СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН Российский патент 2008 года по МПК G01V1/53 

Изобретение относится к технике, предназначенной для геофизических целей, а именно к средствам сейсмической разведки, и может быть использовано в создании источников сейсмических волн, применяемых при поиске и разведке полезных ископаемых, а также при сейсмическом зондировании и профилировании.

Известен способ возбуждения поперечных сейсмических волн (а.с. СССР №960692, МПК 3 G01V 1/053), заключающийся в том, что излучающую опорную плиту, выполненную в виде двух оснований, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы; между основаниями, находящимися в жестко стянутом положении, прикладывают горизонтальную расталкивающую силу, которую увеличивают до величины, превышающей стягивающую силу, эквивалентную действию затвора, и приводящей к удару и передаче горизонтального воздействия на грунт. После удара последующие колебания быстро гасят. При этом инерционные массы жестко закреплены на основаниях и связаны между собой гидроцилиндрами и пружинами сжатия, посредством которых прикладывают расталкивающую силу. Стянутое положение оснований создают посредством работающей как затвор вакуумной камеры из двух половинок, разделяющейся при превышении стягивающей силы и освобождающей потенциальную энергию сжатых пружин. Вакуумная камера размещена между инерционными массами и жестко связана с ними штоками.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ возбуждения поперечных сейсмических волн (а.с. СССР №1141358, МПК 4 G01V 1/053), заключающийся в том, что излучающую опорную плиту, выполненную в виде двух оснований, располагают на поверхности грунта, размещают на основаниях опорной плиты инерционные массы; между основаниями, находящимися в жестко стянутом положении, прикладывают горизонтальную расталкивающую силу, которую увеличивают до величины, превышающей стягивающую силу, эквивалентную действию затвора, и приводящей к удару и передаче горизонтального воздействия на грунт. После удара последующие колебания быстро гасят. При этом инерционные массы жестко закреплены на основаниях и связаны между собой гидроцилиндрами и пружинами сжатия, посредством которых прикладывают расталкивающую силу. Стянутое положение оснований создают посредством размещенной в пневмокамере вакуумной камеры, выполненной в виде действующих как затвор поршня и цилиндра, с двумя каналами для связи с пневмокамерой и атмосферой; поршень и цилиндр вакуумной камеры жестко связаны штоками с инерционными массами. В начальный момент времени с помощью высокого давления в пневмокамере и низкого в вакуумной камере инерционные массы жестко связаны между собой. Увеличением расталкивающей силы до достижения ею определенного значения открывают канал между пневмокамерой и вакуумной камерой и расталкивают инерционные массы

К недостаткам вышеприведенных технических решений относится: 1) отсутствие возможности возбуждения поперечных волн в области высоких частот рабочего диапазона; 2) низкое качество повторяемости воздействия; 3) ограничение возможности проведения сейсморазведочных работ на слабых грунтах; 4) невозможность излучения поперечной волны вертикально вниз. Причины приведенных недостатков заключаются в следующем.

Процессы излучения волн в грунт определяются силами, воздействующими на поверхность грунта. Силы, воздействующие на грунт, прикладывают к опорной плите, которая жестко связана с инерционной массой, что является основным негативным фактором при возбуждении волн. Действующие на грунт силы остаются неизменными до тех пор, пока не придет в движение плита с жесткозакрепленной на ней инерционной массой в результате их расталкивания. В связи с этим действие сил на грунт имеет плавный нарастающий характер, что приводит к невозможности возбуждения высоких частот, точнее, частот выше частоты установочного резонанса.

В свою очередь частота установочного резонанса определяется упругими характеристиками грунта, площадью контакта и суммарной массой опорной плиты и инерционной массы. При этом, чем меньше суммарная масса и больше площадь контакта плиты с грунтом, тем выше значение частоты установочного резонанса.

В сочетании по возможности меньшей массы и большей площади контакта заложено противоречие, обусловленное требованием жесткости, которому должна удовлетворять опорная плита. Увеличение площади опорной плиты с учетом соблюдения требования жесткости приводит к опережающему росту массы опорной плиты. Последнее является ограничивающим фактором увеличения частоты установочного резонанса.

Кроме того, жесткая опорная плита, какую используют в известных технических решениях, имеет плохой контакт с грунтом из-за возможных неровностей. Использование жесткой плиты обеспечивает нестабильность поверхностных условий установки, что приводит к изменению частоты установочного резонанса и, следовательно, к изменению формы излучаемого импульса, то есть снижает качество повторяемости воздействия.

И, наконец, ограничение возможности проведения сейсморазведочных работ на слабых грунтах также связано с наличием жесткости опорной плиты.

Теперь рассмотрим характеристику направленности при возбуждении поперечных волн. На основания опорной плиты и соответственно на участки грунта действуют одинаковые разнонаправленные силы, что соответствует возбуждению волн с использованием дипольного источника. Характеристика направленности данного источника поперечных волн имеет вид двух лепестков, вытянутых под углом к вертикали и имеющих нулевое значение на самой вертикали, в связи с этим при возбуждении волн вниз излучается минимум энергии. При проведении сейсморазведки часто требуется, чтобы вертикально вниз излучалось максимум энергии волн.

Техническим результатом изобретения является:

- расширение частотной полосы в область высоких частот рабочего диапазона;

- повышение качества повторяемости воздействия;

- достижение возможности проведения сейсморазведочных работ на слабых грунтах;

- улучшение характеристики направленности при возбуждении волн.

Технический результат достигают тем, что в способе возбуждения поперечных сейсмических волн, заключающемся в том, что опорную плиту, выполненную в виде двух оснований, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы, причем инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом, или только в отношении одного из оснований инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом, затем к основаниям прикладывают стягивающую силу, равную значению интервала с нижним пределом, определенным видом проведения работ, уровнем сейсмических помех и количеством повторения воздействия, и верхним пределом, определенным силой трения основания о грунт, создают механически напряженное состояние грунта и осуществляют разгрузку в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн.

Причем масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот; основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом; приложением стягивающей силы обеспечивают действие двух одинаковых горизонтально разнонаправленных сил на основания, приводящих при разгрузке грунта к излучению с характеристикой направленности в виде двух лепестков, вытянутых под углом к вертикали и имеющих нулевое значение на самой вертикали.

В способе между основаниями опорной плиты размещают инерционное тело с демпфированным упругим элементом, посредством которого его соединяют с одним из оснований.

Причем масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот; основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом; массу инерционного тела и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот; приложением стягивающей силы к основаниям через инерционное тело с упругим элементом осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз; в отношении основания, соединенного с инерционным телом через упругий элемент, производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей силы, обусловленной затухающим движением инерционного тела, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела, в отношении другого основания осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в рабочем диапазоне частот.

В способе в качестве инерционной массы одного из оснований опорной плиты используют инерционное тело, соединенное посредством упругого демпфированного элемента с основанием, на котором оно установлено.

Причем приложением стягивающей силы к основаниям через используемое в качестве инерционной массы инерционное тело с упругим элементом осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз; масса основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот; массу инерционного тела и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот; основание, на котором установлено инерционное тело, выбирают жестким, а другое основание - выполненным с возможностью изгибания, обеспечивающим качественный контакт с грунтом; в отношении основания, соединенного с выполняющим функцию инерционной массы инерционным телом через упругий элемент, производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей гармонической силы, обусловленной затухающими колебаниями инерционного тела, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела, в отношении другого основания осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в частотном диапазоне до частоты его установочного резонанса.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На Фиг.1 представлена схема возбуждения поперечных сейсмических волн (S-волн) одинаковыми горизонтально разнонаправленными силами, где 1 - основание опорной плиты, 2 - инерционная масса, 3 - основание опорной плиты, 4 - инерционная масса. На Фиг.2 представлена схема возбуждения поперечных сейсмических волн (S-волн) с реализацией направленной горизонтальной силы, где 1 - основание опорной плиты, 2 - инерционная масса, 3 - основание опорной плиты, 4 - инерционная масса, 5 - инерционное тело, 6 - демпфированный упругий элемент. На Фиг.3 приведены временные диаграммы при возбуждении поперечных сейсмических волн с реализацией горизонтальной направленной силы: а) силы, действующей на грунт под основанием, связанным тросом с инерционным телом; б) силы, действующей на грунт под основанием, связанным с инерционным телом демпфированным упругим элементом при добротности 3,3 и 3; в) результирующей силы, действующей на систему при добротности 0,3 и 3. На Фиг.4 представлена схема возбуждения поперечных сейсмических волн (S-волн) с реализацией направленной горизонтальной силы в случае жесткого выполнения одного из оснований, где 1 - основание опорной плиты, 2 - инерционная масса, 3 - основание опорной плиты, 5 - инерционное тело, 6 - демпфированный упругий элемент.

Достижение технического результата в изобретении базируется, во-первых, на создании механически напряженного состояния грунта и последующей разгрузке грунта, во-вторых, на реализации скользящего вертикального прижима опорной плиты, обуславливающего требуемое качество контакта с грунтом и не препятствующего горизонтальному движению частей опорной плиты, в-третьих, на реализации в способе направленной горизонтальной силы, вызывающей механически напряженное состояние грунта.

В предлагаемом техническом решении создание механически напряженного состояния грунта обеспечивается использованием опорной плиты, состоящей из двух частей - оснований 1 и 3, свободно перемещающихся друг относительно друга, не связанных жестко между собой (см. Фиг.1). Именно возможность свободного перемещения оснований 1 и 3 является первым шагом к достижению указанного технического результата, поскольку, во-первых, позволяет вызывать препятствующее сближению частей опорной плиты механически напряженное состояние грунта под ними посредством приложения горизонтальных стягивающих сил (см. Фиг.1 и Фиг.2), представляющих собой две одинаковые горизонтально разнонаправленные силы или созданную с их участием горизонтально направленную силу между основаниями 1 и 3. И, во-вторых, последующая разгрузка оснований 1 и 3 и соответственно механически напряженных под ними участков грунта вследствие возможности совершения ими горизонтального движения приводит к генерации S-волн.

На опорной плите размещают инерционную массу 2 и 4, обеспечивающую прижим плиты к грунту (см. Фиг.1). Инерционные массы 2 и 4 на частях опорной плиты устанавливают с возможностью свободного перемещения относительно основания 1 и 2 и соответственно не препятствующего горизонтальному движению оснований, что является следующим шагом к достижению указанного технического результата. Инерционные массы 2 и 4 свободно проскальзывают (или прокатываются на катках) по основаниям опорной плиты, на них не действуют приложенные, например, одинаковые горизонтально разнонаправленные стягивающие силы (см. Фиг.1), и они не препятствуют свободной горизонтальной разгрузке грунта. Инерционные массы, установленные без жесткого крепления к основаниям опорной плиты, не совершающие горизонтальное движение под действием приложенных сил, не оказывают влияния на частоту установочного резонанса, их функция - осуществление скользящего вертикального прижима опорной плиты.

При этом в прелагаемом изобретении масса опорной плиты намного меньше инерционной массы. Поскольку возбуждение волн базируется на использовании стягивающих горизонтальных сил, приложенных к частям опорной плиты, постольку на основания 1 и 3 опорной плиты не накладывается соблюдение условия их жесткости и, следовательно, они могут иметь по сравнению с инерционными массами 2 и 4, расположенными на них, незначительную массу. В частности, данное обстоятельство позволяет взять соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз. Отсутствие соответствия требованию жесткости позволяет использовать в качестве частей опорной плиты выполненные с возможностью изгибания основания 1 и 3. Таким образом, поскольку горизонтальные движения осуществляют только части опорной плиты, малая масса оснований 1 и 3 позволяет повысить значение частоты установочного резонанса и вывести ее за пределы рабочего диапазона частот, а допускаемая возможность изгибания оснований 1 и 3, например, за счет изготовления их из отдельных звеньев - увеличить площадь контакта, улучшить его качество и, в результате, повысить качество повторяемости воздействий, а также реализовать возможность проведения работ на слабых грунтах.

Для лучшего сцепления с грунтом части опорной плиты могут быть снабжены клиньями.

Приложение стягивающих горизонтальных сил, создающих механически напряженное состояние грунта (нагрузку), и последующую резкую разгрузку осуществляют с использованием любого малоинерционного устройства, например лебедки с одним или двумя тросами, которую располагают между частями опорной плиты (на Фиг.1 и 2 не показана). Лебедку обеспечивают спусковым механизмом для быстрого отцепления при достижении требуемой силы натяжения.

При приложении к основаниям 1 и 3 стягивающих сил F (см. Фиг.1) грунт деформируется, возникают силы напряжения, которые препятствуют сближению частей опорной плиты. После достижения заданного значения стягивающей силы осуществляют разгрузку сил F, части опорной плиты и участки грунта под ними резко расходятся в противоположные стороны, в результате чего происходит излучение S-волн. Верхний предел значения стягивающей силы определяется значением силы трения основания о грунт, соответствующим началу движения основания, равным произведению коэффициента трения основания о грунт и веса расположенной на нем инерционной массы. Нижний предел определяется видом проведения работ (инженерная сейсмика, сейсморазведка, сейсмическое зондирование и т.д.), а также уровнем сейсмических помех (естественных и техногенных) и количеством повторения воздействия. Для каждого конкретного случая нижний предел характеризуется своим значением.

Вышерассмотренные аспекты возбуждения поперечных сейсмических волн касались в основном расширения частотной полосы в область высоких частот рабочего диапазона, повышения качества повторяемости воздействия, достижения возможности проведения сейсморазведочных работ на слабых грунтах для случая возбуждения путем двух одинаковых горизонтально разнонаправленных сил. Возбуждение волн, базирующееся на использовании указанных сил, реализуется в дипольных источниках, не излучающих поперечных волн вертикально вниз, то есть когда имеет место излучение с характеристикой направленности в виде двух лепестков, вытянутых под углом к вертикали и имеющих нулевое значение на самой вертикали. Для достижения излучения поперечных волн с максимумом направленности вертикально вниз, то есть в частном случае выполнения изобретения, необходимо обеспечить реализацию направленной горизонтальной силы, не только вызывающей механически напряженное состояние грунта, но и обуславливающей требуемую характеристику направленности.

Для этого необходимо от симметричной схемы (см. Фиг.1) возбуждения S-волн с одинаковыми горизонтально разнонаправленными силами перейти к асимметричной схеме (см. Фиг.2) возбуждения волн, в которой благодаря внесению асимметрии, имеет место реализация направленной горизонтальной силы. Требуемый переход осуществляют путем размещения между частями опорной плиты дополнительного инерционного тела 5, не связанного с грунтом, соединенного с одним из оснований, например, 3 с помощью демпфированного упругого элемента 6 (пружины), при этом стягивающие горизонтальные силы прикладывают к другому основанию (основанию 1) и инерционному телу 5. Приложение стягивающих горизонтальных сил к опорной плите через дополнительное инерционное тело 5 с демпфированным упругим элементом 6 обеспечивает в системе реализацию направленной горизонтальной силы.

При приложении стягивающей силы (см. Фиг.2) заданного значения создают напряженное состояние грунта, препятствующее сближению частей опорной плиты, и осуществляют резкую разгрузку. Действие резкой разгрузки сразу передается на участок грунта под основанием 1 за счет его малой массы. Основание 1 с нижележащим участком грунта резко начинает отдаляться от основания 3 с механически напряженным нижележащим участком грунта и излучает S-волны с частотным составом рабочего диапазона.

В отношении основания 3 при передаче действия разгрузки ее резкость сглаживается движением дополнительного инерционного тела 5, совершаемым под действием, в частности, сильно (при добротности менее 0, 5) демпфированного упругого элемента 6. Момент ослабления пружины соответствует началу передачи действия разгрузки в отношении основания 3 и соответственно участка грунта под ним, процесс передачи продолжается какое-то время. В отличие от основания 1, на основание 3 действует постепенно затухающая сила. Собственная частота колебаний, соответствующих затухающему движению в результате сильного демпфирования, определяется массой инерционного тела 5 и жесткостью упругого элемента 6.

Частотный диапазон излучаемых волн от основания 3 лежит в интервале значений с верхним пределом, равным значению частоты собственных колебаний инерционного тела 5. Значение массы инерционного тела 5 и коэффициент жесткости упругого элемента 6 выбирают так, чтобы (собственная) резонансная частота была ниже минимального значения рабочего диапазона частот регистрирующей системы. Такой выбор собственной частоты колебаний инерционного тела 5 позволяет осуществлять регистрацию волн только от основания 1, что соответствует случаю регистрации возбуждаемых волн горизонтально направленной силой с максимумом направленности излучения волн вертикально вниз.

Случай выполнения изобретения с достижением максимума направленности излучения волн вертикально вниз поясняют временные диаграммы сил, действующих па грунт (см. Фиг.3).

Приложим стягивающую силу F (см. Фиг.2) к основанию 1 и инерционному телу 5, которое через упругий элемент 6 передает действие приложенной силы на основание 3; до осуществления разгрузки участки грунта под частями опорной плиты находятся в деформированном состоянии. После резкого снятия стягивающей силы в отношении основания 1 благодаря его малой массе и, следовательно, низкой инертности на нижележащий участок грунта осуществляется быстрая передача разгрузки. В это время в отношении основания 3 действие нагрузки на участок грунта под ним продолжает осуществляться в виде затухающей силы, обусловленной затухающим движением инерционного тела 5.

Частотный диапазон излучаемых волн этой части системы находится в интервале от нуля до значения, равного собственной частоте колебаний, которая определяется массой инерционного тела 5 и коэффициентом жесткости упругого элемента 6. Значение массы инерционного тела 5 и коэффициента жесткости упругого элемента 6 необходимо выбрать так, чтобы резонансная частота (при отсутствии демпфирования) была ниже минимальной частоты рабочего диапазона частот регистрирующей системы. Коэффициент демпфирования выбирается так, чтобы добротность была менее 0,5, и собственные колебания не проявляются, что соответствует случаю регистрации волн только от основания 1.

До момента снятия нагрузки, t=0 (см. Фиг.3а) и б)), на участки грунта под частями опорной плиты действуют одинаковые разнонаправленные силы F₁ и F₃. В момент t=0 осуществляют разгрузку, при этом сила F₁ быстро падает до нуля (см. Фиг.3а)), а сила F₃ продолжает действовать на основание 3 и соответственно на нижележащий участок грунта как затухающая сила (см. Фиг.3б)), в результате участия инерционного тела 5 в затухающем движении. При отсутствии демпфирования собственная частота его колебаний выражается:

f₀=[1/(2π)](k/m)^1/2,

где k - коэффициент жесткости пружины (демпфированного упругого элемента 6),

m - масса инерционного тела 5.

При сильном демпфировании (добротность менее 0, 5) колебательное движение трансформируется в затухающее.

В отношении основания 3 основная часть спектра излучаемых поперечных волн в результате действия силы F₃ лежит в области низких частот, в интервале до частоты f₀. При частотах выше резонансной частоты f₀, с ростом частоты амплитуда излучения быстро уменьшается и стремится к нулю. Для того чтобы регистрирующая система не воспринимала низкочастотное излучение поперечных волн, достаточно, чтобы собственная частота колебаний, вызывающих низкочастотное излучение, то есть при затухающем движении инерционного тела 5, была ниже минимальной частоты f_min рабочего диапазона частот: f₀<f_min.

Когда это условие выполнено, суммарный эффект действия сил на обе части опорной плиты эквивалентен F_ef (см. Фиг.3в)). Таким образом, действие такой системы (Фиг.2) эквивалентно горизонтально направленной силе, для которой характерен максимум излучения поперечных волн вертикально вниз.

Следует отметить, что ввиду медленной разгрузки участка грунта под основанием 3 и излучения волн в диапазоне до частоты f₀, при выполнении условия f₀<f_min основание 3 вообще не излучает волн в рабочем диапазоне частот, а это означает, что значение частоты его установочного резонанса не влияет и не ограничивает частотную полосу. Поэтому основание 3 можно выбрать жестким и упростить систему возбуждения S-волн (см. Фиг.4). В этом случае инерционное тело 5 выполняет две функции: осуществляет вертикальный прижим основания 3 к грунту (то есть выполняет функцию инерционной массы 4) и обеспечивает вместе с демпфированным упругим элементом 6 сглаженную передачу разгрузки на основание 3. При этом основание 3 должно иметь определенную жесткость и выдерживать силу F, однако его установочный резонанс не влияет при указанных выше условиях на величину резонансной частоты.

В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры.

Пример 1.

Опорную плиту (см. Фиг.1), выполненную в виде двух оснований 1 и 3, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы 2 и 4. Инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом. Масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее 100 раз. Основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом.

При этом в качестве оснований 1 и 3 (см. Фиг.1) используют канат, выполненный в виде широкой ленты. В качестве инерционных масс 2 и 4 на канат устанавливают два одинаковых автомобиля, масса каждого около 5000 кг, с отключенной тормозной системой.

Затем к основаниям 1 и 3 прикладывают стягивающую силу, равную 1 кН, соответствующую нижнему значению интервала сил и проведению работ инженерной сейсморазведки на грунте с твердым покрытием. Создают механически напряженное состояние грунта лежащих под основаниями участков.

Для этого лебедку, масса которой вместе с массой каната составляет не более 50 кг, крепят к одному из канатов (основание 1, например), а другой - к тросу лебедки, и обеспечивают стягивающую силу. Лебедка снабжена спусковым механизмом для отцепления троса после достижения заданного усилия.

После этого осуществляют разгрузку канатов и соответственно нижележащих участков грунта в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн. При этом дипольное приложение пары сил составляет порядка 1 кН и обеспечивает генерацию поперечных волн в широком диапазоне частот (около 100 Гц).

Пример 2.

Опорную плиту (см. Фиг.1), выполненную в виде двух оснований 1 и 3, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы 2 и 4. Инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом. Масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее 17 раз. Основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом.

При этом в качестве оснований 1 и 3 (см. Фиг.1) используют тракторные гусеницы (типа ДТ-75, масса комплекта которых составляет 864 кг). В качестве инерционных масс 2 и 4 на гусеницы устанавливают два одинаковых автомобиля (типа Урал 4320-0110-41, имеющий полную массу 14900 кг) с отключенной тормозной системой.

Затем к основаниям 1 и 3 прикладывают стягивающую силу, равную 100 кН, что соответствует среднему значению интервала сил и виду работ - сейсморазведка в условиях слабых грунтов. Создают механически напряженное состояние грунта лежащих под основаниями участков.

Для этого между автомобилями устанавливают лебедку. Два троса, снабженные спусковым механизмом, соединяют с гусеницами, один из них - с корпусом лебедки, а второй - с барабаном, после чего осуществляют стягивание гусениц друг к другу. При достижении усилия в 100 кН осуществляют синхронное отцепление тросов. При этом на лебедку не действуют силы. Она не вносит вклада в генерацию волн, и ее масса не играет никакой роли.

Осуществляют разгрузку гусениц и соответственно нижележащих участков грунта в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн. При этом дипольное приложение пары сил составляет порядка 10 тс (1 тс=9806,65 Н), а частотный состав сигнала от нуля до частоты установочного резонанса тракторной гусеницы.

Пример 3.

Опорную плиту (см. Фиг.2), выполненную в виде двух оснований 1 и 3, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы 2 и 4. Инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом. Масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее 22 раза. Основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом.

При этом в качестве оснований 1 и 3 (см. Фиг.2) используют тракторные гусеницы (типа ДТ-75, масса комплекта которых составляет 864 кг). В качестве инерционных масс 2 и 4 на гусеницы устанавливают два одинаковых автомобиля (типа Урал 4320-0911, имеющий полную массу 14800 кг) с отключенной тормозной системой.

Между основаниями 1 и 3 опорной плиты размещают инерционное тело 5 с сильно демпфированным упругим элементом 6 (добротность не менее 0,5), посредством которого его соединяют с одним из оснований (основание 3).

В качестве инерционного тела 5 используют такой же автомобиль, какой используют в качестве инерционной массы 2 и 4. В качестве демпфированного упругого элемента 6 используют четыре пары гидравлических телескопических амортизаторов данного автомобиля.

Массу инертного тела 6 и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента 6 выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот.

У автомобилей частота горизонтальных колебаний составляет порядка 1 Гц, а четыре пары автомобильных амортизаторов выдерживают вес автомобиля и гасят эти колебания. Данные амортизаторы устанавливают горизонтально (с возможностью их работы на сжатии) и, таким образом, используют в качестве упругого демпфированного элемента 6.

Стягивающая горизонтальная сила равна весу автомобиля, поэтому характеристики движения автомобиля по горизонтали (после разгрузки) равны характеристикам движения по вертикали, и собственная частота горизонтальных колебаний составляет около 1 Гц с сильным демпфированием амортизаторами. Сейсмоприемники, предназначенные для регистрации поперечных волн и используемые при сейсморазведке, как одном из видов работ, имеют, как правило, собственную резонансную частоту 5÷10 Гц (СГ-5, СГ-10), и рабочий диапазон лежит выше указанной частоты. Использование такого набора амортизаторов позволяет удовлетворять всем необходимым условиям.

Затем к основаниям 1 и 3 прикладывают стягивающую силу, равную 198 кН, которая соответствует верхнему пределу интервала прикладываемой силы, при этом равной произведению коэффициента трения гусениц о грунт (в рассматриваемом случае равен 1) и веса автомобиля. Создают механически напряженное состояние грунта лежащих под основаниями участков.

Данная система может быть использована для проведения сейсмических работ на всех видах грунта, в том числе и на слабых грунтах. При выполнении нескольких десятков накоплений она может использоваться и для глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ).

Приложением стягивающей силы к основаниям 1 и 3 через инерционное тело 5 с упругим элементом 6 осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз.

Для этого на средний автомобиль (инерционное тело 5) устанавливают лебедку, масса которой учтена в полной массе автомобиля, подсоединяют ее к гусеницам (основание 1) с помощью троса и обеспечивают стягивание двух гусениц друг к другу. Лебедка снабжена спусковым механизмом для отцепления троса после достижения усилия 198 кН.

После этого осуществляют разгрузку гусениц и соответственно нижележащих участков грунта в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн. При этом максимум направленности высокочастотной части волн (свыше 1 Гц) - вертикально вниз.

В отношении основания 3, соединенного с инерционным телом 5 через упругий элемент 6, производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей силы, обусловленной затухающим движением инерционного тела 5, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела 5 (около 1 Гц), в отношении основания 1 осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в рабочем диапазоне частот с максимумом направленности вертикально вниз.

Пример 4.

Опорную плиту (см. Фиг.4), выполненную в виде двух оснований 1 и 3, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы. Инерционную массу основания 1 размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению основания и обеспечивающего качественный контакт с грунтом. Масса основания 1 опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы 2, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее 17 раз.

В качестве инерционной массы основания 3 опорной плиты используют инерционное тело 5, соединенное посредством упругого демпфированного элемента 6 с основанием 3, на котором оно установлено.

Основание 3, на котором установлено инерционное тело 5, выбирают жестким, а основание 1 - выполненным с возможностью изгибания, обеспечивающим качественный контакт с грунтом.

При этом в качестве основания 1 (см. Фиг.4) используют тракторные гусеницы (типа ДТ-75, масса комплекта которых составляет 864 кг), а в качестве инерционной массы 2 на гусеницы устанавливают автомобиль (типа Урал 4320-0110-41, имеющий полную массу 14900 кг) с отключенной тормозной системой.

В качестве инерционного тела 5 используют такой же автомобиль (типа Урал 4320-0110-41, имеющий полную массу 14900 кг), который используют в качестве инерционной массы 2, но со включенной тормозной системой. В качестве демпфированного упругого элемента 6 используют рессоры данного автомобиля (ту часть, которая обеспечивает упругое сочленение колес с корпусом в горизонтальном направлении). Подвеску с колесами данного автомобиля используют как основание 3.

Данный автомобиль используют также в качестве инерционной массы 4, его подвеску с колесами - как основание 3.

Массу инертного тела 6 и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента 6 выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот.

У автомобилей частота горизонтальных колебаний составляет порядка 1 Гц. Сейсмоприемники, предназначенные для регистрации поперечных волн и используемые при сейсморазведке, как одном из видов работ, имеют как правило собственную резонансную частоту 5÷10 Гц, и рабочий диапазон лежит выше указанной частоты 1 Гц.

Затем к основаниям 1 и 3 прикладывают стягивающую силу, равную 50 кН, соответствующую среднему значению интервала сил, меньше, чем сила трения скольжения каждого из оснований, и соответствующую проведению сейсморазведки на средних грунтах. Сила трения, равная произведению коэффициента трения и веса автомобиля, составляет: для первого основания с коэффициентом трения гусениц около 1-119 кН, для второго основания с коэффициентом трения шин о грунт 0,4-79 кН. Создают механически напряженное состояние грунта лежащих под основаниями участков

Приложением стягивающей силы к основаниям через используемое в качестве инерционной массы инерционное тело 5 с упругим элементом 6 осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз.

Для этого на автомобиль со включенной тормозной системой (инерционное тело 5) устанавливают лебедку, масса которой учтена в полной массе автомобиля, подсоединяют ее к гусеницам (основание 1) с помощью троса и обеспечивают стягивание гусениц и подвески с колесами друг к другу. Лебедка снабжена спусковым механизмом для отцепления троса после достижения усилия 50 кН.

После этого осуществляют разгрузку гусениц и соответственно нижележащего участка грунта в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн. При этом частотный состав сигнала соответствует требуемому при сейсморазведке.

В отношении основания 3, соединенного с выполняющим функцию инерционной массы инерционным телом 5 через упругий элемент, 6 производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей гармонической силы, обусловленной затухающими колебаниями инерционного тела 5, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела 5, в отношении основания 1 осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в частотном диапазоне до частоты его установочного резонанса. Автомобиль со включенной тормозной системой начнет горизонтальные колебания, но его амортизаторы быстро их погасят.

Изобретение относится к средствам сейсмической разведки. Способ заключается в следующем: опорную плиту в составе двух оснований с инерционными массами располагают на грунте. По крайней мере, в отношении одного основания инерционная масса подвижна и прижимает основание к грунту, не препятствуя его горизонтальному движению. Указанное основание выполнено с возможностью изгибания, с массой в десятки и сотни раз меньше инерционной массы. Последнее обеспечивает частоту установочного резонанса больше частот рабочего диапазона. К основаниям прикладывают стягивающую силу, создают механически напряженное состояние грунта и осуществляют разгрузку. На основания действуют две одинаковые горизонтально разнонаправленные силы или к основаниям прикладывают стягивающую силу через инерционное тело с упругим элементом с реализацией направленной горизонтальной силы, обеспечивающей излучение с максимумом направленности вертикально вниз. Масса инерционного тела и жесткость демпфированного упругого элемента таковы, что собственная частота колебаний инерционного тела меньше рабочего диапазона частот. Технический результат - достижение высоких частот рабочего диапазона; повышение качества повторяемости воздействия; возможность проведения работ на слабых грунтах; улучшение характеристики направленности излучения. 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ возбуждения поперечных сейсмических волн, заключающийся в том, что опорную плиту, выполненную в виде двух оснований, располагают на поверхности грунта, размещают на них инерционные массы, отличающийся тем, что инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом, или только в отношении одного из оснований инерционную массу размещают с возможностью свободного перемещения относительно основания и осуществления вертикального прижима плиты к грунту, не препятствующего горизонтальному движению оснований и обеспечивающего качественный контакт с грунтом, затем к основаниям прикладывают стягивающую силу, равную значению интервала с нижним пределом, определенным видом проведения работ, уровнем сейсмических помех и количеством повторения воздействия, и верхним пределом, определенным силой трения основания о грунт, создают механически напряженное состояние грунта и осуществляют разгрузку в импульсном режиме, вызывающую генерацию S-волн.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что приложением стягивающей силы обеспечивают действие двух одинаковых горизонтально разнонаправленных сил на основания, приводящих при разгрузке грунта к излучению с характеристикой направленности в виде двух лепестков, вытянутых под углом к вертикали и имеющих нулевое значение на самой вертикали.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что между основаниями опорной плиты размещают инерционное тело с демпфированным упругим элементом, посредством которого его соединяют с одним из оснований.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что масса каждого основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что основания опорной плиты выбирают выполненными с возможностью изгибания, обеспечивая качественный контакт с грунтом.8. Способ по п.5, отличающийся тем, что массу инерционного тела и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот.9. Способ по п.5, отличающийся тем, что приложением стягивающей силы к основаниям через инерционное тело с упругим элементом осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз.10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в отношении основания, соединенного с инерционным телом через упругий элемент, производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей силы, обусловленной затухающим движением инерционного тела, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела, в отношении другого основания осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в рабочем диапазоне частот.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инерционной массы одного из оснований опорной плиты используют инерционное тело, соединенное посредством упругого демпфированного элемента с основанием, на котором оно установлено.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что приложением стягивающей силы к основаниям через используемое в качестве инерционной массы инерционное тело с упругим элементом осуществляют реализацию направленной горизонтальной силы, приводящей при разгрузке к излучению с максимумом направленности вертикально вниз.13. Способ по п.11, отличающийся тем, что масса основания опорной плиты намного меньше размещенной на нем инерционной массы, при этом выбирают соотношение по массам, составляющее десятки и сотни раз, выводя значение частоты установочного резонанса за пределы (больше) рабочего диапазона частот.14. Способ по п.11, отличающийся тем, что массу инерционного тела и коэффициент жесткости демпфированного упругого элемента выбирают обеспечивающими значение собственной частоты колебаний инерционного тела меньшим, чем значения рабочего диапазона частот.15. Способ по п.11, отличающийся тем, что основание, на котором установлено инерционное тело, выбирают жестким, а другое основание - выполненным с возможностью изгибания, обеспечивающим качественный контакт с грунтом.16. Способ по п.12, отличающийся тем, что в отношении основания, соединенного с выполняющим функцию инерционной массы инерционным телом через упругий элемент, производят медленную разгрузку нижележащего участка механически напряженного грунта в результате действия на него нагрузки в виде затухающей гармонической силы, обусловленной затухающими колебаниями инерционного тела, приводящую к излучению низкочастотных волн с частотой, ограниченной сверху собственной частотой колебаний инерционного тела, в отношении другого основания осуществляют быструю разгрузку, приводящую к излучению S-волн в частотном диапазоне до частоты его установочного резонанса.