CC BY
35
© И.А. Санфиров, А.И. Бабкин, 2003
УЛК 550.834
И.А. Санфиров, А.И. Бабкин
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ СЕЙСМОРАЗВЕЛОЧНЫХ ИССЛЕЛОВАНИЙ ВО ВНУТРЕННИХ ТОЧКАХ СРЕЛЫ1
Планомерное и безопасное освоение месторождений твердых полезных ископаемых шахтным способом возможно только при постоянном и своевременном изучении горногеологической обстановки на всех стадиях его разработки. Максимальная оперативность решения данной задачи обеспечивается привлечением геофизических методов. Выбор методов обуславливается конкретными геологическими особенностями объекта изучения.
В настоящее время, как показывает опыт отечественных и зарубежных научных коллективов и производственных геофизических служб, преобладающую роль среди многообразия шахтных геофизических методов играют сейсмоаку-стические исследования. При изучении тонкослоистых толщ в сложных геологических условиях, присущих калийным месторождениям пластового типа, наиболее оправдано применение подобных исследований по методике общей глубинной точке (МОГТ).
При проектировании оптимальных систем наблюдений МОГТ для решения широкого круга задач необходимо учитывать не только особенности геологического
строения изучаемых толщ, но и множество горно-геологических и технологических факторов, присущих только наблюдениям в условиях горных выработок. Рассмотрим их на примере Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), крупнейшего в Европе. Оно расположено в центральной части Соликамской впадины Преду-ральского краевого прогиба.
Основные меры обеспечения сохранности рудников месторождения связаны с целостностью водозащитной толщи. К водозащитной толще относят интервал геологического разреза выше горных выработок до первых пластов каменной соли в соляно-мергельной толще. Именно это интервал раз-
реза представляет наибольший интерес при проведении геофизических исследований во внутренних точках среды.
Сейсмогеологическая модель среды на территории ВКМКС построена по данным [3, 4]. Она характеризуется вертикальнонеоднородным тонкослоистым
строением, субгоризонтальными границами, смена упругих свойств на которых происходит скачкообразно (рис. 1).
Практика сейсморазведочных работ показывает, что основные отражающие горизонты (рис. 1.а) приурочены к внутри-пластовым или меж-пластовым прослоям каменной соли в силь-винитовой (ОГ «Kp.ll»,
«АБ») и сильвинито-карналлитовой («Д > >,
«Е», «И») зонах. К подошве покровной каменной соли («ПКСп») примыкает низкоскоростной пласт «К», а отражение от кровли связано с пластами мергеля на границе переходной толщи (ОГ «ПКСк»). Переходная толща обычно представлена чередованием различных по мощно -сти пластов каменной соли и мергеля. Отра-
жения от подошвы («ППп») и кровли переходной толщи («ППк») связаны со скоростной дифференциацией на границах каменной соли и мергеля. Для «ППк» эти границы не всегда совпадают со стратиграфической, разделяющей соляномергельную и переходную толщи. Часто мергели верхних отложений переходной толщи переходят в мергели или глинистые мергели соляномергельной толщи.
Тонкая слоистость карналлито-вой и сильвинитовой зон определяет сложный интерференционный характер волновой картины для этих интервалов (рис. 1.б). Чередование различающихся по своим упругим параметрам слоев мощностью от 0,5 до 2 метров при длине продольных волн порядка 4 - б метров ведет к появлению дополнительных фаз в пределах ОГ «Kp.ll» - «И». На временном разрезе (рис. 1.б) явление интерференции проявляется для ОГ «Д». Помимо основного отражения присутствует ряд дополнительных, достаточно выдержанных, фаз.
Представленная сейсмогеоло-
Рис. 1. Типовые: сейсмо-геологическая модель (а) и сейсмический образ (б) ВЗТ: 1 - глинистый мергель; 2 - мергель; 3 - каменная соль;
4 - каменная соль с
включениями карналлита; 5 - каменная соль с включениями сильвинита; 6 - карналлит; 7 -• • пестрый сильвинит; 8 -полосчатый сильвинит; 9
- красный сильвинит; 1 0
- базовые отражающие горизонты
гическая модель составляет основу интерпретации сейсмических данных, полученных во внутренних точках среды, в целях выявления и изучения локальных неоднородностей геологического разреза. К разряду основных неоднородностей относятся: тектонические нарушения, складки, зоны замещения. С ними могут быть связаны области повышенной трещиноватости и газоносности, которые существенно усиливают их негативное воздействие на устойчивость ВЗТ [8].
Оптимальный выбор параметров систем наблюдений МОГТ для изучения рассмотренных геологических объектов базируется на полевом тестировании волнового поля (рис. .2) с учетом теоретических положений.
Система наблюдений делится на две составляющие - регистрирующую и возбуждающую. Регистрирующая включает систему взаимного расположения пунктов возбуждения (ПВ) и пунктов приема (ПП) упругих волн. Возбуждающая представляет собой тип источника возбуждения упругих колебаний,
Рис. 2. Сейсмограммы зондирования при исследованиях: на-
земных (а) и шахтных (б): Области: 1 - отсутствия записи; II -высокого уровня поверхностных волн; III
- низкого уровня регулярного сигнала; IV
- благоприятная для регистрации полезного сигняття
сам процесс, подразумевающий интенсивность единичного воздействия, возможность группирования и накапливания воздействий на одном пункте возбуждения.
Регистрирующая составляющая Основными характеристиками регистрирующей составляющей являются следующие:
Минимальное удаление ПВ от ПП - Хтт, Максимальное удаление ПВ от ПП - Хтах', Расстояние между ПВ - АХпв, Расстояние между ПП - АХпп-
Ориентацией линии ПВ относительно линии ПП определяется тип системы - продольная (ПП МОГТ - линия ПВ совпадает с линией ПП) или непродольная (НП МОГТ - линия ПВ вынесена перпендикулярно линии ПП). Следует отметить, что при выносе линии ПВ относительно линии ПП результативность подавления помех в условиях соляных рудников существенно возрастает [7].
При этом, в целях сохранения широкого частотного диапазона регистрируемых колебаний необходимо строго придерживаться известного [6] положения теории интерференционных систем регистрации о том, что шаг между приемниками не должен превышать половины длины волн, на которые нацелены данные системы.
На основании модельных представлений объектов изучения, структуры регистрируемых волновых полей и общих положений теории интерференционных систем наблюдений определены оптимальные параметры применяемых систем наблюдений и регистрации, представленные в таблице.
Источник возбуждения
Один из наиболее важных моментов при производстве сейсморазведочных работ в подземных выработках - это выбор типа источника возбуждения упругих колебаний. Нормативные требования к безопасному ведению работ в шахтах накладывают существенные ограничения на решение данного вопроса.
При возбуждении упругих волн в горных выработках вследствие высокой прочности пород можно производить удары без потерь энергии на неупругие деформации даже без применения плиты-подложки. Ничтожно малая величина рабочей поверхности кувалды позволяет излучать упругие колебания в широком спектре частот (до первых кГц) и дает основания считать подобный источник точечным. Последнее положение очень важно в плане обоснования направленности источника в условиях ограниченной поверхности выработки.
На основании практических экспериментов доказано, что сейсмическая информация при наблюдениях во внутренних точках среды поступает в соответствии с заданным направлением посылке сигнала.
Все перечисленные особенности регистрирующей и возбуждающей составляющих применяемых в горных выработках систем наблюдений накладывает особые требования к применяемой сейсморазведочной аппаратуре.
Для регистрации высокочастотных колебаний разработан и адаптирован к применению в горных выработках калийных рудников ряд портативных регистрирующих устройств с низким энергопотребле-
ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ НАБЛЮЛЕНИЙ И РЕГИСТРАЦИИ
Наземные исследования Шахтные исследования
Параметры системы наблюдений:
Хшт=ОМ; Хтах=33бм; АХпв=ЛХпп=8м. У=12м; Хщш=0м; Хтах=46м; АХпв=АХпп =2м.
Параметры источника . упругих колебаний:
Е-1,5кДж; N=6. Е » 0,ЗкДж; ^ 6,
Параметры регистрации:
Динамический диапазон - 96 дБ; Начальное усиление - 40 дБ; А1 = 0,5 мс; ФВЧ / ФНЧ - 14 / 500 Гц. Динамический диапазон - 96 дБ; Начальное усиление -40 дБ; А1=0,125МС; ФВЧ / ФНЧ - 100 / 2000 Гц.
У - боковой вынос; Е - энергия единичного воздействия; N - количество воздействий; А1 - шаг дискретизации; ФВЧ - фильтр верхних частот; ФНЧ - фильтр нижних частот.
нием (20-30 Вт) [2]. В настоящее время используется универсальная сейсмостанция ^-32/64.04 [5], позволяющая проводить регистрацию упругих колебаний в пределах частотного диапазона от 3 до 5000 Гц, При 32 рабочих каналах станция имеет 64 программно коммутируемых входа, что позволяет организовать конвейерную отработку профилей в рамках методики многократных перекрытий. Динамический диапазон станции 96 Дб, разрядность кодирования сигналов 16 бит, формат выходных данных 4-х байтовые целые числа, что позволяет избежать потерь информации при накапливании слабых воздействий.
Ограничения на верхнюю границу регистрируемых частот сигналов зависят от требований детальности и глубинности исследований. При изучении из горных выработок строения вышележащей водозащитной толщи частотный диапазон ограничивается 2500 Гц и используются ударные источники. Для возбуждения колебаний в диапазоне частот от 2500 Гц и выше применяются пьезокерамические излучатели.
Для обработки данных используются пакеты программ, ориентированные на платформу РС. Повышенный частотный диапазон, проводимых исследований, определяет последовательность процедур цифровой обработки и их параметров.
Граф обработки содержит все обязательные традиционные этапы: предобработку (демультиплексирование, нормировка, регулировка амплитуд); корректирующую
фильтрацию (полосовую частотную и обратную); вычитание волн-помех (Рк-фильтрация); ввод и последующую совместную коррекцию статических и кинематических поправок; коррекцию формы записи (устранение остаточного фазового разброса, усиление интенсивности регулярной составляющей); получение и обработку окончательного временного разреза (когернтную фильтрацию). Ряд процедур из приведенных выше носит итеративный характер [7].
Конечными результатами обработки являются временные разрезы общей глубинной точки, их скоростные и амплитудные характеристики, представляющие распределение в масштабе временного разреза мгновенных амплитуд и скоростей.
На основании изучения структуры волнового поля, регистрируемого во внутренних точках сре-
ды, выявлено, что в волновом поле в равной степени присутствуют и продольные и поперечные волны. Это положение дает основание предполагать возможность многоволновых исследований в рамках единого технологического процесса. В этой связи проведен ряд экспериментов, направленных на обоснование возможности совместной регистрации и дальнейшего разделения на этапе цифровой обработки сейсморазведочных данных продольных и поперечных волн. Из которых следует: 1) для совместной регистрации разнотипных волновых полей необходимо использовать вертикальные датчики, ориентированные в лучевом направлении распространения фронта волны; 2) успешное разделение совокупного регистрируемого волнового поля возможно в процессе цифровой обработки сейсморазведочных данных.
На сегодняшний день на ВКМКС шахтные сейсмоакустические исследования в основном направлены на: 1) картирование геологических неоднородностей ВЗТ и, в первую очередь, малоамплитудных тектонических нарушений, зон замещения и газонасыщенных участков; 2) дистанционный прогноз физикомеханических свойств горного массива; 3) определение техногенного влияния на разрабатываемый горный массив.
В целях регионального прогноза зон с малоамплитудными тектоническими нарушениями по сети профилей выполняются наземные сейсморазведочные исследования. На участках с признаками локальных тектонических нарушений проводятся шахтные сейсмоакустические исследования. Акустические наблюдения, в свою очередь, являются детализационным методом для шахтных сейсморазведочных работ по той же схеме.
На всех этапах предложенной системы комплексирования используются высокоинформативные интерференционные системы наблюдений, проектируемые в соответствии с требованиями методики многократных перекрытий.
Построение единой модели начинается с увязки волновых картин по опорным отражающим горизонтам на основе результатов скоростного анализа. В дальнейшем детально анализируются характерные особенности одноименных отражающих горизонтов. Например, признаки тектонических наруше-
ний, складок и др. Необходимый этап в данном процессе -итеративное согласование скоростных законов, найденных при наземных и шахтных наблюдениях. Наличие согласованной сейсмо-геологической модели среды позволяет перейти к последующему этапу ее детализации в акустическом диапазоне частот, а применение однотипной методики полевых исследований и системы обработки обеспечивает увязку разномасштабных сейсмоакустических наблюдений в рамках единой интерпретационной модели [1].
Большой интерес в плане обеспечения стабильного горного производства представляют зоны замещения продуктивных пластов. Для локализации подобных геологических неоднородностей и изучения их строения можно предложить комплексные сейсмические наблюдения в рамках МОГТ и МСП: МОГТ - на уровне ниже предполагаемых вертикальных границ зоны замещения; МСП - в пределах горных выработок, пересекающих предполагаемые горизонтальные границы зоны замещения.
При рассмотрении материалов МОГТ внимание должно уделяться окончательным результатам скоростного анализа и особенностям волновой картины на временном разрезе. В качестве признаков зоны замещения по данным МОГТ служат: 1) резкие знакопеременные изменения скоростной характеристики изучаемого интервала разреза в приграничных участках; 2) крайне нерегулярный характер волновой картины в интервале временного разреза, соответствующего местоположению зоны замещения.
Предполагаемые признаки отображения зон замещения в сейсмических волновых полях подтверждаются результатами практических исследований (рис. З). Профиль расположен между двумя скважинами. Восточная скважина находится в области замещения сильвинитовой и карналлитовой толщ каменной солью. В подобных условиях отсутствует скоростная дифференциация пород, слагающих этот геологический интервал. Западная скважина расположена в зоне практически полного замещения карналлитовых пород на пестрый сильвинит. В подобных условиях происходит значительное снижение контрастности базовых ОГ для этого интервала, но фор-
Рис. 3. «Сейсмон-зображение» зоны замещения по данным шахтных исследований: 1 -глина; 2 - мергель; 3 - мергель глинистый; 4 -
гипс; 5 - ангидрит; 6 - карналли-товая порода; 7 -сильвинит пестрый; 8 - сильвинит полосчатый; 9
- сильвинит красный; 10 - вкрапленность сильвина; 1 1 - пирит; 1 2
- ОГ; 13 - граница полного замещения
Рис. 4. Отображение газонасыщенной зоны в волновом поле МСП отраженными волнами
Рис. 5. Распределение параметра ув пределах меж-дука-меоного целика
мирование отраженных волн происходит, хотя и с меньшей выразительностью.
Крайне нерегулярный характер волновой картины в интервале ОГ «Ек» -,«ППк>> в восточной части временного разреза (рис. З), подтверждает отсутствие акустической контрастности геологических границ в пределах полного замещения сильвинитовой и карналли-товой зон каменной солью. Западная часть в том же временном интервале отмечается наличием базовых ОГ «Ек» и «ПКСп», корреляция которых имеет эпизодический характер.
Нередко зоны замещения по периферии окружены газовыми скоплениями. Основными критериями для обнаружения подобных образований служат: значительное затухание амплитуд колебаний, понижение частотного состава и увеличение времени д прохождения сейсмических волн через газонасыщенные зоны.
Проблема прогноза локальных газонасыщенных участков в горизонтальной плоскости успешно решается МСП. Дополнительные тех-
нологические преимущества раскрываются при реализации МСП на отраженных волнах. В результате обработки данных МСП отраженными волнами 1 получаем наглядное, интерпретируе-
5 мое сейсмическое изображение ис- 1 следуемой среды и более точные определения скоростных характеристик за счет двойного прохождения упругих волн через просвечиваемый массив (рис.4).
Совместное изучение закономерностей распространения разнотипных волн существенно увеличивает интерпретационные возможности шахтных сейсморазведочных исследований на подобных объектах. Наличие даже небольшого различия количестве газовой и жидкой фаз в порах и микротрещинах пород значимо сказывается на поведении кинематических и динамических характеристик разнотипных волн. Основные физико-механи-ческие параметры, определяемые на основании сейсмических исследований - у = Vs/Vp и коэффициент Пуассона - ст.
При проведении исследований во внутренних точках среды возможно изучение горного массива в
любых плоскостях. Рассмотрим применение многоволновой сейсморазведки при решении задач по оценке остаточного срока службы междукамерных целиков.
Необходимость изучения объектов с детальностью менее одного
метра предопределило проведение исследований в акустическом диапазоне частот. Минимальные размеры выделяемых неоднородностей при этом составляют 0,15-0,2 м.
На временных разрезах отчетливо выделяются границы нарушенных пород приконтурных частей целика и отражение от проти-
воположной выработки.
В целом отмечается понижение скоростей в прикон-турной части целика. Скоростная дифференциация продольных волн «15% от максимального значения, а для поперечных волн достигает «35%. По результатам определения скоростных характеристик Р- и Б-волн
строятся распределения у в целиках (рис. 5). Основной и очень важной с методической точки зрения особенностью данного распределения является концентрация низких значений у в пределах зон нарушенно-сти приконтурных частей целика, обусловленная их повышенной влагонасыщенностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабкин AH, Санфиров H.A. Согласованная комплексная интерпретация шахтных и наземных сейсморазведочных наблюдений// Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы региональной конференции. Перм.ун-т. -Пермь, 1997. С. 192- 93.
2. Бабкин AH, Лисин В.П., Ситев Б.С. Развитие и совершенствование материально-технической и методической базы подземных сейсмоакустических наблюдений// Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы региональной научно-практической конференции. Перм.ун-т. -Пермь, 2001. С. 200-202.
3. Джиноридзе Н.М, Киселева О.В, Мелкова Н.В, и др. Зоны разрывных и флекстурно-складчатых дислокаций на Верхнекамском месторождении калийных солей: парагенез с аномальным типом строения и состояния пород водозащитной толщи, природа и время образования// Тектоника, минералообразование и их значение в решении про-
блемы безопасной эксплуатации месторождений калийных солей. СПб., 1992. . 55-98.
4. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение солей. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. 429 с.
5. Малоглубинная сейсмоакустическая станция I Б-3 2/64.04. Руководство пользователя. Геофизическая фирма "і^єгБєіб" Рига, 2001.
6. Мешбей В.И. Методика многократных перекрытий в сейсморазведке. -М.: Недра, 1985. - 264 с.
7. Санфиров И. А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.168 с.
8. Филинов С.А., Корочкина С.Ф. Проявление дизъюнктивной тектоники в продуктивной толще Верхнекамского месторождения калийных солей/ Геотектоника. М.: Наука, 1990, № 1. С. 64-67.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------
Санфиров Игорь Александрович - доктор технических наук, Горный институт УрО РАН. Бабкин А.И. — Горный институт УрО РАН.
«НЕДЕЛЯ Г0РНЯКЛ-2002» СЕМИНАР № 7
© В. М. Власов, А.Д. Андросов, В. В. Бескрованов, 2003
УЛК 622.371
В.М. Власов, А.Л. Анлросов, В.В. Бескрованов
УРОВЕНЬ СОВРЕМЕННЫХ КРИСТАЛЛОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛОБЫЧИ АЛМАЗА НА СЕВЕРЕ
Техническая политика на добычу алмаза из коренных кимберлитовых трубок Якутии изначально была ориентирована на максимальное извлечение кристаллов из руды без учета качества добываемого кристаллосырья. Поэтому до сих пор низок уровень выхода
крупного класса ювелирных алмазов не только на предприятиях АК «АЛРОСА», но и в компании «Де Бирс» (ЮАР).
По данным ЦНИГРИ в ИГД СО РАН получены корреляционные зависимости степени разрушения кристаллов алмаза от их крупности на рудниках компании «Де
Бирс», которые представлены в таблице.
Из полученных результатов следует, что при буровзрывной подготовке кимберлитов кристаллы алмазов крупностью 750 каратов (диаметр 3,5 см) практически полностью разрушаются, а крупностью 85 каратов -разрушаются на 50%.
Масштабы техногенного повреждения кристаллов-гигантов, извлеченных из месторождений АК «АЛРОСА», следующие. Из 177 ювелирных кристаллов алмаза массой более 50 каратов, вынутых за 40 лет, 50 кристаллов (28,2%) носят признаки техногенного повреждения. Особенно сильно пострадали алмазы, добытые из трубки «Мир». Исследо-
