Спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву

Реферат: UA 68716 U UA 68716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів проведення геофізичних досліджень ґрунтових масивів за допомогою електромагнітних хвиль. Геофізичні дослідження ґрунтових масивів проводять під час проведення інженерногеологічних розвідувань для визначення структури ґрунтових масивів та складання висновків щодо придатності ділянки ґрунтового масиву для будівництва споруд та будинків, для визначення небезпечних зон у ґрунтових масивах, наприклад, пошуку ліній ковзання зсувних ґрунтів, пошуку порожнеч техногенного або природного походження, для визначення наявності обводнених ґрунтовими водами горизонтів у ґрунтовому масиві, тощо. Методи геофізичного дослідження ґрунтових масивів - це сукупність фізичних методів, які застосовують для вивчення ґрунтових масивів. Методи геофізичного дослідження ґрунтових масивів поділяють на певні групи в залежності від фізичного чинника, який використовують для вивчення ґрунтових масивів. В одній із груп методів геофізичного дослідження ґрунтових масивів вивчення ґрунтових масивів здійснюється за допомогою такого чинника як штучне електромагнітне поле. До цієї групи методів належить метод радіохвильового зондування ґрунтового масиву. У методі радіохвильового зондування ґрунтового масиву використовують штучне електромагнітне поле, яке створюють на поверхні ґрунтового масиву шляхом збудження радіохвиль. У цьому методі використовують радіохвилі частотою у діапазоні від 50 кГц до 50 МГц. Радіохвилі, які проходять через ґрунтовий масив, утворюють вторинне електромагнітне поле. Напруженість вторинного електромагнітного поля залежить від параметрів складових ґрунтового масиву, а саме, залежить від значень таких параметрів ґрунтового масиву як повздовжня провідність S і уявний питомий опір  порід та об'єктів, що знаходяться у ґрунтовому масиві. Реєстрацію напруженості вторинного електромагнітного поля здійснюють у обраних точках на поверхні ділянки ґрунтового масиву - точках виміру, які розташовані на різній відстані від джерела радіохвиль. Вимірювання значень напруженості вторинного електромагнітного поля у точках виміру здійснюють за допомогою вимірювача, який розташовують на поверхні ґрунтового масиву. Відстань між джерелом радіохвиль та вимірювачем (цю відстань у літературі називають таким терміном як "рознос") визначає глибину виміру параметрів ґрунтового масиву - глибина виміру параметрів ґрунтового масиву є функцією відстані між джерелом радіохвиль та вимірювачем. Змінюючи відстань між джерелом радіохвиль та вимірювачем змінюють глибину виміру параметрів ґрунтового масиву. Під час здійснення вимірів напруженості вторинного електромагнітного поля джерело радіохвиль розташовують у одній точці на поверхні ґрунтового масиву - ця точка у даній корисній моделі буде називатись базова точка, вимірювач розташовують в іншій точці на поверхні ґрунтового масиву - ця точка у даній корисній моделі буде називатись точка виміру. Джерелом радіохвиль є будь-який пристрій, що містить передавальну антену і передавач радіохвиль. Вимірювачем є будь-який пристрій, що містить приймальну антену і приймач радіохвиль. Прилади, які використовують у методі радіохвильового зондування ґрунтового масиву, називають радіохвильовими структуроскопами. Радіохвильові структуроскопи можуть бути різними за виконанням, але переважно вони містять такі основні елементи як передавальна рамкова антена і передавач радіохвиль, приймальна рамкова антена і приймач радіохвиль. Радіохвильові структуроскопи звичайно виконують так, що передавальна рамкова антена і передавач радіохвиль знаходяться на одній опорі, яку розташовують під час вимірів параметрів ґрунтового масиву у базовій точці, приймальна рамкова антена і приймач радіохвиль знаходяться на другій опорі, яку під час вимірів параметрів ґрунтового масиву розташовують у точці виміру. Перевагою методу радіохвильового зондування ґрунтового масиву є те, що він дає інформацію як про уявний питомий опір порід ґрунтового масиву, так і про повздовжню провідність порід ґрунтового масиву, дозволяє вивчати з високою точністю ґрунтові масиви глибиною декількох десятків метрів. Цей метод дає гарні результати при вирішенні таких завдань, як пошук і розвідка родовищ твердих корисних копалини, оцінка потужності покривних відкладень, пошук обводнених зон, пошук тектонічних порушень у скельних масивах, дослідження рівня ґрунтових вод, тощо. Відомий спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву (RU 2152060 С1, індекс МПК G01V 3/12, опубл. 27.06.2000), який включає вибір на поверхні ґрунтового масиву базових точок та точок виміру, створення у базових точках електромагнітного поля за допомогою першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, вимірювання значень напруженості електромагнітного поля у точках виміру, що знаходяться на різних 1 UA 68716 U 5 10 15 20 25 30 35 відстанях від базових точок, причому вимірювання значень напруженості електромагнітного поля здійснюють за допомогою другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, математичну обробку виміряних значень напруженості електромагнітного поля з отриманням значень діелектричної проникності ґрунтового масиву  і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву , та побудову графіків залежності діелектричної проникності ґрунтового масиву  та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву. Виміри значень напруженості електромагнітного поля здійснюють при односторонньому переміщенні по точках виміру другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, при нерухомому на базовій точці першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль. Недоліком способу є те, що не зазначено математичні формули, за якими здійснюють математичну обробку виміряних значень напруженості електромагнітного поля з отриманням значень діелектричної проникності ґрунтового масиву  і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву . У способі радіохвильового зондування ґрунтового масиву важлива правильна інтерпретація виміряних значень напруженості електромагнітного поля - для цього необхідно правильно обрати математичну модель, яка описує повздовжню провідність S (або діелектричну проникність ґрунтового масиву ) і уявний питомий опір  порід та об'єктів, що знаходяться у ґрунтовому масиві, як функцію від виміряної напруженості електромагнітного поля. Тому неможливо зробити оцінку - наскільки точно отримані значення діелектричної проникності ґрунтового масиву  і значення уявного питомого опору ґрунтового масиву  відповідають дійсним значенням значення діелектричної проникності ґрунтового масиву є і значення уявного питомого опору ґрунтового масиву . Відомий спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву (В.А. Сидоров, В.В. Тикшаев Электроразведка зондированиями становлением поля в ближней зоне. - Саратов, Нижневолжский институт научно-геологический институт геологии и геофизики, 1969), який включає вибір на поверхні ґрунтового масиву базових точок та точок виміру, створення у базових точках електромагнітного поля за допомогою першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, вимірювання значень напруженості електромагнітного поля у точках виміру, що знаходяться на різних відстанях від базових точок, причому вимірювання значень напруженості електромагнітного поля здійснюють за допомогою другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, математичну обробку виміряних значень напруженості електромагнітного поля з отриманням значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву , та побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву, причому значення повздовжньої провідності ґрунтового масиву S визначають по формулі S  40 16  3Mg 1 3 2 50 5 4   3 E E' 3 4 3 де М - так званий момент джерела радіохвиль; g - ефективна площа приймальної антени;  - діелектрична проникність повітря; Е - виміряне значення напруженості електромагнітного поля; і значення уявного питомого опору ґрунтового масиву  визначають по формулі  Mg       20  45 1 3 5 3   5 t 3 3 2 E , 3 де М - так званий момент джерела радіохвиль; g - ефективна площа приймальної антени;  - діелектрична проникність повітря; Е - виміряне значення напруженості електромагнітного поля; t - це величина, яка обернено пропорційна до частоти електромагнітного поля. Виміри значень напруженості електромагнітного поля здійснюють при односторонньому переміщенні по точках виміру другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, при нерухомому на базовій точці першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль. Недоліком цього способу є низька точність результатів, отриманих у способі. Зазначені вище формули, за якими визначають значення повздовжньої провідності S і уявного питомого 2 UA 68716 U 5 10 15 20 опору , достатньо точно описують залежність повздовжньої провідності S і уявного питомого опору  від виміряного значення напруженості електромагнітного поля лише для невеликих значень глибини виміру параметрів ґрунтового масиву (приблизно до 10-20 метрів в залежності від породи у ґрунтовому масиві). Тому при вимірюванні із значними відстанями між базовою точкою та точками виміру (і відповідно вимірюванні параметрів ґрунтового масиву на значних глибинах) отримані значення повздовжньої провідності S і уявного питомого опору  ґрунтового масиву повздовжньої провідності Sx і уявного питомого опору  можуть значно відрізнятись від реальних значень повздовжньої провідності і S  і уявного питомого опору  ґрунтового масиву, і відповідно подальша інтерпретація отриманих значень повздовжньої провідності S і уявного питомого опору  може призвести до неправильних висновків щодо структури ґрунтового масиву на великих значеннях глибини ґрунтового масиву. Задачею корисної моделі є удосконалення способу радіохвильового зондування ґрунтового масиву шляхом зміни дій та введення нових дій у способі. Задача вирішується способом радіохвильового зондування ґрунтового масиву, який включає вибір на поверхні ґрунтового масиву базових точок та точок виміру, створення у базових точках електромагнітного поля за допомогою першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, вимірювання значень напруженості електромагнітного поля у точках виміру, що знаходяться на різних відстанях від базових точок, причому вимірювання значень напруженості електромагнітного поля здійснюють за допомогою другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, отримання значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву  шляхом математичної обробки виміряних значень напруженості електромагнітного поля, причому значення повздовжньої провідності ґрунтового масиву S визначають по формулі S  25 30 Fm  k*E (1), де Fm - величина, яка відображає перехідну характеристику провідного середовища ґрунтового масиву, k - коефіцієнт, що враховує розміри передавальної рамкової антени та приймальної рамкової антени, E - виміряне значення напруженості електромагнітного поля, причому значення Fm визначають по формулі m 3  8m 2      Fm   (2), 7  1  4m 2  2     і значення k визначають по формулі r 4 (3), k 3Qq де r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною, Q та q - ефективні площі передавальної рамкової антени та приймальної рамкової антени, причому значення m визначають по формулі m P 35 E' E2 (4), де E ' - значення похідної від вимірюваного значення напруженості електромагнітного поля, P - коефіцієнт, який залежить від розмірів відстані вимірювання та який визначають по формулі *r (5). k де  - діелектрична проникність повітря, P 40 r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною, k - коефіцієнт, який враховує розміри передавальної рамкової антени та приймальної рамкової антени і який визначають по формулі 3, а значення уявного питомого опору ґрунтового масиву  визначають по формулі 3 UA 68716 U    2 * 10  7 * r2 E2 * t (6), де r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною, E - виміряне значення напруженості електромагнітного поля, t - величина, яка обернено пропорційна до частоти електромагнітного поля f і яку визначають по формулі t 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 f (7), та побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву, причому побудову графіків залежності повздовжньої провідності фунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву здійснюють за допомогою програмного засобу, який дозволяє обробити дані щодо значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву , і отримати графіки залежності значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву. Крім того, електромагнітне поле, яке створюється у базових точках, може мати частоту 0,120 МГц. Крім того, як програмний засіб може бути використаний програмний засіб "Maple 14". Технічний результат, який досягається корисною моделлю: - спосіб за корисною моделлю дає більш високу точність отриманих результатів - зазначені формули, за якими у корисній моделі визначають повздовжню провідність S і уявний питомий опір  ґрунтового масиву, дають більш точні значення повздовжньої провідності S і уявного питомого опору  як для невеликих значень глибини ґрунтового масиву, так і для великих значень глибини ґрунтового масиву; - застосування програмного засобу для побудови графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву прискорює обробку отриманих даних (значень напруженості електромагнітного поля); - застосування такого програмного засобу як "Maple 14" дозволяє використовувати значну базу методів математичних обчислень, які закладені у "Maple 14", і дозволяє спростити виконання необхідних математичних обчислень; - створення у базових точках електромагнітного поля, що може мати частоту 0,1-20 МГц, дозволяє підвищити інформаційність способу, так як дозволяє обирати в залежності від порід, що складають ґрунтовий масив, таке значення частоти електромагнітного поля, при якому виміри напруженості електромагнітного поля дають найбільш інформаційні результати, а також дозволяє під час здійснення вимірювання значень напруженості електромагнітного поля робити вимірювання на декількох різних частотах електромагнітного поля, що дозволяє при подальшій інтерпретації отриманих значень повздовжньої провідності S і уявного питомого опору  ґрунтового масиву зробити більш точний висновок щодо структури ґрунтового масиву. Перелік фігур креслень. Фіг. 1 - приклад графіку залежності повздовжньої провідності Sr ґрунтового масиву від глибини ґрунтового масиву. Фіг. 2 - приклад графіку залежності уявного питомого опору  ґрунтового масиву від глибини ґрунтового масиву. Відомості, що підтверджують можливість здійснення корисної моделі. Далі наведено приклад виконання способу радіохвильового зондування ґрунтового масиву. На поверхні ділянки ґрунтового масиву вибирають базові точки та відповідні їм точки виміру, в яких будуть здійснювати вимірювання значення напруженості електромагнітного поля. Точки виміру для кожної базової точки знаходяться на одній умовній лінії, початком якої є базова точка, і на різних відстанях від базової точки. Вимірювання значення напруженості електромагнітного поля у точках виміру здійснюється за допомогою радіохвильового структуроскопа, який містить передавальну рамкову антену із передавачем радіохвиль та приймальну рамкову антену із приймачем радіохвиль. Як приклад радіохвильового структуроскопа може бути використаний будь-який із радіохвильових структуроскопів, які призначені для геофізичних досліджень і описані у літературі та інших документах. 4 UA 68716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Радіохвильовий структуроскоп містить пересувну першу опору, на якій розташовано передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, та пересувну другу опору, на якій розташовано приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль. У першій базовій точці встановлюють першу опору радіохвильового структуроскопа, на якій розташовано передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль. У першій визначеній точці виміру встановлюють другу опору, на якій розташовано приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль. Вмикають передавач радіохвиль та приймач радіохвиль. Передавач радіохвиль та приймач радіохвиль налаштовані на створення та приймання електромагнітного поля однакової частоти. За допомогою приймача радіохвиль здійснюють вимірювання значення напруженості електромагнітного поля у першій точці виміру. Потім другу опору, на якій розташовано приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, переносять та встановлюють на другій визначеній точці виміру. Потім здійснюють вимірювання значення напруженості електромагнітного поля у другій точці виміру. Таким же чином у всіх інших визначених точках виміру здійснюють серію вимірювань значень напруженості електромагнітного поля для першої базової точки на поверхні ділянки ґрунтового масиву. Після здійснення серії вимірювання значень напруженості електромагнітного поля для першої базової точки, першу опору на якій розташовано передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, переносять та встановлюють на другій визначеній базовій точці. Потім у всіх точках виміру, визначених для другої базової точки, аналогічно до вище викладеного здійснюють серію вимірювань значень напруженості електромагнітного поля для другої базової точки на поверхні ділянки ґрунтового масиву. У випадку, коли необхідна більша інформативність та більш висока точність висновків стосовно структури ґрунтового масиву, у серії вимірювань значень напруженості електромагнітного поля для кожної базової точки можна здійснити підсерії вимірювань значень напруженості електромагнітного поля на декількох різних частотах створюваного електромагнітного поля. Після отримання даних щодо значень напруженості електромагнітного поля за декількома серіями вимірювань напруженості електромагнітного поля, здійснюють математичну обробку виміряних значень напруженості електромагнітного поля з отриманням для кожної точки виміру значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву . Математичну обробку виміряних значень напруженості електромагнітного поля здійснюють за допомогою формул 1-7, зазначених у тексті вище. Для кожної точки виміру також визначають глибину ґрунтового масиву - формули, за якими розраховують глибину ґрунтового масиву, описані у літературі. Потім здійснюють побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву. Побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву здійснюють за допомогою програмного засобу, який дозволяє ввести дані щодо значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву , і видає графіки залежності значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву. Одним із можливих варіантів програмного засобу, який може бути використаний у корисній моделі, є програмний засіб під назвою "Maple 14". Програмний засіб "Maple 14" розроблений для проведення складних математичних обчислень і перетворень алгебри аналітичними і чисельними методами - він має потужні обчислювальні засоби, які створювалися для допомоги в роботі вчених, математиків і сучасних проектувальників. Програмний засіб здатний вирішувати математичні задачі широкого спектра, а також може істотно полегшити завдання по створенню різних технічних документів. У програмному засобі є пакети додаткових програм, за допомогою яких можна вирішувати різні завдання тензорної і лінійної алгебри, комбінаторики, геометрії Евкліда, а також теорії вірогідності, інтегральних перетворень і багато що інше. Програмний засіб створювався і оптимізувався для вирішення різноманітних завдань, у тому числі і у фінансовій математиці, що також дуже корисно і актуально у наш час. Для вирішення усіх цих завдань програмний засіб має надійні і поліпшені математичні алгоритми, а також включає різні бібліотеки алгоритмів. Окрім усіх заявлених функцій програмний засіб має досить великі довідкові матеріали, в яких можна знайти значення усіх фізичних констант, з можливістю автоматичною підстановкою фізичних констант у необхідні формули. Програмний засіб "Maple 14" має зручний графічний інтерфейс, і дозволяє зберегти результати проведених обчислень і розрахунків як в форматі html, так і в форматі звичайного текстового документа. 5 UA 68716 U 5 10 Приклади зображень графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву, показані на фіг. 1 та фіг. 2. Отримані графіки залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву використовують для подальшої інтерпретації отриманих результатів та складання висновків щодо структури ґрунтового масиву. Інтерпретація отриманих графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S та уявного питомого опору ґрунтового масиву  від глибини ґрунтового масиву здійснюється шляхом візуального виявлення на графіках точок максимуму, точок мінімуму, точок перегину - у цих точках відбувається зміна структури ґрунтового масиву. Наведені приклади лише ілюструють корисну модель, але не обмежують її. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 1. Спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву, який включає вибір на поверхні ґрунтового масиву базових точок та точок виміру, створення у базових точках електромагнітного поля за допомогою першого пристрою, що містить передавальну рамкову антену і передавач радіохвиль, вимірювання значень напруженості електромагнітного поля у точках виміру, що знаходяться на різних відстанях від базових точок, причому вимірювання значень напруженості електромагнітного поля здійснюють за допомогою другого пристрою, що містить приймальну рамкову антену і приймач радіохвиль, отримання значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  і значень уявного питомого опору ґрунтового масиву   шляхом математичної обробки виміряних значень напруженості електромагнітного поля s, побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  та уявного питомого опору ґрунтового масиву   від глибини ґрунтового масиву, який відрізняється тим, що значення повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  визначають за формулою: S  30 Fm  (1), k*E Fm - величина, яка відображає перехідну характеристику провідного середовища де: ґрунтового масиву; k - коефіцієнт, що враховує розміри передавальної рамкової антени та приймальної рамкової антени; E - виміряне значення напруженості електромагнітного поля, причому значення Fm визначають за формулою: 35 m 3  8m2     (2) Fm   7 1  4m2  2     і значення k визначають за формулою: r 4 k (3), 3Qq де: r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною; Q та q - ефективні площі передавальної рамкової антени та приймальної рамкової антени, причому значення m визначають за формулою: 40 m P E' (4), E2 де: E ' - значення похідної від вимірюваного значення напруженості електромагнітного поля; P - коефіцієнт, який залежить від розмірів відстані вимірювання та який визначають за формулою: *r (5), k де:  - діелектрична проникність повітря; r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною; k - коефіцієнт, який враховує розміри передавальної рамкової антени та приймальної рамкової P 45 антени і який визначають за формулою (3), 6 UA 68716 U а значення уявного питомого опору ґрунтового масиву   визначають за формулою:    2 * 10  7 * 5 де: r - відстань між передавальною рамковою антеною та приймальною рамковою антеною; E - виміряне значення напруженості електромагнітного поля; t - величина, яка обернено пропорційна до частоти електромагнітного поля f і яку визначають за формулою: t 10 15 r2 (6), E2 * t 1 (7), f при цьому побудову графіків залежності повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  та уявного питомого опору ґрунтового масиву   від глибини ґрунтового масиву здійснюють за допомогою програмного засобу, який дозволяє обробити дані щодо значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  та уявного питомого опору ґрунтового масиву   і отримати графіки залежності значень повздовжньої провідності ґрунтового масиву S  та уявного питомого опору ґрунтового масиву   від глибини ґрунтового масиву. 2. Спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву за пунктом 1, який відрізняється тим, що електромагнітне поле має частоту 0,1-20 МГц. 3. Спосіб радіохвильового зондування ґрунтового масиву за будь-яким із пунктів 1, 2, який відрізняється тим, що як програмний засіб використовують програмний засіб "Maple 14". 20 7 UA 68716 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8