RU2053526C1

RU2053526C1 - Device for exciting seismic waves

Info

Publication number: RU2053526C1
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Пузырев; В.А. Куликов
Original assignee: Новосибирский государственный университет; Институт геофизики Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН
Priority date: 1992-08-05
Filing date: 1992-08-05
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: prospecting. SUBSTANCE: device has shell 3, concentrators 5, explosive chambers 7 filled with explosive 10. Damper 11 may be made in form of hollow container, which has internal space filled with loose material. Weights of the damper and each charge of explosive relation does not excess 5•10³. EFFECT: improved reliability of results. 3 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам для возбуждения поперечных волн и может найти применение при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых методами многоволновой сейсморазведки, а также при проведении вертикального сейсмического профилирования (ВСП). The invention relates to technical means for exciting transverse waves and can find application in prospecting and exploration of mineral deposits using multiwave seismic exploration methods, as well as when conducting vertical seismic profiling (VSP).

Известно, что для возбуждения поперечных колебаний в твердой среде необходимо реализовать направленное действие на среду, которое на практике реализуется самыми разнообразными способами [1]
Вертикально направленная сила излучает продольные волны в направлении воздействия и поперечные под углом к вертикали, близким к 45^о [2]
Однако это свойство вертикальной силы не может быть использовано в практических целях, поскольку источник такого типа не обеспечивает углы выхода поперечных волн, необходимые для образования глубинных отраженных волн.It is known that for the excitation of transverse vibrations in a solid medium, it is necessary to realize a directed action on the medium, which in practice is realized in a variety of ways [1]
A vertically directed force emits longitudinal waves in the direction of action and transverse at an angle to the vertical, close to 45 ^about [2]
However, this property of vertical force cannot be used for practical purposes, since a source of this type does not provide the angles of exit of the transverse waves necessary for the formation of deep reflected waves.

Известно устройство для возбуждения сейсмических колебаний, включающее демпфер (амортизатор), пробки, цилиндрическую взрывную камеру с продольным отверстием, с наружной стороны которой расположен концентратор заданной толщины, выполненный в виде двух софокусных поверхностей, а также заряда взрывчатого вещества (ВВ), распределенного по длине взрывной камеры вдоль фокальной линии этих поверхностей [3]
Для возбуждения поперечных волн с помощью этого устройства необходимо бурить скважину большого диаметра, равного по крайней мере сумме наибольшего поперечного размера концентратора и толщины демпфера (амортизатора). Бурение таких скважин ограничивает возможность применения устройства мягкими и рыхлыми породами.A device for exciting seismic vibrations, including a damper (shock absorber), plugs, a cylindrical explosive chamber with a longitudinal hole, on the outside of which there is a concentrator of a given thickness, made in the form of two confocal surfaces, as well as an explosive charge (explosive) distributed along the length explosive chamber along the focal line of these surfaces [3]
To excite shear waves using this device, it is necessary to drill a borehole of a large diameter equal to at least the sum of the largest transverse dimension of the concentrator and the thickness of the damper (shock absorber). Drilling such wells limits the possibility of using the device with soft and loose rocks.

Задача изобретения повышение эффективности возбуждения поперечных волн путем согласования частотных характеристик верхней части грунта с временной функцией устройства. The objective of the invention is to increase the efficiency of excitation of shear waves by matching the frequency characteristics of the upper part of the soil with the time function of the device.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, поперечный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed device, a cross section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 1.

Устройствo для возбуждения поперечных волн состоит из несущей платформы 1, грунтозацепов 2, гильзы 3, крышек 4, концентраторов 5, пробок 6, взрывных камер 7, конусной насадки 8, отверстий 9, зарядов взрывчатого вещества 10, демпфера 11, шарнира 12, контейнера (коробчатой пластины) 13, пазов 14, полок 15, сыпучего материала 16 м отверстий 17. A device for exciting transverse waves consists of a carrier platform 1, lugs 2, sleeve 3, covers 4, hubs 5, plugs 6, explosive chambers 7, conical nozzle 8, holes 9, explosive charges 10, damper 11, hinge 12, container ( box plate) 13, grooves 14, shelves 15, bulk material 16 m holes 17.

Несущая платформа 1 выполнена в виде рамы из профилированной стали, на нижнем основании которой размещены клиновидные плоские грунтозацепы 2. К несущей платформе 1 жестко присоединена гильза 3, выполненная из полосовой стали в виде пустотелого цилиндра с двумя параллельными вырезами вдоль образующих, выполненных на противоположных концах диаметра. Гильза 3 с боков закрыто полусферическими крышками 4. Внутрь гильзы 3 вдоль вырезов вставлены концентраторы 5, жестко соединенные со стенками вырезов гильзы 3. Концентраторы 5 образуют взрывные камеры 7 при помощи пробок 6. Концентраторы 5 и пробки 6 выполнены из высоколегированной стали с высоким значением динамического предела текучести. В пробках 6 вдоль продольной оси взрывных камер 7 выполнены продольные отверстия 9, для помещения зарядов ВВ 10 внутрь взрывных камер 7, на других пробках 6 (с другого конца концентраторов 5) по оси взрывных камер 7 расположены конусные насадки 8. Отверстия 9 соединяют внутренний объем взрывной камеры 7 с атмосферой. Заряды взрывчатого вещества 10 выполнены в виде цилиндрических трубок, один конец которых снабжен конусной выемкой ответной конусной насадки 8, а другой конец открыт для размещения ВВ и средства подрыва. Демпфер 11 подвешен к верхней точке гильзы 3, разделяя ее внутренний объем пополам, на шарнире 12 и выполнен в виде узкого контейнера 13. Внутренняя полость этого контейнера по стенкам снабжена пазами 14 для расположения полок 15. Сыпучий материал 16 представляет собой либо дробь, либо опилки из самых различных материалов, например свинца, стали, чугуна. Плотность сыпучего материала 16 больше, чем плотность пустотелого контейнера 13. The supporting platform 1 is made in the form of a frame of profiled steel, on the lower base of which there are wedge-shaped flat grousers 2. A sleeve 3 is rigidly attached to the supporting platform 1, made of strip steel in the form of a hollow cylinder with two parallel cuts along generatrices made at opposite ends of the diameter . The sleeve 3 is closed on its sides with hemispherical covers 4. Hubs 5 are inserted along the cutouts 3 inside the sleeve 3 and are rigidly connected to the walls of the sleeve cutouts 3. The hubs 5 form explosive chambers 7 using plugs 6. The hubs 5 and plugs 6 are made of high alloy steel with a high dynamic value yield strength. In the plugs 6, longitudinal holes 9 are made along the longitudinal axis of the blasting chambers 7, for placing explosive charges 10 inside the blasting chambers 7, cone nozzles 8 are located on the blasting chambers 7 along the axis of the blasting chambers 7 (holes 9) connect the internal volume explosive chamber 7 with atmosphere. The explosive charges 10 are made in the form of cylindrical tubes, one end of which is equipped with a conical recess of the counter conical nozzle 8, and the other end is open to accommodate explosives and means of detonation. The damper 11 is suspended from the upper point of the sleeve 3, dividing its internal volume in half, on the hinge 12 and is made in the form of a narrow container 13. The inner cavity of this container is provided with grooves 14 on the walls for the shelves 15. The bulk material 16 is either shot or sawdust from a variety of materials, such as lead, steel, cast iron. The density of the bulk material 16 is greater than the density of the hollow container 13.

Заряды взрывчатого вещества 10 находятся внутри цилиндрических тонких трубок, размещаются вдоль фокальных осей двух концентраторов 5 внутри взрывных камер 7 через отверстия 9 в крышках 4 гильзы 3 и каналы пробок 6, при этом концы зарядов 10, не содержащие взрывчатого вещества, фиксируются в этих отверстиях 9 и конусных насадках 8 пробок 6. Провода для инициирования детонации взрывчатого вещества зарядов 10 выводят из боковых каналов пробок 6 и отверстий 9 в крышках 4 гильзы 3 и присоединяют к боевой магистрали. После выполнения этих операций устройство готово к возбуждению поперечных волн. The explosive charges 10 are inside cylindrical thin tubes, are placed along the focal axes of two concentrators 5 inside the explosive chambers 7 through holes 9 in the covers 4 of the sleeve 3 and the channels of the plugs 6, while the ends of the charges 10 that do not contain explosive are fixed in these holes 9 and conical nozzles 8 plugs 6. Wires to initiate detonation of explosive charges 10 are removed from the side channels of plugs 6 and holes 9 in the covers 4 of the sleeve 3 and attached to the battle line. After performing these operations, the device is ready to excite shear waves.

По команде, поступающей из сейсмостанции, производится подрыв заряда 10, находящегося внутри взрывной камеры 7, образованной концентратором 5, например левым. Образующиеся при этом продукты детонации разлетаются во все стороны и в первую очередь достигают внутренней поверхности концентратора 5, выполненной в виде параболического цилиндра. Сильно сжатый газ отражается от этой поверхности практически параллельной струей, толкая концентратор 5, а вместе с ним и гильзу 3, жестко связанную с платформой 1. Сила, действующая на левый концентратор 5, равна произведению площади внутренней поверхности этого концентратора на давление продуктов детонации, занимающих полный объем взрывной камеры 7, передается в грунт посредством платформы 1 и грунтозацепов 2. On command from the seismic station, the charge 10 is located inside the explosive chamber 7 formed by the concentrator 5, for example, the left. The resulting detonation products scatter in all directions and first of all reach the inner surface of the concentrator 5, made in the form of a parabolic cylinder. A highly compressed gas is reflected from this surface by an almost parallel jet, pushing the concentrator 5, and with it the sleeve 3, rigidly connected to the platform 1. The force acting on the left concentrator 5 is equal to the product of the internal surface area of this concentrator and the pressure of the detonation products occupying the full volume of the blasting chamber 7 is transmitted to the ground by means of a platform 1 and lugs 2.

Демпфер, выполненный в виде пустотелого контейнера, заполненного сыпучим материалом, обеспечивая горизонтальную направленность взрывного воздействия, одновременно с этим позволяет управлять временным промежутком этого воздействия путем смещения положения центра тяжести демпфера относительно точки его подвеса, комбинируя размещение сыпучего материала около геометрического центра контейнера. Этим достигается увеличение или уменьшение времени одностороннего действия силы давления продуктов детонации заряда ВВ на внутреннюю поверхность концентратора, что приводит к пропорциональному сдвигу частотного спектра поперечных колебаний либо в низкую, либо высокую стороны. The damper, made in the form of a hollow container filled with bulk material, providing a horizontal directivity of the explosive impact, at the same time allows you to control the time interval of this impact by shifting the center of gravity of the damper relative to its suspension point, combining the placement of bulk material near the geometric center of the container. This achieves an increase or decrease in the time of the unilateral action of the pressure force of the detonation products of the explosive charge on the inner surface of the concentrator, which leads to a proportional shift of the frequency spectrum of transverse vibrations either to the low or high sides.

Это дает возможность управлять спектром генерируемых поперечных колебаний за счет регулирования положения центра тяжести демпфера 11. Пусть полость коробчатой пластины 13 заполнена до половины своей высоты материалом 16 с плотностью ρ₂ большей, чем плотность ρ₁ материала контейнера 13. В этом случае в результате равенства объемов двух половин контейнера 13 основная массовая сила будет сосредоточена там, где больше плотность. Предположим, что это нижняя часть контей- нера 13, тогда d₁ d +

d т.е. новое расстояние до центра тяжести стало в 1,5 раза больше того, которое имеет место при однородном распределении плотности материала контейнера 13. Отношение частот в этом случае уменьшается в

/ω

\binom{o}{s}

= 1,22 раза
Размещая такую же массу сыпучего материала 16 в нижней четверти полости контейнера 13, например, путем увеличения плотности этого материала, преобладающая частота поперечной волны уменьшится в 1,35 раза.This makes it possible to control the spectrum of the generated transverse vibrations by adjusting the position of the center of gravity of the damper 11. Let the cavity of the box-shaped plate 13 be filled to half its height with material 16 with a density ρ ₂ greater than the density ρ _{1 of the} material of the container 13. In this case, as a result of equal volumes two halves of the container 13, the main mass force will be concentrated where the density is greater. Suppose this is the bottom of container 13, then d ₁ d +

d i.e. the new distance to the center of gravity became 1.5 times greater than that which occurs with a uniform distribution of the density of the material of the container 13. The frequency ratio in this case decreases in

/ ω

\binom{o}{s}

= 1.22 times
By placing the same mass of bulk material 16 in the lower quarter of the cavity of the container 13, for example, by increasing the density of this material, the predominant shear wave frequency will decrease by 1.35 times.

Наоборот, помещая более плотный сыпучий материал 16 в верхнюю половину демпфера 11, получаем возрастание частоты в такой же пропорции. Это осуществляется при помощи полок 15, вставляемых в пазы 14, и насыпанием на них материала 16. On the contrary, placing a denser bulk material 16 in the upper half of the damper 11, we obtain an increase in frequency in the same proportion. This is done using shelves 15, inserted into the grooves 14, and pouring material 16 on them.

Интервал изменения частоты, реализуемый путем смещения координат центра тяжести демпфера 11 в виде коробчатой пластины 13, составляет 100% т.е. частоты поперечных волн удваиваются. The frequency change interval, realized by shifting the coordinates of the center of gravity of the damper 11 in the form of a box-shaped plate 13, is 100% i.e. shear wave frequencies double.

Вместе с тем нельзя беспредельно увеличивать массу пластины 13, превращая ее в жесткую неподвижную стенку, что приведет к резкому сокращению амплитуды поперечной волны. However, it is impossible to limitlessly increase the mass of the plate 13, turning it into a rigid fixed wall, which will lead to a sharp reduction in the amplitude of the transverse wave.

Удар газообразных продуктов детонации по демпферу 11 вызовет его отклонение из положения равновесия на некоторый угол α. Для оценки доли энергии, поглощаемой демпфером 11, предположим, что потерь энергии внутри гильзы 3 не происходит или эти потери малы по сравнению с полной энергией заряда ВВ 10. Тогда уравнение сохранения энергии в системе продукты детонации пластина 13 выразится в виде W₃ + W_пл 0, W₃ m₃q₃, W_пл Mgd(1 cos α), где m₃ масса заряда ВВ 10;
q₃ теплотворная способность ВВ;
М полная масса пластины 13, включающая массы коробки и наполнителя полости;
d расстояние от центра тяжести демпфера 11 до точки подвеса шарнира 12;
g ускорение свободного падения;
α угол отклонения.The impact of gaseous detonation products on the damper 11 will cause it to deviate from the equilibrium position by a certain angle α. To estimate the fraction of energy absorbed by the damper 11, we assume that there is no energy loss inside the sleeve 3 or that these losses are small compared to the total charge energy of explosive 10. Then the equation of energy conservation in the system of detonation products of plate 13 is expressed as W ₃ + W _pl 0, W ₃ m ₃ q ₃ , W _pl Mgd (1 cos α), where m _{3 is} mass of explosive charge 10;
q ₃ calorific value of explosives;
M the total mass of the plate 13, including the mass of the box and the filler cavity;
d the distance from the center of gravity of the damper 11 to the point of suspension of the hinge 12;
g acceleration of gravity;
α deviation angle.

Подставляя в общее уравнение и производя преобразования, получим, что

(1-cosα)=3•10^-4 при сле- дующих значениях величин: g 9,81 м/с²; d 0,4 м; α 45^о, q₃ 4,18 · 10³ Дж/кг.Substituting into the general equation and making transformations, we obtain that

(1-cosα) = 3 • 10 ^-4 for the following values: g 9.81 m / s ² ; d 0.4 m; α 45 ^about , q ₃ 4.18 · 10 ³ J / kg.

Но до контейнера 13 доходит только 1/6 часть полной энергии заряда ВВ 10, поэтому отношение между массами заряда ВВ 10 и пластины 13 m₃/M 5 · 10^-3 или М 5 · 10³m₃.But only 1/6 of the total charge energy of BB 10 reaches the container 13, therefore, the ratio between the masses of the charge of BB 10 and the plate is 13 m ₃ / M 5 · 10 ^-3 or M 5 · 10 ³ m ₃ .

Таким образом, масса контейнера и сыпучего материала 13 должна быть в 5000 раз больше массы взрывчатого вещества заряда 10. Thus, the mass of the container and bulk material 13 should be 5,000 times the mass of the explosive charge 10.

Отработавшие продукты детонации выбрасываются в атмосферу через отверстия 17, расположенные на гильзе 3 симметрично демпферу 11. The spent detonation products are released into the atmosphere through openings 17 located on the sleeve 3 symmetrically to the damper 11.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность возбуждения поперечных волн за счет лучшего и более полного согласования временной функции источника с частотной характеристикой верхней части разреза, а признак, выявляющий оптимальное отношение между массами демпфера и заряда ВВ, позволяет повысить отношение полезный сигнал помеха. Using the proposed device allows to increase the efficiency of the excitation of shear waves due to better and more complete matching of the time function of the source with the frequency response of the upper part of the section, and a sign that reveals the optimal ratio between the masses of the damper and the explosive charge allows you to increase the ratio of the useful interference signal.

Claims

DEVICE FOR EXCITING SEISMIC WAVES, including a damper, a cylindrical explosive chamber with a longitudinal hole, on the outside of which there is a concentrator of a given thickness made in the form of two confocal surfaces, as well as an explosive charge distributed along the length of the explosive chamber along the focal line, characterized in that the device is additionally equipped with a platform with lugs, a sleeve, as well as a second hub and an explosive chamber located inside the sleeve, symmetrically relate no first chamber and a hub, wherein the damper is pivoted at the top of the sleeve symmetrically with respect to the explosive chambers and is formed with a nonuniform distribution of its height, weight, based on the condition that the ratio of the mass of the damper to the weight of each of the explosive charges did not exceed 5 • ¹⁰ March .