ЧАСТЬ 1. ИСТОКИ
1. О наличии в сейсмосигнале гармонических затухающих процессов
1.1. О первых наших акустических измерениях в шахтных условиях
Задача, поставленная передо мной при первом в моей жизни спуске в угольную шахту в 1977 году состояла в следующем. Нужно было необходимо найти технологичный и метрологически корректный способ определения затухания звука при распространении его в породах кровли. Это было необходимо для решения следующей задачи.
Дело в том, что, согласно общепринятым представлениям, характер затухания звука в породах кровли должен быть как-то связан с их трещиноватостью, а следовательно, с вероятностью обрушения этих пород. И, стало быть, если осуществлять измерения, с помощью которых можно было бы оценивать это затухание, то можно было бы выйти на прогноз обрушения пород кровли в подземных выработках.
Внезапное обрушение пород кровли - это очень грозное явление. Во всем Мире примерно половина травматизма подземных рабочих обусловлена именно этим явлением1. Поэтому перед всеми научно-исследовательскими организациями горняцкого профиля обязательно стоит задача поиска признаков, с помощью которых стало бы возможным прогнозирование обрушения пород кровли. Поэтому перед всеми научно-исследовательскими организациями горняцкого профиля обязательно стоит задача поиска признаков, с помощью которых стало бы возможным прогнозирование обрушения пород кровли.
В основе нашей попытки использовать акустические измерения для прогнозирования обрушения пород кровли лежали два казавшихся тогда очевидными положения. Первое заключается в том, что с удалением от источника сигнала амплитуда регистрируемого поля должна уменьшаться тем быстрее, чем более трещиноваты породы. И второе, которое состоит в том, что с увеличением частоты зондирующего сигнала интенсивность поля в точке приема должна уменьшаться также тем быстрее, чем более трещиноваты породы кровли.
В соответствии с исходной идеей, чем выше трещиноватость пород кровли, тем выше вероятность их обрушения. И, стало быть, чем больше окажется затухание звука, распространяющегося в этих породах, тем ниже должна быть их устойчивость. То есть, следовало найти соответствие между зависимостями затухания звука от расстояния до источника для ряда фиксированных частот, и увязать эти зависимости с визуально наблюдаемой трещиноватостью пород кровли. И еще один момент из казавшихся очевидными. Чем выше трещиноватость пород кровли, тем больше должно быть затухание в высокочастотной части частотного диапазона зондирующего сигнала. И это также мы намеревались подтвердить экспериментальными зависимостями затухания от частоты.
Рис. 1-1
Качественный характер этих обеих зависимостей затухания звука в породах кровли, какими они казались априорно, до проведения измерений, показан штриховыми кривыми 1 и 2 на рис.1-1. По оси ординат на этом рисунке откладывается относительная величина прохождения звука I в породах как величина, обратная затуханию; h - расстояние от источника звука; f - частота акустического сигнала. Предполагалось, что если проводить измерения в двух горных выработках с различной трещиноватостью кровли в них, то при переходе от пород кровли с меньшей трещиноватостью к породам с большей трещиноватостью зависимость 1 сменится на зависимость 2.
При подготовке аппаратуры для реализации этой идеи возникло несколько непредвиденных проблем. Понятно, что универсальной аппаратуры не бывает, и для изготовления измерительной установки необходимо было иметь представление хотя бы о порядке ожидавшегося затухания, а также о том, что считать частотой низкой, а что - высокой. Кроме того, было непонятно, как решать проблему выбора электроакустического (излучателя) и акустоэлектрического (приемника) преобразователей для этой установки. Никаких конкретных рекомендаций в литературе не нашлось2.
Однако с чего-то нужно было начинать, и был собран (в шахтном исполнении, разумеется) генератор электрического напряжения изменяющейся частоты с диапазоном частот от 10 Гц до 20 кГц, и широкополосный усилитель с диапазоном входных напряжений - от 1мкВ до 1В и со стрелочным индикатором. В качестве излучателя и приемника были использованы одинаковые пьезокерамические преобразователи из стандартного комплекта гидроакустической измерительной аппаратуры. На рис.1-2 приведена блок-схема измерительной установки.
Рис. 1-2
При проведении этих измерений неукоснительно выполнялось главное требование метрологии - оно заключается в том, что результаты должны быть повторяемы. Сразу отметим, что выполнить это требование для получения зависимости I(l) не удалось. При любом, самом незначительном перемещении измерительной установки, показания стрелочного индикатора отличались существенно больше, чем это можно было бы объяснить погрешностью аппаратуры. Причина этого явления стала понятной значительно позже, и описана она в разделе 6.
И вот что при этом оказалось. При съемке зависимости затухания звука от частоты график I(f) оказался принципиально отличным от того, который ожидался, и имел вид графика 3, приведенного на рис.1-1, согласно которому, вместо того, чтобы уменьшаться с ростом частоты, амплитуда звука довольно резко увеличилась вблизи некоторой частоты f0, а затем снизилась примерно до того же уровня. Вдали от частоты f0 величина амплитуды, считываемая с индикатора усилителя, более или менее постоянна, что и показано на графике 3. При первом измерении частота f0 имела значение, близкое к 1КГц.
То, что с увеличением частоты затухание ощутимо не увеличивается, показалось очень странным. Ведь во всех учебниках по сейсморазведке утверждается, что верхний частотный предел сейсмостанций не превышает 1 КГц, поскольку на более высоких частотах уже практически никакого прохождения сигнала нет... Однако главным сюрпризом в этом эксперименте оказалась форма полученной кривой 3. Дело в том, что в такой форме амплитудно-частотной зависимости затухания звука, распространяющегося в горных породах, вблизи частоты f0 заложен очень глубокий физический смысл.
1 В России на травматизм от обрушения пород кровли приходится существенно меньший процент, так как основной травматизм у нас обусловлен невыполнением правил техники безопасности самими же рабочими.
2 Я тогда просто еще не мог себе представить, что подобных измерений в акустике твердых сред просто никто никогда не делал.
