Применение георадиолокации для определения местоположения тоннеля, погребенного ледником Майли в Геналдонском ущелье

в виде закола прибортового массива с зоной нарушения сплошности мощностью до 15 м.

Следующим этапом оценки устойчивости участка деформации являлось построение математической модели деформированного участка с учетом сниженных коэффициентов сце-

1. Быковцев А.С., Прохоренко Г.А., Сытенков В.Н. Моделирование геодинамических и сейсмических процессов при разработке месторождений полезных ископаемых. Ташкент. Изд. Фан. 2000.

Рис. 3. Расчет рационального профиля борта карьера: 1 — расчетная линия скольжения; 2 - зона разлома; 3- зоны трещиноватости; 4 - существующий

профиль борта; 5 - рекомендуемый профиль борта; 6 - участок деформации №43

пления и трения пород в массиве. Расчет проводился согласно общепринятых алгоритмов для ква-зиизотропной среды, с использованием описанного ранее специализированного программного пакета DNEPR.

По результатам наблюдений, был определен и практически реализован оптимальный профиль участка борта карьера, в пределах выбранных горизонтов.

Проведенный комплекс исследований позволил оперативно оценить состояние массива горных пород, выделить потенциальную поверхность скольжения, и реализовать наиболее оптимальные параметры борта глубокого карьера отвечающие условиям экономической эффективности и безопасности горных работ.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Лукишое Б.Г., Телибаев Б.К.,Федянин А.С. Взаимосвязь деформаций бортов карьера карьера Мурунтау с внутренними и внешними воздействиями. Горный вестник Узбекистана. 2002. №2, С 49-50.

— Коротко об авторах ---------------------------

Федянин А.С. — инженер-геофизик, рудник Мурунтау НГМК

-------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Бусыгина Е.Б. Методы очистки просеивающих поверхностей гравитационных грохотов (№ 358/09-04 — 31.05.04) 5 с.

2. Цыганков М.Б. Проектное финансирование в горнодобывающей промышленности России (№ 359/09-04 - 02.06.04) 14 с.

------------------------------------------ © А.М. Дерюга, А.В. Иабокин,

2004

УДК 621.396.6

А.М. Дерюга, А.В. Набокин

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ТОННЕЛЯ, ПОГРЕБЕННОГО ЛЕДНИКОМ МАЙЛИ В ГЕНАЛДОНСКОМ УЩЕЛЬЕ

Семинар №2

Введение

ТТ едники Майли и Колка находятся в

•/-I восточной части центрального Кавказа (республика Северная Осетия - Алания) и выходят на бассейн реки Геналдон. Сход этих ледников произошел 20 сентября 2002 года. В результате чего льдогрунтовая масса, состоящая из спрессованного снега, льда, грязи и обломков горных пород заполнила долину р. Геналдон на протяжении пятнадцати километров. Из-за сужения Геналдонского ущелья у так называемых Кармадонских ворот - двух скал с почти вертикальными склонами, значительная часть объема льдогрунтовой массы накопилась именно здесь, завалив три автодорожных тоннеля, проходящих в ущелье. Мощность льдогрунтовой массы составила здесь свыше 100 м. Прорвавшаяся дальше масса - уже преимущественно только селевой поток, пошла вниз по ущелью, накрыв село Нижний Кармадон, и остановилась примерно в десяти километрах от Владикавказа.

Так как было известно, что в день схода ледника в ущелье находилась группа людей, то вскоре начались их поиски. Поиски было решено сосредоточить в районе одного из трех тоннелей, находящихся в данном районе. Предполагалось, что внутри этого тоннеля могли укрыться люди, находившиеся в момент стихийного бедствия в непосредственной близости от него. Действительно, если допустить, что льдогрунтовая масса была не очень текучей, она могла не полностью заполнить тоннель. Таким образом, в тоннеле могли остаться воздушные полости, в которых могли находиться живые люди или, по крайней мере, их тела. В связи с тем, что льдогрунтовая масса лавины двигалась со стороны южного портала, было решено сосредоточить поисковые работы рядом с входом в северный портал тоннеля.

По просьбе МЧС России, проводившей поисковые работы в районе Геналдонского уще-

лья, группа специалистов ЗАО "Таймер" в начале октября 2002 года проводила поиск погребенного тоннеля методом георадиолокации. К моменту прибытия нашей группы на место работ, над предполагаемым местом нахождения северного портала тоннеля спасатели уже делали большую воронку направленными взрывами, для того чтобы начать проходку шахты уже со дна этой воронки, а не с поверхности ледовой массы сократив, таким образом, объем работ. Так как георадиолокационные исследования подземных объектов с поверхности земли требуют, чтобы эта поверхность была сравнительно ровной, то работы пришлось проводить на месте удаленном от воронки. Проводить георадиолокацию непосредственно над тоннелем было невозможно, так как погребенный ледником горный склон, имел здесь слишком большую крутизну. Из-за этого генерируемые георадаром радиоволны сильно отражались бы на границе лед-скала, а амплитуды отраженных от границы скала-свод тоннеля волн были бы настолько ослабленными, что могли быть не различимыми. Поэтому пришлось проводить поиск уже не самого тоннеля, а его северного портала и погребенной дороги, подходящей к нему.

2. Георадиолокационные исследования и их предварительные результаты

Работы проводились с помощью георадара "Грот-10". При этом использовались диполь-ные широкополосные антенны с центральной частотой 100 МГц.

Так как поверхность льдогрунтовой массы была весьма неровной, то пришлось расчищать площадки для установки на них антенн (см. рис. 1). На рис. 3 показаны два профиля, сделанные на двух различных по высоте участках (см. рис. 2). На рис. 4 показаны осциллограммы радиосигналов георадара, на которых отчетливо видны сигналы, отраженные от границы лед - поверхность скалы.

В течение тех двух дней, когда на месте работала наша группа, дать точную глубину залегания найденного объекта и идентифицировать его не представлялось возможным, так как требовалась обработка полученного материала. Но даже тогда, сразу на месте, можно уже было утверждать, что найденный объект находится на глубине 75 - 90 метров. Такая большая глубинность была обеспечена благодаря тому, что льдогрунтовая масса слабо поглощает радиоволны, что позволяет им проходить большие расстояния с небольшим затуханием амплитуды сигнала. Предположительно отражение было получено от поверхности погребенной горной дороги (см. рис. 2). Таким образом, результаты георадиолокационных исследований помогли людям, работающим на леднике сделать правильный вывод о местоположении и глубине залегания тоннеля.

3. Теоретические основы георадиолокации

Учитывая, что в подавляющем большинстве георадарных исследований применяются радиоволны метрового (ОВЧ) диапазона, имеющие длины волн от 10 метров (30 МГц) до 1 м (300 МГц), распространение этих волн можно рассматривать в рамках законов геометрической оптики. Предполагается, что в пределах

профиль №2

Рис. За Рис. 36

допустимых погрешностей в определении скоростей распространения и амплитуд волн действуют принципы Ферма, Гюйгенса, Френеля и закон Снеллиуса [1]. В однородной среде луч перпендикулярен фронту волны и возможны геометрические построения путей волн в среде с последующим вычислением параметров среды.

Работу георадара можно описать следующим образом. Расположенная на поверхности земли передающая антенна георадара излучает импульс радиоволн. Проходя в землю через приповерхностные слои, некоторая часть энергии волны отражается от границ между слоями, отличающимися по электрическим свойствам, и устремляется обратно к поверхности, а остальная часть энергии проникает глубже. Глубина залегания объекта пропорциональна времени, которое требуется радиоволновому импульсу, чтобы "пробежать" от располагающейся на поверхности передающей антенны до от-

ражающей границы и обратно на поверхность к приемной антенне. Это время называется "двойное время пробега".

Скорость же распространения электромагнитной волны в среде зависит в основном от величины ее диэлектрической проницаемости.

Практически все вещества, кроме чистого металла, могут быть отнесены к классу диэлектриков с конечной проводимостью. В связи с

этим вводится комплексная относительная (относительно вакуума, где диэлектрическая проницаемость равна £о) диэлектрическая проницаемость:

8 = 8' - } 8",

где е - комплексная относительная проницаемость, е' - действительная часть, связанная с поляризацией диэлектрика под действием приложенного поля, а е" - мнимая часть, связанная с конечной проводимостью диэлектрика а:

а = ш е"80

где ш - частота приложенного электромагнитного поля.

Диэлектрические потери характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь - отношением мнимой и действительной частей относительной диэлектрической проницаемости:

= е"/ е' = а / ше' 80.

Большое значение для радарных исследований в широком диапазоне частот имеет дисперсия диэлектрической проницаемости, то есть ее зависимость от ш. Для практического использования эта зависимость определяется экспериментально.

Кроме того, скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике уэм зависит и от относительной магнитной проницаемости, но, для большинства горных пород значение магнитной проницаемости близко к 1 и не зависит от ш. С учетом этого фазовая скорость распространения волны будет:

уэм = с / ^"е'

где с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, равная (2,997925 ± 0,000003)-1010 см/с. Скорость электромагнитных волн (уэм) в различных средах, например во льду, меньше их скорости в вакууме.

Диэлектрические потери и проводимость льдогрунтовой массы не измерялись в рамках данной работы, но измерялась уэм, и вычислялся параметр е'.

4. Интерпретация радарограмм и определение величины е' льдогрунтовой массы

Получаемые в ходе георадарной съемки ра-дарограммы, представляющие собой временные (где на вертикальной шкале обозначено "двойное время пробега") разрезы, преобразовывались в глубинные разрезы, отображающие строение пространства, располагающегося ниже земной поверхности.

Из осциллограмм видно, что на временных отметках 850 не (рис. 4а - профиль №1) и 915 не (рис. 46 - профиль №2) регистрируются отраженные радиосигналы. На профилях - рада-рограммах (рис. 3) эти радиосигналы достаточно устойчивые, то есть на них прослеживаются линии синфазности радиоимпульсов. Разница между временами пробега радиоволн (65 наносекунд) на этих радарограммах вызвана тем, что высоты площадок, на которых проводились исследования, различаются на 6 м. Учитывая, что на обеих радарограммах отразился один и тот же объект, а исследование его проводилось с разных высот, можно определить скорость распространения радиоволн v3M в льдогрунтовой массе. Проведя соответствующие расчеты по формуле (4), можно дать заключение: скорость распространения радиоволн в льдогрунтовой массе v3M = 0,1846 м/нс, а действительная часть диэлектрической проницаемости s' = 2,64 единицы. Таким образом, расстояние от нижней площадки до погребенной горной дороги рядом с северным порталом тоннеля составляет 78,5 м (профиль №1), а от верхней площадки 84,5 м (профиль №2).

------------------------СПИСОК ЛИТЕРАТОРЫ

1. Георадиолокационные исследования верхней части разреза /М. Л. Владов, А. В. Старовойтов. - М.: МГУ, 1999.

2. Электрические характеристики систем горная порода - лед /Богородский В. В., Трепов Г. В., Федоров Б. А., Хохлов Г. П. - "ДАН СССР", 1970, т. 190, №1, с. 88-90.

3. Радиолокация слоистых земных покровов /Финкельштейн М. И., Мендельсон В.Л., Кутев В.А.

- М.: Советское радио, 1977.

4. Vickers R.S., Rose G.C. High resolution measurements of snow pack stratigraphy using a short pulse radar.

- In: Proc. VIII Internat. Symp. on Remote Sensing Envir., Res. Inst. Michigan., 1972, v. 1.

5. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии /М. И.

- Коротко об авторак --------------------------

Из изданных ранее работ известно, что уэм в метровом диапазоне волн для пресноводного льда равна 0,173 м/нс (е' = 3) [1], 0,158 м/нс (е' = 3,6) [2], для пресноводного озерного льда 0,167 м/нс (е' = 3,23), речного 0,156-0,178 м/нс (е' = 3,7 - 2,84), речного с примесью плотного снега 0,190 м/нс (е' = 2,49) [3], плотного снега (е' = 1,5 - 1,9) [4]. Несколько пониженное значение диэлектрической проницаемости исследуемой нами среды по сравнению с приведенными значениями эпсилон пресноводного льда можно объяснить тем, что льдогрунтовая масса на момент исследования ее георадаром еще не спрессовалась в плотный лед и при этом еще не начала сильно таять. То есть доля свободной воды (е' = 80 [1 - 5]) в ней не была значительной. В составе этой массы содержалась значительная доля снега, а значит и воздуха, диэлектрическая проницаемость которого равна 1, что в итоге понизило е' льдогрунтовой массы. В льдогрунтовой массе также присутствовали обломки горных пород различной крупности. Но так как их доля составляла всего лишь = 10 % от всего объема льдогрунтовой массы, то е' плотных скальных горных пород (которое заметно выше, чем е' льда и составляет в среднем 5-8 единиц [5]) не оказало существенного влияния на диэлектрическую проницаемость исследуемой среды.

5. Заключение

Уже в апреле 2003 г при проходке скважины диаметром 1,2 м было определено расстояние по вертикали от верхней площадки, где проводились георадиолокационные работы, до дорожного покрытия тоннеля. Это расстояние составило 83 метра. То есть расхождение данных бурения с данными георадиолокации (84,5 м) составило всего 1,5 м.

Финкельштейн, В. А. Кутев, В. П. Золотарев. - М.: Недра, 1986.

Дерюга А.М. - Московский государственный строительный университет. Набокин А.В. - ЗАО «Таймер».