VIII. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНО - СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ

     Метод ССП основан на использовании новых, неизвестных ранее физических эффектов, и уже это одно является условием того, что с помощью этого метода обязательно должна быть получена принципиально новая, не существовавшая раньше информация. И действительно, использование метода ССП позволило нам посмотреть на целый ряд объектов с совершенно новой стороны.
     С другой стороны, как видно из содержания, мы покажем использование метода для решения задач, которые решаются и другими способами. К сожалению, довольно часто из литературы можно почерпнуть информацию, совершенно не соответствующую истинному положению дел. В связи с этим, в каждом отдельном случае наряду с основной информацией о применении метода ССП, будет рассказано об истинном положении дел.

VIII.1. Оценка и прогнозирование устойчивости кровли
подземных выработок

     Если задать геологам угольных шахт вопрос, решение каких задачи они предложили бы геофизикам в первую очередь, были бы названы две проблемы - это прогноз внезапных обрушений пород кровли и прогноз внезапных выбросов угля и газа.
     С помощью специально разработанных методик, рассчитанных на применение спектрально-акустических измерений, нам удалось серьезно продвинуться в решении этих задач. Однако прежде чем излагать эти методики, необходимо коснуться методологического анализа прогнозирования.

VIII.1.1. Основы методологии прогнозирования

     Осуществлять прогнозирование какого-либо явления - означает наблюдать развитие событий, подготавливающих это явление. Так, например, установив в котле высокого давления манометр и наблюдая его показания, можно, зная прочностные характеристики стенок котла, оценивать вероятность взрыва. С другой стороны, если не иметь информации ни о давлении в котле, ни о прочности его стенок, то взрыв окажется для нас внезапным.
     Отсутствие информации о механизме подготовки явления является условием его непрогнозируемости. С другой стороны, характеристика явления как внезапного является признанием его непрогнозируемости. Именно такими явлениями всегда являлись: внезапное обрушение пород кровли, внезапный выброс угля и газа (соли и газа на каменно-соляных рудниках), внезапные провалы на дорогах, внезапные разрушения зданий, сооружений, железнодорожных путей, газо- и нефтепроводов, горные удары, землетрясения и т.д.
     Интересно, что несмотря на принципиальную непрогнозируемость всех перечисленных явлений, существует множество институтов и научных коллективов, которые декларируют успехи в этой области. На чем основаны эти заявления, мы посмотрим в каждом конкретном случае. Применительно к прогнозированию внезапного обрушения кровли это выглядит следующим образом.
     Согласно существующим классификациям, кровля подземных выработок по устойчивости делится на устойчивую, средней устойчивости и неустойчивую. Различие этих трех групп состоит в разном времени, в течение которого кровля может простоять без обрушения при отсутствии ее крепления. Значения этого времени могут быть различными для разных регионов (например, для Донбасса и Кузбасса), но для примера, назовем, соответственно, 10 и 2 часа. То есть если незакрепленная кровля после проходки простоит меньше 2 часов, то кровля неустойчивая, если от 2 до 10 часов, то средней устойчивости, а если больше 10, то устойчивая.
     Однако такого рода классификация содержит не прогностический, а чисто констатационный момент. Ведь для того, чтобы отнести кровлю к какому-нибудь типу, следует дождаться ее обрушения. Кроме того, что подобная "исследовательская" работа невыполнима из технологических соображений, она не имеет смысла, так как полученные при этом значения не могут быть распространены на другие участки кровли.
     Для отнесения кровли к какому-либо из трех перечисленных типов используют расчетные формулы, исходя из того, что, с одной стороны, устойчивость тем выше, чем прочнее породы кровли, а с другой, тем выше, чем больше мощность непосредственной кровли. Здесь необходимо дать пояснения, что деление кровли на непосредственную и основную основано на мысленной модели. Модель эта заключается в том, что сначала обрушается непосредственная кровля, мощность которой не превышает 10 м, а затем - вышележащая, которую назвали основной. Однако определить мощность непосредственной кровли в принципе невозможно. Во-первых, в каждом конкретном месте она зависит от геологии, а во-вторых, такое организованное обрушение кровли происходит очень редко.
     В расчетные соотношения, предназначенные для оценки устойчивости пород кровли, входят аргументы, значения которых экспериментальным путем неопределимы. А это, как известно, является серьезным нарушением методологических принципов физики. Для того чтобы математическое уравнение стало принадлежностью физики, необходимо, чтобы все входящие в него аргументы можно было определить экспериментально на метрологически приемлемом уровне. В противном случае, это чистая математика, игра ума, и не более того.
     При этом, естественно, не может не возникнуть вопрос, зачем нужны расчетные методы, если с их помощью нельзя предсказать устойчивость кровли. Или, иначе говоря, вероятность и характер ее обрушения. К сожалению, в результате многолетнего опыта работы в угольных шахтах, с одной стороны, и на угольной кафедре ЛГИ, с другой стороны, я пришел к выводу, что существующие расчетные соотношения, якобы предназначенные для оценки и прогноза устойчивости кровли, служат совершенно другим целям.
     Не будем касаться чисто конъюнктурных соображений, связанных, скажем, с созданием наукообразия, необходимого для защиты диссертаций, а покажем область фактического применения уже существующих соотношений.
     Согласно существующим в угледобывающей промышленности законам, для получения разрешения на эксплуатацию угольного забоя нужно предъявить расчет необходимой для их работы крепи. Но при этом крепь используется, во-первых, только лишь имеющаяся на складе, а во-вторых, соответствующая имеющемуся на данной шахте опыту. Поэтому, варьируя значениями аргументов и коэффициентами в используемых соотношениях, добиваются того, чтобы получаемая с помощью этой математики характеристика устойчивости пород кровли соответствовала типоразмеру уже имеющейся на складе шахты крепи.
     Не будем комментировать такую практику ученых, создающих подобные методики. Может быть, они сами ее прокомментируют...
     Итак, имея информацию о процессах, подготавливающих интересующее нас явление, можно оценивать вероятность его возникновения. Хотелось бы остановить внимание на том, что именно вероятность, а не конкретное время. Практически, все подлежащие прогнозированию события являются многофакторными, и поэтому могут описываться только вероятностными функциями.
     Так, если с помощью каких-то измерений выявлена тенденция, скажем, к обрушению пород кровли, то конкретный момент обрушения будет зависеть от очень многих причин - от расстояния до фронта очистных работ, от метода и скорости выемки угля, от податливости применяемой крепи, и от ряда других факторов, которые мы, возможно, даже не знаем. Но на практике сама информация об увеличивающейся вероятности неблагоприятного события уже является достаточной, чтобы применить соответствующие мероприятия, направленные на повышение безопасности людей и сохранности (если это нужно) сооружений.
     В конце концов, если вам говорят, что над вашей головой находится полуметровый слой пород, практически не сцепленный с вышележащими породами, то вас уже не будет интересовать конкретный момент его обрушения. Вы либо принудительно его обрушите, либо закрепите выработку так, чтобы обрушение пришлось на возведенную вами крепь. То есть обрушение пород кровли уже не будет для вас внезапным.

VIII.1.1.а. О напряженном состоянии и энергетике

     Думаю, что ученые, профессионально занимающиеся проблемой прогнозирования горнотехнических условий и геодинамических явлений, должны с удивлением отметить отсутствие упоминаний в параграфе VIII.1.1 о роли напряженного состояния горных пород и о высвобождении из горных массивов запасенной там энергии.
     Действительно, казалось бы, если периодически в Мире происходят конференции, посвященные этим субстанциям, то почему же здесь, при обсуждении методологии прогнозирования об этом ничего не говорится.
     Или иначе скажем. Когда находишься в угольной шахте, и вдруг, без всякой видимой подготовки либо возникает горный удар, который, в лучшем случае, воспринимается как удар по пяткам, либо с диким грохотом обрушаются тонны пород кровли, либо вздымается почва, поднимая к самой кровле рельсы с вагонетками¹, то невольно приходит ассоциация с пружиной, которая миллионы лет сжималась, а теперь вот высвобождается с выделением всех энергетических накоплений.
     И вместе с тем, все эти ассоциации и кажущиеся очевидности, связанные с повышенным напряженным состоянием пород нужно было себе запретить. Дело в том, что ни механическое напряжение, представляющее собой, по сути, давление в твердых средах, ни, тем более, энергетика не подлежит измерению. Не знаю как это получилось, чтобы столько места в научной литературе занимало механическое напряжение - предмет, не имеющий соответствующего эталона в Палате Мер и Весов. Ведь вся аппаратура, аттестованная как средства измерения напряженного состояния - не что иное как средства для измерения смещений. А уже напряженное состояние из результатов этих измерений получают путем пересчета в соответствии с теорией упругости. Но ведь все смещения в горных породах происходят не в силу закона Гука, а как следствие разрушений.
     Для определения энергии следовало бы знать произведение смещения на опять же, механическое напряжение...
     В связи с этим, мы попробуем обойтись без этих субстанций.

---

¹ Это явление называется пучением почвы.

VIII.1.2. Методика прогнозирования устойчивости кровли

     Обрушение пород кровли может идти в виде отдельных вывалов, послойного обрушения, беспорядочного высыпания и т.д. Нельзя не отметить, что действительно внезапное, неожиданное обрушение пород кровли с тяжелыми последствиями, как правило, происходит там, где породы наиболее прочны. Это обусловлено экономическими факторами. Дело в том, что одинаково плотно и надежно крепить всю кровлю в шахте экономически немыслимо. Поэтому в ряде случаев, когда в кровле залегают наиболее прочные породы, выработки крепят менее тщательно, чем там, где кровля представлена менее прочными породами.
     Реализованная нами идея прогнозирования устойчивости кровли возникла следующим образом.
     В 1977 году начал формироваться подход, позволяющий определять поверхности ОМК с помощью спектрально - акустических измерений непосредственно из подземной выработки. Если быть точным, то мы тогда еще не понимали свойств выявляемых границ в породах кровли, и считали, что они соответствуют границам между различными литотипами. И действительно, первые несколько измерений, сделанные в различных геологических условиях, показали хорошую сходимость именно с геологической информацией.
     Поиски различных геологических условий привели нас в один из очистных забоев шахты "3-бис" объединения "Торезантрацит" (Донбасс). Так сложилось, что однажды мы проводили измерения в новом забое, где еще не произошло первичное обрушение кровли. В кровле залегал весьма прочный песчаник, мощность которого, по данным разведочных скважин, достигала 30 м. Это очень тяжелые условия работы, так как песчаник такой мощности обрушается большими площадями, и весьма бурно. В условиях индивидуальной крепи, которая тогда применялась в этом забое, первичное обрушение подобных пород может сопровождаться опрокидыванием крепи и даже гибелью работающих там шахтеров.
     Мне очень повезло, что это обрушение, которого ждали уже несколько дней, произошло в то время, когда мы проводили там свои измерения. Дело в том, что обрушилась только часть кровли забоя. Анализ результатов наших измерений показал, что обрушение произошло только там, где более четкими были поверхности ОМК. Дальнейшее наблюдение за этим забоем в течение еще двух недель показало, что процесс обрушения связан с изменением (увеличением) четкости выявляемых нами поверхностей ОМК.
     Дальнейшее логическое построение было элементарным.
     Извлекая при добычных или проходческих работах угольный пласт, мы тем самым оставляем кровлю без опоры, вследствие чего слоистые породы кровли начинают провисать под собственным весом. Провисание пород определяется их слоистостью, и сопровождается процессом расслоения. В силу отсутствия упругих свойств у горных пород, никакого упругого прогиба слоев при этом не происходит, а провисание их определяется накоплением микронарушенности. Скорость этого процесса, завершающегося обрушением пород кровли, при прочих равных условиях определяется толщинами (мощностями) отдельных слоев, а также величиной пролета образовавшегося породного моста.
     То есть прежде, чем обрушиться, породы кровли должны расслоиться. Расслоение идет не где угодно, а лишь по поверхностям ослабленного механического контакта (ОМК). Поверхности ОМК сформированы залегающими в породах кровли углистыми, мергелистыми, слюдяными прослоями, а также поверхностями скольжения.
     Как оказалось, прочностные характеристики пород здесь играют далеко не самую важную роль. Так, породы кровли, представленные прочными песчаниками, мелко переслоенными сверхтонкими углистыми прослоями, будут более склонны к обрушению, чем однородный аргиллит малой прочности, но достаточной мощности. Таким образом, оценить устойчивость кровли было бы вполне реально, если иметь возможность определять местонахождение залегающих в кровле поверхностей ОМК.
     В самом деле, прежде чем обрушиться, породы кровли должны сначала отслоиться от вышележащих пород. Следовательно, имея возможность наблюдать процесс отслоения нижнего породного слоя, можно делать предположение об увеличении вероятности обрушения пород кровли. Кроме того, зная глубину залегания основных поверхностей ОМК, можно заранее ожидать, какая мощность породного слоя готова к обрушению, а это очень важная технологическая информация, так как позволяет выбирать метод поддержания выработки.
     Дальнейшие, уже достаточно массовые исследования в этом направлении показали, что поверхности ОМК чаще всего формируются углистыми прослоями, и именно они определяют устойчивость кровли.
     Поворотным моментом в судьбе методики «Резонанс» (так называлась аппаратура и методика определения устойчивости кровли с помощью спектрально-акустических измерений) стал конфликт с руководством шахты "Распадская". Суть его в следующем.
     Профилирование вдоль штрека 5а-6-8 осуществлялось исключительно для калибровки аппаратуры «Резонанс». Дело в том, что по данным разведочного бурения (скважина выходит непосредственно в штрек вблизи точки начала нашего профиля) в кровле залегает прочный мелкозернистый песчаник мощностью 10 м. На основании этого кровля на протяжении всего штрека была признана весьма устойчивой. А следовательно, практически не требующей крепления. Крепь, конечно, стояла, но, что называется, для проформы.
     Как видно из рис. VIII.1, действительно, вблизи начала профиля присутствует четкая граница на глубине 10 м.

Рис. VIII.1

     Однако гораздо более ярко проявляются поверхности ОМК, находящиеся на меньших глубинах. Совершенно очевидно, что устойчивость кровли будет определяться не песчаником 10-метровой толщины, а именно этими, неглубоко находящимися границами. При бурении эти границы выявлены не были и, как потом и оказалось, обусловлены они сверхтонкими углистыми прослоями. В результате, получается, что нижние 0.5 м, представленные прочным песчаником, создают видимость высокой устойчивости кровли в целом, а на самом деле это впечатление очень обманчиво, и при малейших сотрясениях или подвижках произойдет обрушение этого хрупкого слоеного пирога 5-метровой толщины и более.
     Естественно, что для того, чтобы заставить руководство шахты закрепить этот штрек, нам пришлось пойти на конфликт. Однако при приближении к этому штреку фронта очистных работ на участке, где песчаник был пронизан углистыми прослоями, кровля обрушилась, и избежать травматизма удалось исключительно благодаря вовремя возведенной крепи.
     Можно считать, что именно с этого времени (это был 1982 год) началось практически всесоюзное внедрение методики "Резонанс".
     Обрушение пород кровли в выработанное пространство - это конечный этап разрушения пород, которое начинается с провисания нижнего слоя. Затем провисает следующий слой, для которого нижний в результате провисания перестал быть опорой. Процесс отслоения и провисания идет снизу вверх со скоростью, определяемой толщинами провисающих породных слоев. Однако если провисающие слои ложатся на нижележащие, уже отслоившиеся, то это способствует ускорению разрушения пород кровли в целом. Все эти процессы в отдельности и вместе наблюдались в результате длительных измерений в одном и том же месте штрека, от момента его проходки и до погашения ([21]).
     Анализ этой работы показал, что объективная и надежная оценка устойчивости кровли может быть осуществлена при условии многократного применения метода ССП. Тогда становится возможным наблюдение процесса разрушения пород во времени и экстраполяция этого процесса в перспективу, что, собственно, и является прогнозированием.
     Аппаратура "Резонанс" изготавливалась донецким кооперативом "Искра" в промышленных объемах и эксплуатировалась во всех угольных регионах СССР. Использование этой аппаратуры показало, что обрушение пород кровли перестало быть внезапным. Это была прекрасная проверка предложенной выше идеи прогнозирования устойчивости кровли. Однако в настоящее время, к сожалению, использование этой аппаратуры если и продолжается, то только на одной шахте - "Распадской". Этому способствовало несколько факторов. Во-первых, за эксплуатацию аппаратуры должны отвечать и платить шахты, тогда как за травмированных и убитых шахтеров платит государство. Так что для шахт эксплуатация методики "Резонанс" оказалась экономически невыгодной. А во-вторых, в стране существует множество Институтов горного дела, одна из главных задач для которых - разработка прогнозирования устойчивости кровли. На сегодняшний (авг-02) день могу сказать с уверенностью, что уровень их остался тот же, что и до начала нашей разработки.

VIII.2. Прогнозирование внезапных выбросов угля и газа

     Внезапный выброс угля и газа - это очень грозное явление, жертвами которого постоянно становится много шахтеров. И если, скажем, предотвратить внезапное обрушение пород кровли, пусть дорого, но возможно, то для шахтеров, работающих в шахтах, опасных по выбросу угля и газа, это явление как Дамоклов меч.
     Уголь, который выбрасывается в выработку из угольного пласта, находится в состоянии пыли. Причем пыль это не простая, а весьма мелкодисперсная. Она выглядит как мука мельчайшего помола. Шахтеры ее и называют бешеной мукой. Такая пыль, когда ее много, ведет себя буквально как паста. И часто бывает так, что в результате выброса эта угольная "паста" буквально запечатывает выработки прямо вместе с находящимися там людьми.
     По своему характеру, по своим проявлениям внезапный выброс предполагает наличие объекта, подобного уже рассмотренному нами выше котлу высокого давления. Однако поскольку в угольном пласте не представимо наличие герметично изолированной полости, в которой бы находился газ под высоким давлением, то здесь рабочей гипотезой до сих пор являлись процессы накопления энергии и связанные с этим зоны повышенного напряженного состояния пород. Понятно, что этим и определяется эффективность (а правильно сказать, неэффективность) прогнозирования этого явления. В самом деле, нельзя же успешно прогнозировать реальные события, привлекая некие эфемерные, мифические, экспериментально нерегистрируемые субстанции.
     Поиск механизмов, способствующих формированию в угольном пласте объектов типа герметичного котла высокого давления, увенчался успехом именно в результате учета свойств этой самой "бешеной муки".
     Исследования с помощью электронных микроскопов ([22]) показали, что каждая такая пылинка имеет размер, практически не превышающий величину молекулы угля. Известно, что муку тонкого помола испокон веков путешественники использовали как герметизатор. Если судно терпело бедствие, то для того, чтобы сохранить самые важные документы, их клали в мешок с мукой, и морская вода проникала в муку только на очень небольшую глубину.
     В породах, характеризующихся отсутствием упругих деформаций, а, следовательно, неспособных на формирование герметичного "котла", роль герметизатора играет бешеная мука, которая образуется в угольном пласте при определенных геолого-структурных факторах задолго до начала эксплуатации месторождения.
     Заполняя поры и трещины в угле и в породах, бешеная мука создает как бы корочку, непроницаемую для газа, и при этом обладающую пластичностью.
     В работе [23] показан процесс образования бешеной муки и ее роль в механизме возникновения в угольном пласте герметично закрытых объектов, заполненных газом, находящимся под очень высоким давлением. Эти объекты становятся центрами формирования внезапного выброса угля и газа. Выброс в выработанное пространство происходит в результате того, что при ведении добычных или проходческих работ уменьшается толщина, а следовательно, прочность стенки этого природой созданного "котла".
     Таким образом, для прогноза выброса вполне достаточно иметь информацию о близости к выработанному пространству полости, заполненной метаном, находящимся под повышенным давлением. Имея эту информацию, нетрудно обеспечить плавное снижение давления в этом объекте, то есть ликвидировать условия, необходимые для выброса.
     Проблема прогнозирования выбросов угля и газа оказалась близкой к своему разрешению, поскольку в результате ряда шахтных экспериментов, выполненных еще в 1980 году [24], было выяснено, что наличие в угольном пласте газовой полости вблизи выработки во много раз увеличивает звукопроводность угольного пласта. И действительно, шахтерам известно, что предвыбросная ситуация характеризуется аномально высокой звукопроводностью угольного пласта. Кроме того, как показано в работе [23], предвыбросная ситуация характеризуется еще и повышенной скоростью расслоения кровли.
     Таким образом, прогноз выброса угля и газа сводится к применению спектрально - сейсморазведочных измерений для выявления участков угольного пласта с аномально высокой звукопроводностью, а также примыкающих к этим участкам горных выработок с повышенной скоростью расслоения пород кровли.
     В настоящее время, на каждой шахте, опасной по выбросу, оборудованы точки наблюдения за шумностью в угленосной толще. Для этого в выработках стоят микрофоны, на поверхности в специальных помещениях - студиях круглосуточно ведется прослушивание и запись всех звуков. Предполагается, что со временем специалисты, ведущие прослушивание, обнаружат какой-нибудь акустический признак - предвестник внезапного выброса, и тогда станет возможным его прогнозирование². Ну, а пока что эти работы дают много дополнительных рабочих мест. Поэтому постановка систематических исследований, направленных на реальное прогнозирование выбросов, в соответствии с изложенной здесь идеей, положительного отношения к себе не вызвало.
     С одной стороны, понятно, что никто не будет бросаться на исполнение неизвестно чьих идей. Однако к тому времени в выбросоопасных регионах уже хорошо была известна наша репутация, созданная высокоэффективными применением аппаратуры "Резонанс".

---

² Есть только один, но отнюдь не положительный выход от этой работы. После выброса оказываются записанными предсмертные крики погребенных рабочих. Эти записи затем похищаются их родственниками, медленно сводя с ума тех, кто их потом слушает.

VIII.3. Выявление и картирование тектонических нарушений

     Если верить разного рода рекламным данным, а также, к сожалению, и многим научным публикациям, учебникам и т.д., то может создаться впечатление, что все задачи, перечисленные в настоящей главе, могут быть решены практически любыми геофизическими и геологическими методами. В наибольшей степени это относится к задаче картирования тектонических нарушений, которые не изучены разве что ленивым. На самом деле, это не так. Прямому и надежному изучению подлежат только те тектонические нарушения, которые могут наблюдаться в условиях выхода на поверхность кристаллического фундамента либо при осмотре стенок подземных выработок. Тектонические нарушения, скрытые осадочными породами, общеизвестными методами надежно и доказательно не выявляются.

VIII.3.1. Выявление и картирование тектонических нарушений из подземных выработок

     Наличие тектонических нарушений при разработке угля подземным способом значительно усложняет условия его добычи. Пересечение штреком или очистным забоем зоны тектонического нарушения сопровождается повышенным вывалообразованием. В отдельных случаях кровля в этих зонах оказывается настолько неуправляемой, что приходится даже оставлять добычную технику. Поэтому весьма ценным для шахтеров является получение информации о местонахождении зоны тектонического нарушения с тем, чтобы к ней не приближаться горными работами.
     В связи с очень высокой потребностью в методе прогнозирования тектонических нарушений при движении горных работ считаю необходимым описать суть так называемого метода каналовых волн.

VIII.3.1.а. Метод каналовых волн

     В 1963(?) г в журнале Geophysics появилась статья западногерманского физика Крея ([25]), в которой он дал подробное описание метода сейсмолокации тектонических нарушений непосредственно из выработок угольной шахты. Это было подробное, с указанием планов горных работ и реальных выработок, описание практического осуществления идеи, изначально столь же очевидной, как и вся идея сейсморазведки.
     Идея метода каналовых волн имеет следующий вид.
     Как известно, угольные пласты по своим акустическим характеристикам существенно отличаются от вмещающих пород. Отсюда, вроде бы, само собой разумеется, что пласты угля могут оказаться как бы звуковыми волноводами. А если это действительно так, то оценивая звукопроводность этих волноводов, можно было бы выявлять находящиеся в них разрывные нарушения. Схема эксперимента (в плане), описанного Креем, приведена на рис. VIII.2.

Рис. VIII.2.

     На рис. VIII.2 показан в плане участок угольного пласта, подлежащего исследованию. В каждом из штреков 1 и 2 в борта угольного пласта установлены (ввинчены) сейсмоприемники, по 8 штук в каждом штреке. Сигналы с этих сейсмоприемников поступают на 16-канальную сейсмоаппаратуру.
     Допустим, что в угольном пласте имеется разрывное нарушение, не имеющее выхода на штреки. Как раз тот случай, когда встреча с тектоническим нарушением происходит внезапно и доставляет наибольшие неприятности. В таком случае, при ударе в борт угольного пласта на уровне 6-го ряда сейсмоприемников, приемники 4 и 5 1-го штрека зарегистрируют отражение сигнала от этого нарушения, а в районе приемников 5, 6 и 7 2-го штрека образуется акустическая тень. То есть эти приемники не зарегистрируют прямого сигнала.
     В силу простоты и очевидности описанных процессов, а также вследствие убедительности материалов, приведенных в статье Крэя, все угледобывающие страны, в том числе, и СССР, начали разработку аппаратуры, реализующей эту идею. Не знаю как в других странах, а у нас это дело было поставлено на широкую ногу, поскольку за внедрение этой аппаратуры чиновники Минуглепрома СССР рассчитывали получить Государственную премию.
     В связи с этим последним фактором в стране было создано 28 геофизических отрядов, каждый из которых эксплуатировал в опытном порядке аппаратуру метода каналовых волн (как ее назвали). При этом со стороны Минуглепрома было поставлено перед каждым отрядом требование, чтобы эффективность этой аппаратуры на каждой шахте была бы не ниже 80%. Мне непонятно, как эффективность геофизической аппаратуры можно оценивать в процентах, но соответствующие документы именно о такой эффективности шахты давали.
     Недаром методологи считают, что очевидность в физике - это путь в тупик. Правильнее, наверное, было бы сказать - недоказанная очевидность.
     Давайте допустим, что мы согласны с предложенной идеей картирования нарушений угольного пласта. Но наверное, прежде, чем выпускать в серию аппаратуру, неплохо было бы все-таки эту идею проверить на каком-нибудь очень простом примере. Ну, скажем, что будет, если удар нанести в противоположную стенку штрека. Или сейсмоприемники установить на противоположных стенках штрека…
     То есть проверить, позволяет ли описанный метод выявлять штрек. Штрек - это ведь тоже разрывное нарушение угольного пласта. Причем такое явное, какого природа сделать не может.
     Как оказалось, подобного рода исследования самостоятельно и без информирования руководства проводились геофизиками всех 28 отрядов. При этом было установлено, что параметры сейсмосигналов не зависят от того, в какую из стенок штрека наносится удар и в какую из стенок штрека установлены сейсмоприемники. Более того, на параметры сейсмосигнала не влияет даже наличие между штреками 1 и 2 дополнительных, как бы промежуточных штреков (так называемых, разрезок). И таким образом, можно сказать с уверенностью, что предложенным Креем методом штреки выявлять нельзя. Но если этот метод не позволяет увидеть штреки, то что уж говорить о природных нарушениях.
     То, что Крэй ввел всех в заблуждение, стало ясно уже к 1982 году. Однако сама по себе идея подобного выявления тектонических нарушений настолько элементарна, очевидна и заманчива, что это научное направление существует до сих пор. Более того, в научной литературе развивается математическое обоснование этого, якобы, высокоэффективного метода.
     Дело в том, что о высокой эффективности метода каналовых волн можно прочесть в нескольких монографиях. В первую очередь, у Н.Я. Азарова³. Этот господин, будучи директором Донецкого филиала ВНИМИ – организации, занимавшейся изготовлением и внедрением аппаратуры метода каналовых волн, защитил докторскую диссертацию, ключевым моментом которой были документальные "подтверждения" о 80-процентной эффективности метода. Эта диссертация и составила основу монографии.
     Для меня эта тематика давно потеряла интерес. Я работал со всеми вариантами аппаратуры этого метода и знаю фактическое положение дел. Знаю, какими средствами добывались свидетельства о высокой эффективности метода каналовых волн, и чего стоят монографии и статьи по этому методу. Но вдруг, во время проведения традиционного летнего семинара 1-5 июля 2002 г "Геомеханика и геофизика" Институтом геофизики СО РАН, моим экспериментальным данным была противопоставлена информация по методу каналовых волн со ссылкой на монографию Азарова.
     Мне кажется, что этот случай должен послужить прецедентом для разработки каких-то этических правил в науке. У нас никогда не привлекались к ответу лица, совершившие подлог в науке. А ведь на самом деле, как можно видеть на показанном примере, подлог типа того, что совершен г-ном Азаровым, может иметь последствия, существенно более глубокие, чем просто использование средств на изготовление заведомо никому не нужной аппаратуры.
     Кстати, отметим, что средствами спектрально - акустических измерений задача выявление тектонических нарушений из подземных выработок решается. Правда, из подземных выработок можно картировать нарушения не угольного пласта, а вмещающих пород ([17]). Но для технологов разницы здесь нет. Однако после того как оказалось возможным тектонические нарушения картировать с дневной поверхности, мы этот метод не используем из-за сравнительно высоких трудозатрат при его реализации.

---

³ В настоящее время, Н.Я. Азаров – председатель счетной комиссии Украины.

VIII.3.2. Выявление и картирование тектонических нарушений при работе на дневной поверхности

     Единственным физически обоснованным методом, позволяющим выявлять тектонические нарушения при наличии осадочного чехла, являлась раньше, до создания ССП, газо-эманационная съемка. Известно, что глубинные газы проникают в осадочные породы и далее, в атмосферу, именно через разрывные тектонические нарушения. Поэтому наличие зон с повышенным содержанием радона, метана, углекислоты и других газов справедливо объясняют наличием зоны тектонического нарушения. Однако интенсивность газовыделений и их состав не связаны с параметрами тектонического нарушения. А кроме того, не все тектонические нарушения являются источниками этих газовыделений. И еще. В условиях города, из-за наличия разного рода коммуникаций глубинные газы могут выйти на поверхность достаточно далеко от тектонических нарушений.
     Согласно существующим представлениям, наиболее эффективным методом для картирования тектонических нарушений является космодешифрирование. К сожалению, приходится констатировать, что представления эти ни на чем не основаны. Так, за неимением технических средств для подтверждения или опровержения, просто все наблюдаемые из космоса аномалии принято относить на счет тектонических нарушений.
     Специально проведенные исследования показали, что вероятность попадания при космодешифрировании в тектоническое нарушения не превышает 50%, и при этом, даже если нарушение выделено правильно, параметры его на космоснимках совершенно не отражены. Изменения же цветности растительного покрова, тепловые аномалии и т.п. - все это может возникнуть и по другим причинам.
     На рис. VII.3 уже было приведено изображение разрывного тектонического нарушения. Считаю необходимым сообщить, что возможность метода ССП выявлять тектонические нарушения была обнаружена совершенно случайно. Мы получили предложение попытаться найти точку для бурения под артезианскую скважину. Сложность заключалась в том, что вода была нужна в Выборгском районе, где мощность осадочного чехла колеблется в пределах от 0 до 60 м. Месторождения воды в таких случаях называются трещинными, так как находятся они в трещинах кристаллических пород.
     Из общих соображений, мы предполагали, что должны с помощью нового тогда еще метода ССП увидеть эти трещины в граните, но как они выглядят, нам никто не мог сказать. Бурение скважины на 17-м метре профиля дало воду с дебетом 100м³ в сутки.
     Многократное профилирование в выборгском районе при поисках месторождений воды трещинного типа позволило увидеть целый ряд разновидностей разрывных тектонических нарушений.
     По мере увеличения мощности осадочного чехла граница между кристаллическим фундаментом и осадочными породами прорисовывается на ССП-разрезе все слабее. Само тектоническое нарушение при этом также перестает быть видимым. Но при этом удалось обнаружить устойчивый признак наличия зоны тектонического нарушения. При пересечении профилем линии тектонического нарушения под прямым или не слишком острым углом на ССП-разрезе в пределах зоны тектонического нарушения прорисовывается воронкообразный объект. В зависимости от характера тектонического нарушения, прорисовка воронкообразного объекта может быть различной интенсивности, а кроме того, при нарушением со сдвигом может так оказаться, что прорисуется только одна образующая воронкообразного объекта.
     На рис. VIII. 3 приведен первый такой ССП-разрез. Он был получен при профилировании вдоль восточной границы полигона "Красный бор".

Рис. VIII.3

     Полигон "Красный Бор" - это место, где осуществляется захоронение высокотоксичных отходов химического производства. Место это было выбрано не случайно. Дело в том, что как раз там находится мощное месторождение кембрийских глин. Считается, что из ямы, вырытой в кембрийской глине, не происходит утечка захороненного продукта. Ямы, называемые картами, имеют глубину до 12 м и заполнены высокотоксичным веществом. И вдруг оказалось, что следы этого вещества имеются на соседних с полигоном полях и в соседствующих с ним речках.
     Честно говоря, мы не предполагали даже, какие признаки утечки вещества за пределы полигона могут быть выявлены с помощью метода ССП. Геологическое строение в регионе полигона весьма однородно. Осадочные породы имеют мощность около 300м и представлены монолитным аргиллитом, который только в верхней части разреза переходит в кембрийскую глину. Поэтому два воронкообразных объекта, помеченных желтым цветом, не связаны с какими-либо аномалиями в геологическом строении.
     Поскольку границы, выявляемые методом ССП, представляют собой либо поверхности скольжения, либо зоны повышенной микронарушенности, было высказано предположение, что обнаруженные воронкообразные объекты соответствуют зонам повышенной микронарушенности пород. Когда эта догадка была высказана, она встретила возражения, поскольку, как считали геологи, ни в аргиллитах, ни, тем более, в кембрийской глине никакой микронарушенности быть не может, так как подобные среды обладают свойством самозалечивания. Спор решил проведенный тогда химический анализ грунта в зонах воронкообразных объектов и за их пределами, а также радоновая съемка. Как оказалось, в грунте в зонах воронкообразных объектов находилось весьма повышенное содержание захороненного вещества, а также пик содержания радона.
     На основании этих исследований было высказано предположение, что воронкообразные объекты на ССП-разрезах являются признаком пересечения профилем тектонических нарушений. Это предположение в дальнейшем полностью подтвердилось. Более того, оказалось, что в зонах тектонических нарушений повышенной микронарушенностью обладают абсолютно все породы.
     Разрывные нарушения в кристаллическом фундаменте могут иметь различные параметры и, кроме того, по-разному пересекаться линией профиля при ССП. В зависимости от этого, будут весьма разнообразными очертания этих нарушений на ССП-разрезах. Некоторые варианты будут показаны в дальнейшем материале.

VIII.3.3. Влияние тектонических нарушений на состояние осадочных пород

     Если кристаллический фундамент не имеет выхода на дневную поверхность, то никакими из известных методов надежно откартировать тектоническое нарушение нельзя. За неимением возможности изучать в таких условиях тектонические нарушения, мнения об их свойствах возникали чисто умозрительно и, как оказалось, в большинстве своем они не соответствуют действительности.
     Так, например, считается, что тектонические нарушения оказывают влияние на инженерные сооружения только в сейсмоактивных зонах. Поэтому при строительстве в несейсмоактивных зонах принимают во внимание прочностные характеристики грунта не более чем 10-15-метровой толщины независимо от наличия тектонических нарушений.
     Мнение о том, что при строительстве практически любых объектов следует учитывать прочностные свойства грунта на глубину, не превышающую 10-15 метров, возникло следующим образом. Если считать горные породы вообще, и грунт в частности, средой, обладающей упругими свойствами, то породное основание под фундаментом сооружения можно рассматривать как упругую плиту, которая под влиянием сооружения прогибается. Прогиб этот будет тем меньше, чем больше мощность (толщина) этой плиты. Расчеты показывают, что при мощности ее, превышающей 10-15 м, прогибом можно пренебречь. То есть влияния на более глубоко залегающие породы не будет. По той же логике, влияние разрывного нарушения на грунт прекращается при мощности осадочного чехла, превышающей 20 - 30 м.
     Эти расчеты основаны на лабораторном моделировании, и лежат в основе всей строительной науки. Моделирование осуществляется на материалах, действительно обладающих упругостью. Горные же породы, особенно, осадочные, как показано в разделе III.7, упругостью не обладают. А следовательно, при воздействии на грунт, идет не прогиб какой-то там плиты, а разрушение материала.
     На самом деле, влияние тектонического разрывного нарушения пород кристаллического фундамента на покрывающие его осадочные породы происходит следующим образом.
     В общем случае, нарушенность пород кристаллического фундамента в пределах разрывного нарушения имеет блочный характер. Слой осадочных пород, непосредственно покрывающий разрывное нарушение начнет разрушаться и "залечивать" собой неизбежно существующие в зоне блочной нарушенности пустόты под воздействием давления со стороны вышележащих пород. Возникающая при этом область микронарушенности и микроперемещений в осадочных породах, находящихся над тектоническим нарушением, по мере увеличения мощности осадочного чехла будет также распространяться снизу вверх.
     То есть осадочные породы над тектоническим нарушением за счет постоянных микроперемещений, направленных на залечивание пустот блочной нарушенности кристаллических пород, обладают повышенной микротрещиноватостью. Исключение составляет верхняя часть осадочных пород, находящихся в пределах этой зоны, поскольку на этот поверхностный слой нет никакого воздействия (нечем надавить). Мощность этого ненарушенного породного слоя, находящегося в зоне тектонического нарушения, составляет от 10 до 30 м, в зависимости от его прочностных свойств.
     При ведении строительных работ, в результате воздействия строительной техники, а затем и самого сооружения, область повышенной микронарушенности продолжает распространяться снизу вверх, достигая, в конце концов, дневной поверхности. В результате, грунт, который перед строительством мог быть достаточно прочным, теряет в результате ведения строительных работ свою несущую способность.
     Это достаточно распространенное явление, когда при анализе причин внезапно разрушившегося сооружения прочность грунта оказывается существенно меньше, чем в том же месте, но при исследованиях, предшествовавших строительству ([26]). И только сейчас нам стало понятно, что это явление имеет глубинные корни, определяется наличием разрывного тектонического нарушения, и не зависит от мощности осадочного чехла.
     Воронкообразный объект или одна из его образующих, прорисованные на ССП-разрезах, отражают область, в пределах которой осадочные породы имеют повышенную микронарушенность. Геологов обычно смущает то, что по глубине воронкообразные объекты на ССП-разрезе, как правило, имеют границы примерно от 50 до 150 м. Эти границы определяются спецификой спектрального преобразования сейсмосигнала, и это не означает того, что выше 50 и ниже 150 м породы не имеют повышенной микронарушенности.
     При наличии тектонического нарушения весь столб осадочных пород над ним обладает повышенной микронарушенностью, и воронкообразный объект на ССП-разрезе является признаком того, что грунт в этой зоне обладает (или будет обладать под воздействием инженерного сооружения) пониженной несущей способностью.
     Пониженная несущая способность определяется не просто повышенной податливостью грунта, но тем, что воздействие на грунт в этой зоне вызывает микроперемещения по всей длине столба - до самого кристаллического фундамента.
     Весь этот столб пород, обладающий повышенной микронарушенностью, вследствие этого, обладает повышенной проницаемостью. Именно поэтому глубинные газы из тектонических нарушений без труда достигают поверхности. По той же причине в этих зонах проявляют себя месторождения воды в виде ключей.
     Повышенная проницаемость пород в зонах тектонических нарушений приводит к тому, что расположенные там захоронения токсичных веществ могут заражать грунтовые воды и водоносные горизонты на очень больших площадях, что и произошло на полигоне "Красный Бор" [27].
     Повышенная проницаемость пород в зонах тектонических нарушений обеспечивает беспрепятственный выход на поверхность глубинных газообразных субстанций, что, по всей видимости, должно быть причиной возникновения геопатогенныйх зон.
     На основании работы, выполненной нами с помощью метода ССП, в продолжение работы [28], сейчас можно утверждать ([29]), что в общем случае, тектонические нарушения действительно являются геопатогенными зонами.

VIII.3.4. Выявление карстов и плывунов, и влияние их
на инженерные сооружения

     С геомеханических позиций, по механическим свойствам между плывунами и карстами нет принципиальной разницы. В обоих случаях это некий объем, заполненный пастообразным веществом, заключенным в твердую непроницаемую оболочку. На ССП-разрезах эти объекты также имеют однотипные очертания. На ССП-разрезах карсты и плывуны прорисовываются как ореолы.
     Отношение строителей к карстам и плывунам более или менее устоявшееся. Считается, что наличие их увеличивает вероятность разрушения возводимых над ними сооружений. Однако влияние их на сооружения признается только в тех случаях, когда глубина залегания этих объектов не велика, менее 10 м. Столь непоколебима уверенность строителей в наличии упругих свойств грунта, что влияние на сооружения любых объектов, находящихся на бóльших глубинах, отметается безапелляционно. По этой причине до сих пор, с 1903 года обсуждаются причины внезапного разрушения Трансконского (Канада) элеватора, карст под которым был на 20-метровой глубине.
     Однако после того как оказалось, что как карсты, так и плывуны без проблем выявляются методом ССП, нам удалось понять физику влияния этих объектов на инженерные сооружения.
     На рис. VIII.4 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании вдоль газопровода "Уренгой – Новопсков", в 80 км от Уфы. Массив представлен карбонатными породами.

Рис. VIII.4.

     На участке профиля 0 - 110м на глубине 70 - 80м видна граница. По ее четкости и характерным изломам (показано красной штриховой линией) можно судить, что граница эта обусловлена наличием известняковой плиты. На участке 120 - 220м прорисован воронкообразный объект (показано желтой штриховой линией). Синей штриховой линией показан ореол, оконтуривающий карст. Возник он в результате воздействия на известняк грунтовыми водами, имеющими кислотный характер. Мигрируют грунтовые воды в зонах тектонических нарушений, поэтому карсты всегда приурочены именно к воронкообразным объектам.
     Верхняя граница карста находится на глубине 40м, однако это не помешало тому, что грунт на участке 130 - 250м профиля обладает пониженной несущей способностью. Это проявилось провисанием газопроводной трубы, которое завершилось ее разрывом.
     Замечено, что как карсты, так и плывуны находятся несколько в стороне от воронкообразного объекта.
     На рис.VIII.5 показан ССП-разрез, полученный при профилировании в Санкт-Петербурге вдоль Политехнической ул., непосредственно в зоне аварии метрополитена. Как видно из рисунка, участок разгерметизации тоннелей (то есть, непосредственно аварии) приходится на зону тектонического нарушения, соответствующую воронкообразному объекту, показанному желтой штриховой линией. Добротность сигналов в зоне тектонического нарушения (Q) имеет значение порядка 30.
     Ореол (показан синей штриховой линией), центр которого приходится на 575-й м профиля на глубине около 70 м, соответствует плывуну, который в 1995-м году устремился в разгерметизировавшийся тоннель. Эти два процесса происходили отдельно.
     1-й процесс - это погружение тоннелей в зону пониженной несущей способности грунта. Процесс этот шел толчками, и к этому мы еще вернемся в разделе VIII.7, и завершился изломом тоннелей. 2-й процесс - проникновение материала плывуна в трещины, образовавшиеся в тоннелях. Здесь совершенно не видно роли размыва, о котором непрерывно говорят как о виновнике аварии. И к тому же, зона аварии 40 м, а размыв простирается вдоль тоннелей на полкилометра.
     Материал плывуна представляет собой что-то вроде водонасыщенного ила. Природа возникновения плывунов, по-видимому, не вполне понятна. Существует даже гипотеза об их органическом происхождении. Для нас главное состоит в том, что, согласно нашим наблюдениям с помощью метода ССП, плывуны, так же как и карсты, всегда приурочены к тектоническим нарушениям. Из этого следуют два очень важных вывода.
1.    Обнаружив под инженерным сооружением тектоническое нарушение, можно с большой степенью вероятности предполагать также и наличие плывунов.
2.    Как показывает опыт, инженерное сооружение может себя удовлетворительно чувствовать, имея под собой плывун. Но при этом очень важно не потревожить систему, в которую вместе с плывуном входит связанное с ним тектоническое нарушение. В противном случае, давление в плывуне может уменьшиться, и произойдет резкая осадка фундамента сооружения.

Рис. VIII.5

VIII.3.5. Оценка и прогнозирование надежности инженерных сооружений (ИС)

     При оценке и прогнозировании надежности ИС упор обычно делают на оценку долговечности несущих конструкций. В ряде случаев это себя оправдывает, но иногда разрушение происходит задолго до расчетного срока. Сейчас нам стало ясно, что такие случаи обусловлены тем, что фундамент сооружения в процессе его эксплуатации может вдруг начать терять собственную опору вследствие изменяющейся во времени несущей способности грунта. Главную роль при этом, как оказалось, играет факт наличия тектонического нарушения.
     Первоначально, когда мы только начинали изучать влияние тектонических нарушений на надежность ИС, нам представлялось, что, учитывая величину Q (см. раздел VII.3) в прорисовке образующих воронкообразных объектов, можно надежно осуществлять прогнозирование. И действительно, в тех случаях, когда Q >30, можно с уверенностью ожидать преждевременного разрушения ИС. Приведем примеры.
     На рис. VIII.6 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании вдоль западной границы территории очистных сооружений в Ольгино (СПб). Здесь Q имеет величину порядка 60, из чего можно сделать заключение о том, что любое ИС в данной зоне начнет разрушаться уже в момент строительства. И действительно, главное звено этих очистных сооружений – стакан аэрации, имеющий диаметр 60 м и высоту 70 м, и врытый в землю заподлицо, начал разрушаться с самого начала его строительства. Он находится в состоянии практически постоянного ремонта в течение всех 30 лет его эксплуатации и является удобным полигоном для проверки наших представлений о влиянии тектонических нарушений.
     Надо сказать, что ни проектировщики, ни строители, ни ремонтники категорически не согласны с тем, что причиной хронически аварийного состояния стакана является пересекающее его тектоническое нарушение. Как водится, ссылались на некачественный цемент, на нарушения технологии строительства. Основным аргументом их против влияния тектонического нарушения было то, что, имея высоту 70 м, стакан, фактически, стоит на кембрийской глине, а это, по мнению строителей, является как бы гарантией того, что никакие геологические факторы повлиять на ИС не в состоянии.

Рис. VIII.6

     Увы, это не так. Первый раз мы с этим встретились при обследовании полигона "Красный Бор", когда выяснилось, что в зоне тектонического нарушения кембрийская глина имеет повышенную фильтрационную способность. И только сейчас, когда на основании дополнительных гидрогеологических исследований выяснилось, что процесс разрушения стакана в точности соответствует выявленной нами тектонике, к строителям, кажется, начало приходить какое-то понимание.
     Приведенный пример касается не прогнозирования, а выявления причин уже сложившейся аварийной ситуации. Однако имеет отношение и к прогнозированию.
     Дело в том, что в километре от очистных сооружений идет строительство Северо-Западной ТЭЦ, которая со временем должна заменить доживающую свой срок ЛАЭС.
     Территория ТЭЦ пронизана тектоническими нарушениями, являющимися продолжением тех, которые влияют на состояние очистных сооружений. Проведя исследования этой территории, мы обнаружили, что под машинным залом уже построенной первой очереди находится узел пересечения трех линий тектонических нарушений. Машинный же зал второй очереди находится целиком в зоне мощного тектонического нарушения.
     Несмотря на наше предупреждение, руководство ТЭЦ все-таки возводит в этой зоне запланированное ИС, и здесь мы уже имеем пример прогноза, эффективность которого нам предстоит оценить в недалеком будущем.
     Вернемся еще раз к результату исследований Политехнической ул. и к зоне с плывуном, показанной на рис. VIII.5. Дело в том, что «виновниками» аварии на метрополитене считаются подсеченные геологами еще при изысканиях размыв и плывун. Версий, как именно их наличие привело к аварии, несколько, и я не буду их пересказывать. Отмечу только, что зона размыва тянется примерно полкилометра, тогда как собственно авария, разгерметизация тоннелей произошли на протяжении не более чем 40 м. В связи с этим, картина, предшествовавшая аварии, выглядит следующим образом.
     По мере оттаивания замороженного при строительстве метрополитена грунта, началось провисание тоннелей в зоне тектонического нарушения. Процесс провисания тоннелей усугублялся динамическим воздействием со стороны проходящих по нему поездов. Об этом свидетельствует толчкообразный характер опускания тоннелей, зафиксированный в предаварийный период. Кроме того, в зоне разгерметизации тоннелей рухнули также и наземные сооружения, что также подтверждает наши представления о влиянии тектонических нарушений на изменение состояния грунта.
     С нашим пониманием физики развития предаварийной ситуации можно спорить, но сделанные нами тогда выводы, по-видимому, в ближайшее время будут подвергнуты проверке. В работе [30] мы предупреждали, что если обходной путь метрополитена, который должен строиться взамен погибшего при аварии 1996 года, будет проходить под ул. Карбышева, то это приведет к аварии на городском канализационном коллекторе. Дело в том, что тектоническое нарушение, подсеченное нами на ул. Политехнической, пересекает ул. Карбышева как раз там, где обходная трасса метрополитена будет проходить под коллектором. Неизбежное опускание тоннелей метрополитена в этой зоне повлечет за собой и опускание коллектора. И если тоннели обещают сделать гибкими, чтобы они выдержали это опускание, то коллектор гибким не является, и изгиба не выдержит.
     Здесь, на Карбышева, величина Q не превышает 20, и коллектор стоит уже много времени, и простоял бы еще, но поскольку поезда в тоннелях под этим коллектором будут оказывать на грунт динамическое воздействие, то и при этих природных условиях первые же поезда, пущенные по новому участку тоннеля, вызовут аварию на коллекторе.
     При выяснении причин преждевременного разрушения ИС следует оконтурить его профилями ССП и выяснить соответствие наблюдаемых разрушений наличию тектонических нарушений. Это необходимо для принятия правильного решения. Так, например, при оконтуривании блока из шести большеобъемных (по 2000м³) резервуаров с авиационным керосином в районе Шувалово - Озерки, нам удалось увидеть, что тектоническое нарушение находится как раз под той емкостью, в которой происходили утечки. Как оказалось, этот резервуар уже неоднократно ремонтировался, но, как считается, некачественно, и поэтому течь не устранялась.
     Мы не знаем, прислушаются ли к нашим рекомендациям, но можем сказать точно, что никакой ремонт не решит проблему до тех пор, пока резервуар не перенесут в сторону от тектонического нарушения. Как оказалось, эта проблема весьма актуальна. Чуть ли не 50% всех большеобъемных резервуаров в Мире имеют течь, и мы предполагаем, что не последнюю роль в этой беде играют тектонические нарушения.
     Еще одно подтверждение этой точки зрения мы получили, проведя исследования газопроводов в районе Уфы.
     Как известно, аварии на трубопроводах различного назначения составляют значительную часть всех аварий ИС. Наше внимание привлек тот факт, что аварии на трубопроводах зачастую происходят в тех местах, где уже проводился их ремонт. То есть на тех участках, где трубопровод должен бы иметь бóльшую надежность, чем на соседних. По идее, это указывает на то, что причины аварийности следует искать не в качестве труб, а в каких-то природных факторах.
     И действительно, пройдя 12 км вдоль газопровода, мы смогли убедиться, что все аварии (а их было за последние 5 лет более чем по одной на каждый км), произошли в зонах тектонических нарушений. При этом оказалось, что разновидностей строения тектонических нарушений существует так много, что для надежного прогнозирования состояния трубопроводов необходимо осуществлять профилирование с обеих сторон. Для примера, покажем случай, когда на трассе встретилась предположительно кольцевая структура.
     На рис. VIII.7 показан в плане один из таких вариантов очертания линии разлома.

Рис. VIII.7

     Естественно, нас заинтересовала столь жесткая связь мест аварий с наличием зон тектонических нарушений. Оказалось, что причина этой связи состоит в особенностях технологии прокладки трубопроводов и их ремонта.
     Уложенная в траншею труба засыпается грунтом, а затем этот грунт утрамбовывается тяжелой техникой. Представляется, что при этом закладываются условия для дальнейшего разрушения трубы. Ведь на границе зоны тектонического нарушения, где происходит пространственное изменение несущей способности грунта, под воздействием тяжелой техники труба работает на срез. Надо полагать, что если грунт над трубой не утрамбовывать, надежность трубопровода увеличится.
     При прогнозировании надежности уже функционирующих ИС, наряду с анализом ССП-разрезов следует учитывать режим их эксплуатации. Так, если дом оказался в зоне тектонического нарушения, то срок его эксплуатации резко сократится при возникновении динамических нагрузок, которые могут возникнуть при установке кузнечно - прессового оборудования или в случае каких-либо внутренних перепланировок или надстройки, скажем, на один этаж.
     Кроме того, если под домом проходит тектоническое нарушение, нельзя допускать никаких строительных работ на продолжении этого нарушения, если даже эти работы отстоят от дома на казалось бы достаточном удалении. В противном случае происходит изменение гидрогеологического режима в зоне тектонического нарушения по всей его длине и, как следствие, резкое уменьшение несущей способности грунта под домом. Авария произойдет даже в том случае, если величина S была небольшой.
     Именно таким образом произошло разрушение Перцевского дома и дома N 48 по наб. Обводного канала в Петербурге.
     Полагаю, что разрушение "депутатского" дома на Каширском шоссе в Москве после начала строительства невдалеке от него подземного гаража произошло под воздействием того же механизма.
     И, наконец, еще один момент. Со временем, строители безусловно найдут рецепты, как возводить надежные сооружения независимо от наличия тектонических нарушений. Однако, как было показано выше, зоны тектонических нарушений являются еще и геопатогенными зонами, и это обязательно надо учитывать при строительстве и эксплуатации жилых домов и мест длительного пребывания людей (детских учреждений, больниц, гостиниц и т.д.).

VIII.3.5.а. О СОГЛАСОВАНИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ С КОНЦЕПЦИЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ГРУНТОМ

     В первую очередь, это касается вопроса применения свай и их эффективности. Считается, что сваи необходимо применять в случае слабых грунтов таким образом, чтобы опорой этих свай служили какие-либо прочные породы. Например, слои глин.
     Однако, как мы теперь понимаем, в зонах тектонических нарушений нет и быть не может никаких прочных породных горизонтов. Бывает так, что сваи забивают до отказа, и даже иногда отрезают верхушку, так как глубже не забить. И вместе с тем, через некоторое время начинается погружение построенного на этих сваях фундамента. Причину этого явления всегда искали в некачественной забивке свай. Сейчас стало понятно, что таким образом проявляются свойства пород в зонах тектонических нарушений. Они находятся в микротрещиноватом состоянии, и если при быстрых нагружениях (при забивке свай) они ведут себя как достаточно прочные, то при длительных нагружениях они нагрузку не держат, и свободно пропускают сваи через себя.
     От длины свай здесь также ничего не зависит. Как было замечено в работе [31], есть такие места на Земле, где если удлинять сваи даже до 50 м, то они все равно будут в грунт. Нам теперь известно, о каких местах в этой работе шла речь.
     Сваи в данном случае только способствуют увеличению момента инерции конструкции, что само по себе тоже полезно. Однако следует учитывать, что, увеличивая длину и количество свай в зонах тектонических нарушений, мы увеличиваем вес сооружения, и тем самым способствуем ускорению погружения опирающегося на них фундамента.
     Особо следует отметить те случаи, когда для уменьшения осадки ИС используют буронабивные сваи.
     Разного рода инъекции бетонными растворами имеют своим назначением укрепление грунта. Однако при этом не следует забывать, что эти инъекции увеличивают, и порой, значительно, вес сооружения. А следовательно, если осадка сооружения происходит из-за рассмотренных здесь глубинных причин, то применение буронабивных свай может дать только кратковременный эффект, а в конечном итоге оно приведет к ускорению осадки.
     В этом случае возникает вопрос: как же вести строительство, чтобы инженерное сооружение даже в условиях пониженной несущей способности грунта, обусловленной тектоническим нарушением, имело достаточную надежность?
     Мы не можем брать на себя несвойственные нам функции проектировщиков и строителей. Однако не надо быть строителем, чтобы понять, что конструкция фундамента сооружения должна быть такой, чтобы она не имела опор в зонах тектонических нарушений. И, кроме того, ведь все технологические приемы в строительстве возникали и создавались в соответствии с пониманием процессов, происходящих в системе фундамент ИС - грунт. Так что по мере изменения этих представлений и технология строительства будет изменяться.

VIII.3.5.б. О РЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ

     "САНКТ - ПЕТЕРБУРГ, 26 августа 2002г. Сегодня в Санкт-Петербурге в результате падения подъемного крана один человек погиб, и четверо пострадали. Как сообщили корреспонденту ИА "Росбалт" в петербургском Управлении по делам ГО и ЧС, трагедия произошла около 14:30 у дома 47 по Коломяжскому проспекту. Рядом расположен вещевой рынок, поэтому днем в этом месте бывает довольно многолюдно. По предварительным данным, среди четырех раненых - двое детей. Личности пострадавших и погибшего устанавливаются."

     Услышав это сообщение, я набрал на поисковиках в интернете "упал кран", и увидел, что событие это происходит во всех странах Мира чуть ли не каждую неделю.
     Я уже сталкивался с этой проблемой, когда с 1974 по 1977 годы участвовал в разработке геофизического метода для определения качества уплотнения подсыпки под рельсы башенных кранов. Работа тогда не кончилась ничем, поскольку неправильно был выбран геофизический метод для решения этой задачи. Мы пытались тогда использовать для этого методы гамма - плотнометрии. Решение это было не просто ошибочным. Оно было, как стало, в конце концов, понятно, просто неграмотным. В настоящее время ситуация с решением этой задачи в корне изменилась в результате проведенных исследований рельсовых путей.
     Исследования проводились на железных дорогах.
     Влияние тектонических нарушений на железнодорожные магистрали зависит от геометрии нарушений относительно геометрии путей. На рис. VIII.8. схематично приведены некоторые из уже встречавшихся нами случаев.
     Влияние тектонических нарушений рассматривается на двухпутную магистраль.

Рис. VIII.8.

     На рис. VIII.8.а показан случай, когда протяженная зона тектонического нарушения пересекается обоими путями. При этом влияние зоны тектонического нарушения более или менее одинаково на оба пути, и проявляется оно в тенденции обоих путей к повышенной просадке. Нейтрализуется такое влияние частыми ремонтами пути, которые сводятся к подсыпке и поднятию путей. Это довольно частый случай. Он проявляется на ССП-разрезах воронкообразными объектами.
     На рис.VIII.8.б показан случай, когда зона тектонического нарушения захватывает лишь один путь. При этом оба пути оказываются в различных условиях. Прогиб одного пути может оказаться значительно больше, чем другого. Более того, может оказаться, что рельсы одного и того же пути будут иметь различный прогиб, а это уже чревато аварийной ситуацией. Подобная ситуация возможна, например, в результате того, что железная дорога проходит по краю болота, когда обстановка в смысле зон тектонических нарушений может существенно изменяться буквально на каждом метре.
     Приведенный на рис.VIII.8.в случай соответствует направлению тектонического направления, совпадающему с направлением путей.
     Залегание тектонического нарушения параллельно железнодорожному пути вызывает обрушение (сползание) насыпи, а также, при соответствующих параметрах нарушения, разрушение части полотна. Что же касается выявления тектонических нарушений, направление которых параллельно профилю (путям), то здесь имеются некоторые особенности.
     При направлении ССП-профиля, параллельном направлению тектонического нарушения, то есть когда профиль идет по борту нарушения, на ССП-разрезе прорисовывается не воронкообразный объект, а система параллельных границ. При строгой параллельности направлений границы на ССП-разрезе горизонтальны, а при нестрогой параллельности - наклонные. Пример такого случая приведен на рис.VIII.9. Если профиль идет не непосредственно по борту, а несколько в стороне от него, то прорисовки параллельных границ не будет. Для того же, чтобы не пропустить наличие нарушения, идущего вдоль профиля, необходимо вести два параллельных профиля, и резкое различие характера обоих ССП-разрезов уже является косвенным признаком этого. В таких местах следует делать поперечный профиль.

Рис.VIII.9

     Мы здесь привели некоторые уже встречавшиеся нами случаи. Однако природа разнообразна, а пропущенное тектоническое нарушение может стоить безопасности при эксплуатации пути. Поэтому представляется целесообразным, во-первых, профилирование двумя параллельными нитками по обе стороны от пути и, во-вторых, изучение всех тех участков, где ССП-разрезы по обеим ниткам имеют принципиальное различие.
     При эксплуатации железных дорог зачастую возникает проблема устойчивости опор мостов и опор линии электропередачи. Обе эти проблемы находятся в компетенции метода ССП.
     Проблема устойчивости опор мостов неоднократно описывалась в приводимых в литературе статьях и на сайте. Вкратце, суть в том, что если зона тектонического нарушения, приуроченного к речке, через которую перекинут мост, оказывается шире, чем расстояние между крайними опорами моста, то опоры эти начинают погружаться в грунт с недопустимо высокой скоростью, со всеми отсюда вытекающими последствиями. Чаще всего, только одна опора оказывается в такой ситуации, и тогда мост будет излишне часто ремонтироваться в течение всего срока своей жизни.
     Падение линий электропередачи также довольно частая неприятность. Столб, оказавшийся на краю зоны тектонического нарушения, обречен повторить судьбу Пизанской башни.
     И, наконец, о башенных кранах. Если рельсы крана оказались в ситуации, показанной на рис. VIII.8.в, то обязательно наступит момент, когда северный рельс довольно быстро прогнется под тяжестью крана. Причем произойдет это не во время работы крана, когда он не двигается по рельсам, а во время паузы – ночью или во время обеденного перерыва. Это примерно то же самое, когда свая с огромным трудом погружается в землю, когда ее забивают, и легко уходит под постоянным воздействием возведенного сооружения.

VIII.4. Дефектоскопия гранита с помощью метода ССП

     Возможности метода ССП очень широки, и применяя его в новой ситуации, мы практически каждый раз получаем принципиально новую, неожиданную информацию.
     Измерения по обнажению гранитного кристаллического фундамента на территории камнедобывающего предприятия (карьер "Кузнечное") производились нами для калибровки ССП-аппаратуры, поскольку мы предполагали, что гранитный массив является монолитной однородной безграничной средой. Однако полученный при этом ССП-разрез (см. рис.VIII.10) содержал четкую границу на глубинах от 1,5 до 2,5 м.
     При визуальном обследовании гранитного массива после проведения взрывных работ выявленную методом ССП границу обнаружить не удалось. И только после консультаций с технологами этого предприятия мы узнали, что граница, выявленная с помощью метода ССП, есть не что иное как постельная трещина.

Рис. VIII.10

     Как оказалось, постельные трещины могут залегать в массиве на небольших глубинах, ни визуально, ни геофизикой не обнаруживаются, и проявляются только при чистовой обработке изделий из камня. Наличие метода, позволяющего увидеть наличие и местонахождение постельных трещин в граните еще в его естественном залегании, безусловно увеличит эффективность камнедобывающей промышленности.
     Однако, кроме того, прослеживая характер залегания постельных трещин, можно оценить объемную трещиноватость по линии профилирования. Так, на приведенном ССП-разрезе видно, что участок 24 - 27 м не содержит постельной трещины и характеризуется повышенной объемной нарушенностью (показано желтой штриховой линией), а стало быть, гранит здесь годится только на щебень.

VIII.5. Поиск и разбраковка коренных алмазных месторождений

     Коренные алмазные месторождения представляют огромный интерес не только для геологов - алмазников, но и как объекты, позволяющие дополнительно изучить физику ССП.
     Дело в том, что если изучаемые нами подвижки в зонах тектонических нарушений возникли за счет перемещений пород сверху вниз, то трубки взрыва при своем возникновении и при прорыве осадочных пород способствуют перемещениям пород снизу вверх. Естественно, что на ССП-разрезах при профилировании через территорию коренных месторождений алмазов должна быть какая-то специфика, обусловленная этим.
     Это действительно подтвердилось при работе на уже разведанных, и в частности, архангельских трубках. На рис. VIII.11 приведен ССП-разрез при прохождении профиля через трубку "Поморская".

Рис. VIII.11

     Само тело трубки проявляется куполообразным объектом с двойной границей. Верхняя граница залегает на глубине около 70 м, и, что самое интересное, выше этой границы проявляются очертания, несогласные телу трубки.
     Если сравнивать характер информации по трубкам, получаемой с помощью различных геофизических методов, то получается, что метод ССП является единственным прямым методом картирования и разбраковки объектов магматического происхождения.
     К сожалению, обнаруженные нами возможности метода ССП выявлять коренные месторождения алмазов не вызвали у геофизиков и геологов - алмазников положительных реакций. История обычная - при использовании для поисков алмазных коренных месторождений метода ССП сами собой отпадут остальные геофизические методы, и геологи не смогут закладывать такие большие деньги на ведение поисковых работ.

VIII.6. Разведка месторождений воды

     Поиск месторождений воды является актуальнейшей проблемой. На сегодняшний день воду ищут, главным образом, с помощью лозоискателей. Об эффективности этих поисков мы здесь говорить не будем, но уже одно то, что аппаратурных геофизических методов выявления месторождений воды просто не существует, понятен интерес к тому, чтобы использовать любой новый геофизический метод для решения этой задачи.
     Первый раз мы попытались использовать метод ССП для поисков воды в Выборгском р-не Ленинградской обл. Основанием для этого послужило то, что, благодаря малой мощности осадочного чехла воду можно было ожидать только трещинного типа, а трещины в кристаллическом фундаменте с помощью метода ССП хорошо видны. И действительно, каждый раз при поисках воды, когда нам удавалось зарегистрировать разрывное нарушение в кристаллическом фундаменте, бурение давало там воду.
     Аналогичный результат получается и там, где осадочные породы имеют мощность, превышающую 200 м. Из тех нескольких десятков случаев, когда в таких условиях требовалось найти воду, задача решалась при бурении в зоне тектонического нарушения.
     Практика поисков воды с помощью метода ССП показала, что иногда не так важно найти воду, как важно знать, откуда эту воду брать нельзя. Воду нельзя брать из плывуна, из тектонического нарушения, проходящего под ИС, под разного рода захоронениями.
     Не так давно под Петербургом разрушилось сразу несколько домов после того как начали эксплуатировать скважину, пробуренную в тектоническое нарушение, проходящее под этими домами.