно-аппаратного малоканального сейсмического комплекса МСК по технологии МСП в инженерно-геологических изысканиях.

Ключевые слова: МОВСР, МСП, МСК, сейсмометры, пассивная сейсмика, скоростной разрез, инженерно-геологических изыскания, почти периодические функции.

Для цитирования: Башилов И. П., Верещагин А. А., Загорский Л. С., Загорский Д. Л., Рязанцев Ю. В., Червинчук С. Ю., Юдочкин Н. П. Технология МСП в инженерно-геологических изысканиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2019. - № 12. - С. 141-150. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-0-141-150.

Single channel seismic sounding in geological engineering survey

I.P. Bashilov1, A.A. Vereshchagin2, L.S. Zagorskiy3, D.L. Zagorskiy2, Yu.V. Ryazantsev1, S.Yu. Chervinchuk1, N.P. Yudochkin4

1 Scientific and Technical Center Geotekhfizpribor, Schmidt Institute of Physics of the Earth,

Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, e-mail: chervinchuk@mail.ru

2 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia,

3 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», Moscow, Russia

4 Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

© И.П. Башилов, А.А. Верещагин, Л.С. Загорский, Д.Л. Загорский, Ю.В. Рязанцев, С.Ю. Червинчук, Н.П. Юдочкин. 2019.

Abstract: The article discusses application of the passive seismic method MOVSR by the single channel seismic sounding technology (SCSS) using the software/hardware single channel seismic station in geological engineering survey on the Mikhnevo test ground of of the Institute of Geo-sphere Dynamics, Russian Academy of Sciences. The specifications of the sing channel seismic station, field operation technology, mathematical calculation algorithm and its results in the form of the velocity profile plot are described. The technology SCSS features simplicity and operational efficiency. Its implementation needs 3 seismic detectors. Two detectors are installed at a distance from the test site and serve as the reference stations which operate continuously and are used to eliminate temporal variations. The third movable seismic detector is used to obtained data at the test point. The simultaneous operation of two reference detectors accelerates field works. A feature of the data processing procedure is the calculation of the Fourier transform by the coordinate along the profile and the use of the almost periodic functions at resonance frequencies. The calculations revealed deceleration of SV-component of the Rayleigh wave due to the presence of a vertical shaft and two adits in the test ground. The capabilities of the method are illustrated from the comparison with the borehole data obtained nearby the Mikhnevo settlement. It is concluded on applicability of the software/hardware single channel seismic station with the single channel seismic sounding technology in geological engineering surveys.

Key words: MOVSR, single channel seismic sounding technology, software/hardware single channel seismic station, seismic detectors, passive seismic, velocity profile, geological engineering surveys, almost periodic functions.

For citation: Bashilov I. P., Vereshchagin A.A., Zagorskiy L.S., Zagorskiy D. L., Ryazantsev Yu.V., Chervinchuk S. Yu., Yudochkin N. P. Single channel seismic sounding in geological engineering survey. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2019;(12):141-150. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-120-141-150.

Введение

Пассивные микросейсмические методы, основанные на анализе естественных колебаний земной коры, позволяют получать разнообразную информацию о строении и свойствах геологического разреза, хорошо дополняя стандартные геофизические и дистанционные методы

зондирования земных недр. К настоящему времени в мире разработано и используется несколько технологий пассивных микросейсмических исследований [1—5].

На основе требований метода МОВСР [1] в НТЦ «Геотехфизприбор» ИФЗ РАН разработан программно-аппаратный ма-

Ш

Рис. 1. Малоканальный Сейсмический Комплекс — МСК

Fig. 1. Single Channel Seismic Station

локанальный сейсмический комплекс МСК (рис. 1) для технологии МСП — Малоканального Сейсмического Профилирования, позволяющий проводить пассивные микросейсмические исследования с числом сейсмостанций от 2-х и более [7—9].

В таблице приведены технические характеристики сейсмостанции из состава МСК.

Характеристики МСК определяются типом используемого сейсмоприемника СМ-3МП и регистратора сейсмических сигналов РСС на базе АЦП Z220 компании ZetLab.

Задачей полевых работ являлось проведение серии измерений микросейсмического низкочастотного волнового поля (МСВП) на участке сейсморазведочного

профиля в районе геофизического полигона Михнево ИДГ РАН (рис. 2).

Цель измерений состояла в построении скоростного разреза пассивным методом до глубины 30 м, что позволило бы определить наличие или отсутствие плот-ностных аномалий в разрезе этого профиля.

Ожидалось, что при положительных результатах будет определено расположение геофизической шахты и штольни в геологическом разрезе.

Проведение и методика

испытаний

Профиль состоял из 30 точек регистрации; шаг между датчиками составлял 2 м, что обеспечивало глубину зондирования в 30 м. Схема эксперимента

Тип преобразования сейсмосигнала по скорости

Рабочий диапазон частот, Гц 0,5-40

Коэффициент преобразования по скорости, В*с/м 2000±100

Порог чувствительности сейсмического канала (собственный шум), М/с 0,4*10-9

Максимальная амплитуда регистрируемого сигнала, М/с 4*10-3

Максимальная амплитуда выходного сигнала, В ±10

Количество входов 1 диф, (опция 3 диф.)

Память накопителя, Гб 2

Количество разрядов АЦП 24

Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам, Гц не менее 100

Динамический диапазон, дБ 120

Максимальное входное напряжение, В ±10

Входное сопротивление, кОм 100

Защита входов при включенном питании, В ±30

Защита входов при выключенном питании, В ±30

Межканальное проникновение, Дб -90

Потребляемая мощность при ипит.АЦП = 5 В, ипит.сенсора = ± 12 В; Вт < = 1,2

Интерфейс связи ПК USB 2.0

Масса (в зависимости от типа сейсмоприемника), кг 30

Технические характеристики сейсмостанции из состава МСК Technical characteristics of the seismic station of Single Channel Seismic Station

Подольск у

". - vs.

Москоеская "обл ' . - ■ 'it У ■

•с ..

J54 959475.37 766296 *

' -м-- •■ ■ ' •> * ■ _ ;

< .....• ■ с«..

• 1 > Поселок геофизического

полигона ИДГ РАН

/ / А N

Рис. 2. Расположение полигона Михнево на местности Fig. 2. Location of the Mikhnevo test ground

Проекции штольни, шахты и надшахтной постройки

Граница обваловки

J'k ' " ' / Я 13 V т 14 ^ /' 15

^ 16 >

20

/* 21 f 22

/ 23

/ 24 , 25

26 27 28 29 30

Рис. 3. Схема расстановки сейсмостанций на точках профиля Fig. 3. Arrangement of seismic stations at profile points

Рис. 4. Вид на профиль

Fig. 4. Profile view

предусматривала как прямой, так и обратный ход за счет использования двух базовых станций в конце и начале профиля, осуществлявших запись синхронно с записью передвижной станции (рис. 3).

Для расстановки сенсоров готовились горизонтальные площадки, на которые укладывались мешочки с песком. Сейсмометры устанавливались вертикально с помощью пузырькового уровня. При этом обеспечивалась максимально возможная плотность контакта с грунтом и неподвижность датчиков.

Длительность записи на пункте составляла 10 мин. Запись велась с частотой опроса 200 Гц. Движение по профилю осуществлялось по мерному шнуру (рис. 4).

Результаты проведенных испытаний

Обработка полевых материалов производилась по методу МСП — Малоканального Сейсмического Профилирования авторами метода [1]. Главная идея метода интерпретации состоит в коррекции амплитуд волн Рэлея в двухмерном случае и границ лакун в спектре, что основано на применении теории возмущений и почти периодических функций, а также алгебраических многочленов Б.М. Левитана [2].

В [6] было показано, что уравнения для монохроматических волн после разделения переменных преобразуются к виду [3]:

d2u dz2

d2w

Hz2'

ю

42(z:

- k

X(z) + 2^(z)

ю

V2(z)

- k2

V(z) Ц( z)

u = fi( z, X, ü.

__VX(z) + 2^(z)"

X( z) + 2ц( z) jX(z) + 2»(z)

w = 5(z-<3 * f2( z, x,

X(Q + 2^(Q 2V

(1)

где ш — частота; k — волновое число; Х(г), цИ — постоянные Ламе; и, м — перемещения; z — координата; £ — сдвиг; правая часть в (1) — свертка.

, ц) = -ik [(X + ц) / ][w ' + w ((-1 /2 )(X + 2ц)-1 (X' + 2ц') + ц' / (A. + ц))

№

f2( z, X, ц) = -ik

5 n \ ди1 5z 5z

Аналогичное преобразование для нелинейных волн применено в [4]. Граничные условия для уравнений (1) на вещественные компоненты перемещения и тензора напряжений при z = 0:

w(0) = 0; w'(0) = 1; и(0) = 1; и'(0) = 0; стХ7 = 0; ст„ = 0 . (3) В (1) для SV компоненты волны Рэлея собственное значение

К. =

__К ^(0) + 2ц(0)

Vs2(0) ц(0)

для Р-компоненты собственное значение

р =

ю

- K

ц(0)

(4)

(5)

МО) + 2ц(0)

Найдем прямые Фурье-преобразования F1(q, к, х1), Р2(ю, k, x2) сигналов в точках профиля х1, х2 по времени t и координате х (от плюс-минус бесконечности до фиксированного х). По В.С. Владимирову [5], можно получить функцию Грина на свободной поверхности z = 0 для случая зависимости скорости поперечной волны от вертикальной координаты z:

-F1 (ю,k,x1) • F2 *(ю,k,x2) / x0)W(x0), x1 < x0 < x2

—F2 (ю, k, x2) • F1 * (ю, k, x1) / x0 )W(x0), x2 < x0 < x1

(6)

Здесь Р — прямое Фурье-преобразование нормированных по максимуму амплитуды записей в базовой х1 и текущей х2 точках профиля, Р12 комплексно-сопряженная функция к Р12(га, к, х±). Указанная нормировка приводит волну к плоской. Вронскиан равен

W(х0) = Р0 (ю, к, х0) • (-¡к) • Р0 *(ю, к, х0) - Г0* (ю, к, х0 )(1к)Р0 (ю, к, х0) =

= 2Р0 *(ю, к, х0 )(-кР (ю, к, х0)

Далее очевидно, что спектральная матрица-функция равна

g (, Х2, ю, k ) =

g (, x±, ю, k ) =

F± (ю, k, x±)

2ikF0 (( k, x0 )|i(x0 F2 (ю, k, x2)

(7)

2ikF0 (ю, к, х0 )(х0)

Откуда после обратного преобразования Фурье и нормировки по амплитуде G-функция Грина будет выглядеть так

G (х1, х2

,ю) ?2ikF2(o,к,x2)|i(x2)6XP( 'kXl 1

G(X2,= exP( k|X2 -X11)

V 2ikF1 (ю, к, X1 )|i( X1) 4 ;

Рис. 5. Сейсмический разрез, построенный по SV-компоненте волны Рэлея Fig. 5. Seismic profile plotted by SV-component of the Rayleigh wave

Построенная функция (8) обладает точках регистрации, ее вторая производ-

всеми свойствами функции Грина: она ная по координате х дает дельта функцию,

симметрична, удовлетворяет волновому на ее диагонали имеется скачок произ-

уравнению и краевым условиям в двух водной.

Рис. 6. Данные ГИС по скважине в районе профиля Fig. 6. GIS data from borehole nearby the profile

Окончательный результат обработки полевых измерений представлен на рис. 5.

Как видно из рис. 5, зона малых скоростей в приповерхностном волноводе прослеживается четко до глубины 5 м. Слева и справа от аномалии, обусловленной вертикальной шахтой и двумя штольнями, наблюдается пласт известняка на глубинах 4—18 м, что хорошо согласуется с данными по скважине в окрестности профиля измерений (рис. 6).

На глубинах 5—15 м в окрестности 13-го —17-го сейсмоприемников отмечается характерное чередование низких и высоких скоростей, обусловленное отражением от бетонных стенок ствола шахты и вмещающих пород.

На глубинах 20—25 м отображаются пустоты, обусловленные наличием двух подземных камер в окрестности 15-го датчика.

Структура данных аномалий характеризуется пониженными значениями скоростей SV — компоненты волны Рэлея и имеет достаточно размытый характер. Это может быть объяснено несколькими причинами, а именно:

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большой шаг между точками профиля (2 м), сравнимый с линейными размерами бетонных стенок шахты (~1 м) и полости ствола (~2,5 м).

2. Недостаточная частота дискретизации (200 Гц), приводящая к ошибкам определения фазовых скоростей на высоких частотах.

3. Недостаточная длина записи (10 мин) в условиях повышенных высокочастотных шумов от поселка, не позволяющая в достаточной степени выделить полезный сигнал.

Заключение

Главным результатом работ является подтверждение работоспособности МСП и надежности МСК в полевых условиях.

Также эксперимент показал, что МСК можно использовать в прикладной инженерной геофизике для поиска неодно-родностей. Для достижения более качественного результата в инженерных работах на МСК рекомендуется увеличить время записи с 5 минут до 20—30, уменьшить шаг между датчиками с 2 м до 1 и увеличить частоту дискретизации до 500 Гц.

1. Foti S. Multistation methods for geotechnical characterization using surface waves: Ph.D. dissertation. Italy. Torino, 2000. 251 p.

2. Haskell N. A. The dispersion of surface waves in multilayered media // Bulletin of the Seis-mological Society of America. 1953;(43):17-34.

3. Louie J. N. Faster, better: shear-wave velocity to 100 meters depth from refraction micro-tremor arrays // Bulletin of the Seismological Society of American. 2001;91(2):347-364.

4. Nazarian S., Stokoe K.H. In situ shear wave velocities from spectral analysis of surface waves / Proceedings of the 8th World Conference on Earthquake Engineering, Prentice-Hall, Inc. New Jersey: Englewood Cliffs. 1984. Vol. 3. Pp. 31-38.

5. Горбатиков А. В., Степанова М. Ю., Камшилин А. Н. Специфика применения метода микросейсмического зондирования в инженерных задачах // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2008. - Т. 35. - № 2. - С. 25-30.

6. Загорский Л. С., Шкуратник В.Л. Метод определения вертикального сейсмического разреза массива горных пород с использованием волн типа Рэлея // Акустический журнал. -2013. - Т. 59. - № 2. - С. 222-231.

7. Башилов И. П. Аппаратура для геофизических исследований, мониторинга инженерных сооружений и среды обитания по обеспечению безопасности // Научное приборостроение. - 2001. - № 3.

8. Башилов И. П., Загорский Л. С., Левченко Д. Г., Рыбаков Н. П., Шкуратник В.Л., Червин-чук С. Ю., Ом Астана, Панкадж Рой Гупта Испытание малогабаритного сейсмического донно-

го модуля и восстановление скоростного разреза транзитной зоны шельфа Аравийского моря // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013. — № 9. — С. 145—154.

9. Башилов И. П., Загорский Л. С., Загорский Д.Л. Рязанцев Ю. В., Сачков В. И., Шкурат-ник В.Л., Шутов Г.Я., Червинчук С. Ю. Технология МСП — Малоканальное Сейсмическое Профилирование на базе МОВСр // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 9. — С. 128—139. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-128-139.

10. Левитан Б. М. Обратные задачи Штурма-Лиувилля. — М.: Наука, 1984. — 240 с.

11. БреховскихЛ. М., Годин О.А. Волны в слоистых средах. — М.: Наука, 1989. — 416 с.

12. Есипов И. Б, Степанов Ю. С. Нелинейное взаимодействие звука в рассеивающей среде // Акустический журнал. — 1988. — Т. 34. — № 5. — С. 845—851.

13. Владимиров В.С. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1981. — 512 с. итш

REFERENCES

1. Foti S. Multistation methods for geotechnical characterization using surface waves: Ph.D. dissertation. Italy. Torino, 2000. 251 p.

2. Haskell N. A. The dispersion of surface waves in multilayered media. Bulletin of the Seismo-logical Society of America. 1953;(43):17—34.

3. Louie J. N. Faster, better: shear-wave velocity to 100 meters depth from refraction micro-tremor arrays. Bulletin of the Seismological Society of American. 2001;91(2):347—364.

4. Nazarian S., Stokoe K. H. In situ shear wave velocities from spectral analysis of surface waves. Proceedings of the 8th World Conference on Earthquake Engineering, Prentice-Hall, Inc. New Jersey: Englewood Cliffs. 1984. Vol. 3. Pp. 31—38.

5. Gorbatikov A. V., Stepanova M. Yu., Kamshilin A. N. Specifics of the low channel seismic sounding application in engineering. Voprosy inzhenernoy seysmologii. 2008. Vol. 35, no 2, pp. 25—30. [In Russ].

6. Zagorskiy L. S., Shkuratnik V. L. Method of determination of vertical seismic profile in rock mass using the Rayleigh waves. Akusticheskiy zhurnal. 2013. Vol. 59, no 2, pp. 222—231. [In Russ].

7. Bashilov I. P. Equipment for geophysical surveys and monitoring of engineering structures and environment for safety. Nauchnoe priborostroenie. 2001, no 3. [In Russ].

8. Bashilov I. P., Zagorskiy L. S., Levchenko D. G., Rybakov N. P., Shkuratnik V. L., Chervin-chukS. Yu., Om Asthana, Pankaj Roy Gupta Test operation of small seafloor seismic data acquisition module and reconstruction of velocity profile for transitarea on the shelf of the Arabian sea. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2013, no 9, pp. 145—154. [In Russ].

9. Bashilov I. P., Zagorskiy L. S., Zagorskiy D. L., Ryazantsev Yu.V., Sachkov V. I., Shkuratnik V. L., Shutov G.Ya., Chervinchuk S.Yu. Multichannel seismic profiling based on the passive seismic method. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018, no 9, pp. 128—139. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-128-139.

10. Levitan B. M. Obratnye zadachi Shturma-Liuvillya [Inverse problems for Sturm-Liouville operator], Moscow, Nauka, 1984, 240 p.

11. Brekhovskikh L. M., Godin O. A. Volny vsloistykh sredakh [Waves in bedded media], Moscow, Nauka, 1989, 416 p.

12. Esipov I. B, Stepanov Yu. S. Nonlinear sound action in dissipating medium. Akusticheskiy zhurnal. 1988. Vol. 34, no 5, pp. 845—851. [In Russ].

13. Vladimirov V. S. Uravneniya matematicheskoy fiziki [Equations of mathematical physics], Moscow, Nauka, 1981, 512 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Башилов Игорь Порфирьевич1 — д-р техн. наук, главный научный сотрудник,

Верещагин Алексей Алексеевич2 — лаборант,

Загорский Лев Сергеевич — д-р физ.-мат. наук,

ведущий научный сотрудник, МГИ НИТУ «МИСиС»,

Загорский Даниил Львович2 — аспирант,

Рязанцев Юрий Валерьевич1 — ведущий инженер,

Червинчук Сергей Юрьевич1 — старший научный сотрудник,

Юдочкин Никита Анатольевич — аспирант, Институт динамики геосфер РАН,

1 НТЦ «Геотехфизприбор», Институт физики Земли РАН,

2 Институт физики Земли РАН.

Для контактов: Червинчук С.Ю., e-mail: chervinchuk@mail.ru.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

I.P. Bashilov1, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, A.A. Vereshchagin2, Technician,

L.S. Zagorskiy, Dr. Sci. (Phys. Mathem.), Leading Researcher,

Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,

119049, Moscow, Russia,

D.L. Zagorskiy2, Graduate Student,

Yu.V. Ryazantsev1, Leading Engineer,

S.Yu. Chervinchuk1, Senior Researcher, e-mail: chervinchuk@mail.ru, N.P. Yudochkin, Graduate Student, Institute of Geosphere Dynamics of Russian Academy of Sciences, 119334, Moscow, Russia,

1 Scientific and Technical Center Geotekhfizpribor, Schmidt Institute of Physics of the Earth,

Russian Academy of Sciences, 123242, Moscow, Russia,

2 Schmidt Institute of Physics of the Earth,

Russian Academy of Sciences, 123242, Moscow, Russia, Corresponding author: S.Yu. Chervinchuk, e-mail: chervinchuk@mail.ru.

д

На научно-практической конференции «Промышленная безопасность в горнорудной и угольной отрасли» 14—15 ноября 2019 г.