CC BY
53
------------------------------------- © М.М. Калашникова, 2011
УДК 550.834 М.М. Калашникова
РАЗВИТИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНТЕРПРЕТАЦИОННОГО ЭТАПА СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НА МЕСТОРОЖДЕНИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Одним из эффективных методов контроля при эксплуатации Верхнекамского месторождения калийных солей является наземная сейсморазведка. На основе сравнительного анализа данных сейсморазведки и прямого опробования физико-механических свойств горных пород выявлены закономерности. Их использование с применением ГИС технологий в дальнейшем позволяет осуществлять региональный прогноз геологического строения и свойств продуктивных пластов.
Ключевые слова: соляные породы, рудник, сейсморазведка, коэффициент Пуассона, геоинформационных систем.
Основным условием безопасного и эффективного введения горных работ является сбалансированный учет факторов, комплексно влияющих на устойчивость выработок: конкретные геологические условия района, горнотехнические параметры системы разработки. Контроль их соответствия и взаимодействия осуществляется прежде всего по данным об изменении напряженно-деформированного состояния пород. В последние годы на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) ведутся такие режимные сейсмогеомеханические исследования.
Отличительной чертой ВКМКС является легкая растворимость соляных пород. Наличие мощного надсолевого водоносного комплекса, содержащего огромное количество пресных и слабоминерализованных вод, и растворимость солей диктует необходимость сохранения сплошности водозащитной толщи, которая отделяет отрабатываемые пласты от вышележащих водоносных горизонтов. Неоднородность
состава и строения соляных пород обуславливает существенное различие их поведения под нагрузкой и значительный разброс физико-механических показателей.
В настоящее время исследование физико-механических свойств соляных пород является неотъемлемым элементом обеспечения безопасности горных работ, поскольку является основой расчета безопасных параметров камерной системы разработки. Вовлечение в разработку новых перспективных площадей добычи калийных солей обуславливает необходимость обоснования проектных параметров отработки, что непосредственно связано с достоверностью прогноза физико-механических свойств продуктивных пород.
Прямые методы контроля имеют ряд недостатков, в числе которых, в первую очередь, следует отметить: «точечный» характер измерений и относительную их трудоемкость. В этой связи для обеспечения оперативности контроля и расширения масштаба работ предлагается, на-
ряду с прямыми методами, использовать и косвенные геофизические способы диагностики, которые достаточно широко применяются для оценки напряженного состояния участков горных массивов. Одним из наиболее эффективных методов является сейсморазведка.
На рудниках Верхнекамского месторождения для изучения особенностей геологического строения соляных пород применяются следующие методы сейсморазведки:
1) наземная высокоразрешающая малоглубинная сейсморазведка МОГТ;
2) шахтная сейсморазведка МОГТ;
3) шахтные акустические исследования [4]. Они в полной мере оснащены аппаратурно и обеспечены системой обработки информации.
В шахтных сейсмоакустических исследованиях применяются три основных метода: отраженных, преломленных и проходящих волн. Используются различные типы волн: продольные, поперечные, обменные или их комбинации. В последнем случае сейсморазведку называют многоволновой. Традиционно термин «многоволновая сейсморазведка» подразумевает совместный анализ особенностей распространения упругих волн различного типа. В большинстве случаев для этого используют монотипные продольные P-волны и поперечные S-волны. Существенное преимущество многоволновой сейсморазведки заключается в том, что совместная интерпретация волн различных типов позволяет получать информацию об упругих параметрах среды. С этой целью используют известные [2] для однородной изотропной среды соотношения:
Ед = р
У/(3Ур2 -4^2)
= Ур2 - 2у,2
ЦА 2(Ур2 - ’
где Ед — динамический модуль Юнга, ц А — коэффициент Пуассона.
Отношение скоростей VS/VP = у позволяет оценивать литологический состав пород, газоносность и наличие флюидов.
Основными информационными результатами цифровой обработки шахтных многоволновых сейсморазведочных наблюдений являются:
1) временные разрезы волн продольного и поперечного типов;
2) их динамические и
3) спектральные представления;
4) скоростные характеристики распределения разнотипных отраженных волн по профилю и их соотношения. Каждый из полученных параметров вносит свой вклад в содержательную интерпретацию, давая информацию о строении, свойствах и состоянии изучаемого горного массива. Рисунок 1 иллюстрирует возможности многоволновых наблюдений с целью локализации участков геологического разреза с аномальными значениями такого упругого параметра как коэффициент Пуассона [3].
Разрез коэффициента Пуассона цА
отражает выдержанное слоистое строение по профилю с устойчивой аномалией в его центре. Коэффициент Пуассона ц а весьма чувствителен к изменению литологических свойств геологической среды. Возможными причинами аномальных значений данного параметра среды могут являться и газонасыщение или повышенная трещиноватость.
Одним из видов параметрического обеспечения сейсморазведочных данных являются разведочные скважины с данными комплекса ГИС,
ПО
160
170
ПЕ?М 330 360 340 320 300
горшя в ыработш
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I Цд
0.02 0.06 0.10 0.14 0.18 0.22 0.26 0.30 0.34 0.38 Рис.1. Схема распределения коэффициента Пуассона ц А
Рис. 2. Фрагмент временного разреза ОГТ по профилю №1197С2 и результаты одномерного сейсмомоделирования по скважинам №№ 1095,1096
акустического каротажа. Геологогеофизическая информация, полученная при бурении, позволяет оценить достоверность интерпретационных выводов данных сейсморазведки (рис. 2). Так, при сопоставлении результатов бурения скважин и сейсмических данных, отмечается незначительное расхождение положения геологических границ и точное подтверждение аномальных зон, выделяемых по данным сейсморазведки [5].
Скважина 1095 пробурена на участке, рекомендованном по результатам сейсморазведки. Структурные построения по сейсмическим данным отличаются от данных бурения на единицы метров, данные АК подтвердили наличие на участке низкоскоростной аномалии, выделенной сейсморазведкой.
Изучение механических свойств соляных пород путем прямого опробования также является одним из видов параметрического обеспечения интерпретационного этапа изучения месторождения. В настоящее время для некоторых рудников Верхнекамского месторождения выявлены закономерности изменчивости механических свойств пород в разрезе соляной толщи по трем интервалам: покровная каменная соль, карналлитовая зона, сильвинитовая зона [1] и построены карты распределения прогнозных средневзвешенных значений предела прочности при сжатии соляных пород рабочих пластов КрП и АБ сильвинитового состава. Анализ полученных результатов показывает, что наиболее прочные соляные породы приурочены к поднятиям. Породы, имеющие «средние» значения прочности, расположены преимущественно на склонах. Породы с низкими прочностными показателями, зачастую, связаны с мульдами.
Поскольку шахтная сейсморазведка и прямое определение физикомеханических свойств пород являются точечными методами и не позволяют охватить контролем значительные объемы отработанных площадей, целесообразно применять наземную сейсморазведку и использовать скорости упругих волн продольного типа для регионального, площадного прогноза геологического строения и свойств соляных пород.
Опыт развития геофизических методов показывает, что оптимальным инструментом для решения подобных задач являются технологии геоин-формационных систем (ГИС). Для шахтных полей СКПРУ-2 и СКПРУ-3 сформирована специализированная управляемая электронная база данных (СУБД), содержащая все имеющиеся геологические, геофизические и гео-механические данные [6]. На основе СУБД посредством ГИС предусматривается возможность формирования пространственных моделей конкретных параметров, определяемых из сейсмического волнового поля (скорости, амплитуды, структурные отметки и др.) с учетом результатов наземных и шахтных сейсморазведочных наблюдений, позволяющая судить о свойствах и строении исследуемого блока горного массива.
В качестве основного параметра, характеризующего механические свойства соляных пород, принимался предел прочности на сжатие (осж), поскольку именно этот параметр является определяющим при расчете элементов камерной системы разработки.
При сопоставительном анализе распределения предела прочности при сжатии пород по пласту Кр II и интервальных скоростей в толще
14 16 18 20 22 24 26 23 30 32 34
Рис. 3. Сравнительный анализ распределения асж по пласту Кр II и Уинт в толще СИЛ- МГ для шахтного поля СКПРУ-3
Рис. 4. Сравнительный анализ распределения асж по пласту АБ и Уинт в толще СИЛ- МГ для шахтного поля СКПРУ-2
СИЛ- МГ (рис. 3) для шахтного поля СКПРУ-3 наблюдается корреляция изменения их значений по площади. Участки, выпадающие из общей зависимости интервальных скоростей от осж, характеризуются аномальным геологическим строением. Для шахтного поля СКПРУ-3 такие участки связаны с наличием зон открытой трещиноватости, обнаруженных на уровне продуктивных
пластов при проходке разведочных выработок.
Подобный анализ рассматриваемых характеристик в пределах СКПРУ-2 представлен на рис.4. Отмечается однонаправленное изменение значений скоростей в интервале СИЛ-МГ и осж по пласту АБ. Несоответствие найденным взаимосвязям скоростных и прочностных свойств в западной части шахтного
асж, МПа
30 л
29 28
27 26
25
24
23 22 21 20
4000 4020 4040 4060 4080 4100 4120 4140 4160 4180 4200
Vинт., м/с
Пласт АБ
асж, МПа
30
29
28 27
26
25
24 23 22 21 20
4000 4020 4040 4060 4080 4100 4120 4140 4160 4180 4200
Vинт., м/с
Рис. 5. Корреляционные поля асж и Уинт по пластам Кр II и АБ для СКПРУ-3
поля связано отсутствием на этом участке сейсморазведочных исследований.
Взаимосвязь рассматриваемых физических величин может быть представлена в виде корреляционных зависимостей. На рис. 5 представлены корреляционные поля для шахтного поля СКПРУ-3. Присутствует общая тенденция к увеличению этих параметров.
Анализ сопоставления данных прямого опробования физико-механических свойств соляных пород с данными сейс-
моразведки показал, что прямой 100 % корреляции не наблюдается. Возможно судить только об уменьшении или увеличении параметров относительно друг друга. Это связано с особенностями геологического строения и методикой проводимых работ, поскольку прямое опробование носит точечный характер, а сейсморазведочные исследования — более площадной. Результаты исследования показали, что имеется возможность лишь качественного анализа,
а не для прямого прогноза физикомеханических свойств горных пород.
Выполнение широкомасштабных мониторинговых исследований по различным направлениям геологоразведочных и геофизических работ становятся неотъемлемой частью комплекса мер по сохранению Верхнекамского месторождения калийных со-
1. Аникин В.В. Прогноз прочностных свойств сильвинитовых пластов. «Стратегия и процессы освоения георесурсов». Материалы ежегодной научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2007 г. Пермь: Горный институт УрО РАН.
2. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии / Мин-во геол. СССР; Всесоюз.науч. — исслед. институт гидрогеол. и инж. геологии; Под ред. Н.Н. Горяинова. — М.: Недра, 1992.
3. Санфиров И.А., Бабкин А.И., Сальников А.П. Контроль состояния горного массива методами многоволновой шахтной сейсморазведки / Горный вестник, Москва: Академия горных
лей и обеспечению безопасных условий его разработки. Для более достоверного прогноза геологического строения среды и свойств продуктивных пластов, необходимо использовать всю имеющуюся информацию и проводить комплексную интерпретацию с применением современных ГИС технологий.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
наук, институт горного дела им. А.А. Скочинского. — №6. — 1998.
4. Санфиров И. А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.
5. Семерикова И.И. О природе сейсмических отражающих границ в интервале малых глубин. / Комплексное освоение недр Западного Урала. Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь, 1998.
6. Gerasimova I.Y., Negdanov V.M. Preparation of the elec-tronic base data structure for seismic and acoustic informa-tion storage. 3 Saint Petersburg inter-national Conference & Exhibition. CD —P 134. П
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ------------------------------------------------------------
Калашникова М.М. — ведущий инженер Горного института Уральского Отделения Российской академии наук, е-таіі: kalashnikova@mi-perm.ru.
А
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.И. САТПАЕВА
КОЖАНТОВ Арыстан Узакбаевич Создание методологии рационального развития горных работ при открытой разработке комплексных месторождений 25.00.21 к.т.н.
