CC BY
90
© А.И. Бабкин, И.А. Санфиров, 2011
УДК 550.834
А.И. Бабкин, И.А. Санфиров
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЗА ТЮБИНГОВОГО ПРОСТРАНСТВА
Представлены аппаратура и методика для проведения акустических исследований состояния и свойств околоствольного пространства шахтного ствола калийного рудника. Рассмотрены результаты исследований по выявлению зон повышенной циркуляции пластовых вод в околоствольном пространстве на разных ярусах тюбинговой крепи. Ключевые слова: акустические волны, упругие колебания, шахтная сейсмоакустика, интерференционные системы регистрации, акустический мониторинг, тюбинг, шахтный ствол.
ахтные стволы представляют собой сложные горнотехнические сооружения. Необходимость их беспрерывной эксплуатации требует проведения целого перечня специальных технологических мер защиты. Особое внимание отводится охранным мерам в стволах рудников водорастворимых месторождений. К таковым относится Верхнекамское месторождение калийных солей, разрабатываемое на протяжении 80 лет. Технология строительства шахтных стволов и их конструкция обеспечивают непроницаемость околоствольного пространства для подземных вод. Однако в процессе эксплуатации шахт периодически возникают водопритоки из водоносных горизонтов. Основным методом борьбы с ними является тампонаж, рассчитанный на гидроизоляционное укрепление 1,5 - 2 метровой зоны с внешней стороны тюбинговой крепи ствола. При этом возникает потребность в достоверных методах контроля тампонажа и оценки качества гидроизоляционной защиты тюбинговой крепи [1].
Проблема мониторинга состояния за-тюбингового пространства может успешно решаться с помощью геофизиче-
ских методов контроля. В условиях тюбинговой крепи по очевидным причинам возможно применение только сейс-моакустических методов исследований. Требуемая при этом глубинность и детальность предопределяет использование акустического диапазона частот. Наибольшая информативность акустических методов достигается в рамках методики общей глубинной точки за счет многократности наблюдений, эффективной пространственной обработки и скоростного анализа отраженных волн [2]. Физическими предпосылками к возможности применения традиционных сейсморазведочных подходов в акустическом диапазоне частот служит физико-геологическая модель строения шахтного ствола в горизонтальной плоскости - тюбинг, цементное кольцо, породный массив.
Необходимые горизонтальная и вертикальная разрешающие способности диктуют соответствующие требования к аппаратурно-программной части регистрирующего комплекса. Кроме того, фактические условия проведения наблюдений (состояние поверхности тюбингов, их конструктивное исполнение, доступ для крепления приборов и т.д.)
Рис. 1. Амплитудные спектры акустических сигналов при различных характеристиках генерируемых колебаний. 1) 3.5кГц; 2) 4кГц; 3) 5кГц; 4) 6кГц
вносят свои коррективы, как в проектирование методики регистрации, так и используемую аппаратурную базу. При полевых наблюдениях используются геофоны электродинамического типа и широкодиапазонная цифровая сейсмостанция, позволяющая регистрировать сигналы до 7,5 кГц (в открытом канале до 15 кГц с подавлением -20 дБ), а так же специализированный пьезоэлектрический импульсный источник. Программное обеспечение цифровой обработки сигналов стандартное для методики общей глубинной точки. Граф цифровой обработки адаптирован к высокочастотным акустическим сигналам и направлен на сохранение максимального
частотного спектра окончательных суммарных волновых полей.
При проектировании систем наблюдений важную роль играют параметры возбуждаемых акустических сигналов, которые зависят от свойств пьезоэлектрических излучателей и правильного подбора частотно-временных характеристик генерируемого сигнала. Для проведения акустического мониторинга за-тюбингового пространства разработан широкодиапазонный генератор упругих колебаний, позволяющий в значительной степени варьировать параметрами излучаемых акустических сигналов. На рисунке 1 представлены амплитудные спектры, полученные при регистрации акустических сигналов с различными
Рис. 2. Схема акустических наблюдений в шахтном стволе в плане (а) и в объемном представлении (б)
частотами импульса. При записи верхняя граница ФНЧ составляла 5,5 кГц.
Видно, что спектр регистрируемых сигналов достаточно управляем. Увеличение на частоте 3кГц соответствует гармонике резонансной частоты излучателя (30 кГц). Ее наличие диктует при проведении наблюдений использовать частотный состав выше 6 кГц с последующей фильтрацией ФВЧ от 3.5 кГц.
На сегодняшний день оценка состояния затюбингового пространства с помощью предложенной схемы акустического мониторинга проводится на нескольких шахтных стволах калийных рудников. Один из примеров таких наблюдений представим в данной работе (рис. 2). Работы проводились с целью выявления зон повышенной циркуляции
пластовых вод на разных ярусах стволовой крепи.
Основными результатами цифровой обработки сейсмических данных являются окончательные временные разрезы общей глубинной точки (рис .3, а), которые вместе с динамическими разрезами (рис. 3, б) и результатами скоростного анализа (рис. 3, в) составляют информационную основу этапа интерпретации.
Временные разрезы представляют собой волновые образы затюбингового пространства в акустическом диапазоне частот, характеризующиеся определенной динамической выразительностью отражающих горизонтов, изменчивостью спектрального состава и когерентности записи.
Рис. 3. Результаты цифровой обработки на уровне 89 яруса: а) временно разрез; б) динамический временной разрез; в) скоростная характеристика
Рис. 4. Распределение комплексного параметра на уровне яруса 89
При совместном анализе перечисленных параметров с кинематическими характеристиками регистрируемых акустических интерференционных сигналов производится оценка состояния технологических конструкций за тюбинговой крепью и прилегающих к ним горных пород. Согласованность негативных изменений всех рассматриваемых параметров волнового поля представляется в виде комплексного параметра (рис. 4).
Детальность расчленения ближней зоны околоствольного массива обеспечивается акустическим диапазоном частот на суммарных временных разрезах до 10 кГц.
Процесс интерпретации полученных данных подразумевает проведение качественного и количественного анализа. Первый проводится на основе изучения особенностей рисунка волновой картины, пространственно-временного распределения интенсивности и когерентности суммарных сейсмозаписей. Второй - с использованием расчетных ко-
личественных значений различных атрибутов акустических сигналов. И в тот и другой анализ базируется на взаимной связи рассматриваемых параметров со строением изучаемого массива.
По результатам проведенных исследований на разных ярусах ствола можно сделать ряд выводов. Начиная с яруса 89 в центральной части, а затем со смещением во вторую половину профильных линий на удалении 0.5-1.8 метра и далее от поверхности наблюдений, выделяется низкоскоростная зона (рис.5). В краевых частях она заходит в интервал бетонного кольца. Совпадение положения данной зоны с контрастными осложнениями волнового поля позволяет предположить, что негативные изменения физических свойств в ее пределах связаны с нарушениями в структуре массива. По совокупности отмеченных признаков данную зону можно рассматривать как потенциально проводящую, а наблюдаемые
негативные изменения свойств бетонно- венной близости от нее, подтверждают
го кольца в ее пределах и в непосредст- данное предположение.
------------------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савин А.И., Ященко З.Г., Горбунов А.А. 2. Сапфиров И.А. Рудничные задачи
Опыт оценки качества укрепительной цементации сейсморазведки МОГТ. - Екатеринбург: Изд-во
скальных пород сейсмоакустическими методами урО РАН, 1996. ЕШ
на Ингурской ГЭС // «Гидротехническое строительство», 1977, №12.
I— Коротко об авторах -1
Бабкин А.И. - кандидат технических наук,
Санфиров И.А. - доктор технических наук, профессор, зам. директора Г орного института УрО РАН, Пермь, sanf@mi-perm.ru
Учреждение Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН, г. Пермь, e-mail: aib@mi-perm.ru sanf@mi-perm.ru
