О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений (стр. 2 из 3)

Таким образом, полный надежный прогноз и оценка устойчивости пород кровли должны осуществляться с помощью двух исследований – определением слоистости пород и выявлением зон тектонических нарушений. Как то, так и другое осуществляется методом ССП. Однако если слоистость пород определяется из горных выработок, то зоны тектонических нарушений наиболее полно выявляются при работе на дневной поверхности.

Признаком тектонического нарушения является наличие воронкообразного объекта на ССП-разрезе.

Прежде чем перейти к другим геодинамическим явлениям, остановимся на физическом смысле добротности.

Вспомним классический пример разрушения моста в результате того, что проходившие по нему солдаты шли в ногу. При анализе этого происшествия прочность моста никого не интересует. Главное – в величине добротности моста как колебательной системы. Каждый удар каблуками вызывает собственные затухающие колебания моста. Если скорость затухания этих колебаний мала, то каждый последующий удар будет происходить в момент, когда уже возникшие колебания еще не затухли. И при соответствующем соотношении собственной частоты моста и частоты шагов может начаться рост амплитуды колебаний. Это явление резонанса (то есть совпадения собственной частоты с частотой воздействия) хорошо изучено, в частности, в электротехнике и легко моделируется. Чем меньше скорость затухания, тем острее резонанс, то есть тем быстрее идет наращивание амплитуды. Добротность Q обратно пропорциональна скорости затухания, и оперировать ею удобно потому, что она легко выявляется при спектральном изображении сигнала. Численное значение добротности показывает, во сколько раз увеличивается амплитуда колебаний на резонансе.

При проведении ССП по дневной поверхности было замечено, что наибольшая добротность сигнала наблюдается обычно в зонах тектонических нарушений, вблизи самого острия воронкообразного объекта [5]. На рис. 2а приведен ССП-разрез, полученный при профилировании вдоль западной границы территории, отведенной под Северные очистные сооружения в Ольгино (СПб). Здесь отчетливо виден воронкообразный объект, как известно [6], соответствующий наличию тектонического нарушения. По мере приближения к острию этого объекта добротность сейсмосигнала возрастает, достигая на 170-м метре профиля, на частоте, соответствующей глубине 180 м, значения, равного 60.

Рис. 2

На рис. 2б показан сейсмосигнал (на временной оси), полученный на 170-м метре профиля. Как видно из этого рисунка, в момент ударного воздействия (t₀) возбуждаются две колебательные системы. Наиболее из них высокочастотная, соответствующая глубине границы, примерно равной 100 м (см. рис.2а) , имеет небольшую добротность и перестает проявляться уже к моменту t₁. Колебательный процесс, соответствующий глубине 180 м (в соответствии с формулой (1), f

14 Гц), спадает по амплитуде очень медленно. При наличии вблизи с этой точкой измерения механизма, работающего на частоте 14 Гц, неизбежны резонансные явления.

И действительно, вблизи этого места наблюдается следующее резонансное явление.

В находящемся в этой зоне главном стакане аэрации время от времени возникают взрывоподобные эффекты, известные как горные удары. Горные удары – это техногенные микроземлетрясения, с которыми чаще всего приходится встречаться в различных горных выработках. Горные удары происходят во время работы механизмов. Они могут завершиться разрушением выработок и гибелью шахтеров. При остановке механизмов прекращаются и горные удары⁴.

Как нам теперь стало ясно, физика возникновения горных ударов следующая. При работе механизма, создающего колебания, близкие по частоте к значению собственной частоты соответствующей геологической структуры, находящейся в зоне работы этого механизма, амплитуда упругих колебаний в породах увеличивается вплоть до значения, когда происходит резкое, удароподобное проседание этой структуры, что и воспринимается как горный удар.

Горные удары, которые я наблюдал в выработках шахты "Распадская", происходили в виде несильных, беззвучных толчков со стороны почвы. Амплитуда их время от времени увеличивалась настолько, что они заставляли подпрыгивать различные механизмы, находящиеся в шахте. Так, однажды был подброшен угольный комбайн, который при этом обратно упал мимо рельсовых направляющих, и придавил находящегося рядом с ним шахтера.

По свидетельству шахтеров шахты "Первомайская" (около Луганска, Украина), там горные удары сопровождаются мощным громом. При этом может происходить падение крепи и обрушение пород кровли. Там также горные удары прекращаются при остановке добычных механизмов.

Описанное здесь резонансное явление приводит к увеличению амплитуды колебаний не только в породном массиве, но и в сооружениях, стоящих на нем. И в частности, в железнодорожном полотне. Что, как оказалось, может вызвать крушение поезда.

На рис. 3а приведен 200-метровый отрезок ССП-разреза, полученного при профилировании в мае 1999 года вдоль железнодорожного полотна вблизи 1545 км участка Москва - Красное, вблизи г. Гагарина.

Разрез довольно сложный, характерный для ранее заболоченной, но осушенной местности. Заболоченная местность формируется, как известно, в зонах множественных пересекающихся мелких тектонических нарушений. На 80-м метре профиля видна граница на глубине около 250 м, сигнал по которой имеет добротность, равную 100, что многократно превышает добротности сигналов по всем остальным границам. На рис. 3б показан сейсмосигнал в этой точке измерений подобно тому, как это сделано на рис. 2.

Как и на рис.2б, сигнал содержит две гармонические составляющие. Составляющая, соответствующая границе, находящейся на глубине около 60 м (около 42 Гц) имеет добротность около 10, и затухает гораздо быстрее, чем составляющая, соответствующая границе, находящейся на глубине около 250 м (10 Гц).

При определенном сочетании скорости прохождения поезда и расстояний между осями вагонов периодичность воздействия колес на насыпь может оказаться такой, что момент прохождения каждого колеса через зону с высоким значением добротности сейсмосигнала будет соответствовать одной и той же фазе его низкочастотной составляющей. При этом от вагона к вагону будет нарастать амплитуда колебаний, что, при некоторых конструктивных особенностях полотна, может завершиться сходом с рельс последних вагонов.

Именно так и произошло в описываемой точке измерений. За 2 месяца до этих измерений в зоне 80-го метра профиля (ССП-разрез которого приведен на рис.3а) сошли с рельс последние 4 вагона товарного поезда. Надо сказать, что при проведении измерений на этом участке нам не было известно о том, что мы проходим через место крушения поезда. Увидев при контроле на мониторе компьютера аномально высокую добротность сигнала, я всего лишь высказал предположение о том, что данная зона является потенциально опасной для железнодорожных составов в связи с возможностью формирования геодинамического явления. И только после этого я узнал, что действительно, гипотеза эта оказалась правильной.

Таким образом, мы выяснили, что земная толща, будучи по акустическим свойствам совокупностью колебательных систем, становится опасной по горным ударам (то есть по техногенным микроземлетрясениям) в зонах высоких значений добротности этих колебательных систем. Но тогда и сходы поездов, которые происходят в соответствии с рассмотренной физикой, тоже следует относить к геодинамическим явлениям?..

Наличие современных средств микросейса в совокупности с возможностями метода ССП позволяют без проблем искусственным образом создавать горные удары с тем, чтобы более полно и, главное, экспериментально изучить их физику.

Рис. 3

Изучение удароопасных районов с помощью метода ССП позволило понять физику горных ударов и предложить гипотезу физики природных землетрясений [7].

К сожалению, мне довелось непосредственно наблюдать только слабые (меньше 4 по шкале Рихтера) землетрясения, в Нуреке. По ощущениям, это мало отличается от наблюдавшихся мною горных ударов. Пожалуй, только тем, что толчки были более плавными, чем горные удары. По существующим свидетельствам очевидцев, при сильных землетрясениях толчки чередуются с разрывами сплошности земной поверхности.

Мне представляется, что сильное землетрясение представляет собой как бы сумму двух явлений, одно из которых – горные удары, а второе – разрыв сплошности. То есть, процесс подготовки сильного землетрясения состоит в следующем. Слабые толчки (которые мы рассматриваем как аналог горных ударов) постепенно разрушают породы и ослабляют механические связи между отдельными породными блоками настолько, что очередной толчок может нарушить сплошность среды.

Происходить этот процесс может только в зонах тектонических нарушений. Во-первых, потому что именно в этих зонах добротность сейсмосигнала может достигать значений, при которых возникают горные удары. А во-вторых, породы в зонах тектонических нарушений с самого начала, еще до возникновения горных ударов находятся в состоянии, ослабленном повышенной микронарушенностью. И поэтому вероятность макроразрушений наиболее велика именно в этих зонах.

Единственно чего не хватает для того, чтобы придать завершенность гипотезе формирования условий, необходимых для развития землетрясений, это знания природы того механизма, который должен выступать в роли внешнего периодического усилия, вызывающего горные удары. Не вызывает сомнения, что дополнить наши представления о физике подготовки землетрясений могут только натурные исследования.