Обработка и интерпретация результатов геофизических исследований и неразрушающего контроля

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2755 

Кафедра физических процессов горного производства 
и геоконтроля 

В.В. Набатов 
Э.А. Эртуганова 
 
 

Обработка и интерпретация  
результатов геофизических  
исследований  
и неразрушающего контроля 

Учебное пособие 

Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС» 

Москва 2016 

УДК [620.179+550.8]:519.23/5(076.1) 
 
Н13 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук С.В. Мазеин (Тоннельная ассоциация России); 
д-р техн. наук, проф. К.С. Коликов (НИТУ «МИСиС») 

Набатов В.В. 
Н13  
Обработка и интерпретация результатов геофизических исследований и неразрушающего контроля : учеб. пособие / 
В.В. Набатов, Э.А. Эртуганова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2016. – 86 с. 
ISBN 978-5-906846-11-2 

Пособие представляет собой сборник результатов исследований, произведенных методами неразрушающего контроля и геофизики. Данные являются основой для применения различных методов обработки с последующей 
интерпретацией результатов. В качестве методов обработки выступают: получение статистических характеристик случайных величин, подбор регрессионных моделей, предсказание значений в узлах регулярной сети с помощью различных интерполяторов. Все блоки данных снабжены описаниями, в 
которые входят: аргументация практической ценности данных, информация 
о том, как производились измерения, анализ используемых при обработке 
данных в контексте решаемой задачи контроля.  
Пособие предназначено для студентов направления/специальности 
21.05.05 «Физические процессы горного или нефтегазового производства». 
 

УДК [620.179+550.8]:519.23/5(076.1) 

 
© В.В. Набатов, 
Э.А. Эртуганова, 2016 
ISBN 978-5-906846-11-2 
© НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие ................................................................................................... 5 
1. Замечания к выполнению курсовой работы ............................................ 6 
1.1. Пояснения к заданиям типа А .......................................................... 6 
1.2. Пояснения к заданиям типа Б ........................................................... 7 
2. Задания по курсовой работе ...................................................................... 9 
2.1. Задание № 1А. Регистрация суммарной акустической эмиссии 
при нагревании образцов горных пород в целях идентификации 
их минерального состава ............................................................................... 9 
2.2. Задание № 1Б. Электротомографические исследования  
в целях выявления  карстово-суффозионных воронок ............................. 12 
2.3. Задание № 2А.  Оценка нелинейности показаний 
тензометрической системы при диагностировании рельсов ................... 13 
2.4. Задание № 2Б. Оценка продуктивности нефтегазоносных  
участков месторождений ............................................................................. 17 
2.5. Задание № 3А. Влияние акустического воздействия  
на нефтяные пласты на среднемесячную добычу углеводородов ........... 19 
2.6. Задание № 3Б. Использование сейсмического просвечивания  
для оценки условий строительства и эксплуатации машинного  
зала ГЭС «Дабар»......................................................................................... 22 
2.7. Задание № 4А. Эмпирическая оценка связи динамического и 
статического модуля упругости грунтов ................................................... 23 
2.8. Задание № 4Б. Результаты моделирования поляризационнооптическим методом, используемые для оценки влияния 
тектонического нарушения на распределение напряжений вблизи 
выработки ..................................................................................................... 25 
2.9. Задание № 5А. Исследование особенностей развития 
коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) на 
трубопроводах .............................................................................................. 28 
2.10. Задание № 5Б. Оценка влияния пробоотборника  
на получаемый образец с помощью моделирования ................................ 30 
2.11. Задание № 6А. Оценка значения модуля упругости грунтов  
по данным статического зондирования ..................................................... 32 
2.12. Задание № 6Б. Томографическое восстановление структуры 
среды распространения упругих волн по результатам регистрации 
времен пробега от очагов землетрясений .................................................. 34 
2.13. Задание № 7А. Использование скважинного каротажа для 
контроля предельных депрессий и дебитов в газовых скважинах .......... 38 

2.14. Задание № 7Б. Исследование особенностей распределения 
кинематических параметров в зоне формирования очагов слабых 
землетрясений в крымском регионе ........................................................... 40 
2.15. Задание № 8А. Зависимость скоростей P- и  S-волн в мантии 
Земли от глубины и плотности ................................................................... 42 
2.16. Задание № 8Б. Результаты численного математического 
моделирования влияния лавы на массив пород вблизи 
подготовительной выработки ..................................................................... 45 
2.17. Задание № 9А. Исследование возможности оценки влияния 
примесей на твердость чугунных прокатных валков по значениям 
коэрцитивной силы ...................................................................................... 47 
2.18. Задание № 9Б. Результаты картирования подледного рельефа 
антарктического озера пионерское с помощью радиолокационных 
и сейсморазведочных исследований .......................................................... 50 
2.19. Задание № 10А. Использование карт Шухарта для контроля 
баланса металлов при обогащении руд и для управления балансом ........... 54 
2.20. Задание № 10Б. Контроль выбросоопасности угольного  
пласта по пассивным сейсмоакустическим измерениям .......................... 56 
2.21. Задание № 11А. Оценка твердости чугунных изделий по 
значениям коэрцитивной силы ................................................................... 60 
2.22. Задание № 11Б. Прослеживание непогашенных выработок 
с помощью микрогравиметрии ................................................................... 63 
2.23. Задание № 12А. Исследование зависимости проницаемости 
алевролито-песчаных пород от среднего диаметра пор ........................... 65 
2.24. Задание № 12Б. Микрогравиметрический мониторинг 
территории разработки калийных солей ................................................... 66 
2.25. Задание № 13А. Исследование набора прочности бетонов ....... 69 
2.26. Задание № 13Б. Изучение влияния магнитных бурь на 
сейсмическую активность регионов .......................................................... 70 
2.27. Задание № 14А. Изучение специфики усадки бетонных 
конструкций ................................................................................................. 74 
2.28. Задание № 14Б. Оценка мощности пластов каменного угля 
с помощью волн Лява .................................................................................. 76 
2.29. Задание № 15А. Измерения вариаций магнитного поля  
Земли в целях контроля процесса наклонного направленного бурения ...... 78 
2.30. Задание № 15Б. Анализ результатов томографии с 
использованием скоростей волн Лява для оценки мощности 
отрабатываемого угольного пласта ............................................................ 81 
Библиографический список ........................................................................ 83 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Представленные в этом пособии задания основываются на экспериментальном материале, являющимся результатами обследований, 
произведенных методами неразрушающего контроля. В частности, 
это результаты различных геофизических съемок и дефектоскопийных измерений, что соответствует тематике дисциплины «Обработка 
и интерпретация результатов геофизических исследований и неразрушающего контроля». Представленные данные являются основой 
для применения к ним различных методов обработки.  
Данные связаны с широким спектром задач, которые решаются с 
помощью методов неразрушающего контроля. В частности, затронуты такие задачи, как поиск карстовых воронок, оценка влияния акустического воздействия на нефтяные пласты, оценка упругих модулей грунтов, оценки влияния тектонических нарушений на распределение напряжений вблизи выработок, использование каротажа для 
контроля предельных депрессий и дебитов в газовых скважинах, 
прослеживание непогашенных выработок с помощью микрогравиметрии, исследование особенностей развития коррозионного растрескивания под напряжением, контроль ведения разработки месторождения калийных солей, изучение специфики усадки бетонных 
конструкций, контроль баланса металлов при обогащении руд, диагностика рельсовых путей, контроль выбросоопасности угольного 
пласта по пассивным сейсмоакустическим измерениям и пр. Некоторые из заданий имеют не только инженерную специфику, но и представляют собой пример научного поиска, который ведется сегодня 
методами неразрушающего контроля и геофизики. 

1. ЗАМЕЧАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ 
РАБОТЫ 

Все задания снабжены описаниями, кратко описывающими материал. Представлена информация о том, как произведены измерения, 
приведен анализ полученных данных, даны рекомендации по оцифровке данных. В каждом задании есть отдельный подраздел, поясняющий практическую ценность производившихся работ – описано, 
какую задачу неразрушающего контроля решали инженеры в каждом 
из случаев. 
Приводимые в этом пособии данные являются моделями реальных данных, которые являются основой для изучения различных методов их обработки. На первоначальной стадии работы студенты 
оцифровывают данные с помощью программных средств. Рекомендации по оцифровке изложены в пособии [1]. На последующих стадиях производят обработку этих данных. В частности, подразумевается использование следующих методов: получение статистических 
характеристик данных; аппроксимация данных различными функциями, как линейными, так и нелинейными; интерполяция и экстраполяция пространственно распределенных данных. 
Данные для заданий третьего типа (типа В) не вошли в это учебное пособие, поскольку материалом для них являются сигналы длиной в 8192 отсчета, публикация которых в виде таблиц заняла бы 
слишком много места. Задания третьего типа (типа В) подразумевают фильтрацию сигналов в среде MathCAD. 

1.1. Пояснения к заданиям типа А  

Задания типа А представляют собой двумерные графики (диаграммы рассеяния). После процедур оцифровки данных требуется в 
среде Statistica получить статистические характеристики данных, а 
также произвести подбор коэффициентов уравнений регрессии в 
средах Statistica и MathCAD с использованием различных типов 
функций. Рекомендации по описываемой обработке данных можно 
найти в пособии [1]. По результатам обработки студенты должны 
сделать выбор в пользу наиболее оптимальной регрессионной модели и изложить основания своего выбора в виде вывода. 
На некоторых из графиков присутствуют аппроксимирующие линии – либо полученные по результатам подборов коэффициентов 
уравнений регрессии, либо за счет сглаживания скользящими харак

теристиками. Ими стоит пренебречь – основой для задания являются 
непосредственные измерения, отображаемые в большинстве заданий 
в виде точек. 
С учетом того что в некоторых из заданий приведено по несколько графиков, общая сумма вариантов заданий типа А составляет 
32 варианта. 

1.2. Пояснения к заданиям типа Б  

Задания типа Б представляют собой трехмерные поверхности 
(карты), построенные по пространственно распределенным данным. 
При оцифровке необходимо первоначально задаться координатами X 
и Y для каждой точки, после чего в качестве координаты Z взять измеренное значение по изолиниям или по цветовым шкалам. Детали 
оценки X- и Y-привязок точек измерений описываются непосредственно в заданиях, в разделе «Особенности выполнения работы».  
После оцифровки данные импортируются в пакет обработки пространственно распределенных данных, подобный программе Surfer. 
При обработке к полученному набору точек применяются интерполяционные процедуры с прогнозированием значений трехмерных 
поверхностей в узлах плотной регулярной сети. Рекомендации по 
описываемой обработке данных можно найти в пособии [1].  
Основной целью проводимого в курсовой работе опробования интерполяторов являются оценки их оптимальности для того или иного 
набора данных. Должны быть проанализированы как достоинства, 
так и недостатки интерполяторов в контексте данных, представленных в конкретном задании. Также должны быть приведены и описаны примеры проблемных участков карт, если они явно наблюдаются. 
Общие результаты оценки излагаются в виде вывода. 
Данные снимаются с изолиний, по цветовым шкалам или с точек 
между изолиниями (значения в этих точках интерполируются приблизительно). Главной задачей является не получение точной копии 
данных, представленных в исходных источниках, а получение модели данных, к которым впоследствии будут применяться различные 
интерполяционные процедуры.  
Количество точек при оцифровке задается преподавателем на основании оценки сложности обрабатываемой трехмерной функции, в 
контексте изложенной в каждом задании задачи неразрушающего 
контроля (должны быть хорошо сняты наиболее важные с точки зрения решаемой задачи участки карты). 

Некоторые из карт не содержат привязки по X и Y, в этом случае 
стоит использовать значения X и Y как условные единицы, сохраняя 
соотношение масштабов таким образом, чтобы не деформировать 
карту.  
Небольшая часть карт представляет собой не пространственно 
распределенные данные, а данные, распределенные в пространстве 
признаков.  
С учетом того что в некоторых из заданий приведено по несколько карт, общая сумма вариантов заданий типа Б составляет 37 вариантов. 

2. ЗАДАНИЯ ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ 

2.1. Задание № 1А. Регистрация суммарной 
акустической эмиссии при нагревании образцов 
горных пород в целях идентификации 
их минерального состава 

Описание данных. Данные для задания № 1А представлены на 
рис. 2.1.1. Источником данных является статья [2].  
Практическая ценность данных. Задача идентификации минералогического состава горных пород довольно часто решается с помощью термического анализа минералов. Образец кладется в печь, 
которая по определенной программе начинает его нагревать. Суть 
метода состоит в том, что на термическое воздействие разные образцы реагируют по-разному, что дает возможность, измеряя температуру образца, оценивать его минералогический состав.  
Обычно термический анализ используется в комплексе с другими 
методами, например вместе с термогравиметрическим. В этом случае 
образец в процессе нагревания еще и взвешивается. По скорости изменения веса можно предполагать об удалении из образца поровой 
воды, химически связанной воды и других компонентов. Это позволяет предполагать, в каком количестве они были в исходном образце. 
Помимо термогравиметрического существует еще целый ряд подобных дополнительных методов, например метод акустической эмиссии (АЭ). Поскольку в процессе нагрева образец испытывает термодеструкцию, он начинает испускать импульсы акустической эмиссии. Сам же ход процесса термического разрушения определяется 
минеральным составом образца. Поэтому возникает возможность 
судить о минеральном составе по характеристикам АЭ. Для анализа 
часто используют график изменения суммарной АЭ N (суммарное 
количество импульсов, зарегистрированных с начала процесса нагревания) от температуры нагрева.  
Описание данных. Данные, используемые в этом задании, получены на специально разработанной лабораторной установке. В процессе экспериментов производилось нагревание образцов минералов 
и горных пород с достаточно низкой скоростью – около 1,7 ºC/мин.  
 

Рис. 2.1.1. Зависимости суммарной АЭ NΣ от температуры образца T  
для базальта (1), магнезита (2), обсидиана (3) роговой обманки (4), 
тремолита (5) и их аппроксимация полиномом 3-й степени 

Регистрация акустоэмиссионных событий производилась с помощью цифровой системы A-Line 32D. Импульсы акустической эмиссии регистрировались по превышению порога. Нагрев образца реги

стрировали с помощью термопары. Подобная система позволила отстроить графики N(T), которые представляют собой зависимости 
суммарной акустической эмиссии N от температуры образца T. Для 
исследования были отобраны образцы следующих горных пород и 
минералов: базальт (1), магнезит (2), обсидиан (3), роговая обманка 
(4), тремолит (5). 
Анализ 
результатов 
исследований. 
Сравнивая 
графики 
рис. 2.1.1, можно заметить, что для разных горных пород и минералов эти графики различны, а значит, существует возможность использовать их для идентификации минерального состава.  
Для идентификации необходимо иметь ряд стандартных графиков 
N(T), которые можно будет сравнивать с графиком N(T), полученном на образце с неизвестным минералогическим составом. Однако 
здесь возникает проблема. Сами графики сравнивать достаточно неудобно. Необходимо снимать с графиков некоторые параметры, численные значения которых и можно будет сравнивать. В этих исследованиях в качестве подобных чисел использовались коэффициенты 
аппроксимирующих полиномов.  
Например, коэффициенты аппроксимирующего полного полинома 3-й степени для базальта будут следующими:  

 
α0 = 213,3; α1 = –6,03; α2 = 0,037; α3 = 0,21·10–4. 

Эти значения можно интерпретировать как координаты точки в 
четырехмерном параметрическом пространстве. Подобный же полный полином 3-й степени для магнезита будет иметь другие координаты точки. В случае если будет опробовано несколько образцов, они 
будут образовывать облако близко расположенных точек, называемых кластером. Причем довольно часто получается, что подобные 
облака точек для базальта и магнезита находятся на некотором расстоянии в параметрическом пространстве и отделены друг от друга. 
Это позволяет, прогрев образец породы неизвестного состава и получив его точку в параметрическом пространстве, принять решение 
вблизи какого облака она находится. И на основании этого принять 
решение, какой минералогический состав этот образец имеет. 
Особенности выполнения работы. Работа ведется с данными 
рис. 2.1.1, оцифровываются только эмпирические данные (жирные 
линии). Конкретный график для работы (рис. 2.1.1, цифры 1–5) выбирается по указанию преподавателя.  

2.2. Задание № 1Б. Электротомографические 
исследования в целях выявления  
карстово-суффозионных воронок 

Данные для задания № 1Б представлены на рис. 2.2.1. Источником данных является статья [3].  
Практическая ценность данных. Выявление расположений карстовых воронок имеет большое практическое значение. Массивы пород, находящиеся в зоне влияния карстовой воронки, имеют пониженную несущую способность. Также существует вероятность того 
что карстово-суффозионный процесс будет активно развиваться во 
времени, или, будучи на данный момент законсервированным, процесс неожиданно активизируется в результате строительных работ, 
что вызовет просадки. Все это означает, что до строительства зданий, 
до прокладки трубопроводов, до проходки подземных выработок, 
тоннелей, коллекторов эти объекты необходимо выявлять.  
Далее при выявлении карстово-суффозионной воронки можно 
произвести ее тампонаж, перенести сооружение или учитывать влияние воронки при проектировании сооружения.  

 

Рис. 2.2.1. Результаты электрической томографии по профилю 3 с 
одной расстановкой длинной 355 м и шагом между электродами 5 м. 
Представлен геоэлектрический разрез по результатам инверсии 

 
Рис. 2.2.2. Цветовая шкала значений удельного сопротивления, Ом·м