УДК 550.837.76 (470.21)

Определение подповерхностной структуры и мониторинг состояния природно-технических систем

А.И. Калашник (Горный институт КНЦ РАН)

Аннотация

Техногенные аварии и катастрофы последнего времени предопределяют жизненную необходимость оперативных оценок и контроля состояния природно-технических систем. Этим целям отвечают экспресс-методы неразрушающих определений, к которым в первую очередь следует отнести георадарное подповерхностное зондирование. Георадарные определения высокоинформативны как для естественных грунтовых и породных массивов, так и для искусственных сооружений, промышленных объектов, дамб, плотин, оснований (фундаментов) и позволяют осуществлять оценку состояния, а также мониторинг развития деформационных процессов, трещиноватости, изменения структуры и т.п. природно-технических систем. Приведены примеры георадарных исследований на рудниках Хибинского и Ковдорского горнорудных районов, на о. Шпицберген, а также в переходной зоне системы «суша – водоем». Проведенные исследования убедительно показали, что георадарное подповерхностное зондирование природно-технических систем является наиболее современным, высокотехнологичным и информативным средством, позволяющим получать результаты в режиме реального времени и с привязкой данных к GPS.

Техногенные аварии и катастрофы последнего времени предопределяют жизненную необходимость оперативных оценок и контроля состояния природно-технических систем. Этим целям отвечают экспресс-методы неразрушающих определений, к которым в первую очередь следует отнести георадарное подповерхностное зондирование. Георадарные определения высокоинформативны как для естественных грунтовых и породных массивов, так и для искусственных сооружений, промышленных объектов, дамб, плотин, оснований (фундаментов) и позволяют осуществлять оценку состояния, а также мониторинг развития деформационных процессов, развития трещиноватости, изменения структуры и т.п. природно-технических систем.

Георадарные определения в настоящее время начинают инновационно применять в различных областях, среди которых в первую очередь необходимо выделить горное дело, геологию, транспортное, промышленное, гидротехническое и гражданское строительство, экологию и др.

Для задач горного дела подпочвенное зондирование с помощью георадарных комплексов дает возможность: обследовать борты, уступы и бермы в карьерах; кровлю, потолочины и целики в подземных горных выработках; обнаруживать полости и кварцевые гнезда; выявлять природные и техногенные разрывные нарушения в законтурном массиве пород.

Применение георадарных определений в геологии позволяет строить детальные геологические разрезы как при инженерно-геологических изысканиях, так и при оконтуривании залежей полезных ископаемых; определять границы распространения полезных ископаемых, положение карстовых воронок и пустот; выявлять локальные проявления месторождений полезных ископаемых; определять положение уровня грунтовых вод, глубину и профиль дна рек и озёр; толщину льда, глубину промерзания водоемов.

С применением современных георадарных технологий возможно производить оценку оснований и фундаментов транспортных, промышленных и гражданских сооружений; определять глубину промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях; определять содержание влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях; определять качество и состояние бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояния дамб и плотин; выявлять оползневые зоны. Георадар является очень хорошим средством для уточнения и идентификации подземных инженерных сетей и коммуникаций: металлических и пластиковых труб, кабелей, объектов коммунального хозяйства, включая водо- и теплоснабжение (особенно для случаев отсутствия или утраты документации на них).

Специально следует выделить решаемые с помощью георадарных технологий задачи экологии: поиск и оконтуривание подземных источников воды, оценку загрязнения почв; обнаружение утечки из нефте-, продукто- и водопроводов; идентификация мест захоронения экологически опасных отходов и др.

Задачи, решаемые с помощью георадара при определении подповерхностной структуры и мониторинга состояния природно-технических систем, могут быть разделены на две категории с характерными для каждой приемами исследований, способами обработки, типами отображения объектов и представления результатов исследования.

К первой категории относятся геологические, горнотехнические, гидрогеологические и инженерно-геологические задачи освоения как горнорудных, так и нефтегазовых месторождений:

- получение информации об основных элементах строения породных массивов;

- определение состояния массивов пород, наличие зон естественной и техногенной трещиноватости, разрывных зон;

- определение состояния и структуры конструктивных элементов горных выработок: бортов и берм в карьерах, целиков и потолочин рудников;

- экспресс-оценка состояния производственных зданий и промышленных объектов;

- оценка и мониторинг состояния приповерхностной геологической среды по трассам нефтегазопроводов;

- исследование горно-технических условий на площадке строительства завода СПГ; оценка качества земляных и строительных работ.

Вторая категория задач включает в себя:

· инженерные и геотехнические изыскания площадок и оснований для строительства и реконструкции зданий, дорог, котлованов, плотин и других сооружений;

· оценка качества и мониторинг ведения строительных, дорожных и земляных работ;

· оценка состояния и мониторинг во времени промышленных, транспортных, гидротехнических и гражданских объектов.

Для иллюстрации применения неразрушающего законтурного исследования природно-технических систем приведены примеры георадарных определений.

1. Кировский рудник ОАО Апатит: обследование стенок горных выработок и целиков на третьем буродоставочном горизонте (+374, +379), 32 отк. штрек (рис.1). Съемка выполнена антеннами 500 и 800 МГц по восьми субгоризонтальным профилям по стенкам выработки и целика на уровне 120 см от почвы. Для антенны 800 МГц глубина зондирования задавалась 0,5м и 1,5м, для антенны 500 МГц - 5м, 7м и 10м. Общая протяженность георадиолокационных профилей составила 240 метров.

 
Рис.1. Схема георадарных исследований на Кировском руднике ОАО Апатит

На рис.2 представлен фрагмент обработанного георадиолокационного профиля с выделением структурных неоднородностей массива пород

 
Рис.2. Результаты георадарного обследования стенки горной выработки (профиль 3) Кировского рудника

2. Предгорье Ковдорского горнорудного массива, представляющего собой природно-техническую систему, подвергающуюся периодическим взрывным (волновым) воздействиям. Схема георадиолокационных определений показана на рис.3. При этом общая длина профилей составила около 160 м при угле их наклона порядка 30°.

Анализ волновых картин на радарограммах, полученных при проведении исследований, подтвердил возможность применения методов неразрушающего подповерхностного зондирования в подобных условиях с достаточной достоверностью получения данных и их количественной и качественной интерпретации. Выявлена скрытая в глубине массива представляющая потенциальную опасность трещина скольжения (сдвига) по всей длине профиля. Также установлено, что приповерхностная зона представляет собой сильнотрещиноватые раздробленные породы, мощностью до 5 м. О динамике процесса деформирования массивов пород данного участка можно судить по результатам мониторинга в течение предположительно одного-двух лет.

 
Рис. 3. Проведение полевых работ

3. На западном склоне горы Айкуайвенчорр Хибинского горнорудного массива (центральная часть Кольского полуострова).

Георадиолокационные определения проведены на склоне протяжённостью 515 м и перепадом высоты от вершины до нижней точки склона приблизительно 300 м. Исследованный участок имел снежный покров с повышенной влажностью и локальными обнажениями грунта. Глубина снега составляла в среднем 80-90 см, а на отдельных участках достигала 1,5 м. По результатам камеральной обработки полевых исследований построена радарограмма (рис.4), на которой можно выделить несколько слоев. Снежный покров - четко прослеживается по длине всего профиля в виду большой разницы диэлектрической проницаемости на границе сред «снег-морена». На участках 0 – 55 м, 85 – 160 м, 220 – 230 м, 305 – 315 м снежный покров отсутствует. Вторым слоем была выделена морена, мощность которой составляет от 2 м на вершине горы до 5 м к подножью. При анализе профиля на участке 0 – 270 м можно увидеть увеличение мощности морены с 2 до 5 м, а на участке - 270 – 515 м - уменьшение с 5 до 3,5 м. Граница морены с коренной породой менее уверенно идентифицируется ввиду суглинистых отложений в составе верхнего слоя и повышенной влажности исследуемой области, обусловленной активным таянием снега.

 
Рис.4. Радарограмма по результатам георадиолокационных работ на склоне горы Айкуайвенчорр Хибинского горнорудного массива

4. Георадиолокационное профилирование площадки здания ТЭЦ ОАО «Арктикуголь» в пос. Баренцбург (о.Шпицберген). Целью работ являлось выявление глубины залегания верхней границы мерзлоты, которая по данным инженерно-геологических изысканий 25-летней давности располагалась на уровне 6,2 - 6,7 м ниже дневной поверхности. Георадарным определением было установлено, что граница мерзлоты в настоящее время расположена на глубине 6,5-7,5 м (рис.5).

 
Рис. 5. Интерпретированная радарограмма профиля площадки здания ТЭЦ ОАО «Арктикуголь» (о. Шпицберген)

5. В переходной зоне «береговой склон – крупномасштабный водоем» (полевые определения на озере Имандра, центральная часть Кольского полуострова). При этом во внимание принимались три группы основных задач: 1) геологические (уточнение литологии и структуры геологического разреза переходной зоны); 2) фазовые состояния флюидов (насыщенность грунтов, осадков, илов; толщина ледового покрова, мощность промерзания, наличие жидкой фазы, полостей, пор, трещин и т.п.); 3) поисковые (связанные с обнаружением и идентификацией искусственных (техногенных) объектов на дне водоемов, в осадочных слоях, илах и ледовом покрове).

Анализ полученных результатов позволяет выявить следующие особенности флюидосодержащей природной системы: толщина ледового покрова составляет около 1.5 м; на границе илистых отложений с водой отмечается резкая смена волновой картины, что дает возможность четко определить глубину водоема на исследованном участке, которая составляет порядка 6 – 8 м; подошва илов идентифицирована по интенсивным осям синфазности более сложной формы по сравнению с донным отражением и поэтому уверенно выделяется; коренные отложения отличаются от современных илов на радарограмме характером осей синфазности; глубина залегания коренных пород составляет от 2-3 м у берега, до 14 – 16 м при удалении от береговой черты (рис.6).

 
Рис. 6. Радарограмма исследований в переходной зоне  «береговой склон – крупномасштабный водоем» (оз. Имандра)

Проведенные исследования с применением инновационных георадарных технологий убедительно показали:

· георадарное подповерхностное зондирование природно-технических систем является наиболее современным, высокотехнологичным и информативным средством неразрушающих измерений, позволяющим получать результаты в режиме реального времени и с привязкой данных к GPS;

· георадарные технологии высокоинформативны как для естественных грунтовых и породных массивов, так и для искусственных сооружений, промышленных объектов, дамб, плотин, оснований (фундаментов) и позволяют осуществлять оценку состояния, а также мониторинг развития деформационных процессов, трещиноватости, изменения структуры и т.п. природно-технических систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. МГУ, 2005. 153с. 
2. Калашник А.И., Запорожец Д.В., Дьяков А.Ю., Демахин А.Ю. Подповерхностное георадарное зондирование горно-геологических сред Кольского полуострова // Вестник МГТУ. 2009. т.12. № 4. С.576-582.

Сведения об авторе
Калашник Анатолий Ильич, к.т.н., зав.лабораторией, e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Тел. 81555-79664, +7 921 2713200

Ключевые слова:

георадарные технологии, подповерхностное зондирование, природно-технические системы, изучение структуры, мониторинг состояния.

Subsurface Structure Investigation and Natural-engineering System State Monitoring
Abstract
Recent technogenic accidents and catastrophes predetermine vital necessity of timely evaluation and control over natural-engineering systems state. Express-methods of non-disturbing measurements serve these purposes; first of all, it is georadar subsurface structure investigation. Georadar measurements are highly informative both for natural soil mass and rock mass as well as engineering structures, industrial facilities, dams, dykes, foundation bases; they allow to make evaluation of the state as well as monitoring of deformation processes development, fracturing, structure changes, etc. concerning natural–engineering systems. The examples of georadar survey in Khibiny and Kovdor mines, Spitsbergen Island and transition zone of system “land-water-entity” are given in the paper. Carried out studies convincingly showed that georadar subsurface investigation of natural-engineering systems is advanced, high-tech and highly informative and allows to obtain results in real-time mode and GPS-referenced data.

НАУКА - ПРОИЗВОДСТВУ

Еще статьи на тему "состояния":

Анализ состояния бюджетной системы моногорода

Авиакосмический мониторинг состояния окружающей среды при добыче углеводородного сырья

Анализ состояния бюджетной системы города Кировска

200 выездных проверок состояния жилищного фонда

Проверки санитарного состояния территории в Мурманске