НЕВЗРЫВНОЙ ИМПУЛЬСНЫЙ НАЗЕМНЫЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК
NON-EXPLOSIVE GROUND-BASED PULSED SEISMIC VIBRATOR

Изобретение относится к невзрывным импульсным сейсмоисточникам, предназначенным для создания сейсмических волн посредством деформации грунта под излучающим элементом сейсмоисточника.
Известен принятый за аналог источник сейсмических волн (Теория и практика наземной невзрывной сейсморазведки. Под редакцией д.т.н. Шнеерсона М.Б. - М.: Недра, 1988, с.149-151). Он содержит расположенное на грунте жесткое основание-излучатель, пригрузочную массу (реактор) и импульсный источник силы электродинамического типа со схемой питания его обмоток импульсами тока. Ферромагнитные якорь и реактор расположены коаксиально и содержат обмотки возбуждения, помещенные в пазах на их обращенных друг к другу цилиндрических поверхностях. Якорь закреплен на жестком основании-излучателе.
При пропускании по обмоткам импульса тока между якорем и реактором создается электромагнитная сила, под действием которой реактор ускоряется вверх, а якорь с основанием вниз, что приводит к деформации основанием грунта и формированию в нем сейсмических волн.
Недостатком аналога является низкая сейсмическая эффективность, обусловленная низким значением коэффициента преобразования потребляемой двигателем энергии в энергию механического воздействия на грунт. Это приводит к большой стоимости источника и ограничению возможностей и области его применения.
Известен принятый за прототип импульсный невзрывной сейсмоисточник (Патент РФ № 2453870, опубликован 20.06.2012 ) содержащий жесткое основание-излучатель, опертый на него пригруз и импульсный двигатель индукционно-динамического типа. Индуктор двигателя с соленоидной катушкой возбуждения закреплен на обращенной к основанию поверхности пригруза и прилегает своей торцовой поверхностью к якорю, который выполнен в виде пластины из электропроводного материала и закреплен на верхней поверхности основания.
При подаче в катушку от системы питания импульсного тока в электропроводной пластине якоря индуктируется вихревой ток и между катушкой и пластиной создается расталкивающая их пондеромоторная сила. Под ее действием происходит перемещение пригруза с катушкой возбуждения вверх, а пластины якоря с основанием в направлении грунта, его деформация и создание в нем сейсмической волны. При смещении пригруза и основания относительно друг друга в образующемся между ними зазоре возникает пониженное относительно атмосферного давление воздуха (разрежение), что приводит к уменьшению, ускоряющей основание и пригруз силы, скорости деформации грунта плитой и снижению сейсмической эффективности сейсмоисточника.
Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности сейсмоисточника.
Техническим результатом является повышение коэффициента передачи механической энергии двигателя в механическую энергию воздействия основанием на грунт, скорости и величины деформации грунта основанием.
Упомянутая задача достигается тем, что сейсмоисточник содержит жесткое основание-излучатель, опертый на него пригруз, закрепленную на обращенной к основанию стороне пригруза катушку возбуждения индукционно-динамического двигателя, якорь которого прилегает к плоской стороне катушки и выполнен в виде закрепленной на основании пластины из электропроводного материала, на верхней части основания выполнены полости, а в пластине якоря выполнены проникающие в указанные полости отверстия.
Достижение технического результата обусловлено тем, что поступление воздуха из полостей основания через отверстия в пластине якоря в объем увеличивающегося зазора двигателя обеспечивает уменьшение степени разрежения в нем и противодействующей ускорению якоря и пригруза силы, увеличение максимальной скорости перемещения основания и передаваемой в грунт механической энергии двигателя.
Устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показан продольный разрез сейсмоисточника; на фиг.2 - графики изменения силы двигателя, скоростей и перемещений основания и пригруза, а также давления в объеме зазора двигателя; на фиг.3 приведены некоторые возможные конструктивные выполнения пластины якоря с отверстиями.
Сейсмоисточник (фиг.1) содержит основание-излучатель 1 в виде жесткой плиты, на верхней части которой выполнены полости 2. На плиту опирается индукторная часть 3 пригруза, в пазу на обращенной к основанию 1 которой помещена обмотка возбуждения 4. На плите помещен якорь 5 двигателя, выполненный например, в виде кольцевой пластины из электропроводного материала. В якоре имеются отверстия 6, соединяющие полости 2 с областью прилегания якоря к катушке 4. На основании 1 закреплена направляющая стойка 7 с возможностью перемещения вдоль нее массивной части 8 пригруза. Внутри стойки 7 установлен опирающийся на основание корпус 9 демпфера, шток 10 которого оперт на закрепленную на пригрузе перекладину 11. Защитный кожух 12 установлен на основании 1 и соединен с ним эластичной манжетой 13.
:
Работает сейсмоисточник следующим образом. По сигналу с сейсмостанции по катушке 4 пропускается импульс тока 14 (фиг.2) необходимой величины и длительности t (система питания двигателя и ее соединение с катушкой 3 на фиг.1 не показаны). За счет экранировки электропроводной пластиной 5 якоря создаваемого катушкой 4 импульсного магнитного поля магнитный поток проходит вокруг катушки 4 и замыкается через область прилегания якоря 5 к катушке 4. В результате между катушкой 4 и якорем 5 создается пондеромоторная расталкивающая их сила 15 (фиг.2)
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msup><mi>I</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>/</mo><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
(x)
где L - эквивалентная индуктивность катушки, I - ток в ней, х - направление действия силы между катушкой и якорем.
2
Под действием силы 15 якорь 5 с основанием 1 со скоростью 16 деформирует грунт. К моменту времени t скорость 16 под действием реакции грунта снижается до нулевого значения, при котором смещение основания 1 вниз и деформация 17 грунта максимальны. Затем грунт разжимается, а основание 1 ускоряется вверх и происходит затухающее колебание основания на грунте, частота которых зависит в основном от массы основания и упругих свойств грунта. Интенсивность создаваемых сейсмоисточником продольных сейсмических волн зависит от скорости 16 деформации 17 грунта.
Одновременно с ускорением основания 1 вниз под действием силы 15 двигателя его катушка А, корпус 3 и пригрузочная часть 8 ускоряются вверх. Поскольку ускоряемая вверх масса существенно больше массы основания 1, то скорость 18 и перемещение 19 пригрузочной части соответственно меньше скорости 16 и перемещения 17 основания 1.
1
1
После окончания в момент времени t действия силы 15 пригруз, в состав которого входят детали 3, 4 и 8, по закрепленной на основании 1 направляющей 7 перемещаются вверх в поле силы тяжести на некоторую высоту, зависящую от максимального значения их скорости 18 в момент времени t. Плавное перемещение пригрузочной массы из верхнего положения в исходное на плите обеспечивается демпфером, корпус 9 которого установлен на основании 1, а шток 10 оперт на закрепленную на пригрузочной массе перекладину 11.
Перемещение пригруза вверх и основания вниз сопровождается образованием между ними зазора объемом
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>δ</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где S - площадь прилегания пригруза к основанию, а δ - образующийся зазор между ними.
1
0
Увеличение объема V сопровождается поступлением в него воздуха извне через площадь, равную произведению периметра обращенных друг к другу поверхностей пригруза и основания и увеличивающегося зазора δ. Поскольку скорость поступления воздуха в зазор из-за аэродинамического сопротивления на пути потока воздуха меньше скорости увеличения объема V, среднее значение б давления воздуха в нем меньше давления б вне этого объема и между пригрузом и основанием возникает усилие 20 (фиг.2), пропорциональное разнице этих давлений.
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>б</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>б</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
1
С увеличением перемещения 19 пригруза вверх и зазора между ним и основанием 1 происходит уменьшение силы 20 и ее влияния на скорость 16 основания 1 и деформацию 17 грунта. Предложенное техническое решение сейсмоисточника с выполнением в основании 1 с полостями 2 и пластины 5 якоря с отверстиями 6, проникающими в полости основания, обеспечивает дополнительный приток воздуха через отверстия из полостей 2 в увеличивающийся между пластиной якоря и катушкой зазор, что приводит к уменьшению разности (б-б) давлений, уменьшению противодействующей силы 20 и соответствующему увеличению скорости деформации 16 грунта и интенсивности создаваемой сейсмоисточником сейсмических волн.
Конструктивное выполнение пластины 5 якоря с отверстиями 6 в ней может быть различным. Для примера на фиг.3 отверстия 6 выполнены в виде нескольких прорезей, расположенных над полостями 2 в основании 1 (фиг.1). На фиг.4 показано выполнение якоря 5 в виде двух концентрических колец со щелевым зазором между ними.