Практические примеры решения горнотехнических задач методами шахтной сейсмоакустики Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© А.И. Бабкин, И.А. Санфиров, 2011

УДК 550.834

А.И. Бабкин, И.А. Санфиров

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДА Ч МЕТОДАМИ ШАХТНОЙ СЕЙСМОАКУСТИКИ

Представлены результаты шахтных сейсмоакустических исследований, проводимых для решения горно-технических задач: дистанционный прогноз физико-механических свойств горного массива; оперативный контроль состояния междукамерных целиков; мониторинг состояния затюбингового пространства шахтных стволов и др.

Ключевые слова: Шахтная сейсмоакустика, метод отраженных волн, метод сейсмического просвечивания, геофизический прогноз физико-механических свойств горного массива.

ЖЭ настоящее время на Верхнекам--я-3 ском месторождении калийных солей (ВКМКС) преобладающую роль среди шахтных геофизических методов играют сейсмоакустические исследования. При изучении тонкослоистых сред, в сложных геологических условиях, характерных для калийных месторождений пластового типа, применяются высокоинформативные интерференционные системы регистрации в рамках методики общей глубинной точки (МОГТ). Геофизические наблюдения, проводимые в пределах шахтных полей ВКМКС, как на земной поверхности, так и во внутренних точках среды, осуществляются, в первую очередь, для контроля целостности водозащитной толщи (ВЗТ) и техногенного воздействия на горный массив в процессе его разработки. При проведении сейсмоакустических исследований в подземных условиях необходимо учитывать не только особенности геологического строения изучаемых толщ, но и множество горногеологических, горнотехнических и технологических факторов.

Проводимые на ВКМКС шахтные сейсмоакустические исследования направлены на решение горногеологических и горнотехнических задач, перечень которых представлен на рис. 1.

Для решения поставленных задач проектируются системы наблюдений в соответствии с частотным составом, скоростными характеристиками полей отраженных волн и требованиями методики многократных перекрытий с позиций получения заданной разрешающей способности, глубинности исследований и качественной избирательной селекции целевых волн [6]. При проведении исследований во внутренних точках среды возможно изучение горного массива в любых плоскостях с использованием волн различного класса и типа, что расширяет круг решаемых задач.

Из представленного на рис.1 перечня рассмотрим вопросы, касающиеся решения горнотехнических задач. К таковым в первую очередь относится параметрическое обеспечение геомеханиче-ских расчетов, проводимых для оценки прочностных

ШАХТНАЯ СЕИСМОАКУСТИКА

Решаемые задачи:

Горно-геологические

г

Картирование геологических неоднородностей

Г орнотехнические

^ Мало-амплитудные тектонические осложнения

^ Области развития трещин ^ Зоны замещения ^ Газо-насыщенные участки

Параметрическое

обеспечение

геомеханических

расчетов

Контроль состояния горнотехнических конструкций

>,

Дистанционный прогноз физикомеханических свойств горного массива

Мониторинг состояния затюбингового пространства шахтных стволов

><

Оперативный контроль состояния междукамерных целиков

Контроль техногенного влияния на конструктивные элементы горного массива

Рис. 1. Задачи, решаемые шахтной сейсмоакустикой на ВКМКС

свойств горного массива и динамики возможных его изменений под влиянием добычных работ. Точность данных расчетов во многом зависит от достоверности исходной расчетной модели среды, учитывающей реальную геологическую обстановку и прогнозные физикомеханические свойства слагающих горных пород. Дистанционный прогноз фи-зико-механи-ческих свойств горного массива возможен на основе многоволновой шахтной сейсмоакустики [5, 8]. На основе сейсмических исследований определяются параметр у, представляющий собой отношение скоростей распространения поперечных и продольных волн y=Vs/Ур, и коэффициент

V2 - 2У2 Пуассона Оп = —^^ .

' П 2(Ур - у )

В качестве примера геофизического опережающего прогноза физикомеханических свойств горных пород

ВЗТ приведем результаты многоволновых наблюдений МОГТ в горных выработках калийного рудника [5]. На представленных временных разрезах (рис. 2) выделен ряд отражающих горизонтов, приуроченных к акустически наиболее контрастным отражающим границам (ОГ). В процессе решения обратной задачи для обоих типов волн отмечены незначительные расхождения структурных построений, укладывающиеся в пределы разрешающей способности метода.

Неоспоримым преимуществом используемых в МОГТ интерференционных систем наблюдений является их высокая информативность, в том числе в определении скоростных параметров отраженных волн (рис. 3). В общем случае, их распределение характеризуется отчетливой слоистой структурой, в пределах которой выделяются локальные участки как понижения, так и по-

Рис. 2. Временные разрезы МОГТ для P-волн (а) и S-волн (б)

вышения значений скоростей. Положительная аномалия в пределах ОГ «Е(с)» и «ПКСК», отмеченная на скоростной характеристике поперечных волн, совпадает с областью понижения скоростей продольных волн.

Наиболее наглядна выделенная область в пересчете в физикомеханические параметры (рис.4). Разрезы параметра у и коэффициента Пуассона а отражают выдержанное слоистое строение по всему профилю с устойчивой аномалией в его центре. Коэффициент Пуассона весьма чувствителен к изменению литологических свойств геологической среды. Анализ особенностей распространения а позволяет предположить наличие в интервале соляной толщи «Е - ПКСК» на участке пикетов 330370 зоны, неблагоприятной для распространения продольных волн. Возмож-

ные причины тому - газо-насыщение или повышенная трещиноватость.

Достоинства многоволновой сейсмоакустики при дистанционном прогнозе физико-механических параметров геологической среды в условиях горных выработок могут успешно использоваться в решении задач оперативного контроля состояния междукамерных целиков (МКЦ) [7]. Одной из них является прогноз остаточного срока службы МКЦ, основанный на информации об ослаблении прочностных свойств пород в приконтурной части целика [3].

Основной причиной возникновения закономерностей в распределении параметров, характеризующих свойства пород вокруг выработки после ее проходки, является перераспределение горного давления в массиве (рис.5) [4].

-70

-80

-90

-100

-110

-120

-130

-140

-150

-160

-170

360 340 320 300

380 360 340 320 300

ПК, м' горная выработка

3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 Ур. м/с

1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 У§, м/с

Рис. 3. Распределение скоростных характеристик Р-волн (а) и S-волн (б).

Рис. 4. Разрезы распределения параметра у (а) и коэффициента Пуассона а.

Область массива, не попадающая под влияние горных работ (5), находится в состоянии упругого напряженного равновесия. По направлению к границам выработки ее сменяет зона пригрузки (4)

с повышенными напряжениями, далее у стенок выработки зона разгрузки (3) с низкими напряжениями и ослабленными породами и зона максимальной нару-шенности приконтурной части массива

Рис. 5. Выделение зон различных напряжений в окрестности горной выработки по данным сейсмоакустических измерений (Савич Р.П., Коптев В.И., 1981г.). 1 - Полость выработки; 2 - зона интенсивного нарушения пород; 3 - ослабленная зона (разгрузки напряжений); 4 - зона повышенных напряжений; 5 - неизмененная часть массива; г - радиус выработки; гЭф - эффективный радиус выработки; Аг - радиальная деформация стенок выработки; ^0 - суммарная мощность зоны нарушенных и ослабленных пород; h0 - мощность зоны ослабленных пород

(2). Положение границ перечисленных зон и дифференциация значений скоростей на них зависят от свойств пород массива, размеров и возраста выработок, величины естественных напряжений [3].

В качестве примера оперативного контроля состояния МКЦ для оценки его остаточного срока службы приведем результаты многоволновых наблюдений в горизонтальной плоскости тела целика. Наблюдения проводились методом сейсмического просвечивания отраженными волнами с использованием систем наблюдений многократного перекрытия. Необходимость изучения объектов с детальностью менее одного метра предопределяет проведение исследований в акустическом диапазоне частот. Минимальные размеры выделяемых неоднородностей при этом составляют 0,15 - 0,2 метра. В целом отмечается понижение скоростей

в приконтурной части целика. Скоростная дифференциация продольных волн «15 % от максимального значения, а для поперечных волн достигает «35 %. По результатам определения скоростных характеристик Р- и S-волн строятся распределения у в целиках (рис .6). Основной и очень важной с методической точки зрения особенностью данного распределения является концентрация низких значений у в пределах зон нарушенности приконтурных частей целика, обусловленная их повышенной влагонасыщенно-стью.

Полученные сейсмоаку-стические данные, характеризующие качественные изменения скоростных свойств горных пород в пределах МКЦ, в дальнейшем используются для геомеханических прогнозных оценок прочностных свойств исследуемого массива по следующей технологической схеме: Инструментальными прямыми

методами оценки физико-

механических свойств массива производятся точечные измерения в горных выработок, в пределах которых также проводятся сейсмоакустические наблюдения [7]. При условии нахождения устойчивых зависимостей изменения скоростных характеристик с данными инструментальных измерений, возможна прогнозная оценка физикомеханических свойств горного массива между точками измерений в пределах всего объема просвечиваемого целика [1].

Рис. 6. Распределение параметра у в горизонтальной плоскости МКЦ: I - Граница ближней зоны влияния выработки; II - граница дальней зоны влияния выработки; III - стенка противоположной выработки

Шахтные сейсмоакустические исследования, проводимые в горизонтальной плоскости межштрекового пространства не ограничиваются решением задач, связанных с параметрическим обеспечением геомеханических расчетов. Контроль состояния горнотехнических конструкций - еще одна важная задача, для решения которой могут применяться шахтные сейсмоакустические методы исследований. В качестве примера геофизического контроля техногенного влияния на конструктивные элементы горного массива представим результаты еще одного сейсмического просвечивания МКЦ. Наблюдения проводились на месторождении гипса, разрабатываемом подземным способом. Задача состояла в оценке степени и объема предполагаемого размыва гипсового массива, в месте аварийной восстающей подземной скважины (рис.7).

В процессе реализации наблюдений проведено сейсмокустическое просвечивание отраженными волнами по сети горизонтально и вертикально расположенных профильных линий на долевой и торцевой стенках МКЦ. При интерпретации полученных сейсмоакустиче-ских данных оценивалось проявление неоднородностей горного массива в параметрах регистрируемых волновых полей. А именно распределение ано-

мально низких значений эффективных скоростей в плоскости просвечивания, наличие участков интенсивной дифракции сейсмических волн, изменения спектральной составляющей регистрируемых сигналов. Выделенные аномалии временных разрезов имеют пространственную и временную привязку, перерасчет которых в пространственные координаты исследуемого МКЦ позволил получить интерпретационную нормированную модель нарушенности целика (рис.8).

С помощью геофизических методов контроля возможно решение еще одной важной горно-технической задачи -проведение мониторинга состояния за-тюбингового пространства шахтных стволов. В условиях тюбинговой крепи по очевидным причинам возможно применение только сейсмоакустических методов исследований. Требуемая при этом глубинность и детальность предопределяет использование акустического диапазона частот. Наибольшая информативность акустических методов достигается также 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

Рис. 7. Обзорная схема сейсмоакустических исследований МКЦ: А) в плане; б) в разрезе по линии 1-І: 1 - Проектный контур целика; 2 - линия разреза; 3 - проекция профиля горизонтального в плане и вертикального в разрезе; 4 - проекция профиля вертикального в плане и горизонтального в разрезе; 5 - линия профиля на торцевой части целика; 6, 7 - положение восстающей скважины

Рис. 8. Схема внутренней нарушенности целика

сейсморазведочных подходов в акусти- шахтного ствола в горизонтальной

ческом диапазоне частот служит физи- плоскости - тюбинг, цементное кольцо,

ко-геологическая модель строения породный массив.

Процесс интерпретации полученных данных подразумевает проведение качественного и количественного анализа. Первый проводится на основе изучения особенностей рисунка волновой картины, пространственновременного распределения интенсивности и когерентности суммарных сейсмозаписей. Второй - с использованием расчетных количественных значений различных атрибутов акустических сигналов. И тот и другой анализ базируется на взаимной связи рассматриваемых параметров со строением изучаемого массива.

1. Бабкин А.И., Ахматов А.Е. Согласование натурных и лабораторных сейсморазведочных оценок напряженно-деформированного состояния массива / Горный информационноаналитический бюллетень. -2006. -№6. С.100-105.

2. Бабкин А.И., Санфиров И.А. Геофизический мониторинг затюбингового пространства / Горный информационно-аналитический бюллетень. -2011. -№1.

3. БаряхА.А., Асанов В.А., ТоксаровВ.Н., и др. К оценке остаточного срока службы соляных междукамерных целиков / Физ.-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. -1998. -№1.

4. Савич Р.П., Коптев В.И. Изучение напряженного состояния массивов скальных пород сейсмическими методами в связи со строительством подземных гидротехнических сооружений // Труды «Гидропроекта»; Вып.78. -М.: Энергия, 1981. С.42-65.

5. Санфиров И.А., Бабкин А.И., Сальников А.П. Контроль состояния горного

Представленные горнотехнические приложения сейсморазведочных исследований используются сегодня на всех рудниках ВКМКС и могут быть адаптированы к любым подземным разработкам месторождений полезных ископаемых при условии акустической контрастности слагающих их разрез горных пород. Возрастающая потребность в использовании геофизических методов контроля состояния разрабатываемого массива на ВКМКС продиктована все более жесткими требованиями к безопасности горного производства в условиях его интенсификации.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

массива методами многоволновой шахтной сейсморазведки / Горный вестник. -1998. -№6. С.94-99.

6. Санфиров И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996г. -167с.

7. Barykh A., Safirov I., Asanov V., Babkin A., Toksarov V., Geghin A., Bruev A. Tool checking of salt pillars state for prediction of their residual time working. Mining Geotechnics and Underground Building at the Beginning of the 21st Century (24th Winter School of Rock Mechanics) 1216 march 2001. Scientific Papers of the Institute of Geotechnics and Hydrotechnics of the Wroclaw University of Technology. No. 73

8. Sanfirov I., Babkin A., Lisin V. Multicomponent subsurface seismic for the evaluation of salt petrophysics. Extended abstracts book. EAGE 64th Conference & Exhibition - Florence, Italy, 27 - 30 May 2002. European Association of Geoscientists & Engineers, 2002. nsrj=i

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Бабкин Андpей Иванович - кандидат технических наук, Горный институт Уральского отделения РАН, г. Пеpмь, e-mail: aib@mi-perm.ru

Санф^ов Игopь Алекcандpoвuч - доктор технических наук, профессор, Горный институт Уральского отделения РАН, Пермь, e-mail: sanf@mi-perm.ru