Прогнозирование техногенных катастроф и многое другое...
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En

Принципы прогнозирования техногенных катастроф

Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
июнь 2014, Санкт-Петербург

Не проходит недели, чтобы на Земле не произошло внезапного разрушения, причина которого так и остается неизвестной. Сами собой, без всяких видимых причин разрушаются и проваливаются дома, разрушаются подземные выработки (в шахтах), разрушаются электростанции (аварии типа Саяно-Шушенской ГЭС), проваливаются насосные станции, без всяких видимых причин рвутся на всём ходу железнодорожные составы...

Понятно, что причины должны существовать, но вот в чем они заключаются?..

Впрочем, кое-какие логические линии существуют. Так, давно замечено, что если на месте вот так, беспричинно разрушенного сооружения построить другое, то оно тоже будет разрушаться, железнодорожные составы, трубопроводы тоже рвутся в одних и тех же местах... Все, кто с этим сталкивался, сделали совершенно справедливый вывод, который заключается в том, что виновата геология.

К этому выводу пришли в первой трети XIX века, более 100 лет искали геологическую причину внезапных разрушений, но после ряда весьма значительных необъясненных аварий отступились.

Процесс поиска этой причины сдвинулся с мертвой точки после того как стали обнаруживаться некоторые свойства геологических объектов, известных как зоны тектонических нарушений (ЗТН) [1]. Одно из свойств ЗТН заключается в том, что сами они, эти зоны как раз и являются местом разрушения любых сооружений, как, впрочем, и самих горных пород. При случайном попадании скважины в ЗТН, буровой инструмент испытывает минимальное сопротивление и даже, бывает, проваливается, и керн в этом случае практически отсутствует.

Для того чтобы иметь возможность выявлять ЗТН и исследовать их свойства, оказался пригодным сравнительно новый (ему «всего» 20 лет) геофизический метод. Это разновидность сейсморазведки, метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП). ССП основано на обнаруженном еще в 1977 году физическом эффекте, который заключается в том, что объекты из подавляющего большинства твердых сред, и в том числе, геологические структуры, проявляют свойства колебательных систем.

Напомню, что фундаментальным свойством единичной колебательной системы является реакция на ударное (импульсное) воздействие в виде затухающего синусоидального сигнала [2]. В качестве простейшего примера единичной колебательной системы, залегающей в земной толще, может служить плоскопараллельная структура - наиболее часто встречающийся геологический объект в условиях осадочного чехла. То есть, слой горных пород. В таком случае частота возникающей в результате ударного воздействия затухающей синусоиды однозначно связана с толщиной (мощностью) породного слоя1.

Понятно, что если определять мощности залегающих в земной толще породных слоев путем определения частотного спектра отклика на удар, то иначе как спектральной сейсморазведкой это не назвать.

Зоны тектонических нарушений на ССП-разрезах имеют вид воронкообразного объекта или одной образующей воронки. На рис.1 приведен пример ССП-разреза, содержащего как воронкообразный объект, так и объект, содержащий одну образующую воронкообразного объекта.

ССП-разреза, содержащего как воронкообразный объект, так и объект, содержащий одну образующую воронкообразного объекта
Рис. 1

Профиль пересек воронкообразный объект на участке 3-9м. С обеих сторон от этого объекта видны т.н. оперяющие следы нарушения, характерные для ЗТН. Единичные образующие видны на участке 34-41м.

Различие воздействия на инженерные сооружения со стороны ЗТН, проявившиеся воронкообразным объектом и единичной образующей огромно. Так, например, если сооружение находится в зоне воронки, то это приведет к некоторому сокращению времени его службы, а если в зоне единичной образующей, то это вызовет быстрое, резкое, катастрофическое разрушение. Причина в том, что воронка соответствует бессдвигому тектоническому нарушению, а единичная образующая - сдвигу (сбросу). Двойная образующая соответствует двойному сбросу, что еще более опасно.

Кроме того, на рис.1 виден куполообразный объект. Он имеет чисто геологический интерес и соответствует наличию магматического объекта (типа, скажем, кимберлитовых трубок). Но к разрушению инженерных сооружений этот объект не имеет отношения.

В результате установления зависимости между наличием ЗТН и фактом разрушения инженерных сооружений был сделан первый шаг в создании метода прогнозирования разрушений инженерных разрушений. На этом этапе мы (научные сотрудники фирмы Геофизпрогноз) застряли на несколько лет, потому что возникло некоторое количество вопросов, без ответа на которые продолжать развивать метод прогнозирования было нельзя.

Сейчас можно с уверенностью ответить на некоторые из этих вопросов. Так, оказалось, что если при геофизических изысканиях на поверхности земли обнаружить ЗТН, то это однозначно свидетельствует о неизбежном разрушении как наземного объекта, находящегося в этой зоне, так и подземного, находящегося на ЛЮБОЙ глубине. Это имело для нас серьезное значение, так как основные наши интересы связаны с решением проблем безопасности в угольных шахтах. В результате изучения свойств ЗТН, механизм развития аварийной ситуации в угольной шахте стал понятен во всех подробностях.

Разрушение горных пород угленосной толщи в ЗТН является причиной обрушения пород кровли подземных выработок. С другой стороны, разрушение угольного пласта в ЗТН вызывает выделение метана, растворенного в угле. В результате, при внезапном, неожиданном пересечении подземной выработкой зоны тектонического нарушения происходит одновременно обрушение пород кровли и выход метана в шахтное пространство. Понятно, что поскольку теперь появилась возможность своевременного обнаружения ЗТН, возникла возможность своевременной дегазации угленосной толщи в этой зоне и своевременной подготовки специальных средств для поддержания кровли при входе выработки в ЗТН.

На рис.2 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании по поверхности Земли, над и вдоль будущего штрека.

ССП-разрез, полученный при профилировании по поверхности Земли, над и вдоль будущего штрека
Рис. 2

В зоне сброса на участке профиля 760-810м наш прогноз подтвердился и имела место аварийная ситуация, что закрыло нам возможность проведения дальнейших прогнозных исследований на шахтах Кузбасса. Как ни странно, для владельцев шахт оказалось предпочтительнее, чтобы прогнозов не было. Дело в том, что осуществление мероприятий, устраняющих причину аварии, требует затрат шахты, а в случае аварии разного рода компенсации идут из госбюджета.

К сожалению, это касается не только шахт, но и жилых домов. Про дом №31 корп.4 по ул. Замшина, СПб, я писал многократно, рассказывал по ТВ. Этот дом, построенный по технологии монолитного строительства, имеет под собой мощный сброс, в результате чего идет постоянное его разрушение. Плита-основание его разрушена и в стенах визуально наблюдается (из квартир) более 2000 трещин, а снаружи - сотни анкеров и угловых стяжек. Фрагмент показан на рис.3. Однако это не мешает надзирающим экспертным организациям относить этот дом к первой категории.

Дом N 31 корп.4 по ул. Замшина, СПб. Этот дом имеет под собой мощный сброс, в результате чего идет постоянное его разрушение. Плита-основание его разрушена и в стенах визуально наблюдается (из квартир) более 2000 трещин, а снаружи - сотни анкеров и угловых стяжек. Фрагмент показан на рис.3. Однако это не мешает надзирающим экспертным организациям относить этот дом к первой категории
Рис. 3

И еще один тип аварий, который может быть спрогнозирован средствами ССП. Дело в том, что, как уже было сказано выше, земная толща по акустическим характеристикам представляет собой совокупность колебательных систем. Говоря обыденным языком, мы живем на Земле как бы как на батуте. Пока мы на батуте спим и медленно двигаемся, мы ничего не почувствуем. Но если начать прыгать, то всё своеобразие такого существования сразу обнаружится.

Если на грунт (проявляющий, как я уже говорил, свойства совокупности колебательных систем) установить ВИБРИРУЮЩИЙ объект, и если частота его вибрации окажется близкой к собственной частоте одной из колебательных систем, залегающих в земной толще в этой зоне, то возникнет резонансное явление. Оно заключается в том, что начнется плавный рост амплитуды вибрации этого объекта. В зависимости от ряда факторов, амплитуда вибрации может возрасти в десятки и даже в сотни раз, и при достижении какого-то значения произойдет мгновенное, взрывоподобное разрушение самого слабого звена. То есть, или в грунте образуется воронка, в которую провалится вибрирующий объект (как это происходит при железнодорожных авариях), или вибрирующий объект сорвется с креплений (Саяно-Шушенская ГЭС), или крепления выйдут из пазов (разрушения мостов при движении по ним печатным шагом воинских подразделений). Разница лишь в том, что у мостов колебательные системы входят в их конструкцию, а в остальных примерах - залегают в земной толще.

Резонансные разрушения имеют большую историю. Когда на смену генераторам постоянного электрического напряжения пришли генераторы переменного напряжения, по всей Земле прокатилась волна непонятных электрических пробоев и пожаров в электрических сетях и устройствах. Когда электрическое напряжение или ток по непонятной причине возрастали в десятки, сотни и даже в тысячи раз, который уже раз обсуждалась возможность вечного двигателя и ставилась под сомнение обязательность выполнения закона сохранения энергии. Однако после осознания физики резонансных процессов эта проблема в электричестве была снята.

Акустика и механика сейчас находятся примерно в том же состоянии, как электротехника в пору, когда буйствовали резонансные явления в электрических устройствах. И даже хуже, потому что акустика и сейсморазведка до сих пор не имеют никакой метрологической основы и не существует возможности какого-либо метрологически корректного измерения каких бы то ни было акустических параметров.

Однако регистрация изменения амплитуды вибрации возможна, и этого достаточно, чтобы распознавать момент приближения резонансного разрушения. Так, датчики вибрации на Саяно-Шушенской ГЭС показывали плавное увеличение амплитуды вибрации корпуса 2-го гидроагрегата, достигшего к моменту аварии превышение к норме, равное 600. Мне непонятно, как при этом можно было не распознать развитие резонансного явления...

Резонансные разрушения бьют по объектам, оказывающим на земную толщу динамическое (вибрационное) воздействие. То есть, на энергетические центры нашей цивилизации. В связи с этим, представляются логичными цифры, опубликованные Министерством Чрезвычайных Ситуаций. Как оказалось, за вторую половину двадцатого столетия затраты во всём мире, вызванные техногенными катастрофами, возросли примерно в 10 раз - с 60 до 700млрд долларов в год. Но за тот же период и энергооснащенность нашей планеты возросла тоже в 10 раз. Я думаю, что здесь комментарии не требуются.

Конкретные методики прогнозирования техногенных катастроф могут быть эффективными только в том случае, если известны механизмы их развития. В связи с тем, что механизмы техногенных катастроф стали известны, для того, чтобы катастрофы прекратились или хотя бы уменьшилось их количество, должно появиться то, что называется политической волей. Я здесь имею в виду следующее.

Когда в бытность Шойгу Министром МЧС, когда мы (организация Геофизпрогноз) предлагали представителям этого министерства (от отдела науки СПб отделения МЧС и до зам. министра) свои услуги для прогнозирования и, следовательно, снижения количества техногенных катастроф, нам на всех уровнях отвечали одной и той же фразой: «Бюджет МЧС определяется не количеством прогнозов, а количеством завалов, и поэтому поддерживать вас мы не будем» [3, 4].

Когда я получил именное приглашение на II Всероссийский Форум под эгидой МЧС «Техногенные катастрофы: технологии предупреждения и ликвидации», который пройдет 17 июня 2014 г. в Москве, я, честно говоря, подумал, что в МЧС что-то изменилось. Однако предложив оргкомитету доклад с названием «Принципы прогнозирования техногенных катастроф», я получил согласие на это, но с условием заплатить за возможность прочесть доклад десятикратную стоимость относительно оргвзноса. Я так понимаю, чтобы я сам отказался от этого.

Ну что ж, значит, чтобы появилась эта самая политическая воля, нужно подождать, пока сменится Некто повыше Министра МЧС.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Гликман А.Г. Свойства зон тектонических нарушений(ЗТН).// «Жизнь и безопасность».- 2005.- № 1-2.- с.213-241.
  2. Гликман А.Г. Гимн синусоиде
  3. Гликман А.Г. Что выгоднее - прогнозировать чрезвычайные ситуации или ликвидировать их последствия. Жизнь и безопасность. №1-2, 2001, с. 112 - 116.
  4. Гликман А.Г. Кто заинтересован в решении проблем безопасности?

[1] Частота f0 синусоиды оказалась связанной с толщиной h породного слоя обратной пропорцией: h = k / f0


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: