Глава 1. Первое знакомство с предметом

1.1. С чего всё началось

В 1977 году по месту моей основной работы (кафедры разработки пластовых месторождений, сокращенно - РПМ) ленинградского Горного института (ЛГИ) я получил задание сделать аппаратуру, с помощью которой можно выполнять сейсмоизмерения в условиях угольной шахты.

Требование, поставленное передо мной при первом в моей жизни спуске в угольную шахту, состояло в следующем. Нужно было найти технологичный и метрологически корректный способ определения затухания поля упругих колебаний при распространении его в породах кровли угольного пласта. Это было необходимо для решения очень серьезной задачи.

Дело в том, что наиболее частой причиной травматизма подземных рабочих (шахтеров) является внезапное обрушение пород кровли. Во всем Мире примерно половина травматизма шахтеров обусловлена именно этим явлением. Поэтому перед всеми научно-исследователь-скими организациями горняцкого профиля обязательно стоит задача поиска признаков, с помощью которых было бы возможным прогнозирование обрушения пород кровли.

В данном случае, идея состояла в следующем. Согласно общепринятым представлениям, характер затухания звука в породах кровли должен быть как-то связан с их нарушенностью, 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.

В основе нашей попытки использовать акустические измерения для прогнозирования обрушения пород кровли лежали два казавшихся тогда очевидными положения. Первое заключалась 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 чем больше частота зондирующего сигнала, тем поле в точке приема должна быть меньше. То есть, скорость затухания в горных породах должна быть тем больше, чем выше частота, и чем больше трещиноватость пород.

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. Иначе говоря, чем выше трещиноватость пород кровли, тем больше должно быть затухание вообще, и в высокочастотной части частотного диапазона зондирующего сигнала, в частности. И это также я намеревался подтвердить экспериментальными зависимостями затухания от частоты.

На качественном уровне, 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.

характер зависимостей затухания звука в породах кровли, какими они казались априорно, до проведения измерений, показан штриховыми кривыми 1 и 2 на рис.1-1.
Рис. 1-1

По оси ординат на этом рисунке откладывается относительная величина амплитуды сейсмосигнала I; l - расстояние от источника звука до приемника; f - частота зондирующего сигнала. Предполагалось, что если проводить измерения в двух горных выработках с различной трещиноватостью пород 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 поля упругих колебаний в породах кровли, 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 нашлось. Я тогда просто еще не мог себе представить, что подобных измерений в акустике твердых сред просто никто никогда не делал.

Однако с чего-то нужно было начинать, и был собран (в шахтном исполнении, разумеется) генератор электрического напряжения с изменяющейся частотой, 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.

На рис.1-2 приведена блок-схема измерительной установки.
Рис. 1-2

И вот что при этом оказалось. При определении зависимости затухания звука от частоты график I(f) оказался принципиально отличным от того, который ожидался. Он имел вид графика 3, приведенного на рис.1-1, согласно которому, вместо того, чтобы уменьшаться с ростом частоты, амплитуда звука резко увеличивалась вблизи некоторой частоты f₀, а затем снижалась 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 шахтном эксперименте частота f₀ имела значение, близкое к 1КГц.

То, что с увеличением частоты затухание монотонно 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, поскольку в такой форме амплитудно-частотной зависимости заложен очень глубокий физический смысл.