Начало использования метода ультразвуковой геолокации
относится к 40-м годам, когда при морских работах с эхолотами было
обнаружено, что в некоторых случаях, помимо рельефа дна моря, на
эхограммах регистрируется толщина донных осадков и их строение.
С каждым годом сфера применения ультразвука в горном деле расширяется.
Ультразвуковая аппаратура ныне заняла уже видное место в арсенале
средств как практической, так и теоретической геологии.
<Собирать по крупинкам> - это выражение пришло в русский язык от
золотоискателей. Их изнурительный труд на промывке золотоносного
песка вознаграждал всего лишь маленькой крупицей благородного металла.
Да и орудия производства у них были примитивными: лопата, кирка, лоток.
Сейчас все иначе - работают современные механизмы, но и они не могут
решить все вопросы. Например, как узнать, сколько еще осталось
золотоносного песка при разработке дренажных котлованов? Раньше такие
измерения делали с помощью специальной рейки. Ориентировочность
подсчетов существенно сказывалась на производительности оборудования и
стоимости разработки. Теперь такие измерения делают методом звуковой и
ультразвуковой геолокации.
В Горном институте имени Г. В. Плеханова разработан ультразвуковой
прибор для <просматривания> дна дренажных котлованов, залитых водой.
Прибор определяет не только глубину котлованов, но и слои рыхлого песка
до подстилающего грунта.
Ультразвук приняли на вооружение в горнорудной и угольной
промышленности. Ультразвуковые колебания значительно ослабляются при
распространении в пластах каменного угля и несравнимо меньше - при
распространении в породах, сопутствующих каменному углю, таких, как
глинистый сланец, песчаник, известняк. Ультразвуковое устройство
помогает отличать уголь от других горных пород, между которыми находится
угольный пласт. Это устройство позволяет автоматизировать процесс добычи
угля в шахтах, судить не только о составе пород, угля, но и определять
границы пласта, наличие трещин и посторонних включений.
Для разведки угольных пластов применяют ультразвуковой датчик <уголь -
порода>. Ультразвуковые колебания частотой 50 килогерц, возбужденные в
излучателе, через концентратор передаются в исследуемую породу в виде
сферических продольных и круговых поверхностных волн. Достигая
приемника, они возбуждают в нем колебания, и в обмотке наводится
электродвижущая сила. Интенсивность колебаний, достигших приемника при
неизменном расстоянии между ним и излучателем, зависит от упругих
характеристик и физического состояния среды. По величине электрического
сигнала в приемнике, то есть по отклонению стрелки на индикаторе, можно
судить об упругих свойствах среды, а следовательно, обнаруживать
угольные пласты. Измерения в лабораторных условиях, а также
непосредственно в условиях залегания горных пород производятся с помощью
сейсмоскопов УЗС-2, ИПА-59 УЗС-2-60, ЛС-1, JIC-2 и др. Более совершенны
и обладают лучшими характеристиками сейсмоскопы типа JIC
Нефтяники тоже использовали акустические метод при поисках нефти и газа.
Делается это так. В предполагаемом районе залегания полезных ископаемых
про изводят взрыв. Распространяясь в земной коре, звуковые и
ультразвуковые волны проходят различные ее слои В некоторых слоях волны
поглощаются, от других участков они отражаются и возвращаются к
приемникам, установленным на поверхности земли. На пленке самописца
записывается информация о составе и строении исследуемого участка земной
поверхности. Эта информация дает возможность судить о наличии или
отсутствии здесь залежей нефти и газа. Метод звукоразведки все время
совершенствовался. Прежде, например, на расшифровку пленки самописца
уходило много времени. Теперь это делает автоматическая аппаратура. Она
быстро расшифровывает кодограмму и выдает необходимую информацию.
Для определения давления газа непосредственно в стволе работающей
скважины используют ультразвуковой глубинный прибор УГП-1. Интересующее
специалистов давление автоматически записывается на электротермическую
бумагу при спуске прибора в скважину и во время подъема. Рабочая частота
прибора 5,6 мегагерца; режим работы импульсный, рабочее давление 309,96
кгс/см2.
В Куйбышевском институте Гипровостокнефть разработали ультраакустический
метод исследования нефти, взятой на больших глубинах, и разработали
ультразвуковой прибор, с помощью которого определяется давление
насыщения забойной нефти. Точность определения этого важнейшего
параметра значительно возросла и требуется всего 10 минут вместо 5-6
часов, как это было прежде.
В нефти содержится парафин. Он откладывается на стенках подъемных труб,
в результате чего производительность скважины снижается. Чтобы
предупредить отложение парафина, применяют несколько методов. Наиболее
простой и перспективный из них - ультразвуковой. ультразвуковые
колебания вызывают колебания молекул нефти, что приводит к ее разогреву.
А это в свою очередь предотвращает откладывание парафина на стенках
труб. Процесс обработки ультразвуком может быть непрерывным или
периодическим.
Непременным технологическим элементом бурения скважин на газ или нефть
является глинистый раствор. Его нагнетают в скважину под большим
давлением и таким образом <вымывают> из нее раздробленную породу.
Раствор должен иметь постоянную консистенцию. Особенно опасен
загустевший раствор: тогда он способствует образованию вязких пробок, а
это уже ЧП - чрезвычайное происшествие. Как правило, такую пробку бывает
трудно ликвидировать, да и времени на это уходит много. Глинистый
раствор предотвращает также обвалы при проходке скважин в неустойчивых
породах. Словом, от его качества зависит многое. Чем лучше глинистый
раствор, тем короче сроки получения нефти из уже готовых скважин. Обычно
необходимые качества ему придают с помощью химических реагентов. Но это
дорого и не всегда удается улучшить все показатели. На кафедре бурения
нефтяных и газовых скважин Куйбышевского политехнического института для
приготовления глинистого раствора применили ультразвук. Была изготовлена
установка, в которой глинистый раствор хорошо перемешивается и
становится устойчивым к загустению.
На этом не ограничиваются области использования ультразвука в угольной,
нефтяной и горнорудной промышленности. Горняки, например, применили
ультразвук для борьбы с концентрацией метана у кровли горных выработок.
В качестве излучателя была использована сирена, создающая мощные
ультразвуковые колебания. Поток ультразвуковых волн, направленных
навстречу движущемуся метановому потоку, вызывает продольные колебания
частиц газа. В результате частицы метана под воздействием
ультразвукового поля рассеиваются, что и приводит к уничтожению
взрывоопасного слоя или скопления.
Некоторые руды бедны ценными компонентами и не могут без обогащения быть
сырьем для химических и металлургических заводов. В измельченной руде
обычно содержится один-два процента металла, а в обогащенной - в десять,
а то и в двадцать раз больше. Сотрудники Института обогащения и
металлургии Академии наук Казахской ССР разработали ультразвуковой
способ обогащения руд цветных металлов. Суть его в том, что под
воздействием ультразвуковых колебаний мельчайшие капельки химических
реагентов - собирателей - обволакивают частицы полезных минералов,
делая их несмачиваемыми, вместе с пузырьками воздуха они по-' том
всплывают на поверхность. Верхний слой пульпы снимают и, пропустив через
фильтры, направляют на металлургический завод для выплавки металла.
Ультразвуковой метод обогащения руд можно использовать не только при
выплавке цветных металлов. Перспективы применения ультразвука в
процессах обогащения довольно заманчивы. Известно, что механизация
добычи угля при общем положительном эффекте приводит к некоторым
отрицательным последствиям, в частности много угля крошится,
превращается в пыль. Вот и возникла необходимость в ее обогащении, чтобы
не допустить расточительного отношения к ценнейшему природному топливу.
Существуют два способа обогащения - флотационный и ультразвуковой.
Преимущество второго в том, что он экономически более выгоден. В его
основе лежит уже упоминавшееся в книге явление коагуляции, сам способ
так и называется - обогащение способом избирательной коагуляции.
Ультразвуковые колебания вызывают коагуляцию, то есть слипание или
укрупнение угольных зерен, в то время как зерна пустой породы не
слипаются, а следовательно, и не увеличиваются в размерах. На
специальных решетчатых приспособлениях отделяют уголь от породы.
Горняки применили ультразвук для контроля карбонатных пород сырья в
цементной и других отраслях промышленности. Применяемые в настоящее
время химические и иные методы контроля требуют значительных затрат и
средств при ограниченном количестве проб. Ультразвуковой импульсный
метод в этом плане имеет несомненные преимущества - он более точен и
производится гораздо быстрее. По характеру распространения
ультразвуковых волн можно судить о свойствах пород, их внутренней
структуре и происходящих в ней изменениях. Преимущества ультразвукового
метода перед другими заключаются в том, что образцы не разрушаются,
испытания проводятся быстро с немедленным получением результатов. Кроме
того, испытания можно повторять многократно, что придает особую
достоверность полученным результатам.
Новое применение ультразвуку нашли геофизики. Они предложили
использовать звуковые и ультразвуковые волны для обнаружения подземных
пустот. Люди, обживая планету, все глубже проникают в недра. Из года в
год растут их подземные владения - рудники, шахты, трассы метрополитена.
Тут возможны всякие неожиданности- обвал в шахте, проседание грунта в
подземном коридоре и т. д. Подобные неприятности бывают чаще всего из-за
наличия пустот в земных толщах, форма которых напоминает обычно шляпку
гигантского гриба. Сферический свод со временем трескается и
разрушается, а в итоге - обвал. Как же обнаружить пустоты? Привычный и
давно используемый способ - бурение, а это трата времени и средств,
удорожание строительства. Вот почему идея ультразвуковой и звуковой
геолокации пришлась как нельзя кстати. На поверхности земли исследуемого
участка устанавливают несколько чувствительных пьезоэлектрических
приемников с пультом управления и индикаторным устройством. В стороне от
установки взрывают на некоторой глубине небольшой заряд. Звуковые волны
пронизывают толщу земной коры, отражаясь от различных пород. Приемное
устройство фиксирует отраженные волны на магнитной ленте и фотобумаге. В
пустоту звуковые волны попадут, как в ловушку, и назад не вернутся,
стало быть, приемное устройство никакой записи не сделает (или если и
сделает, то так, что тоже должна будет насторожить исследователей).
Обнаруженную пустоту в толще земли можно либо ликвидировать, закачав в
нее воду вместе с пустой породой шахтных и горных выработок, либо
превратить в хранилище газа.
Размеры подземных камер и пещер ученые высчитывают лишь теоретически.
Специалисты одного из ленинградских институтов впервые создали
ультразвуковой локатор <Луч>, который быстро и точно определяет размеры
пустот на соляных разработках. Прибор опускают в подземную выработку,
где он излучает ультразвуковые волны. Распространяясь, волны отражаются
от стенок подземной емкости и затем принимаются специальным
регистрирующим устройством. Прибор автоматически ведет съемку,
записывает и передает данные о горизонтальном сечении полости.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.
