CC BY
20
© С.Б. Алиев, Б.М. Кенжин,
Ю.М. Смирнов, Н.Л. Разумняк, К.К. Кушеков, 2012
С.Б. Алиев, Б.М. Кенжин, Ю.М. Смирнов, Н.Л. Разумняк, К.К. Кушеков
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА И ВИБРАЦИОННО-СЕЙСМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
Рассмотрены результаты сейсмоакустических исследований с применением импульсного источника и вибрапионно-сейсмического модуля. Ключевые слова: сейсмогеологическая модель, каналовые волны, сейсмический прогноз, тектонические нарушения.
Л ля проверки правомочности результатов компьютерного эксперимента и достоверности основных рекомендаций, полученных в результате аналитических исследований физических процессов, протекающих при мониторинге уг-лепородного массива в производственных условиях проведена установочная серия опытов.
Серия экспериментов проведена в лаве 43-к7-В по пласту к7 мощностью Н = 5,17 м шахты «Майкудукская» угольного департамента АО «Арселор Миттал-Стил» г. Темиртау. Работы проведены по стандартной методике проведения шахтных геофизических исследований с использованием цифровой измерительной системы МОСБ(Германия).
Для регистрации параметров применялись двухкомпонент-ные геофоны этой же фирмы. При этом Х-компонента ориентирована перпендикулярно оси горной выработки, а У-компонента — вдоль оси. Это позволяет в одной точке приема одновременно регистрировать Релеевскую (Х-компонента) и Ёявовскую (У-компонента) составляющие каналовой волны.
Схема проведения установочной серии опытов показана на рис. 1.
Исследования параметров волнового поля проводились при возбуждении и регистрации упругих колебаний в шпурах, пробуренных на глубину 1,5—2,0 м, как в центральной, так и в верхней части пласта.
О 10 20 30 40 50
Рис. 1. Результаты сейсмоакустических работ по пласту К7: 1, 2 —
горные выработки, в которых проводились сейсмоакустические исследования с нанесенными геофонами и пунктам взрыва; 3 — нарушения по шахтной документации
В качестве импульсного источника для возбуждения колебаний применялись взрывы патронами 12 ЦБ весом 200 г с глиняной и гидрозабойкой шпуров в конвейерном штреке лавы (точки I, II и III, рис. 1). Прием колебаний осуществлялся одновременно 12 геофонами, расположенными через 10 м. При этом первые(1—12) 12 каналов сейсмостанции МОСБрегист-рировали Лявовскую (У-компоненту), а последующие (13—24) 12 каналов — Релеевскую (Х-компоненту) составляющие кана-ловой волны. В дальнейшем рассматривается только Лявовская составляющая (У-компонента) [1, 2].
На рис. 2 показана сейсмогеологическая модель пласта к7 для данного участка (а), дисперсионные кривые групповой скорости волнового пакета (б) и амплитудные спектры (в). Из дисперсионных кривых следует, что скорости фазы Эйри \и II моды практически одинаковы и равны 900 м/с, а частота фазы Эйри I моды равна 150 Гц и II моды — 250 Гц.
При производстве работ горной выработкой лавы 43-к7-В встречено тектоническое нарушение амплитудой 1,3 м, которое проходит между 6 и 7 геофонами. Поэтому можно считать,
а
40 120 200 280 360 440 /, 1ц
50 100 150 200 250 300 350 400 450 /, Гц
Рис. 2. Характеристики пласта ку: з сейсмогеологическая модель, о дисперсионные кривые, в — амплитудные спектры
что 7—12 геофоны регистрировали волновой пакет в ненарушенном пласте, а 1—6 геофоны — через нарушение с относительной амплитудой, равной Аотн. = 1,5/5,17 = 0,28 Ну. В связи с этим дальнейшие исследования базировались на сравнении параметров волнового пакета, зарегистрированных в ненарушенной (7—12 каналы) и нарушенной (7—6 каналы) части пласта при различном положении источника и приемника.
На первом этапе проведен визуальный анализ сейсмограмм волнового пакета на открытом канале, который заключался в выделении на сейсмограммах цугов боковых (первые вступления) и каналовых волн, определении амплитуды, длительности цуга и скорости распространения этих волн. Из анализа следует, что при возбуждении и приеме упругих волн, как в верхней части, так и в центре пласта практически наблюдаются одинаковые сейсмограммы [3].
Анализ амплитудных спектров показывает, что при возбуждении и регистрации упругих волн в верхней части пласта спектр каналовой волны становится более высокочастотным. Это можно объяснить увеличением роли второй моды в формировании каналовой волны. Более низкочастотные спектры каналовой волны по сравнению с теоретическими объясняются влиянием затухания упругих волн.
На третьем этапе исследования была проведена фильтрация сейсмоакустических записей с целью выделения на сейсмограммах мод каналовых волн. При этом частотный диапазон фильтрации первой моды равен 70—150 Гц, а для второй моды — 120—150 Гц.
Одним из критериев выделения зон нарушений, часто используемых на практике при визуальной обработке и интерпретации сейсмоакустических данных, является отношение амплитуд максимума огибающей цуга каналовых (Ак) и боковых (Аб) волн. Величина отношения А/ Аб> 1 соответствует ненарушенному (или малонарушенному) пласту, а отношение А/ Аб< 1 соответственно — зоне нарушения. При этом на практике применяется качественная оценка амплитуды нарушения, чем меньше отношение (А«/ Аб< 1), тем больше амплитуда нарушения.
На рисунке 3 показаны графики отношений амплитуд максимально огибающей цугов боковой (Аб) и каналовой волны первой (А1 и второй (А2) мод, полученных соответственно после фильтрации 70—150 Гц (первая мода) и 120—150 Гц (вторая мода).
Из графиков видно, что отношение А2 /Аб для первой моды всегда больше 1 и не зависит от расположения пунктов удара и регистрации в пласте (центр пласта — рис. 3, а, верхняя часть пласта — рис. 3, б). Это говорит о том, что мода ка-наловой волны в натурных условиях играет основную роль в формировании каналовой волны. Анализ показывает, что первая мода практически «не чувствует» зону нарушения (ПП 1—6 и 7—12).
Для второй моды каналовой волны при возбуждении и регистрации в центре пласта отношениеА2 / Аб меньше 1 как в нарушенной, так и в ненарушенной части пласта (рис. 3, в). При расположении пунктов удара и приема в верхней части пласта амплитуда цуга второй моды возрастает, а отношение А2/ Аб
Рис. 3. График отношений амплитуд каналовой и боковых волн для первой (а, б) и второй (в, г) мод: а — центр пласта, б — верхняя часть пласта, ПП — пункты приема
в нарушенной и ненарушенной части пласта имеет разный характер (рис. 3, г). В ненарушенной части пласта (ПП 7—12) отношение А2 / Ао больше 1, а в нарушенной (ПП 1—6) она меньше 1. Отсюда следует, что возбуждение второй моды в пласте существенным образом зависит от расположения пунктов удара и приема и она более «чувствительна» к малоамплитудным нарушениям, чем первая мода.
Одним из критериев эффективности прогнозирования является соотношение амплитуд второй и первой мод каналовой волны. На рис. 4 показаны графики отношений при возбуждении и регистрации упругих волн в верхней части пласта. Из графиков видно, что величина отношения А2 / А\ в нарушенной части пласта (ПП 7—12) существенно превышает ее значение в ненарушенной части пласта (ПП 1—6). При этом следует отметить, что в ненарушенной части пласта отношение А2/ А\ < 1,в отличие от теоретических. Это можно объяснить большим затуханием высокочастотной второй моды, чем низкочастотной первой моды каналовой волны.
Сравнение скорости максимума огибающей первой и второй мод показало, что они практически одинаковы как в нарушенной, так и ненарушенной части пласта.
Подтверждение результатов сейсмического прогноза горными (очистными) работами показали возможность практического применения сейсмоакустических исследований для выявления в угольных пластах малоамплитудных тектонических нарушений (до 0,5 Нпл).
Всего с помощью цифровой измерительной системы МЭвБ исследовано 45 объектов. Из них порядка 66 % (30 объектов) на угольных пластах (к1, к7, к10, к12, д6). При этом основным сейс-моакустическим методом исследования является метод отраженных волн в модификации общей глубинной точке, которым изучено 35 объектов или 77 %. Остальные 23 % исследованы с помощью комплекса методов отраженных волн и сейсмоакустиче-ского просвечивания. Это связано с тем, что основной задачей был перспективный прогноз нарушений больших участков шахтных полей из одиночных горных выработок. Такой прогноз позволяет шахтам своевременно и эффективно решать технологические задачи раскройки шахтного поля. Только при наличии дополнительной горной выработки, оконтуривающей исследуемый объект, применялся метод сейсмоакустического просвечивания.
а2/а
и 123456789 10 11 12
а2/а,
12 34 56 78 9 10 11 12
/Ач--------
Рис. 4. График отношений амплитуд второй и первой мод канало-вой волны
На рис. 5 показана схема сейсмоакустических исследований методом просвечивания на шахте им. Костенко (в лаве 42-к7-В). Сейсмогеологическая модель пласта К7 и теоретические дисперсионные кривые групповой скорости приведены на рис. 6, з, о. Возбуждение упругих колебаний проводилось в вентиляционном бремсберге в шпурах глубиной 2 м, пробуренных как в центре, так и в верхней части пласта. В качестве источников использованы патроны 12ЦБ весом 200 грамм. Возбуждение упругих колебаний проводилось в 12 пунктах возбуждения (ПВ № 1—12), что позволило «просветить» весь исследуемый участок лавы с шагом 50 м. При этом в каждом пункте возбуждения (ПВ) источник располагался в центре и в верхней части пласта.
Упругие колебания регистрировались в вентиляционном бремсберге 42-к7-В двухкомпонентными геофонами, расположенными в шпурах глубиной 2 м, пробуренных в верхней части пласта. Расположение штреков выбиралось таким, чтобы
Рис. 5. Результаты сейсмоакустических работ на шахте им. Костен-ко, лава 42-Кт-В. Пласт к7: 1 и 2 — горные выработки, в которых проводились исследования с нанесенными геофонами и пунктами взрыва; 3 — нарушения по шахтной документации; 4 — нарушения по сейсмоакустическим данным
веера просвечивания для каждого источника были более или менее одинаковыми. Длина базы приема равна 55 м (12 геофонов через 5 м).
Принятая схема возбуждения и регистрации колебаний позволили создать оптимальные условия для формирования первой (источник в центре пласта) и второй (источник в верхней части пласта) каналовой волны в указанном угольном пласте.
я
2000
loool_____
100 200 JOO 400 f, Гц
100 200 300 Г, Гц 100 200 300 f, Гц
Рис. 6. Сейсмогеологическая модель пласта к7 шахты им. Костенко:
а — дисперсионные кривые; б — амплитудные спектры сейсмограмм при возбуждении упругих колебаний в центре (в) и в верхней части пласта (г)
Для определения диапазона полосовой фильтрации с целью выявления первой и второй моды каналовых волн проведен спектральный анализ сейсмических трасс. На рис. 6, в, г показаны амплитудные спектры сейсмограмм, зарегистрированных при возбуждении упругих колебаний в центре (в) и верхней части (г) пласта. Как видно из рисунков во втором случае спектр сейсмоакустических колебаний более высокочастотный. Анализ дисперсионных кривых групповой скорости первой и второй мод каналовой волны (рис. 6, а, б) и амплитудных спектров (рис. 6, в, г) позволяет сделать вывод, что для первой моды характерен частичный диапазон 60—180 Гц, а для второй — 200—400 Гц.
На следующем этапе обработки произведена полосовая фильтрация сейсмических трасс в выбранном диапазоне частот. Исходя из этого, можно считать, что сейсмограммы, полу-
ченные при возбуждении колебаний в центре пласта и отфильтрованные в полосе 60—180 Гц, соответствуют первой моде каналовой волны. Сейсмограммы, полученные при возбуждении колебаний в верхней части пласта и отфильтрованные в полосе 200—400 Гц, соответствуют второй моде каналовой волны.
Таким образом, установлено, что первая мода каналовой волны уверенно регистрируется в ПВ 3 и 9 при расположении источника, как в центре, так и в верхней части пласта. При этом вторая мода ПВ3 не наблюдается в обоих случаях, а в ПВ9 она уверенно регистрируется при возбуждении колебаний в верхней части пласта и менее уверенно (маленькая амплитуда) — при возбуждении в центре. Таким образом, полученные результаты показывают, что первая мода всегда играет основную роль в формировании каналовой волны независимо от расположения источникам, а вторая мода проявляется существенным образом при расположении источника в верхней части пласта.
Отсутствие второй моды в ПВ3 при возбуждении колебаний в верхней части пласта можно объяснить нарушением угольного пласта амплитудой 1,5 м, встреченного монтажной камерой 42-к7-В. Амплитуда этого нарушения относительно мощности пласта ( Кпл = 4,5) равна 0,33.
Для выявления малоамплитудного тектонического нарушения рассчитаны коэффициенты к, к1 и к2, характеризующие отклонение динамических параметров (амплитуды максимума огибающей цуга боковых и каналовых волн): AAA
К = А ; К, = A ; К 2 = А,
А 1 А6 2 Аб
где А1 — амплитуда максимума огибающей первой моды каналовой волны; А2 — амплитуда максимума огибающей второй моды каналовой волны; Аб — амплитуда максимума огибающей боковой волны.
Коэффициенты к, к1 и к2 определялись для каждого сейсмического луча, а для каждого пункта взрыва с целью исключения влияния условий приема и возбуждения проводилось осреднение путем расчета средних значений этих коэффициентов по вееру просвечивания от данного пункта взрыва, состоящего из 12 сейсмических лучей.
На рис. 7 приведены графики коэффициентов к, кг и к2 для пунктов взрыва ПВ 1—12. Анализ графиков показывает различный характер зависимости коэффициентов от пункта взрыва. Для коэффициента к наблюдается возрастание значений от ПВ 1 до ПВ 12 от 0 до 1,0. Это соответствует увеличению роли второй моды в формировании каналовой волны. Значения коэффициента кг по всему профилю ПВ больше единицы, что, согласно принятому на практике критерию, свидетельствует о хорошем прохождении первой моды каналовой волны через угольный пласт и соответственно об отсутствии нарушения пласта. Для коэффициента к2 характерно увеличение значений от 0 до 0,7 от ПВ 1 до ПВ 12. Это свидетельствует о постепенном возрастании энергии второй моды.
Анализ полученных графиков позволяет сделать следующие выводы:
• первая мода каналовой волны практически «не замечает» тектоническое нарушение амплитудой 0,33 Ипл • (кг > 1);
• вторая мода каналовой волны более «чувствительна» к мелкоамплитудным нарушениям (к2 ~ 0 при ПВ 1—4);
• наиболее информативными параметрами являются коэффициенты К и К2 ;
• критерием выделения тектонических нарушений амплитудой до 0,5 Нш является тенденция уменьшения коэффициентов к и к2;
• тектоническое нарушение, встреченное монтажной камерой, распространяется внутрь лавы с постепенным уменьшением амплитуды, о чем свидетельствует возрастание коэффициентов к и к2от ПВ 1 до ПВ 12.
Изучение кинематических параметров первой и второй моды показало, что скорость распространения максимума огибающей первой и второй моды практически одинаковы и равны порядка 1100 м/с.
Анализ амплитудных спектров указывает на их сложную форму, характеризующихся несколькими локальными максимумами, поэтому применение в качестве критерия изменения формы амплитудного спектра первой и второй моды, на практике довольно затруднительно. Амплитудные спектры можно использовать для определения наличия второй моды в канало-вой волне при возрастании доли высокочастотных составляющих в спектре. Применение спектрально-временного анализа (СВАН) для определения параметров фазы Эйри первой и второй моды каналовых волн показывает на трудности их практического использования, связанных со сложной волновой картиной, неоднозначностью выделения дисперсионных кривых первой и второй моды и повышенным требованием к квалификации интерпретатора. Поэтому в данном случае не применялись в качестве критериев отношения частот фазы Эйри и спектральных характеристик второй и первой моды.
Пройденная из монтажной камеры горная выработка конвейерного бремсберга 42-к7-В на расстоянии порядка 520 м встретила тектоническое нарушение амплитудой 0,3 м. Таким образом, горные работы подтвердили сейсмоакустический прогноз по данным метода сейсмического просвечивания.
Анализ вышеизложенных материалов показывает, что в качестве наиболее информативных критериев необходимо использовать коэффициенты к, к^и к2 (табл. 1).
Обработка шахтной сейсмоакустической информации состоит из нескольких этапов. Каждый этап в свою очередь состоит из отдельных подэтапов.
Таблица 1
Надежность коэффициентов к, к1 и к2 в процентах при выявлении нарушений различной амплитуды
0—0,1 0,1—0,3 0,3—0,5 0,5 1,0 > 1,0
223 325 478 158 123
Коэффициент к
0—0,3 6 76 93 100 100
0,3—0,5 33 21 16 - -
0,5—1,0 59 3 1 - -
1,0 2 - - - -
Коэффициент к1
0—0,5 - - 3 25 80
0,5—1,0 - - 15 70 20
1,0 100 100 82 5 -
Коэффициент к2
0,03 - 70 80 95 98
0,3—0,5 3 25 17 5 2
0,5—1,0 70 5 3 - -
1,0 27 - - - -
Предварительный этап обработки включает в себя следующие процедуры: демультиплексация (ДЕМ0Х) и редактирование шахтных сейсмических записей, составление паспорта (PAS, PASFRM) и формирование (COMPROF) профиля наблюдения МОВ ОГТ (или фиктивного профиля наблюдения для МСП). Эти процедуры обработки являются стандартными в системе СЦС-3.
На первом этапе на основе анализа горно-геологической информации строится сейсмологическая модель углепородного массива, характерного для данного участка пласта и проводится расчет теоретических дисперсионных кривых групповой скорости первой и второй модели. Расчеты проводились по программам, разработанным в ПНИУИ. На основе полученных дисперсионных кривых оценивается возможный диапазон изменения параметров фазы Эйри первой и второй модели каналовой волны для данного участка пласта.
На втором этапе проводится спектральный анализ сейсмических трасс (FREVIX). На основе совместного анализа теоретических дисперсионных кривых и спектров определяются диапазоны фильтрации для выделения первой и второй волн.
Отфильтрованные сейсмические записи определяются исходными данными для последующих этапов обработки.
При применении импульсного источника возбуждения упругих колебаний основная задача состояла в выявлении и обнаружении «полезных» волн, несущих информативные параметры об объекте исследования. Это достигалось путем применения специальных методов при проведении шахтных работ (накопление сигнала), и на этапе обработки путем фильтрации и других специальных программ.
Применение вибрационно-сейсмического модуля позволяет существенно увеличить эффективность сейсмоакустических исследований за счет подбора детерминированных параметров источника, а также увеличения параметров «полезных» сигналов, что позволит упростить стандартный граф обработки за счет уменьшения специальных программ.
Исследование участка пласта с помощью методов отраженных волн и просвечивания обработка сейсмоакустической информации начинается с метода просвечивания позволяет определить параметры первой и второй моды каналовой волны и использовать их при обработке и интерпретации данных. Последним этапом обработки в этом случае является комплексный анализ и интерпретация результатов обработки данных отраженных волн и просвечивания, что позволяет повысить информативность и достоверность сейсмоакустического прогноза нарушений угольного пласта.
Обработка метода отраженных волн включает в себя следующие основные этапы:
• гильберт-преобразования (HILB) отфильтрованных сейс-мотрасс с целью уменьшения влияния дисперсионных свойств каналовых волн на результаты суммирования по стандартному алгоритму общей глубинной точки (ОГТ) путем получения огибающих сейсмотрасс;
• суммирование сейсмотрасс по алгоритму ОГТ с вводом кинематических поправок (SUMI + KINVC). Кинематические поправки рассчитываются на основе сравнения теоретических дисперсионных кривых групповой скорости и скорости распространения прямой каналовой волны вдоль горной выработки, полученной по сейсмозаписям;
• анализ полученных временных разрезов, выделение на них осей синфазности, соответствующих отраженным волнам;
• построение глубинного разреза методом засечек.
Перечисленные выше этапы обработки в отличие от стандартного графа, проводятся параллельно для первой и второй мод каналовых волн.
Одним из последних этапов обработки метода отраженных волн ОГТ является совместный анализ временных и глубинных разрезов первой и второй мод каналовых волн, что позволяет однозначно выделить тектонические нарушения амплитудой до половины мощности пласта. Отражающие площадки, выделенные одновременно на глубинных разрезах первой и второй мод, соответствуют зонам нарушений с амплитудой более половины мощности пласта. Отражающие площадки, полученные на глубинных разрезах только второй моды, можно отнести к зонам нарушений амплитудой до половины мощности пласта.
На последнем этапе на основе результатов совместного анализа временных глубинных разрезов первой и второй мод каналовой волны и имеющейся горно-геологической информации проводится геологическая интерпретация полученных отражающих площадок и выдается сейсмический прогноз нару-шенности в виде заключения.
Схема обработки и интерпретации данных метода сейс-моакустического просвечивания показана на рисунке 8. Визуальный анализ отфильтрованных сейсмических записей проводится с целью выделения на сейсмограммах цугов (временных окон) боковых, каналовых (первая и вторая моды) и других типов волн, регистрируемых в пласте.
После этого проводится расчет амплитуды спектров, выделенных на сейсмотрассах боковых и каналовых (первой и второй моды) волн. Расчет спектров проводился по программе ГИБУК системы СЦС-3 путем задания соответствующих временных окон. На основе результатов визуального анализа и амплитудных спектров уточняется частотный диапазон первой и второй моды каналовой волны. При необходимости проводится повторная полосовая фильтрация исходных сейсмических записей в уточненном диапазоне и процедуры повторяются.
Одним из важных этапов обработки данных метода сейс-моакустического просвечивания является определение динамических и кинематических параметров боковых волн первой и второй моды каналовой волны, а также расчет коэффициентов, характеризующих соотношение параметров боковых, первой и второй мод, каналовых волн между собой.
Рис. 8. Граф обработки и интерпретации данных метода сейсмоаку-стического просвечивания
Основным этапом обработки данных метода сейсмоакусти-ческого просвечивания является комплексный анализ полученных коэффициентов, динамических и кинематических параметров каждой сейсмотрассы (сейсмического луча) и выделения аномальных зон на основе разработанных критериев. Для этого этапа требуется высококвалифицированный опытный инженер-интерпретатор.
Рис. 9. Результаты сейсмоакустических работ на шахте им. Костенко:
1 — горные выработки, в которых проводились исследования (а), и пройденные после сейсмоакустических работ (б); 2 — нарушения по шахтной документации; 3 — нарушения по сейсмоакустическим данным: а — более полумощности пласта, б — менее полумощности пласта
На последнем этапе проводится геологическая интерпретация выделенных аномальных зон. При этом используется весь объем имеющейся (априорной) горно-геологической информации.
Таким образом, из вышеизложенного видно, что вторая мода каналовой волны «хуже» проходит через нарушения с амплитудой до полумощности пласта при сейсмоакустическом просвечивании. Отсюда следует, что она (вторая мода) «лучше» отражается от таких нарушений, чем первая мода. Поэтому в методе отраженных волн в качестве критериев выделение малоамплитудных нарушений используются критерии, основанные на сравнении отражающих площадок, полученных для первой и второй мод. Отражающие площадки, выделенные одновременно на глубинных разрезах первой и второй мод соответствуют зонам нарушений с амплитудой более половины мощности пласта. Отражающие площадки, полученные на глубинных разрезах только для второй моды, относятся к зонам нарушений амплитудой смещения до половины мощности пласта.
Шахтные измерения проводились в конвейерном про-мштреке к1 пласта 42-кгВ пласта к1 с целью определения нарушений, не встреченных горными работами (рис. 9).
Пласт к1
Пласт к1мощностью 3,6—4,85 м. Угол падения пласта 5— 80. Кровля пласта представлена аргиллитом или алевролитом, в почве пласта алевролит. Уголь матовый, участками полуматовый.
Обработка данных выполнялась по следующей схеме: де-мультиплексация шахтных записей, формирования исходного профиля, спектральный анализ боковых и каналовых волн, колосовая фильтрация и суммумирование по ОГТ отфильтрованных записей. Для пласта к1 на основе геологических разрезов скважин 20787, 20768 и 237 рассчитаны дисперсионные кривые групповой скорости для I и II моды (рис. 10). Анализ кривых показал, что скорость фазы Эйри равна 1100—1200 м/с, а частота фазы Эйри равна 160—250 Гц для первой моды и 340—450 Гц — для второй моды.
Спектральная плотность сигнала, рассчитанная во временных окнах нескольких магнитограмм, имеет максимальное значение амплитуд в интервале частот 60—120 Гц, соответствующих
и, м/с
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
\ 1
\ \
\ \
1м \ 2 м
\ \
\ \
1 Л область ф азы Эйри
__^
100
300
500
700
f,ru
Рис. 10. Дисперсионные кривые групповой скорости для первой и второй мод каналовой волны: 1 и 2 — соответственно для первой и второй мод
приходу прямых боковых волн. Для спектра каналовой волны характерны максимумы в интервале частот 160—200 Гц и 280—360 Гц. Исходя из вышеизложенного для полосовой фильтрации выбраны следующие диапазоны частот: 160—250 Гц для первой моды и 280—400 Гц — для второй. Фильтрация показала, что отраженная каналовая волна на разных участках профиля наблюдается в различных частотных диапазонах. Суммирование отфильтрованных записей по общей глубинной точке проводилось со скоростью 1100 м/с для каждой моды в отдельности.
Исходя из физической природы каналовой волны следует, что отражение I, полученное на частотах 1 моды (160—250 Гц), соответствует нарушению амплитудой более полумощности пласта. Отражения II, III, полученные только на частотах для 2 моды (280—400 Гц) каналовой волны, соответствуют нарушениям амплитудой до полумощности пласта.
Таким образом, сравнение и комплексная интерпретация временных разрезов, полученных для 1 и 2 моды каналовой волны позволили выявить тектонические нарушения с амплитудами как более, так и менее полумощности пласта.
Применение вибрационно-сейсмического модуля позволило бы возбуждать колебания в частотном диапазоне Фазы Эйри 1 и 2 моды, что усилило бы амплитуды отраженных волн. Отраженные волны 2-й моды позволяют выделять нарушения менее полумощности пласта. Результаты горных работ выявили нарушение больше полумощности пласта (I), которое прогнозировалось, и нарушение менее полумощности пласта, которое было пропущено при сейсмопрогнозе (И = 1,5 м).
В результате, применяя следующие параметры возбуждения сигнала вибрационно-сейсмического модуля: / — 100 Гц, длина свипа 10 с, форма сигнала — синусоида, число накоплений — 4, получены временные разрезы.
На рис. 11 приведен временной разрез ОГТ по профилю Ь1. Анализ временного разреза показывает, что в интервале 0— 500 мсек четко выделяются четыре пачки горизонтов. Ниже 500 мсек отражения слабые, труднокоррелируемые. Очевидно, что применение вибрационно-сейсмического модуля, реализующего адаптивный метод, позволяет получать отражающие горизонты, несмотря на разупрочненность и разрыхленность уг-лепородного массива за счет отработки угольных пластов. Достаточно надежно выделяются тектонические нарушения.
На рис. 12 приведены результаты сейсмоакустических работ по шахте им. Костенко, пласт к12. Пласт общей мощностью 7,4 м. Угол падения 5—10°, в почве и кровле пласта аргиллиты темно-серого цвета, уголь полуматовый. Исследования проводились из конвейерного промштрека 45-к12—1—3 на низ шахтного поля с целью определения нарушений, не встреченных геологоразведочными и горными работами. Отработка пласта предусматривает двухслоевую выемку угля, поэтому определение нарушений менее половины мощности пласта, является первоочередной задачей. Сейсмические исследования проводились как методом отраженных волн с шестикратным перекрытием, так и методом проходящих волн по методике, предложенной УкрНИМИ. Возбуждение упругих колебаний осуществлялось в шпурах, пробуренных в верхней части пласта на глубину 2 м, этим достигалось преимущественное выделение мод высшего порядка. Параметры обработки и интерпретации выбраны на основе дисперсионных кривых групповой скорости, рассчитанные для сейсмогеологических моделей этого пласта (рис. 12) по скважине 2407.
Рис. 11. Временной разрез ОГТ, профиль Ь1. Шахта имени 50-летия Октябрьской революции: — нарушение по сейсмическим
данным
Анализ спектральной плотности сигнала, рассчитанный во временных окнах нескольких сейсмограмм показал, что максимальное значение амплитуд в интервале частот 40—120 Гц соответствует приходу прямых боковых волн. Для спектра кана-ловой волны характерны всплески амплитуд в интервале частот 120—180 Гц и 200—280 Гц. Полосовая фильтрация показала, что каналовые волны одинаково хорошо выделяются в этом диапазоне. Суммирование по ОГТ проводилось в двух вариантах: при фильтрации сигнала в диапазоне 164—268 Гц — это для первой моды и 250—312 Гц — для второй моды.
Рис. 12. Результаты сейсмоакустиче-ских работ на шахте им. Костенко, пласт к12: 1 — горная выработка, в которой проводились исследования; 2 — горные выработки, пройденные после сейсмоакустиче-ских работ; 3 — нарушения по шахтной документации; 4 — нарушения по сейсмоаку-стическим данным: а — более полумощности пласта, б — менее полумощности пласта
На временных разрезах выделены три отражающих элемента, перенесенные затем на плане горных работ. Элемент I соответствует отражению от горной выработки, элемент II — отражению от нарушения более полумощности пласта, они получены суммированием лент ОГТ в диапазоне частот 164— 268 Гц. Элемент III соответствует мелкоамплитудному нарушению с амплитудой смещения менее полумощности пласта, он получен суммированием при фильтрации сигнала в диапазоне 250—312 Гц, то есть отражением высших мод канало-вой волны Лява.
Анализ амплитудных спектров из пунктов взрыва 60, 49, 37, а также 25, 13 и 1 (рис. 13) показывает, что спектры из пунктов 60, 49 и 37 сместились в более низкочастотную область, чем спектры из пунктов 25, 13 и 1.
Отношение амплитуд максимума огибающей цуга канало-вых волн (Ак) и боковых (Аб) показало, что отношение амплитуд из пунктов 60, 49 и 37 гораздо меньше единицы, хотя отношение амплитуд из пунктов 25, 13 и 1 равно и меньше единицы.
Комплексная обработка сейсмического материала метола-ми отраженных волн и сейсмического просвечивания, а также использования при обработке мол высших порялков позволили слелать вывол о нарушении угольного пласта. При этом элемент II является нарушением с амплитулой смешения более полумощности пласта, а элемент III — менее полумошности пласта. Пройленные впослелствии конвейерные уклоны к12—1-3 полтверлили сейсмический прогноз.
Таким образом, провеление сейсмоакустических работ в полземных условиях с применением взрывных или уларных способов возбужления колебаний, позволяет с опрелеленной лостоверностью (ло 70 %) выявлять геологические нарушения. Возбужление же колебаний с заланными параметрами, в том числе и в фазе Эйри, позволяет выявлять геологические нарушения с большой эффективностью и лостоверностью. Это возможно с применением вибрационно-сейсмического молуля.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические рекоменлации по изучению поляризации сейсмических волн в угольных пластах. — Донецк, 1981. — 10 с.
2. Методические рекоменлации по изучению вопросов группирования сейсмоприемников. — Донецк, 1981. — 18 с.
3. А.с. 949580. СССР. Гилравлический источник сейсмических сигналов. /Л.Н. Сивухо; опубл. 1982, Бюл. № 29. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Алиев С.Б. — локтор технических наук, профессор, Евразийская экономическая комиссия, заместитель лиректора лепартамента,
Кенжин Б.М. — локтор технических наук, профессор, лиректор Караган-линского машиностроительного консорциума,
Смирнов Ю.М. — локтор технических наук, профессор, Караганлинский го-суларственный технический университет,
Разумняк Н.Л. — локтор технических наук, профессор, советник генерального лиректора Институт горного лела им. A.A. Скочинского, Кушеков К.К.--канлилат технических наук, локторант, Российский университет лружбы наролов.
Д_
