CC BY
2ISSN 0136-4545 ^Курнал теоретической и прикладной механики.
№1 (82) / 2023.
УДК 550.834:622.12
doi:10.24412/0136-4545-2023-1-116-122
EDN:VLUFYV
©2023. А.А. Глухов1
О МЕТОДИКЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ РАЗРЫВНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ ИЗ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
В данной работе рассмотрена схема выполнения сейсмических наблюдений и способ обработки их результатов для оценки положения и ориентации разрывных тектонических нарушений в плоскости сечения выработки.
Ключевые слова: сейсморазведка, прогноз дизъюнктивов, математическое моделирование, метод эллипсов.
Введение. Подземная пластовая сейсморазведка базируется на каналирова-нии колебательной энергии сейсмического сигнала угольным пластом, который в акустическом смысле можно рассматривать как волновод [1]. Пункты возбуждения сейсмических колебаний и сеймоприемники располагаются вдоль профиля наблюдений на обнажении угольного пласта на боковых стенках выработки. При выполнении сейсмических экспериментов из полевых выработок угольных шахт, из тоннелей и иных подземных коммуникаций, расположение системы наблюдений выполняется по аналогичной схеме. При этом используется либо метод отраженных волн по схеме общей глубинной точки (ОГТ), либо метод сейсмической локации [1]. Оба подхода дают информацию о расположении нарушения в определенной плоскости. В пластовой угольной сейсморазведке это плоскость угольного пласта. В общем случае эта плоскость определена условно, что снижает информативность прогноза. Положение аномалии в плоскости сечения выработки остается неизвестным.
В данной работе рассмотрена схема выполнения сейемических наблюдений и способ обработки их результатов для оценки положения и ориентации разрывных тектонических нарушений в плоскости сечения выработки.
1. Идея подхода и описание модели. Для обоснования подхода использовались средства математического моделирования. Для заданной системы наблюдений и заданного положения нарушения выполнялся расчет волнового поля в виде наборов сейсмотрасс программным комплексом моделирования процес-
1 Глухов Александр Александрович - доктор техн. наук, зав. отд. компьютерных технологий РАНИМИ, Донецк, e-mail: glukhov1964@yandex.ru.
Glukhov Aleksandr Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, Head of Department, Republican Academic Research and Design Institute of Mining Geology, Geomechanics, Geophysics and Mine Surveying, Donetsk, Computer Technology Department.
са распространения сейсмических колебаний в массиве горных пород [2] при наличии дизъюнктива. Затем расчитанные сейсмотрассы обрабатывались алгоритмами анализа данных сейсморазведки [3, 4]. Генерировалось расчетное положение нарушения и сравнивалось с модельным.
Моделировалась горная выработка квадратного сечения в алевролите со скоростями распространения продольных и поперечных волн Ур = 3500 и У3 = 2400, соответственно. Дизъюнктив располагался на расстоянии от 25 до 65 м под углами от 45° до 70° относительно вертикали. Сместитель нарушения представлял собой среду, в которой значения Ур и У3 уменьшены на 30%.
Три набора сейсмоприемников (СП) по 12шт. в каждом расположены с шагом 1м по периметру сечения выработки, как показано на рисунке 1. Пункт возбуждения (ПВ) сейсмических колебаний с характерной частотой ^ 200Гц расположен на СП № 6. Стенку выработки, на которой расположен ПВ, будем условно называть «фронтальной», а смежные с ней - «боковыми». Угол наклона сместителя варьировался от 0° до 70° относительно расположения выработки.
Рис. 1. Модель для анализа процесса распространения сейсмичкеских колебаний в плоскости сечения выработки.
2. Анализ результатов моделирования. На рисунке 2 представлены поля колебаний БИ, Р и БУ волн при отражении от нарушения. Наблюдаются фронты в виде концентрических окружностей. Это «классические» волны сжатия Р и сдвига БИ и БУ, распространяющиеся со скоростями Ур и У3 волн, соответственно. Двигаясь вдоль фронтальной стенки выработки, они регистрируются для СП 1 — 12 как прямые волны. Поскольку характерная длина волны (12 — 18 м) соизмерима и даже превышает размерности сечения выработки, в результате дифракции фронты волн отчетливо наблюдаются и в области сейсмической тени, и регистрируются СП 13 — 24 и СП 25 — 36.
Для иллюстрации этого на рисунке 3 представлены теоретические сейсмо-
СП 13
СП 25
СП 13-24
СП 1
граммы для Р и БУ волн, рассчитанные для СП 13— СП 24. Прямые (дифрагированные) волны (Р, Б) регистрируются на всем наборе СП.
а) б)
Рис.2. Картина процесса отражения ЯП (а), Р и ЯУ (б) волн от тектонического нарушения.
Рис. 3 Совмещенные теоретические сейсмограммы Р и ЯУ волн, рассчитанные для СП 13— СП 24. Для Р волн закрашены положительные значения смещений, для ЯУ - отрицательные.
В зоне дизъюнктива волны преломляются и отражаются, испытывая трансформации. На рисунке 2 представлены отраженные Р, БИ и БУ волны, образованные падающими на нарушение волнами таких же типов. Они обозначены как Р-Р, БИ-БИ и Б-Б. По такому же принципу обозначены волны, преломленные в породу за дизъюнктивом. На рисунке 2, б присутствуют БУ волны, образованные Р волнами в результате трансформации при отражении от нарушения, а также при преломлении в породу за ним (Р-Б). Все типы отраженных волн регистрируются системой наблюдений (рис. 3).
На рисунке 4 представлены графики зависимости амплитуд прямых/дифрагированных и отраженных волн различного типа от положения СП по сечению выработки. Зависимости свидетельствуют о том, что чем дальше расположен СП от фронтальной стенки выработки, тем больше отношение амплитуды регистрируемой отраженной волны к амплитуде прямой/дифрагированной. Уверенно регистрируются все типы отраженных волн. На самых удаленных СП они доминируют.
Эти закономерности верны для расстановок СП по обе стороны от фронтальной выработки вне зависимости от расположения нарушения. При этом не играет роли тот факт, что часть СП находится в зоне сейсмической тени для отраженной волны.
СП 24 СП 13 СП 25 СП 36
а) б)
Рис. 4 Зависимость амплитуд прямых/дифрагированных и отраженных Р, ЯУ и ЯП волн от положения СП по сечению выработки от СП 13, до СП 24 (а) и от СП 25, до СП 36 (б).
Для прогноза расположения отражающих границ методом эллипсов на сейсмограммах общего пункта возбуждения (ОПВ) необходимо выделить оси син-фазности отраженных от нарушения волн. Эта процедура выполняется по точкам первых вступлений. По данным точкам строятся эллипсы таким образом, чтобы их фокусы располагались в местах расположения ПВ и СП, а значение удвоенных полуосей было бы равно произведению скорости распространения волны на время её первого вступления [4]. Критерием наличия отражающих
границ является характерное сближение либо пересечение эллипсов в локальной зоне предполагаемой отражающей границы.
На рисунке 5 представлен результат построения эллипсов по первым вступлениям волновых пакетов Р и БЫ волн модельных сейсмотрасс по наборам сейсмо-приемников (от СП 13 до СП 24 и от СП 25 до СП 36), расположенных на обеих боковых стенках выработки. Благодаря явной «структурированности» картины, построить отражающую границу средствами комплекса обработки данных [3] не составляет труда. В случае, представленном на рисунке 5, ее положение практически не отличается от модельного.
а) б)
Рис. 5 Результат построения эллипсов по первым вступлениям волновых пакетов Р-волн (а) и £Л-волн (б) по двум наборам сейсмоприемников (от СП 13 до СП 24 и от СП 25 до СП 36).
При реальном применении данного алгоритма по заданному при построении системы эллипсов значению скорости распространения колебаний комплексом [3] в автоматическом режиме рассчитываются и отображаются на сейсмограммах ОПВ годографы отраженных волн. Оператору необходимо проверить, располагаются ли вблизи рассчитанных позиций точки синфазности отраженных волн, по которым строились эллипсы и определялось положение границ. При необходимости маркеры годографов, положение и ориентация границы, а также значение скорости волны (перерасчет системы эллипсов будет выполнен автоматически), корректируются до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение.
Кроме этого, на сейсмограммах ОПВ по отображенным годографам отраженных волн необходимо производить поиск ранее неучтенных осей синфазно-сти. Следует выполнить построение новых эллипсов и отображение их на схеме участка исследований. Таким образом, положение отражающей границы можно уточнить.
На рисунке 6 приведен пример построения методом эллипсов отражающей границы реального нарушения. Пример интересен тем, что база наблюдений составляет 10 — 15м, а волновые пакеты регистрируются по обеим сторонам выработки, в том числе в области сейсмической тени, что подобно условиям приведенной выше расчетной модели.
Рис. 6 Результат прогноза положения реального нарушения.
Алгоритм следует применять начиная с ближайших к системе наблюдений отражающих границ, исходя из предположения, что на небольших расстояниях вариации скорости распространения волн в породе незначительны. Интерпретация отражающих границ выполняется на основе анализа геологической ситуации в зоне расположения профилей. Необходимо выполнить ситуационную привязку огибающих эллипсов и зон их пересечения к определенным литолого-стратиграфическим границам либо к вероятным зонам нарушений. Отражения от литологических контактов во вмещающих породах следует отбраковывать как границы, субпараллельные плоскости напластования пород.
Заключение. Таким образом, использование наборов сейсмоприемников, расположенных в плоскости сечения выработки, обеспечивает возможность определения не только положения нарушения, но и оценки его ориентации в плоскости сечения выработки. Это важный в методическом плане результат, позволяющий повысить эффективность сейсмического метода. Данный подход необходимо использовать как инструмент уточнения результатов стандартной профильной сейсморазведки. Профильная сейсморазведка даст информацию о наличии отражающих границ. Расположение системы наблюдений по сечению выработки позволит более точно интерпретировать их природу.
1. Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки / А.В. Анциферов. - Донецк: ООО "Алан", 2002. - 312 с.
2. Глухое А.А. Автоматизация расчета поля сейсмических колебаний в угленосной толще при решении задач шахтной сейсморазведки / А.А. Глухов // Наук. пр. Нацюнального техшчного ушверситету. - 2006. - Вип. 106. - С. 131-139.
3. Анциферов А.В. Об автоматизации обработки сейсмических данных при прогнозе геологи-
ческих нарушений угольных пластов методами отраженных волн и сейсмической локации / А.В. Анциферов, А.А Глухов // Сб. научн. тр. РАНИМИ. - 2018. - Т. 1, № 21. - С. 99-106. 4. Глухов А.А. Алгоритм прогноза геологических нарушений угольных пластов на основе использования методов эллипсов / А.А. Глухов, В.В. Туманов // Сб. научн. тр. РАНИМИ. - 2018. - Т. 1, № 20. - С. 213-220.
A.A. Glukhov
On the methodology of seismic prediction of the spatial location of discontinuous tectonic disturbances from mine workings.
In this paper, the scheme of seismic observations and the method for processing their results to predict the position and orientation of discontinuous tectonic disturbances in the cross-sectional plane of the mine workings is considered.
Keywords: seismic exploration, forecast of disjunctives, mathematical modeling, ellipse method.
Получено 27.02.2023
