CC BY
25
© Фолькер Шепе, 2012
УЛК 550.834 Фолькер Шепе
ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ПЛАСТОВ КАМЕННОГО УГЛЯ СЕЙСМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ SUMMIT II EX
Рассмотрены практические результаты использования метода проходящих волн на примере измерений на шахте Воргашорская.
Ключевые слова: сейсмическая волна, сейсморазведочная аппаратура, угольный-пласт, геологический разрез.
Франк Фостер Эвизон в 1955 году в своих публикациях показал первые результаты экспериментов, как можно использовать пласт в качестве «проводящего канала» для сейсмических волн. Тем самым им были заложены основы «сейсмики пластовых волн», называемых также каналовыми волнами. В Германии в 1960-х годах эта идея была воспринята фирмой Пракла-Сейсмос (Prakla-Seismos GmbH). В 1978 г. первая цифровая защищенная от воздействия внешней среды сейсмическая аппаратура MDH-01 на базе станции DSF-V, выпускаемой в то время фирмой Texas Instruments, положила конец аналоговой регистрирующей аппаратуре. В это же время в фирме «DMT-немецкие горные технологии» в связи с развитием методов пластовой сейсмики были начаты работы в направлениях как обработки и интерпретации результатов, так и создания аппаратуры. В 1982 г. DMT представила на рынок цифровую 12-разрядную сейсморазведочную аппаратуру SEAMEX 80, затем в 1985 г. последующую разработку SEAMEX 85 с 20-разрядным разрешением, а в 1995 г. - 24-битную аппаратуру SUMMIT UT. Новейшая аппаратура
SUMMIT II Ex (рис. 1) производится с 2010 г. и отличается центральной станцией с 15-дюймовым экраном, который позволяет осуществлять оптический контроль качества зарегистрированных данных непосредственно сразу после съемки. При этом сразу можно видеть все возможные погрешности и повторить измерения для их устранения. Высокая гибкость в сочетании со свободно выбираемым расстоянием между геофонами с помощью, так называемой, технологии SNAP-ON характерна для всей измерительной сейсмической аппаратуры, выпускаемой DMT. Эта гибкость особенно важна для использования в шахтах, где накладываются значительные ограничения при размещении аппаратуры в штреках.
Рис. 1. Применение измерительной сейсмической аппаратуры SUMMIT II Ex
Рис. 2. Движение частиц (в направлении осей X', У'), расположение и ориентация осей чувствительностей X и У зондов-геофонов
Дисперсия волн Лява
в зависимости от мощности угольного птста
Пластовые модели
100 200 300 JO0 500 600 700
Чггто-а [гц]
Frequency [Нг]
1.60т 2.00 т 2,S0m 3,00 т 3.50 т 4.00 т
Дисперсия каналовых волн Лява
Рис. 3.
Расширение динамического диапазона регистрируемых сейсмических данных позволило применять более точные алгоритмы их обработки. Эти разработки, а также богатый опыт, который позволили накопить более чем 400 сейсмических съемок волн в угольных пластах, проведенных DMT
в многочисленных проектах в Германии, Англии, Испании, Польше, Чехии, Китае, России, Украине, Казахстане, Мексике и Южной Корее, определяют современное состояние и уровень работы с данными пластовой сейсмики каналовых волн, существующий в DMT.
Принципы пластовой сейсмики каналовых волн
Упругие волны распространяются в угольном пласте как в волноводе. На распространение помимо свойств угольного пласта и вмещающих пород свое влияние оказывают такие факторы структуры пласта, как его мощность, включения, зоны отсутствия ископаемого, разветвления пласта и т. д. Задачей пластовой сейсмики является анализ распространения упругих волн в пласте и его дисперсионных свойств для определения структуры пласта.
Наряду с так называемыми пространственными волнами (Р- и Б-волнами) встречаются другие типы волн, распространяющиеся в пластах и проявляющие себя в различных модификациях. К одному из них относятся волны Рэлея, в которых частицы среды движутся в направлении распространения и вертикально. К другому типу относятся волны Лява, при которых движение частиц происходит горизонтально, перпендикулярно направлению распространения. Для регистрации таких волн используются двухкомпонентные геофоны (28 Гц), располагаемые в пласте в скважинах на глубине 2—3 м и прижимаемые к их стенкам с помощью сжатого воздуха. Геофоны ориентированы в пласте так, чтобы регистрировать полное движение частиц в пластовых волнах Лява. На рис. 2 наглядно изображены направления движения частиц и размещение геофонов с ориентацией по осям чувствительности X и У.
Скорость распространения пластовых волн зависит от частоты. Эта, так называемая, дисперсия несет важнейшую информацию, так как на нее влияет структура пласта. Если, к примеру, уменьшается мощность однородного пласта, изменяются скорости пластовых волн Лява в опреде-
ленных частотных диапазонах. Эта закономерность отчетливо показана на рис. 3. Здесь изображены дисперсионные кривые, соответствующие различной мощности пласта, причем, область кривой с наименьшими скоростями соответствует так называемой фазе Эйри. При увеличении мощности пласта частота фазы Эйри снижается.
В рассматриваемом случае однородного строения массива по распределению скоростей вдоль штрека на одной неизменной частоте каналовой волны может быть произведена оценка соответствующего распределения мощности пласта. Так как на форму дисперсионной кривой оказывают влияние другие факторы, для оценки зарегистрированных результатов измерений требуются опыт интерпретатора и предварительные знания о геологическом строении исследуемого участка пласта. Отдельные факторы могут отличаться и должны быть правильно интерпретированы.
На рис. 4 изображена типичная диаграмма зарегистрированных данных. По вертикальной оси отложены номера пунктов размещения сейсмоприемников в диапазоне от 510 до 550. Горизонтальная ось показывает запись, начиная от момента взрыва (0 мс) до 650 мс. На рисунке могут быть идентифицированы различные типы волн. Прямые Р-волны с наибольшей скоростью распространения вступают первыми в момент времени около 120 мс. Далее в области около 200 мс следует Б-волна. После нее следуют пластовые волны с ясно различимой фазой Эйри около 500 мс, которые характеризуются относительно малыми скоростями, высокими частотами и сравнительно большими амплитудами.
time [fflsj время [mcskJ
■ е-'." здсэшгс ■.vflvaэ I М/Удув
Пиве гамзоейьмоввлна Продольная СеЙСМОВОЛНЭ
А Й-Миув
Фаза Э^рп Поперечная сеисмоаолча
Рис. 4. Типичные результаты регистрации подземных сейсмических данных
Рис. 5. Реконструкция дисперсионных кривых с помощью техники множественной фильтрации
Реконструкция двух различных дисперсионных кривых, полученных обработкой результатов сейсмической съемки в одном и том же пласте, но при распространении через различные области, представлена на рис. 5. Здесь отчетливо проявляется зависимость частоты фазы Эйри от мощности пласта. При мощности пласта около 1,0 м, частота спектрального максимума равна 950 Гц. Она уменьшается в этом случае до 800 Гц при мощности пласта 1,3 м. 148
При выборе мест расстановки источников и приемников различают, в основном, две схемы, изображенные на рис. 6. В методе проходящих волн места источников располагаются в штреке подготовленного блока, а приемники располагаются вдоль штрека, находящегося с противоположной стороны. Волны распространяются от источника к приемнику через угольный пласт. При такой схеме дисперсионный анализ является
а)
Transmission Прямое прохождение волны
Blaster gjitorY быра&атка с Нст<?чни«с>м взрыва
б)
Reflection Метод отражённых волн
д
BlaTiEEr я пи I:■■: ■::М п■ Ц истмищ Н
<-300' Seam Thickness <-300 * мощность лласта
2-С отл ро п е п t G ео р h о п е 2-Компонентный Сейсмоприемник
Blaster Взрывная машинка
% -100 " Seam Thickness £ -100 * мощность пласта
Blaster
Взрывная машинка
Fault Нарушение /._ -
2-Компонентный сейсмоприемник Рис. 6. Размещение приемников сейсмосигналов при использовании методов проходящих (а) и отраженных (б) волн
Таблица 1
Основные даты/ развития пластовой сейсмики в фирме «ОМТ-Немецкие горные технологии»
Год Событие
1955 Первые наблюдения каналовых волн в Новой Зеландии
1960 Начало пластовой сейсмики в Германии (сбор аналоговых данных)
1978 Измерения каналовых волн путем цифровой записи данных и специального соединения геофонов (MDH 01, TI), 24-канальные системы с длинными аналоговыми кабелями
1982 SEAMEX 80 (DMT), система, состоящая из 1-канальных телеметрических блоков, 12 бит
1985 SEAMEX 85 (DMT), система, состоящая из 2-канальных телеметрических блоков, 20 бит
1995 SUMMIT UT (DMT), система, состоящая из 2-канальных телеметрических блоков, 24 бит
2010 SUMMIT II Ex (DMT), система, состоящая из 2-канальных телеметрических блоков, разрядность 24 бит, европейский сертификат ATEX, центральная станция на базе Windows с 15-дюймовым цветным дисплеем
2012 К этому времени DMT реализованы более чем 400 проектов с использованием пластовой сейсмики в Германии, Англии, Испании, Польше, Чехии, Китае, России, Украине, Казахстане, Мексике, Южной Корее.
основным звеном оценки, в результате которой все области малой мощности классифицируются по виду нарушения. В методе отраженных волн источники и приемники размещаются в одном и том же штреке.
Сейсмические волны в этом случае отражаются от искомого нарушения. Таким образом, посредством оценки отраженных сигналов могут быть могут быть определены как положение отражателя, так и вид нарушения.
Рис. 7. Измерения методом проходящих волн на шахте Воргашорская, схема шахты и геологический разрез
Рис. 8. Места расположения взрывных источников (4-45) и позиции сейсмо-приемников (1-12)
Рис. 9. Схема путей распространения волн всех использованных комбинаций источник-приемник
б)
г)
Рис. 10. Классификация дисперсионных кривых с точки зрения качества прохождения сейсмоволны через пласт, а...г - переход от хорошего к плохому качеству
Рис. 11. Области хорошего (1) и плохого (2) распространения каналовых волн в пласте
развитием измерительной аппаратуры могут быть получены достоверные знания из измерительных данных. В табл. 1 приведен краткий исторический обзор основных дат развития приборной базы пластовой сейсми-ки в фирме «DMT-Немецкие горные технологии».
Пример шахтных измерений на шахте «Воргашорская» ОАО «Воркутауголь»
Рассмотрим использование метода проходящих волн на примере измерений на шахте Воргашорская, которые были проведены в штреке 813ю 10
Обработка и интерпретация пластовых волн предусматривает использова ние малозашумленых данных с большим февраля 2010 г. Здесь помимо боль-динамическим диапазоном. Только с ших нарушений «5» и «Сг1» осуществ-
лялся также поиск областей с возможными аномалиями. В особенности нужно было выяснить, проходит ли нарушение «5» (рис. 7) от восточного вентиляционного бремсберга (в верхней части схемы) до западного добычного бремсберга (в нижней части схемы).
На рис. 8 представлены места размещения источников в вентиляционном и добычном штреках с шагом 10 м, а также сеймоприемников в северном штреке с шагом 30 м и в добычном бремсберге с шагом 20 м. Всего было произведено 45 взрывов, зарегистрированных 12 геофонами. На рис. 9 показаны пути распространения волн от источников к приемникам во всех комбинациях.
Распространение каналовых волн
осложняется наличием неоднородно-стей в пласте вплоть до полного затухания. Степень «нарушенности» дисперсионной кривой позволяет сделать первые качественные заключения о степени нарушения пласта. Если «теоретический ход» этих кривых явно прослеживается на всех частотах (рис. 10, а), то можно сделать вывод об отсутствии каких-либо нарушений между источником и приемником сейсмосигнала. Если же дисперсионная кривая почти не прослеживается (рис. 10, г), это означает, что на этом пути находится значимое нарушение. Конечно же, существуют и промежуточные ступени, примеры которых приведены на рис. 11, б и в.
Рис. 12. Результаты томографической оценки вклада каналовых волн
Рис. 13. Интерпретация результатов измерений: 1
— крайнее положение лавы; 2 — нарушения, в основном, отсутствуют, проблем при выемке не ожидается; 3 — обнаружены две аномальные зоны; 4 — аномальная зона 1, сужение пласта от 2,8 м до 2,5 м, подтверждено при последующей отработке; 5 — аномальная зона 2, сужение пласта; 6 — окончание основного нарушения «5»; 7 — обнаруженное нарушение
На рис. 11 представлена схема расположения областей хорошего и плохого распространения сейсмоволн через пласт. Кроме того, здесь отмечено положение нарушения, обнаруженного с помощью бокового отражения на измерительной стоянке геофона в01 при взрывах в пунктах от Б31 до Б45.
Измерения показали хорошее или слегка ослабленное прохождение волн через большую часть пласта (рис. 11). При наблюдении в очистном бремсберге отмечена аномалия, проходящая через нарушение Восток-Запад в направлении на Северо-Восток. Эта аномалия обозначена как «Аномалия 2». В южной части исследуемого массива вблизи вентиляционного бремсберга обнаружена вторая аномалия, обозначенная как «Аномалия 1».
Обе аномалии отличаются сильно нарушенным прохождением каналовых волн. За исключением нарушения «С21» все остальные нарушения не ухудшают значительно прохождение каналовых волн.
Лаже упомянутые выше волны бокового отражения, ослабленные после своего отражения и прохождения через нарушение в направлении Восток-Запад, были зарегистрированы станцией в01 в северной части исследуемой области.
На рис. 12 показаны результаты томографической оценки строения пласта с помощью метода ка-наловых волн. В областях аномалий 1 и 2 измеренные скорости заметно выше, чем в других: до 1400 м/с в аномалии 1 и до 1600 м/с в аномалии 2. Это указывает на изменение мощности пласта, предположительно обусловленное сингенетически.
Аномалия, ограниченная с южной стороны нарушением «С21», имеет очень низкие значения скоростей распространения до 800 м/с, что сомнительно. Объяснением этой аномалии является неравномерность плотности излучения по причине применяемой геометрии измерений. Многочисленным источникам, расположенным вдоль вентиляционного бремсберга с расстояниями между ними 10 м, соответствуют всего 6 регистрирующих станций с расстояниями 20 м между сейсмоприемниками. Обычное объяснение пониженных величин скоростей распространения большей мощностью пласта в данном случае не
подходит. При внимательном рассмотрении отдельных значений измерений (входных даннык томографической инверсии) можено увидеть, что минимальные значения скоростей наблюдаются в северо-восточной части участка измерений, где пласт имеет наибольшую мощность. При этом неравномерная плотность сейсмического излучения усиливает эффект пониженных скоростей. Рис. 13 иллюстрирует интерпретацию результатов измерений прохождения каналовых волн и томографической обработки.
В области аномалии 1 (на юго-востоке) ее возможными причинами являются сингенетические изменения, такие, как, сужение, возможно, пережим и прослойки пласта, возможно также влияние горных работ, как, например, в добынном бремсберге южнее области измерений. Вероятно, существует также связь этого проявления в южном бремсберге с аномалией 1. После окончания очистных работ в области аномалии 1 было подтверждено уменьшение мощности пласта от 2,80 до 2,50 м.
Так как очистной забой не дошел до вновь обнаруженного нарушения и до аномалии 2, к сожалению, результаты интерпретации не были подтверждены непосредственным наблюдением.
В области аномалии 2 ее причиной является уменьшение мощности пласта, там установлено ее локальное уменьшение до 2,28 м с выходом в бремсберг.
Положение нарушения, явившегося причиной бокового отражения, установлено на расстоянии от 60 до
80 м южнее нарушения в направлении Восток-Запад и оно накладывается на нарушение «C21», проходящее на Северо-Восток. В месте пересечения обоих нарушений они заканчиваются, либо нарушение «C21» скачкообразно уменьшает свой сброс. Нарушение «C21» не выходит за пределы нарушения Восток-Запад. Величина сброса «нового» нарушения оценивается как половина мощности пласта. Здесь наблюдаются как отчетливые отражения, так и хорошее прохоже-ние каналовых волн.
Нарушение Восток-Запад под номером 5 в центральной области пласта не было подтверждено. Кроме того, не отмечено его влияния на боковые отражения. Величина сброса этого нарушения скорее всего, незначительна, если он вообще имеет место. Это означает также, что величина сброса 1,1 м в вентиляционном брем-сберге к Западу должна уменьшаться.
Как показали результаты съемки, оставшийся участок области измерений в штреке 813-ю нарушений не имеет.
Я благодарю г-на Вольфганга Шотта (DMT GmbH & Co. KG) за обработку и интерпретацию результатов сейсмических съемок на угольных шахтах в Воркуте, представленных в этой статье. Кроме того, я благодарен исследовательской группе, возглавляемой руководителем отдела новой техники Воркутауголь А. Вью-никовым, которая оказала значительную поддержку при подготовке и сейсмических измерениях в трех пластах. гттш
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Фолькер Шепе — дипломированный геофизик, технический специалист отдела геоинструментов фирмы «ОМТ-Немецкие горные технологии», е-шаП: [email protected].
