Введение к работе
Актуальность темы исследований
Провалы грунта являются катастрофой, которая может приводить к повреждениям хозяйственной инфраструктуры и гибели людей. Они обусловлены в первую очередь карстовыми и суффозионными процессами, которые широко распространены на территории России. Расширение географии хозяйственной деятельности и возрастающая антропогенная нагрузка на окружающую среду увеличивают риски провалов.
Для обнаружения подготовки провалов грунта необходим геофизический мониторинг. Существующие методы наблюдения за процессами, связанными с провалами, позволяют либо регистрировать их активизацию по косвенным признакам (гидрогеологические наблюдения), либо регистрировать деформацию земной поверхности на поздних этапах (регистрация подвижек грунта). Серьезными недостатками всех методов является нежелательная дискретность получаемой информации, дороговизна и технологическая громоздкость. Поэтому важной является задача разработки средств оперативного мониторинга процессов подготовки провалов, основанного на других геофизических методах.
Активный геоэлектрический мониторинг (АГЭМ) основан на методах электроразведки постоянного тока. Основное отличие АГЭМ от электроразведки состоит в том, что необходимо по измеряемым параметрам поля отслеживать малые изменения параметров среды, а именно - изменение её структуры. Это условие определяет схему электрометрической установки, которая должна быть максимально чувствительна к изменению параметров поля (связанному с изменением структуры среды), а не к абсолютным значениям параметров. Примером такой установки может служить эквипотенциальная установка (эквипотенциальный способ) мониторинга, предложенная в Институте физики Земли РАН (Волкова, Камшилин, Кравченко, 1983), в которой исходная установочная разность потенциалов минимальна.
Традиционный для электроразведки способ измерения при помощи электродных пар обладает рядом недостатков с точки зрения АГЭМ. Поэтому в ИФЗ РАН, опираясь на опыт использования эквипотенциальной установки, был предложен токовый способ мониторинга, при котором в качестве измерительных приборов используются локальные измерители тока (ЛИТ). Основная особенность ЛИТ - бесконтактное «локальное» измерение параметров электрического поля. Использование ЛИТ позволяет существенно повысить потенциальную помехозащищенность измерений.
Таким образом, перспективным направлением мониторинга процессов подготовки провалов грунта является активный геоэлектрический мониторинг с использованием локальных измерителей тока. В то же время практически отсутствует опыт разработки и исследования комплекса средств АГЭМ с использованием ЛИТ, с учётом особенностей ЛИТ как измерительного прибора. Поэтому задача разработки и исследования комплекса средств АГЭМ с использованием ЛИТ является актуальной.
Цель работы - разработать и исследовать комплекс средств активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока, и с помощью комплекса показать возможность регистрации образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей, в частности -связанных с процессами подготовки провалов грунта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Произвести оценку основных параметров процесса подготовки провала грунта на основе обзора литературных данных.
-
Рассмотреть основные особенности эквипотенциального и токового способа геоэлектрического мониторинга; определить состав и основные требования к комплексу средств АГЭМ с использованием ЛИТ.
-
Провести исследование установки АГЭМ с ЛИТ математическими методами, чтобы определить её возможности, сравнить её с эквипотенциальной установкой АГЭМ и определить требования к измерительной аппаратуре. Показать теоретическую возможность регистрации процессов подготовки провалов грунта.
-
Разработать методику исследования и провести исследование ЛИТ как геофизического измерительного прибора, чтобы определить зависимость измеряемого им сигнала от параметров электрического поля.
-
Разработать и создать аппаратные средства комплекса (генерирующая и измерительная аппаратура), используя различные варианты схемотехнической реализации; разработать и реализовать информационные средства комплекса (цифровая обработка сигналов).
-
Провести экспериментальное исследование электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры; определить оптимальную с точки зрения электромагнитной совместимости конфигурацию и схемотехническую реализацию аппаратных средств.
-
Разработать методику проведения и провести полевые эксперименты с созданным комплексом АГЭМ с ЛИТ, с целью подтвердить практическую возможность регистрации образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
-
Впервые по результатам исследования установки АГЭМ с ЛИТ математическими методами показано, что с её помощью можно отслеживать процессы подготовки провалов грунта, при использовании современной измерительной аппаратуры. Показано, что реакция этой установки на всплытие закрытой полости как процесс подготовки провала грунта подобна реакции эквипотенциальной установки АГЭМ. Определены требования к измерительной аппаратуре.
-
Разработана методика исследования локального измерителя тока как геофизического измерительного прибора, основанная на численном моделировании, для определения зависимости измеряемого им сигнала от параметров электрического поля. Определена формула данной зависимости и условия её применимости.
-
Предложена усовершенствованная (дополненная) конструкция локального измерителя тока. В результате усовершенствования измеряемая величина не зависит от формы и размеров самого измерителя. Также усовершенствование позволяет увеличить полезный сигнал.
-
Впервые обнаружено и доказано, что в определенных условиях при работе аппаратуры АГЭМ возможно появление низкочастотного паразитного сигнала на выходе ЛИТ и измерительной аппаратуры из-за воздействия высокочастотной помехи. Определена конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств комплекса АГЭМ с ЛИТ, оптимальная с точки зрения электромагнитной совместимости и устойчивости к высокочастотным помехам.
-
Впервые с помощью разработанного комплекса средств АГЭМ с ЛИТ, в результате полевых экспериментов показана практическая возможность регистрации образования и изменения свойств структурной неоднородности.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Произведена оценка параметров зоны подготовки провала грунта на основе литературного обзора. Оценка может быть использована при решении задач, связанных с исследованием процессов подготовки провалов грунта.
-
Решена задача оценочного расчёта поля в однородном проводящем полупространстве при наличии шаровой неоднородности; разработана программа расчёта поля, которая может использоваться для оценки измеряемых в установках АГЭМ сигналов.
-
Определены требования к измерительной аппаратуре комплекса АГЭМ с ЛИТ и возможности комплекса для регистрации процессов подготовки провалов грунта.
-
Разработана методика численного моделирования ЛИТ для определения зависимости выходного сигнала от параметров электрического поля, которая значительно упрощает калибровку локальных измерителей тока разной формы и размеров.
5.Предложено два дополнения к конструкции ЛИТ, минимизирующих влияние формы и размеров самого ЛИТ на измеряемую величину: первое позволяет выделить требуемую составляющую вектора плотности тока (улучшение избирательности), второе позволяет дополнительно увеличить полезный сигнал (увеличение чувствительности).
6. Разработаны аппаратные средства комплекса АГЭМ (измерительная и
генерирующая аппаратура), которые могут рассматриваться как прототип
аппаратуры активного геоэлектрического мониторинга различных
геодинамических процессов.
7.Разработана методика исследования электромагнитной совместимости генерирующей и измерительной аппаратуры комплекса АГЭМ, которая может использоваться для исследования аппаратуры активной геоэлектрики.
8. Составлены рекомендации по борьбе с появлением и воздействием высокочастотной и высокочастотной модулированной помехи на микросхемы
аналоговых усилителей, которые могут быть учтены при разработке и использовании чувствительной геофизической аппаратуры.
9. Разработаны информационные средства АГЭМ - разработаны
алгоритмы цифровой обработки сигналов для выделения полезной
составляющей входных сигналов, определения активной и реактивной
компоненты, а также осуществлена их программная реализация. Программная
реализация может использоваться для решения прикладных задач, где
необходима похожая цифровая обработка сигналов.
10. Экспериментально подтверждена возможность регистрации
образования неоднородностей при помощи разработанного комплекса средств
АГЭМ с ЛИТ.
Методология и методы исследований: литературный обзор, теория электромагнитного поля, численное моделирование электрических полей по методу конечных элементов, теория электрических цепей, численное моделирование электрических цепей по методу конечных разностей, методы цифровой обработки сигналов, лабораторный эксперимент, полевой эксперимент.
На защиту выносится следующие научные положения:
-
Токовый способ активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока при применении современной измерительной аппаратуры позволяет регистрировать процессы образования и изменения свойств локальных структурных неоднородностей и имеет преимущества перед эквипотенциальным способом мониторинга.
-
Методика численного математического моделирования локальных измерителей тока, которая позволяет восстановить параметры электрического поля по измеряемому сигналу, и усовершенствованные конструкции локальных измерителей тока.
-
Комплекс средств активного геоэлектрического мониторинга с локальными измерителями тока, конфигурация и схемотехническая реализация аппаратных средств которого обеспечивает лучшую электромагнитную совместимость и устойчивость к воздействию высокочастотных помех.
Степень достоверности результатов
О достоверности результатов диссертационного исследования
свидетельствует: корректное использование современных инструментов
разработки и исследования; совместное использование теоретического расчёта,
математического моделирования и физического эксперимента, с анализом и
взаимной проверкой их результатов. Показана воспроизводимость результатов
экспериментов; полученные в работе результаты согласуются с результатами,
полученными другими авторами, там, где их можно сопоставить. Также о
достоверности диссертационного исследования свидетельствует
самостоятельное выполнение автором задач работы.
Апробация и внедрение результатов работы
Основные результаты работы докладывались:
На научных семинарах на кафедре Промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», май 2010, 2011 и 2012 гг.; на заседании кафедры Промышленной электроники ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», май 2012 г.
На 16-ой, 17-ой и 18-ой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, февраль 2010, 2011 и 2012 гг.
На 5-ой Всероссийской школе-семинаре по электромагнитным зондированиям Земли им. М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна, Санкт-Петербург, май 2011 г.
На научных семинарах в ИФЗ РАН, февраль 2012 г. и октябрь 2013 г.
На научных конференциях молодых учёных и аспирантов ИФЗ РАН, апрель 2012 и 2013 гг.
Результаты, полученные в ходе диссертационной работы, использованы в научно-исследовательской деятельности ИФЗ РАН; в том числе получен патент на изобретение.
Также результаты работы использованы в курсе лекций «Специальные вопросы схемотехники», читаемых на кафедре Промышленной электроники НИУ МЭИ.
Публикация результатов работы и личный вклад автора
По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе: две публикации в печатных изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК; один патент на изобретение.
Личный вклад автора в опубликованных работах определяется содержанием и основными результатами диссертации. В работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, и в приравниваемых к ним работах личный вклад автора заключается в следующем: в [1] автору принадлежит описание моделирования локального измерителя тока, описание экспериментальной проверки методики моделирования, описание полевых экспериментов, анализ результатов и выводы по данным разделам; в [2] автору принадлежит постановка задачи по восстановлению входного сигнала датчика, описание моделирования датчика, усовершенствование конструкции датчика, определение электрических параметров датчика, сопоставление результатов математического моделирования и физического эксперимента; в [3] автором предложены и исследованы при помощи компьютерного моделирования базовые элементы устройства - токопровод и токопровод со сгустителями тока.
Соответствие диссертационной работы паспорту научной специальности
Областями исследований диссертационной работы являются:
исследование математическими методами геофизической системы -установки активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока;
разработка и исследование аппаратных, методических и информационных средств для геофизической излучающей и измерительной системы;
разработка методик обработки и интерпретации сигналов, измеряемых в геофизической установке активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока, в том числе - разработка методики восстановления параметров электрического поля в среде по сигналу, измеряемому ЛИТ;
исследование возможностей метода активного геоэлектрического мониторинга с использованием локальных измерителей тока и разработка комплекса средств для этого метода, целью которого является предотвращение крупного ущерба объектам хозяйственной деятельности и окружающей среде при катастрофических явлениях, связанных с провалами грунта.
С учётом комплексного характера проводимых в работе исследований, указанные области и способы исследования соответствуют специальности 25.00.10 - «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», отрасли наук 05 - «Технические науки», по пунктам областей исследований:
Пункт 14 - «Методы обработки и интерпретации результатов измерения геофизических полей».
Пункт 19 - «Измерительная техника, средства, технологии, системы наблюдений и сбора геофизических данных; геофизические излучающие и измерительные системы».
Пункт 25 - «Применение геофизических методов при решении задач охраны окружающей среды».
Гранты
Работа выполнена частично при финансовой поддержке индивидуальным грантом программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса - 2009 г.» («У.М.Н.И.К. - 2009 г.») Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своим научным руководителям, к. т. н., Попову Владимиру Витальевичу (НИУ МЭИ), и к. ф.-м. н., Камшилину Анатолию Николаевичу (ИФЗ РАН).
Автор благодарит сотрудников ИФЗ РАН зав. лаб. экспериментальных исследований физических процессов в литосфере, д. ф.-м. н. Пономарева А. В., зав. лаб. континентальной сейсмичности и прогноза сейсмической опасности,
д. ф.-м. н. Завьялова А. Д., гл. н. с, д. т. н. Светова Б. С, ст. н. с. Волкову Е. Н.
ст. редактора Тимофееву Н. И.; сотрудников кафедры Промышленной электроники НИУ МЭИ к. т. н. Ремизевич Т. В., к. т. н. Попкова О. 3., к. т. н. Недолужко И. Г., к. т. н. Голикова В. Ю., к. т. н. Глебова Б. А., ст. преподавателя Гагарину О. Г.; профессора кафедры Электротехники НИЯУ МИФИ д. т. н. Немцова М. В.; профессора кафедры Инженерной геологии и геоэкологии МГСУ д. г.-м. н. Хоменко В. П. за ценные советы и методические указания.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 12 приложений. Диссертация изложена на 227 страницах машинописного текста, содержит 87 иллюстраций и 10 таблиц. Список литературы состоит из 85 наименований.
