CC BY
42
© И.А. Санфиров, А.И. Бабкин, 2007
УДК 550.834
И.А. Санфиров, А.И. Бабкин
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ШАХТНЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ВЕРХНЕКАМСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ КАЛИЙНЫХ СОДЕЙ
Семинар № 3
Крупнейшее в Европе Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС) располагается в средней части Предуральского прогиба. Месторождение интенсивно разрабатывается с 1929 г., и значительная его часть находится в пределах жилой застройки и крупных промышленных предприятий городов Березники и Соликамск [3]. В связи с этим особое внимание уделяется предотвращению возможных аварийных ситуаций, связанных с ведением горного производства.
Возникновение аварийных ситуаций на калийных рудниках обусловлено несоответствием параметров ведения горных работ конкретным горно-геологическим условиям разработки. В этой связи необходимо постоянное и своевременное пополнение горно-геологических данных на всех стадиях разработки месторождения. Оперативное решение данной задачи возможно только за счет привлечения геофизических методов. Выбор метода обуславливается особенностями геологического строения объекта изучения.
Сложное геологическое строение (тонкая слоистость, наличие интенсивной складчатости пластов, значительная горизонтальная и латеральная изменчивость скоростей распростра-
нения упругих волн) предопределяет применение метода отраженных волн (МОВ) по методике общей глубинной точки (МОГТ) [6]. Реализация сейс-моакустических наблюдений из горных выработок повышает информативность МОГТ. Этому способствует улучшение разрешающей способности метода за счет увеличения частотного состава регистрируемого волнового поля, отсутствие рыхлых приповерхностных отложений и, следовательно, интенсивного поглощения сейсмической энергии.
Методические особенности сейсморазведочных исследований МОГТ во внутренних точках среды (в горных выработках) обусловлены различием условий регистрации, направлением распространения упругих волн, пространственным расположением и размерами поисковых геологических объектов, их акустической контрастностью. Важное значение имеют горнотехнические условия проведения наблюдений (геометрия выработок, наличие выработок в непосредственной близости от линии наблюдений, литологический состав вскрытого пласта и пр.)
Наибольшая информативность шахтных сейсмоакустических методов может быть достигнута только путем решения методических вопросов оп-
тимального выбора параметров систем регистрации. При этом необходимо учитывать возможность регистрации волн различных классов и типов. Использование волн различных классов значительно увеличивает круг решаемых поисково-геологических задач и позволяет проводить исследования в ограниченных горнотехнических условиях. Регистрация разнотипных волновых полей и их дальнейшая совместная интерпретация дает возможность решения более тонких задач, таких как: определение некоторых физико-механических характеристик разрабатываемого горного массива, литологического состава, наличия очагов газового скопления. Имеют значение и методические решения практической реализации сейсмоакустических наблюдений в условиях горной выработки: ориентация сейсмоприемников, направление излучения упругих колебаний, взаимное расположение линий возбуждения и сбора данных.
Основными характеристиками систем регистрации являются: минимальное удаление пункта возбуждения (ПВ) от пункта приема (ПП) - Хтп; максимальное удаление ПВ от ПП -Хтах; расстояние между ПВ - ДХПВ; расстояние между ПП - АХПП.
При решении той или иной задачи критерием успешного получения достоверного материала является соответствие размеров излучаемого объекта и разрешающей способности применяемого метода. На последнюю существенное влияние оказывает оптимальный выбор параметров интерференционных систем наблюдений [4]. Выбор параметров систем регистрации МОГТ осуществляется на основании следующих положений: 1) Хтп не должен превышать глубины ближайшей целевой границы - Нтп; 2) Хтах сравнимо с глубиной дальней
целевой границы - Нтах; 3) АХпв выбирается в соответствии с необходимой кратностью наблюдений; 4) ДХпп должно быть больше радиуса корреляции случайных шумов, но меньше Б длины волны - X, при этом следует учитывать предельные размеры поисковых объектов - г в соответствии с диаметром первой зоны Френеля (г=аф/2).
В качестве примера решения методического вопроса выбора оптимальной системы наблюдений во внутренних точках среды приведем результаты опытных работ [2]. В пределах одного профиля применялись две систему регистрации: 1) традиционная для шахтной сейсморазведки -Хтп = 2 м, Хтах = 12 м, ДХпВ= ДХпп=2 м; 2) новая, отличающаяся только шагом пунктов приема -ДХпп=1 м. Параметры записи для обеих систем единые. Обработка и интерпретация выполнялись по огибающей акустического сигнала. Волновые картины первой и второй частей профиля (рис. 1) различаются по частоте и динамической выразительности. Преобладающая частота второй части выше в 1,5-2 раза (рис. 2).
Причина смещения амплитудного спектра в сторону высоких частот связана с уменьшением интервала между ПП. Если оптимальным для регистрации определенных преобладающих частот волн является система наблюдений с шагом ПП равным Б X, то для первой части профиля (ДХпп=2 м) при скорости распространения упругих волн в солях 4000 м/с имеем преобладающую частоту 1 кГц. Следовательно, при уменьшении ДХпп до 1 метра верхняя граница спектра регистрируемых колебаний смещается к частотам порядка 2 кГц, что наглядно иллюстрирует представленный рисунок (рис. 2, в). На основании этого следует, что для получения
І. мс
. >■ V,
Дп
• *»»>., •»**'• • • ,ъ* •* •*І*Г и**»*»1
,-. -*,.. ■■-*•*•..................................■ •
З Лк
,16
-і:-»..;- ?55~ .-і І"
_:^^=гт ая?аа°а^^«ая£5Т;
20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 130 140 150 160 170
ПК. м
Рис.1. Временной разрез МОГТ, полученный в горной выработке: а) ДХПп=2 м;
б) ДХПп=1 м
разрешающей способности акустических наблюдений в соответствии с частотой посылаемого сигнала (10 -12 кГц) необходимо расположение датчиков с шагом < 0,1 м.
Однако увеличение частотного состава регистрируемых волн ведет к большей трудоемкости проведения акустических исследований. В данной ситуации для решения требующих высокой детальности задач, теоретически обоснована и методически реали-
зована следующая технология проведения сейсмоакустических исследований: На первом этапе, для решения конкретных горно-геологических задач в выработках выполняются сейсморазведочные исследования с применением традиционных для шахтных наблюдений систем регистрации. Это позволяет изучать весь интересующий интервал ВЗТ в пределах значительных площадей шахтных полей. На отдельных участках с признаками
Таблица 1
Параметры системы наблюдений
Сейсмические исследования Акустические исследования
Хтіп = 0 м; Хтіп = 1 м;
Хтах = 46 м; Хтах = 12 м;
АХПВ = АХПп = 2 м. АХПВ = АХПп = 1 м.
= 0,125 мс; А1 = 40 мкс;
Рис. 3. Согласование волновых полей в сейсмическом (а) и акустическом (б) диа пазоне частот
локальных геологических неоднородностей, которые могут представлять определенную опасность нарушения целостности ВЗТ, проводятся акустические исследования. В данном случае акустические наблюдения позволяют детализировать геологический разрез и уточнить природу выявленных ранее аномалий.
Для иллюстрации работы данной схемы приведём результаты практических наблюдений, проведенных в пределах вскрытой при отработке пласта крупной складки (рис.3). На первом этапе применялась методика не-
продольного профилирования МОГТ в сейсмическом диапазоне частот. В рамках второго этапа выполнены исследования «Акусто-ОГТ». Типовые параметры применяемых систем наблюдений представлены в табл. 1.
Конечный результат цифровой обработки сейсморазведочных данных -временной разрез (рис. 3, а) характеризуется преобладающими частотами порядка 300-400 Гц. В интервале пикетов 360-405 на представленном фрагменте сейсмического временного разреза наблюдается аномалия волнового поля, которая согласуется в
Рис. 4. Волновые поля МСП на проходящих (а) и отраженных (б) волнах
плане со вскрытой складкой. Согласно волновой картине сейсмического временного разреза складка не распространяется дальше подошвы покровной каменной соли. В целях более точной ее пространственной локализации проведены дополнительные исследования аномальной зоны в акустическом диапазоне частот (рис. 3, б).
Акустический временной разрез с преобладающими частотами порядка 1,5 кГц представлен в едином с сейсмическим разрезом масштабе. На нем уверенно выделяется ряд дополнительных отражающих горизонтов. Кроме того, акустические исследования позволили более точно определить пространственную ориентацию оси складки.
Конкретные геолого-геофизичес-кие особенности разрабатываемых месторождений и горнотехнические условия диктуют выбор той или иной методики шахтных сейсмоаку-стических исследований, базирующейся на использовании того или иного класса волн.
Так для метода сейсмического просвечивания (МСП) основной является информация о времени прихода проходящих через исследуемый объект волн. Наиболее эффективно применение МСП при наличии доступа с нескольких сторон исследуемого массива. Как показывает практика горного производства такая благоприятная ситуация складывается крайне редко. Чаще всего имеются лишь две разведочные выработки, что значительно сужает информационные возможности МСП. В подобных случаях достоверная пространственная локализация аномалеобра-зующих объектов проблематична. Если горнотехнические условия проведения геофизических исследований ограничиваются одиночной вы-
работкой, вообще невозможно применение МСП в подобном варианте.
В этой связи, дополнительные технологические возможности раскрываются при реализации МСП на отраженных волнах. Неоспоримым премуществом подобной реализации МСП является возможность проведения исследований массива при доступе хотя бы в одну выработку.
При МСП на отраженных волнах все скоростные аномалии исследуемого массива, вызванные наличием участков пород с измененными литологическими или физико-механическими свойствами будут проявляться в виде дополнительных отражающих элементов на окончательном временном разрезе.
Данное положение подтверждено практическими экспериментами [1]. Изучался массив между двумя параллельными штреками. В ходе исследований проведены традиционные работы МСП на проходящих волнах и впервые на отраженных. Конечный результат в виде волновых полей представлен на рис. 4.
Анализ даже только одних волновых картин показывает большую информативность временного разреза отраженных волн (рис. 4, б). Наряду с четким отражением от противоположного штрека однозначно выделяется аномальная зона с элементами дифракции в пределах пикетов 50 - 62 и времен от 6 до 37 мс, пространственная локализация которой достаточно уверенна. Значительное затухание сигнала в области тени от данной аномалии предполагает высокие поглощающие свойства. Проведенные позже очистные работы показали, что данная аномалия, как и предполагалось, вызвана наличием газо-насыщенной зоны.
Значительное повышение достоверности интерпретационных выводов при поиске подобных образований возможно за счет совместного изучения закономерностей распро-
Рис. 5. Сейсмограмма, регистрируемая продольными
сейсмоприемниками в горной выработке.
Области: I - присутствия записи; II - высокого уровня поверхностных волн; III - низкого уровня регулярного сигнала; IV - благоприятная для регистрации полезного сигнала
странения разнотипных волн. Кроме того, подобный подход обеспечивает возможность получения дополнительных, важных физических параметров породного массива - коэффициента Пуассона и отношения скоростей продольных и поперечных волн (у).
При разработке полевой технологии многоволновых сейсморазведочных исследований традиционно возникает вопрос аппаратурного обеспечения процессов возбуждения и приема разнотипных сейсмических колебаний. Методической особенностью сейсморазведочных исследованиях МОГТ в подземных выработках ВКМКС является возможность одновременной регистрации на полевых сейсмограммах как продольных так и поперечных волн с интенсивностью, достаточной для их дальнейшей совместной интерпретации [7]. Основанием этому является анализ исходных регистрируемых волновых полей (рис. 5). Данное явление происходит благодаря образованию обменной волны
Рис. 6. Проявление газонасыщенных зон на временных разрезах (а), распределениях комплексного параметра (б) и параметра у (в)
БЭР в непосредственной близости нейшей цифровой обработки заре-от приемной линии на границе «це- гистрированного совокупного вол-лик - выработка». В процессе даль- нового поля отраженных волн осу-
ществляется селективное разделение разнотипных отражений.
На рис. 6 представлены результаты практических многоволновых сейсмоакустических исследований в верхнее полупространство горной выработки при поисках возможных очагов газонасыщения. По особенностям структуры волновых картин на разрезах продольных и поперечных волн выделяется по два участка (рис. 6, а). Изменения физических свойств массива в пределах выделенных зон оцениваются по согласованности поведения когерентности, частоты, интенсивности и эффективных скоростей для каждого типа волн. Суммарное проявление данных параметров представлено в пространственно-временном распределении комплексного параметра (рис. 5, б) [5]. Области повышенных значений параметра для продольных волн в данном случае увязываются с газонасыщением массива. Для поперечных волн связь менее однозначная, поскольку влияние литологического фактора может преобладать.
Повышенные значения комплексного параметра Б-волн выходят за пределы первого аномального участка и распространяются вверх по разрезу. Проявление данной аномалии только для поперечных волн может быть связано с литологическими изменениями слагающих раз-
1. Бабкин А.И. Новые интерпретационные возможности метода сейсмического просвечивания за счёт использования отраженных волн// Проблемы горного недро-ведения и системологии. Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь, 1999. С. 5-9.
2. Бабкин А.И. О необходимости согласования параметров интерференци-
рез пород. В ряде случаев изменение состава отложений, например -повышение глинистости, более дифференцировано влияет на значения скоростей распространения упругих поперечных волн.
Важная дополнительная информация для интерпретации аномалий волновой картины содержится в поведении параметра у (рис. 5, в). Распределение у с учетом результатов скоростного анализа, представлено в масштабе глубин. Повышенные значения у сосредоточены в верхних частях аномалий по продольным волнам. Подобное наложение позволяет с большей уверенностью говорить о газонасыщенности данных участков. Зоны повышенных значений у, несовпадающие с волновыми аномалиями, могут быть обусловлены изменением литологического состава без нарушения структуры геологического разреза.
Представленные исследования иллюстрируют основные методические особенности реализации шахтных сейсмоакустических исследований на рудниках ВКМКС. Их применение позволяет определить строение и свойства геологических неоднородностей. Результаты исследований учитываются при формировании планов горных работ и используются в качестве исходной информации для геомеханических расчетов параметров их ведения.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
онных систем наблюдений с частотным составом излучаемого волнового поля// Комплексное освоение недр Западного Урала. Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь, 1998. С. 113-114.
3. Кудряшов А.И. Верхнекамское месторождение калийных солей. Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. 429 с.
4. Мешбей В.И. Mетодика многократных перекрытий в сейсморазведке. Mосква: Недра, 1985. 2б4 с.
5. Пригара А.М., Санфиров И.А. Использование динамических характеристик сейсмических записей для уточнения прочностных характеристик массивов горных пород/ Горное эхо, Пермь: ГИ УрО РАН, №3 (9), 2002. с. 31-33.
6. Санфиров И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. 168 с.
7. Санфиров И.А., Бабкин А.И., Сальников А.П. Контроль состояния горного массива методом многоволновой шахтной сейсморазведки/ Горный Вестник, Москва: Академия горных наук, институт горного дела им. А.А. Скочинского, №6, 1998. с.94-99. ЕШЗ
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------
Санфиров И.А. - доктор технических наук, заместитель директора по научной работе, Горный институт Уральского отделения Российской академии наук, Пермь,
Бабкин А.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Горного института Уральского отделения Российской академии наук, Пермь.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 3 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Л. Шкуратник.
---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ДУБЕЙКОВ- CKИЙ Оганислав Густавович Закономерности формирования инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых Урала и Приуралья 25.00.08 д.г.-мн.н.
