СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1996 года по МПК G01V1/13 

Изобретение относится к области геофизической техники, в частности к технике для сейсмологической разведки, а именно к способам возбуждения сейсмических колебаний, основанный на использовании взрывчатых веществ (ВВ), и может быть использовано при проведении сейсмологической разведки.

Существует много способов возбуждения сейсмических колебаний [1] в которых в качестве источника колебаний широко используется взрыв конденсированного ВВ, а также для этих целей может эффективно применяться подрыв топливно-воздушных взрывчатых смесей (ТВВС).

Известен способ возбуждения сейсмических колебаний в грунте путем подачи в скважину газообразной взрывчатой смеси или жидкого ВВ и последующей их детонации [2]
Недостаток его заключается в том, что ввиду ограниченности объема, в котором формируется и подрывается ТВВС, возбуждаемые сейсмические сигналы маломощны и не позволяют зондировать большие по площади и глубине массивы земных недр.

Такой способ позволяет формировать объемный заряд в открытом пространстве и по сравнению с подрывами в скважине или во взрывной камере существенно увеличивать массу подрываемой ТВВС и, следовательно, мощность образующихся сейсмических колебаний. По сравнению со способами, использующими подрывы больших количеств конденсированного ВВ, такой способ проще, он не требует бурения скважин и расхода больших количеств конденсированного ВВ, что существенно снижает стоимость работ. Кроме того, поверхность земли сохраняется практически без разрушений, т.е. имеются значительные экологические преимущества.

Однако, несмотря на свою относительную простоту и дешевизну, данный способ не очень удобен при практическом осуществлении, так как емкость с топливом и диспергирующим зарядом приходится размещать довольно высоко над поверхностью земли. Если снижать высоту размещения емкости, резко падает мощность взрыва формирующегося облака ТВВС, так как часть топлива при формировании облака оказывается на земле и не участвует в образовании ТВВС и чем ниже размещена емкость, тем больше теряемая часть.

Целью изобретения является увеличение надежности возбуждения сейсмических колебаний, повышение безопасности и уменьшение трудозатрат при реализации способа.

Цель достигается тем, что по способу возбуждения сейсмических колебаний, включающему размещение емкости с топливом над поверхностью грунта, взрывное диспергирование в воздухе топлива и последующее инициирование образовавшейся над поверхностью грунта топливно-воздушной смеси, для диспергирования топлива диспергирующий заряд массой, равной 3-9% от массы М топлива, размещают под центром донной части емкости вплотную к ней, емкость заглубляют в грунт или в предохранительный экран на глубину до 0,3 высоты емкости или размещают на поверхности грунта (или экрана), при этом экран выполняют из негорючего материала и толщиной не менее δ определяемой из соотношения
δ где ρ плотность материала экрана;
S площадь поверхности экрана, контактирующей с емкостью при ее заглублении на 0,3 высоты емкости, а заряды для инициирования топливно-воздушной смеси размещают на расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр емкости, и на высоте от поверхности грунта, выбираемой по данным опытных подрывов.

На фиг. 1 схематически изображены элементы устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2-10 изображен ряд вариантов размещения емкости с топливом и диспергирующего заряда конденсированного ВВ при различных формах выполнения предохранительного экрана.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1). Емкость 1 с топливом, например тонкостенную металлическую бочку, устанавливают над поверхностью земли, например, на невысокую подставку 2 либо непосредственно на поверхность, на которой проводятся работы. Нижнюю часть емкости размещают на глубину h в предохранительном экране 4, выполненном из какого-либо негорючего материала, в частности из материала поверхности (земля, песок, лед, вода и т.д.). В качестве экрана может быть использована сама поверхность, при этом емкость заглубляют в нее на глубину h. Диспергирующий заряд 5 должен располагаться под центром донной части емкости вплотную к ней. Масса диспергирующего заряда должна составлять 3-9% от массы используемого топлива. Осуществляют подрыв заряда конденсированного ВВ, емкость разрушается, а топливо диспергируется в воздухе и, смешиваясь с ним, образует аэрозольное облако 6 ТВВС. После этого с определенной задержкой по времени осуществляют подрыв зарядов 7 конденсированного ВВ, одного или нескольких, расположенных заранее вокруг емкости, которые инициируют детонацию облака. Топливно-воздушная смесь взрывается и возбуждает в грунте сейсмические колебания.

На фиг. 2-10 показаны примеры исполнения предохранительного экрана емкости, имеющей цилиндрическую форму (форму бочки). Емкость можно размещать как вертикально (фиг. 2, 3, 5, 6, 7, 9), так и горизонтально (фиг. 4, 8, 10). При изготовлении экрана (фиг. 2-5) в качестве материала экрана могут быть использованы различные подходящие материалы естественного или искусственного происхождения, не горящие или трудно горящие, лучше плотные (свинец, сталь, земля, песок, вода в оболочке и т.д.). Удобнее использовать подручные материалы. Но возможны ситуации, например при работе на воде или на скальном грунте, когда проще специально завести материалы для экрана или даже заранее изготовить экран.

Диспергирующий заряд конденсированного ВВ должен плотно прилегать как к днищу емкости, так и к экрану. При этом возможны варианты, когда либо в экране выполняется отверстие для установки заряда (фиг. 2, 3), либо экран плотно облегает как нижнюю часть емкости, так и диспергирующий заряд (фиг. 4, 5). Глубина размещения нижней части емкости в экране может изменяться от 30% высоты емкости (фиг. 2) до нуля (фиг. 1) в зависимости от условий подрыва и требований к нему.

В качестве предохранительного экрана можно использовать поверхность, на которой проводятся работы (фиг. 6-8), а также сочетание этой поверхности с обваловкой из этого материала (фиг. 9, 10).

Многочисленные эксперименты показали, что избежать загорания облака ТВВС можно в том случае, если на некоторое время после детонации диспергирующего заряда исключить контакт кислорода воздуха с теми местами, где горячие продукты детонации соприкасаются с топливом. Без кислорода топливо не загорается. Через небольшое время (десятки микросекунд) продукты детонации, расширившись, остывают, настолько, что топливо, соприкоснувшись с воздухом, уже не воспламеняется. Таким образом, нужен какой-то экран, исключающий некоторое время после подрыва одновременный контакт воздуха, топлива и продуктов детонации диспергирующего заряда. В частности, таким экраном может являться земля, если емкость с топливом углубить в землю, а заряд конденсированного ВВ расположить под емкостью. В этом случае горячие продукты детонации на начальной стадии диспергирования не поджигают топливо, так как доступ воздуха перекрыт грунтом. После того, как продукты детонации, расширившись, достигнут воздуха, они остывают настолько, что не в состоянии поджечь топливо.

В некоторых случаях, например в местах, где грунт прочный и его трудно копать (мерзлота, скальный грунт), емкость можно не заглублять, а устанавливать на поверхность, и вокруг нижней части емкости делать обваловку из какого-либо материала (земля, песок, мелкие камни, лед и т.д.). При этом заряд конденсированного ВВ заглубляется под емкость. И в этом случае поверхность и обваловка играют роль экрана, а облако ТВВС при формировании не загорается. Можно вообще в качестве экрана использовать лишь рабочую поверхность грунта, заглубляя в нее диспергирующий заряд и устанавливая на нее емкость. Но лучше емкость несколько заглубить в грунт, это позволит более направленно метать топливо вверх и устранять небольшие потери топлива на земле, которые возможны, если емкость установлена на поверхности. Заглублять емкость более чем на 30% ее высоты нецелесообразно, так как сформированное облако ТВВС будет вытянутым вверх, имеет форму столба, а это ведет из-за малой площади контакта облака с землей к снижению доли энергии взрыва, перешедшей в сейсмические колебания.

Толщина экрана должна быть не менее величины δ которая определяется из формулы
δ
Экспериментально показано, что минимальная масса применяемого экрана Mминэ

при максимальном заглублении емкости в экран на величину 0,3 высоты емкости равна половине массы используемого топлива:
Мминэ 0,5 М
Принимая Мминэ ρ S δ получают для минимальной толщины экрана уже известное выражение
δ
Такая толщина экрана надежно предохраняет топливо от возгорания при подрыве и обеспечивает направленное метание топлива в верхнюю полусферу. Меньшая толщина (или меньшая масса) экрана снижает направленность формирования облака, увеличивая потери топлива на земле, а также приводит к возможности разрыва экрана на ранних стадиях расширения продуктов взрыва диспергирующего заряда, прорыва сквозь него воздуха и возгорания разлетающегося топлива. Это подтверждается рядом проведенных экспериментов.

Увеличение толщины (и массы) экрана не приводит к каким-либо существенным изменениям в процессе формирования облака ТВВС. В частности, можно использовать экран с практически бесконечными значениями толщины и массы (в случае применения в качестве экрана земной поверхности).

Масса диспергирующего заряда конденсированного ВВ должна составлять 3-9% от массы используемого топлива. Если масса заряда конденсированного ВВ менее 3% то облако формируется меньших размеров, чем требуется, в смеси содержится излишек топлива. В результате либо при взрыве не все топливо сгорает и снижается мощность взрыва ТВВС, либо смесь вообще не может детонировать. Увеличение массы заряда более 9% приводит к загоранию формирующей ТВВС либо образованию облака ТВВС больших размеров с малой концентрацией топлива в нем, в результате чего облако не может детонировать.

Место размещения инициирующих зарядов, одного или нескольких (высоту Н_и.з. и удаление от вертикальной оси емкости l_и.з., определяют по эмпирическим данным по данным проведенных ранее подрывов. Для этого организуют формирование облака ТВВС, с помощью киносъемки фиксируют форму облака в данный момент времени и определяют ориентировочные величины Н_и.з. и l_и.з., обеспечивающие размещение инициирующих зарядов в облаке. Затем, организуя формирование облака и последующий подрыв инициирующих зарядов, можно найти оптимальное место размещения зарядов, перемещая их и добиваясь максимальной мощности взрыва.

Масса инициирующих зарядов должна быть такой, чтобы надежно возбуждать детонацию в образованной смеси. Для различных топлив она разная, и определить ее величину можно либо из справочных данных, либо экспериментальным путем. Для большей части топлив для возбуждения детонации ТВВС достаточно подрыва в облаке нескольких килограмм концентрированного ВВ.

Величину временной задержки между подрывом диспергирующего и инициирующих зарядов конденсированного ВВ определяют тоже по эмпирическим данным. При малых временах задержки смесь не подготовлена к детонации облако не сформировано, топливо недостаточно смешано с воздухом. При значительном увеличении времени задержки возможно рассеивание облака, особенно при сильном ветре. Величина временной задержки зависит от массы и типа топлива. Для реально применяемых масс топлива задержка составляет доли секунд. Оптимальное время задержки определяется для каждой конструкции емкости и диспергирующего заряда при специальных пробных подрывах по наибольшему фугасному действию взрыва.

В качестве топлива могут быть использованы практически любые жидкие углеводороды, газо-капельно-воздушные смеси которых способны детонировать (бензины, ацетон, гексан, спирты и т.д.).

Условия подготовки и реализации возбуждения сейсмических колебаний предлагаемым способом значительно проще, чем в способе-прототипе. Это связано, прежде всего, с тем, что исключаются работы на высоте (в способе-прототипе емкость следует устанавливать на высоте 2-4 м). Не требуется сооружать и доставлять к месту работы тяжелую подставку, лестницу, перила. Не нужно готовить пустую емкость, вырезать верхнюю крышку для установки диспергирующего заряда, поднимать емкость на подставку, укреплять в емкости диспергирующий заряд, а затем заполнять ее топливом, поднимая при этом топливо на высоту в несколько метров. Кроме того, не требуется тщательно изолировать диспергирующий заряд от топлива, так как теперь он размещался вне емкости. Подготовка к подрыву при предлагаемом способе происходит существенно быстрее (в 3-4 раза) по времени. При этом повышается и безопасность самих работ, так как отпадает необходимость работы с ВВ и с легковоспламеняемыми топливами на высоте.

Кроме указанных выше преимуществ в предлагаемом способе повышается надежность обрабатывания устройства. Это связано с тем, что диспергирующий заряд конденсированного ВВ теперь размещается вне емкости с топливом, в результате исчезает существовавшая в прототипе вероятность того, что топливо просочится в заряд конденсированного ВВ и произойдет отказ детонации в нем.

По сравнению с применяемыми сейчас подрывами крупных зарядов конденсированного ВВ годовой экономический эффект предлагаемого способа может составить значительно большую величину, чем при использовании способа-прототипа, имея при этом несомненные экологические преимущества.

В настоящее время способ опробован в условиях опытной станции НПО "Алтай". Вопрос о применении способа на практике рассматривается организациями, занимающимися геофизической разведкой земных недр.

Использование: в области сейсмической разведки, при возбуждении сейсмических колебаний. Сущность изобретения: выполняют взрывное диспергирование топлива. Для этого под дном емкости с топливом размещают диспергирующий заряд массой, равной 3-9% массы топлива. При этом емкость заглубляют в грунт или в предохранительный экран на глубину до 0,3 высоты емкости или размещают на вышеуказанном экране. Экран выполняют из негорючего материала, а его толщину выбирают с учетом массы топлива, плотности материала экрана и площади поверхности экрана, контактирующей с емкостью при ее заглублении. 10 ил.

СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, включающий размещение емкости с топливом в среде, взрывное диспергирование в воздухе топлива и последующее инициирование образовавшейся над поверхностью грунта топливно-воздушной смеси, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности возбуждения сейсмических колебаний, повышения безопасности и уменьшения трудозатрат при реализации способа, для диспергирования топлива диспергирующий заряд массой, равной 3 - 9% от массы M топлива размещают под центром донной части емкости вплотную к ней, а емкость заглубляют в грунт или в предохранительный экран на глубину до 0,3 высоты емкости или размещают на поверхности или на указанном экране, при этом последний выполняют из негорючего материала и толщиной по крайней мере δ, выбираемой из соотношения

где ρ - плотность материала экрана;
S - площадь поверхности экрана, контактирующей с емкостью при ее заглублении на 0,3 высоты емкости, а инициирующие заряды размещают на расстоянии от вертикальной оси, проходящей через центр емкости, и на высоте от поверхности грунта, выбираемых по данным опытных взрывов.