Устройство для прогнозирования и раннего оповещения о катастрофических активизациях опасных природно-техногенных процессов в верхней части геологического разреза

Полезная модель относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным, газово-эманационным и радиоактивным устройствам для скважинного стационарного контроля и прогнозирования моментов внезапных катастрофических активизаций опасных геодинамических процессов (ОГП) на локальных участках верхней части геологического разреза (ВЧР) в зонах природно-техногенных рисков.
Патентуемое решение может быть использовано для организации мониторинга в сети раннего оповещения о приближении катастрофической ситуации, оперативного контроля резких изменений напряженно - деформированного состояния (НДС) грунтового основания на потенциально опасных участках (ПОУ) важных объектов, надежного локального прогнозирования периода начала активизации ОГП на потенциально опасных слоях (ПОС) вертикального разреза ВЧР в таких местах, как оползни, карстовые районы, обводненные мульды, активные тектонические разломы (АТР). Заявленное устройство может устанавливаться также в сводах подземных горных выработок (шахт), карстовых полостей и пр.
Кроме этого, полезная модель может быть применена для контроля устойчивости оснований крупных строительных объектов, таких, как АЭС, НПЗ, нефтегазопроводы, дамбы, плотины, компрессорные станции, авто- и железные дороги, другие ответственные объекты, находящиеся в зонах природно-техногенных рисков, что позволит своевременно принять и реализовать взвешенные управляющие решения, избежать человеческих, экономических и репутационных потерь.
Из уровня техники известны устройства для контроля верхней части геологического разреза (ВЧР) (Патент Украины №50863 от 15.11.2002. Бюл. №11 «Устройство для регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) - «Симеиз», согласно которому его магнитная составляющая регистрируется одной магнитной вертикальной Hz антенной, которую перемещают вдоль скважины, при этом производят измерения параметров магнитного поля Земли с использованием двух каскадов полосовых фильтров, которые программно перестраиваются, а также программных дискриминаторов, задающих оптимальный режим регистрации параметров магнитного поля, определения доминирующей частоты и спектрального анализа сигналов (мощность спектра, число и энергия импульсов, средняя амплитуда доминирующей частоты и пр. характеристики), по которым и судят об изменениях НДС грунтов на поверхности и в теле ВЧР.
Устройство не позволяет получать надежную, оперативную и достоверную информацию из-за использования устаревших, громоздких схемных решений, в частности, применения дискриминаторов и перестраиваемых фильтров. Далее, к причинам, которые препятствуют достижению описанного ниже технического результата при использовании известного устройства и работающего с цифровым сигналом, лежит невозможность его работы с широкополосным случайным сигналом в диапазоне 1.0-100.0 кГц, у которого непрогнозируемый спектр, нет несущей частоты и поэтому невозможно резюмировать средней частотой доминирующего сигнала, особенно при широких полосах, когда фильтры играют негативную роль. Кроме этого, данные исследований носят сугубо субъективный характер, поскольку измерения проводят а) только одной антенной Hz и б) без заверки их результатов другими альтернативными методами.
Известно также устройство для мониторинга локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР (Патент РФ №2363964 от 17.07.2008 г.), содержащее три ортогонально расположенные антенны, приемное устройство, снабженное передатчиком, устройством обработки данных и специальным программным обеспечением, позволяющим повысить надежность прогноза активизации ОГП. В тоже время получаемая информация не обладает необходимой надежностью и достоверностью, поскольку используется только один электромагнитный метод оценки ОГП без заверки результатов измерений другими альтернативными методами.
Ближайшим аналогом заявленного технического решения, который решал бы комплексную задачу по мониторингу локальных неоднородностей и прогнозу внезапных активизаций геодинамических зон верхней части геологического разреза является устройство для мониторинга локальных неоднородностей геодинамических и коррозионных зон ВЧР, содержащее а) сейсмический радиоволновой блок для измерения эманаций радиоактивных газов, объемной активности радона-222 и количества распадов 216РО (ThA) в почвенном воздухе и б) блок измерения электромагнитных сигналов поля Земли ортогональных компонент Нх, Ну, Hz плотности потока ЕИЭМПЗ, напр., в диапазоне 1,0-200,0 кГц, а также передатчик, который служит для передачи суммарного сигнала на базовую станцию (Патент №123546 от 03.08.2012 г.).
К недостаткам наиболее близкого аналога следует отнести низкую точность результатов измерений из-за громоздкости его схемных решений, невозможности получения информации о конкретном неустойчивом потенциально опасном слое (ПОС) грунтового массива по глубине ВЧР, напр., о состоянии зоны скольжения оползня на склоне, с целью надежного прогнозирования начала катастрофического образования необратимых деформаций внутри ВЧР, поскольку этот аналог позволяет получать только интегральную оценку опасности по всей площади ПОУ без конкретизации ее по глубине ВЧР, а также ограниченные эксплуатационные возможности устройства, так как он требует дополнительного наземного размещения однотипного измерительного блока ЕИЭМПЗ (вариационная фоновая станция) на безаномальном участке для компенсации природно-техногенных электромагнитных помех, низкую доверительную вероятность, поскольку он не имеет возможности определять и следить за объективными изменениями доминирующей информативной рабочей частоты по всему рабочему диапазону 1,0-100,0 кГц.
В основу устройства для прогнозирования и раннего оповещения о катастрофических активизациях опасных природно-техногенных процессов в верхней части геологического разреза ВЧР положена проблема (задача), путем усовершенствования известного устройства, создать аппаратно-программный радиогазоэманационный комплекс для автоматической регистрации сигналов ЕИЭМПЗ, приходящих в периоды появления предвестников катастрофических активизаций ОГП, приводящих к появлению микроскопических необратимых деформаций в любой точке ВЧР, определению и корректировке наиболее информативной доминирующей рабочей частоты спектра радиоволнового прибора при изменениях геодинамической ситуации и НДС грунтов ПОС в силу внутренних гравитационных и внешних воздействий с последующей корреляционной заверкой результатов сейсмическим торон-радоновым прибором контроля, что позволяет оперативно идентифицировать потенциально опасные слои (ПОС) верхней части разреза, постоянно следить за их состоянием и передавать сигналы раннего оповещения о катастрофических активизациях ОГП в теле ВЧР на базовую станцию, диспетчерско-руководящему персоналу.
дом
Указанный технический результат при реализации полезной модели достигается тем, что устройство для прогнозирования и раннего оповещения о катастрофических активизациях опасных природно-техногенных процессов в теле верхней части геологического разреза, содержащее блок 1 измерения сигналов ортогональных Нх, Ну, Hz плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли, соединен своим выходом с блоком 2 преобразований Фурье, связанным с анализатором 3 амплитуды сигнала, выбирающего их максимальные значения на доминирующей частоте f, выход которого соединен с блоком 4 компаратора, сравнивающего максимальную амплитуду сигнала на доминирующей частоте с пороговым значением, превышающим в пять и более раз, при этом вновь введенный сейсмический радоновый блок 6 своим выходом соединен со вторым входом сумматора 5, а выход блока 4 компаратора подсоединен к первому входу сумматора 5, соединенного своим выходом с входом передатчика 7, причем в случае превышения параметров упомянутого сигнала указанной величины и после корреляции полученной информации с данными сейсмического радонового прибора 6, через сумматор 5 и далее передатчик 7 и антенну 8 формируется в эфир сигнал тревоги для принятия соответствующих управляющих команд по предотвращению критических ситуаций.
Далее полезная модель будет рассмотрена более подробно со ссылкой на графические материалы, где:
на фиг. 1 - изображена структурная схема полезной модели;
на фиг. 2 - схема диагностического скважинного обследования, мониторинга тела ВЧР и стационарных наблюдений потенциально опасного слоя.
Описание устройства в статике.
Сейсмический радоновый прибор 6 предназначен для измерения эманаций радиоактивных газов, объемной активности радона-222 и количества распадов 216 PO(ThA) в почвенном воздухе.
В основу устройства положен радиоволновой прибор (фиг. 1), выполненный с блоком 1 измерения сигналов ортогональных компонент Нх, Ну, Hz плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ (N, имп/мин), имеющим ортогональные антенны Нх, Ну, Hz, кроме этого, он дополнительно содержит блок 2 преобразований Фурье, который через анализатор 3 амплитуды измеряемых сигналов формирует сигналы на вход блока 4 компаратора, выход которого соединен с первым входом сумматора 5, на второй вход которого также поступают сигналы от выхода сейсмического радонового прибора 6. При этом выход сумматора 5 соединен с входом передатчика 7, который через антенну 8 направляет информационный сигнал об активизациях ОГП в теле ВЧР в эфир. Формируемые сигналы, в частности улавливаются антеннами базовых станций для принятия соответствующих действий по исключению или предотвращению катастрофических последствий, например действий по запуску системы раннего оповещения о катастрофических активизациях ОГП в теле ВЧР диспетчерского руководящего персонала.
Устройство работает следующим образом.
Магнитные компоненты Нх, Ну, Hz плотности потока электромагнитного поля Земли регистрируются блоком 1 (Фиг. 1) измерения сигналов ортогональных антенн радиоволнового прибора, передающим сигналы на вход блока 2 преобразований Фурье для мгновенного разложения в спектр сигналов напряженности магнитного поля ЕИЭМПЗ, позволяющего одновременно видеть во всем диапазоне 1,0-100,0 кГц все доминирующие, информативные частоты наблюдений. При этом блок 2 дает возможность разложить непериодические функции на гармонические компоненты, частоты которых составляют непрерывную совокупность значений. Далее сигнал с выхода блока 2 поступает на вход блока 3 анализатора амплитуд сигнала, выбирающего их максимальные значения на доминирующей частоте ^0 м, выход которого соединен с блоком 4 компаратора, сравнивающего максимальную амплитуду сигнала на доминирующей частоте с пороговым значением, превышающим в 5-7 и более раз и, в случае такого превышения, через сумматор 5, с учетом корреляции полученной информации с данными сейсмического радонового прибора 6, через передатчик 7 и антенны 8 выдается в эфир сигнал тревоги для принятия соответствующих управляющих команд. В частном случае, этот сигнал поступает на антенну базовой станции (не показаны) для включения системы оповещения соответствующих служб и населения.
Кроме этого, патентуемое устройство может быть использовано при проведении периодической диагностики ОГП вдоль профиля всей скважины 9 (фиг. 2).
Так, например, в одном режиме - диагностическое скважинное обследование, отдельных слоев по всей глубине оползня тела оползня; в другом режиме - периодическое, программное стационарное наблюдение развития активизаций ОГП на конкретном потенциально опасном слое (ПОС).
На фиг. 2 указаны следующие обозначения:
9 - скважина;
10 - наиболее потенциально опасный слой в критическом состоянии;
11, 12 - потенциально опасный слой;
6 - сейсмический радоновый прибор;
ф
№ - фоновое значения сигналов ЕИЭМПЗ;
оп
№ - опасное значение сигналов ЕИЭМПЗ;
кр
№ - критическое значение сигналов ЕИЭМПЗ.
В соответствии с условиями первого режима управления устройство обеспечивает диагностическое скважинное обследование всего тела верхней части геологического разреза, а также отдельных слоев тела оползня для выявления и оконтуривания активных геодинамических зон; картирования и ранжирования их по степени опасности и т.п.
В соответствии с условиями второго режима управления устройство обеспечивает периодические и стационарные наблюдения на одном или всех выявленных потенциально опасных слоях оползня, т.е., возможна организация мониторинга напряженно-деформированного состояния тела верхней части геологического разреза с целью получения возможности раннего оповещения о приближении в конкретном слое ситуации, представляющей реальную угрозу техническому состоянию и целостности объекта контроля (нефтегазопровод на оползневом склоне, авто- или железная дорога, блоки АЭС и др.).