| Определение подповерхностной структуры и мониторинг состояния природно-технических систем |
|
|
УДК 550.837.76 (470.21) Определение подповерхностной структуры и мониторинг состояния природно-технических системА.И. Калашник (Горный институт КНЦ РАН) 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.
На рис.2 представлен фрагмент обработанного георадиолокационного профиля с выделением структурных неоднородностей массива пород
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.
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.
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). 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). 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 Сведения об авторе Ключевые слова: георадарные технологии, подповерхностное зондирование, природно-технические системы, изучение структуры, мониторинг состояния.Subsurface Structure Investigation and Natural-engineering System State Monitoring 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 Определение подповерхностной структуры и мониторинг состояния природно-технических систем на основе 5000 оценок. 1350 обзоров пользователей.
|
