Денис Хоробров, Марат Гильфанов, Станислав Поплавский, Нурбулат Дуйсиналиев
Технология глубинной высокоразрешающей импульсной электроразведки (ГВИЭР) сочетает экологическую нейтральность неразрушающего способа исследований с его высокой информативностью за счет физических свойств электромагнитных волн (ЭМВ), что позволяет определять строение грунтов и горных пород на глубинах до 400 м с шагом измерений по георадарному профилю от 0,1 м и строить на основании получаемых данных 2D и 3D цифровые модели подповерхностного пространства.
ЭМВ в отличие от упругих (акустических) волн хорошо различают границы талый/мерзлый, обводненный/сухой, углеводороды/вода — из-за разности диэлектрической проницаемости пород (скорости) прохождения и отражения волн, а также разного удельного электрического сопротивления пород, дают информацию об их пространственном расположении; электромагнитный сигнал также содержит качественную информацию о плотности пород и степени влагонасыщения. Все это позволяет получать более точную и детальную информацию о состоянии геологических сред на больших глубинах, позволяет создать систему мониторинга динамики развития опасных геологических процессов.
Результаты ГВИЭР геологических структур и объектов выражаются в виде вертикальных геоэлектрических разрезов. Результаты могут использоваться для построения и уточнения геометрии геотехнических численных моделей грунтовых оснований.
Решаемые задачи инженерной геологии, геотехники, геомеханики:
• Построения детальных разрезов на глубины до 50–100 м с повышенным разрешением;
• Определение мощности грунтовых слоев, границ коренных пород под рыхлыми отложениями, локализации оползневых тел, границ мерзлых пород, глубины и площадей сезонной оттайки;
• Детальная локализация аномалий геологического пространства: зоны трещиноватости, плоскости скольжения, солифлюкции, деградации мерзлых грунтов, таликовых зон, подземных полостей и пустот, зон разуплотнения, морозного пучения, термокарстов и других аномалий;
• Мониторинг состояния грунтовых оснований под фундаментами зданий и сооружений;
• Определение фактических глубин залегания фундаментов, свай, дренажных систем, мостовых опор, трубопроводов, в том числе подводных;
• Картирование инженерных коммуникаций, локализация протечек;
• Определение уровня грунтовых вод, зон повышенного увлажнения грунтов, палеорусел и т. п.;
• Картирование опасных подповерхностных загрязнений;
• Мониторинг состояния дорожного полотна, железнодорожных насыпей, взлетно-посадочных полос и т. д.
Основные достоинства технологии ГВИЭР — бесконтактной электроразведки — по сравнению с другими традиционными контактными методами электроразведки:
• Может работать с любых поверхностей в любой сезон, нет ограничений к заземлению, как в классической электроразведке; может работать в стесненных условиях городской застройки, внутри помещений;
• Область применения: песок, лед, вода, болота, курумники, увлажненные грунты, растепленные мерзлые породы;
• Скорость и объем исследований, без использования тяжелой техники: одна бригада выполняет до 10 пог. км профилей в день;
• Непрерывная съемка подповерхностных структур при площадной съемке;
• За счет неразрушающей технологии выполнение работ не требует дополнительных разрешений в отличие от полевых изыскательских работ традиционными методами;
• Экономическая эффективность: снижение количества заверочных скважин до 70 %, повышение детализации исходных данных по сравнению с традиционной контактной электроразведкой вертикальным электрическим зондированием (ВЭЗ) и электротомографией (ЭТ).
Принцип действия аппаратуры подповерхностного георадиолокационного зондирования основан на излучении сверхширокополосных (наносекундных) импульсов метрового и дециметрового диапазона электромагнитных волн и приеме сигналов, отраженных от границ раздела слоев зондируемой среды, имеющих различные электрофизические свойства. Такими границами раздела в исследуемых средах являются, например, контакт между сухими и влагонасыщенными грунтами (уровень грунтовых вод), контакты между породами различного литологического состава, между породой и материалом искусственного сооружения, между мерзлыми и талыми грунтами, между коренными и осадочными породами, границы карстовых полостей и т. д.
Достижение значительных глубин зондирования возможно посредством понижения частоты зондирующего сигнала. Затухание, которое претерпевает зондирующий сигнал, частотно зависимо: чем ниже частота, тем меньше затухание. Зондирующий сигнал на частотах 15–25 МГц с потенциалом 163 дБ может обеспечить достаточную для регистрации амплитуду отражения с глубин 80–100 м (в зависимости от свойств грунтов).
На объектах ООО «ГРК Быстринское» резидентом Фонда «Сколково» был выполнен ряд пилотных работ для демонстрации возможностей ГВИЭР для решения задач инженерной геологии, геотехники, геомеханики.
1. Обследование бортов двух карьеров
Цель:
определение пространственного положения границ аномалий: тектонических разрывных нарушений, карстовых пустот, выявление водо-насыщенных горных пород на глубинах до 70 м по бортам карьера.
Результаты.
Карьер 1. Выявлены протяженные зоны повышенной проводимости — вероятно, повышенной влажности на глубинах от 8 до 25 м. Обнаружены участки, характерные для зон трещиноватости.
Карьер 2. Выделена плоскость разлома 20–30°. Исследования совпадают с данными, предоставленными заказчиком. Дополнительно параллельно отмеченному разлому выявлены места развивающихся трещин, не отмеченных ранее заказчиком.
Ценность.
Оперативное получение информации о состоянии бортов карьеров: наличие влагонасыщенных участков, мест карстообразований, зон трещиноватости, разрывных нарушений; полевые работы: 2 дн; камеральная обработка: 3 дн. На карьере 2 удалось проследить истинное пространственное расположение основного разлома и смежных с ним разрывных нарушений на глубины до 50 м, что является новым, важным, уточняющим признаком для оценки состояния безопасности участка борта.
2. Обследование склада окисленной руды
Цель:
выявление структурных особенностей распространения трещин в изотропном массиве отвала окисленной руды.
Результаты.
Выявлена плоскость трещины, зафиксированной на поверхности (плоскость скольжения). Прослеживается граница более плотного основания насыпи с глубин 25–32 м, совпадающая с проектной границей. Полученные результаты подтверждают правильность принятых ранее решений по оценке состояния безопасности рабочей площадки склада.
Ценность.
Оперативное выявление плоскостей скольжения, гидрогеологических условий и выявление аномалий разреза; полевые работы: 1 дн; камеральная обработка: 1 дн.
3. Обследование АБК
Цель:
обследование части административно-бытового корпуса с чрезмерными осадками на наличие карстов, суффозий, обводнений.
Результаты.
Обводненность и суффозийность наблюдаются в южной части корпуса до глубины 6–8 м. Может влиять на неравномерные осадки фундамента. Полученные результаты обследования подтвердили результаты инженерно-геологических изысканий других исполнителей, что является важным, уточняющим признаком для оценки состояния безопасности левого крыла здания АБК.
Ценность.
Оперативное выявление гидрогеологических условий и выявление аномалий разреза; полевые работы: 1 дн; камеральная обработка: 1 дн.
Все выполненные пилоты показали положительный результат, полученные данные при сопоставлении совпали с имевшимися данными изысканий.
Специалистами ГВИЭР сейчас выделяются следующие перспективы развития данной технологии:
• Накопление георадиолокационных данных в специальной базе данных (БД) для анализа закономерностей при мониторинге деградации мерзлоты;
• Подключение машинного обучения для БД для повышения точности анализа и прогнозирования динамики деградации мерзлоты до сантиметров. Текущая точность оценки границ приблизительно принимается ±10 % исследуемой глубины;
• Георадиолокатор на БПЛА. Ведутся разработки оптимальной конфигурации антенн для зондирования с высоты 1–50 м с глубиной зондирования до 20 м;
• Скважинный георадиолокатор для контроля грунта вокруг скважины в радиусе до 10 м.
Станислав Поплавский, директор по стратегическим партнерам, руководитель направления MineTech:
— Разработанная резидентом Фонда «Сколково» технология ГВИЭР рационально дополняет традиционные методы исследований в вертикальных и горизонтальных плоскостях на всех этапах жизненного цикла объектов промышленного и гражданского строительства, линейных объектов, может существенно дополнить ТИМ-платформы.
Использование технологии ГВИЭР значительно дополняет экологический и геотехнический мониторинг состояния грунтовых оснований, грунтовых и каменных плотин, повышает безопасность объектов строительства, предупреждает аварии и ЧС гражданских и промышленных объектов.
Марат Гильфанов, к. т. н., главный специалист группы геомеханических работ УМиГР ООО «ГРК Быстринское»:
— Использование георадарного комплекса показало хорошие результаты при обследовании массивов дисперсных грунтов на сооружениях ГТС при обследовании дамбы и намытого массива хвостов на хвостохранилище, обследовании территории, прилегающей к АБК, при выявлении структурных особенностей распространения трещин в изотропном массиве складированных окисленных руд, при обследовании тектонических разломов с высотной привязкой в карьере.
Основное его предназначение в ООО «ГРК Быстринское» необходимо связывать с возможностью использования его в карьерах при выполнении геомеханических работ в качестве инструмента оперативного уточнения и прогнозирования пространственного положения опасных грунтовых аномалий, карстовых провалов, тектонических и деформационных разрывных нарушений в массиве, на глубину до 3 рабочих уступов (25–30 м). Это позволит расширить возможности предотвращения несчастных случаев, связанных с указанными деформационными и геологическими проявлениями, что улучшит управляемость безопасностью при ведении горных работ в карьерах и эксплуатации гидротехнических сооружений.
Денис Хоробров, технический директор ООО «ГРК Быстринское», из рекомендательного письма:
— Технология ГВИЭР показала достаточно высокую степень корреляции с данными, получаемыми как прямыми методами бурения, так и с помощью других методов — таких как электро- и сейсморазведка. При этом результаты исследований, проводимых по непрерывным георадарным профилям, позволили получить данные с приемлемой детальностью.
При выполнении указанных работ экспертами резидента Фонда «Сколково» была продемонстрирована высокая информативность технологии в сочетании с относительной дешевизной и простотой ее использования. В связи с этим технология ГВИЭР может быть рекомендована нами для решения многочисленных практических задач в геологоразведке, инженерной геологии, а также будет, несомненно, полезна при экологическом мониторинге и в других областях, требующих детального изучения подповерхностного пространства ненарушающим способом.
ООО «ГРК Быстринское» рекомендует данную технологию для дальнейшего применения на промышленных объектах горнодобывающих компаний.
Вопросы можно задать здесь: SPoplavskiy@sk.ru