CC BY
9ISSN 0136-4545 !Ж!урнал теоретической и прикладной механики.
№4 (73) / 2020.
ГЕОМЕХАНИКА, РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД, РУДНИЧНАЯ АЭРОГАЗОДИНАМИКА И ГОРНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
УДК 550.834:622.12
©2020. А.А. Глухов , В.А. Анциферов, Е.В. Ребенок, Д.В. Кутепов
ОБ АЛГОРИТМЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ УГЛЕПОРОДНОГО МАССИВА
В данной статье представлен разработанный и реаализованный в программном обеспечении алгоритм сейсмической томографии углепородного массива, позволяющий оценивать тип и параметры геологических нарушений. Определение типа и характеристик нарушений при использовании метода сейсмического просвечивания производится на основе анализа распределения отклонений кинематических, динамических и спектральных параметров волнового поля от их фоновых значений в плоскости исследуемого участка выемочного столба.
Ключевые слова: шахтная сейсморазведка, метод сейсмического просвечивания, сейсмическая томография.
Введение. Сейсмоакустический прогноз геологических нарушений является одним из самых эффективных методов средств обеспечения эфективности и безопасности горных работ [1]. В ряде публикаций дан анализ критериев выявления геологических нарушений [2-4, 9—11], теоретических и методических аспектов выполнения сейсмических работ [2—4, 12—15]. Современные методы сейсморазведки позволяют выявлять аномалию с надежностью до 80% и больше [1], однако определение ее типа и параметров по-прежнему представляет собой отдельную сложную задачу. Метод сейсмического просвечивания (МСП), несмотря на применимость только в случае оконтуренного выработками участка углепород-ного массива, остается актуальным, поскольку только он дает представление о типе аномалии и позволяет оценить ее параметры. В качестве примера такого использования МСП можно привести методику прогноза распределения мощности угольного пласта в плане лавы [16-18], основанную на анализе дисперсионных зависимостей регистрируемого сигнала.
В данной статье кратко представлен разработанный в РАНИМИ и реаали-зованный в программном обеспечении алгоритм сейсмической томографии уг-лепородного массива, позволяющий оценивать тип и параметры геологических нарушений. Определение типа и характеристик нарушений при использовании МСП производится на основе анализа распределения отклонений кинематических, динамических и спектральных параметров волнового поля от их фоновых значений в плоскости исследуемого участка выемочного столба.
1. Разработка алгоритма сейсмической томографии. Рассмотрим математические соотношения, связывающие параметры среды и регистрируемые характеристики волновых пакетов.
Для построения сейсмических изображений участок углепородного массива условно разбивается на регулярную решетку элементарных ячеек е^ с размерами сторон равными Н и номерами г и ] вдоль координатных осей X и 2, соответственно.
Допустим, к обработке принято М сейсмотрасс 8т(ш = 1..М), для которых колебания, составляющие каждую из них, проходят расстояние Кт. В результате их обработки получены исследуемые характеристики Ат. Тогда мы можем оценить среднее значение характеристики А:
м
£ АтКт
¿ = - (!)
£ Ет
т=1
Пусть через зону е^ проходят лучи N сейсмотрасс зп(и = 1..И) длиной Кп каждый. Каждый из этих лучей проходит по е^ расстояние . В результате их обработки получены исследуемые характеристики Ап. Тогда величину
N
£ Ап Щ
Ац = Ч--(2)
N щ
п=1
можно условно рассматривать как среднее значение А в том случае, если бы вся среда имела бы характеристики е^. Вычисление величин АА^ = А — А^ является результатом одного из наиболее распространенных вариантов томографии. Чрезвычайно важен тот факт, что при этом неявно предполагается, что значение А можно трактовать не только как характеристику сейсмотрассы, но и как характеристику среды в соответствующей зоне.
В качестве информативных параметров волнового поля в соотношениях (1) и (2) чаще всего выступают: амплитуда волнового пакета, его характерная частота, ширина частотной характеристики, а также энергия волнового пакета.
Амплитуды волновых пакетов получаются непосредственно из сейсмограмм. Расчет амплитудно-частотных характеристик производится на основе использования процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ). Рассчитывается и анализируется как обобщенный частотный спектр всего набора сейсмограмм в целом (для получения средних значений соответствующих параметров), так и потрассно, а также в выделенных скоростных окнах. По спектру определяются частоты максимумов амплитудно-частотной характеристики, амплитуды максимумов амплитудно-частотной характеристики, ширина максимумов (строгого правила нет, обычно принято определение ширины по уровню 0.5 от максимального значения, рис. 1)
Амплитуда
(усл.ед)
0.5
1.0
Частота
Рис. 1. Правило расчета ширины максимумов амплитудно-частотной характеристик
Как правило, пики частотной характеристики можно сопоставить с определенными волновыми пакетами. Однако такое соответствие неоднозначно. Возможен вариант, когда различные волновые пакеты формируют один и тот же видимый максимум. При расчете частотной характеристики в выделенном скоростном окне соответствие однозначно.
Скоростные параметры волновых пакетов вычисляются по времени первых вступлений, либо по времени прихода максимума волнового пакета.
В разработанном в РАНИМИ программном обеспечении [2] реализация метода сейсмической томографии выполняется в несколько этапов:
- на основе приведенного выше алгоритма для каждого из выделенных на сейсмограммах информативных волновых пакетов и для каждого из параметров строятся томографические картины исследуемого участка;
- на каждой томографической картине выделяются локальные зоны отклонений от фоновых значений;
- путем сравнения томографических картин производится сравнения локальных зон и выделение совпадающих зон, которые будут рассматриваться как участки проявления аномалий;
- по совокупности параметров для каждого из выделенных участков производится геологическая интерпретация.
В таблице 1 в обобщенном виде представлена информация о том, как типичные для Донбасса геологические нарушения влияют на кинематические и динамические параметры информативных волновых пакетов.
На представленной на рисунке 2 схеме выделяются несколько зон. Зона №1 располагается вдоль выработки. Она характеризуется как ослаблением амплитуды информативных волновых пакетов, так и уменьшением скорости распространения колебаний. Причем это проявляется в тем большей степени, чем ближе к выработке располагается точка, для которой производится расчет. Максимальная степень отклонения амплитуды и скорости волнового пакета составляет около 15% и 10% от средних по области расчета значений, соответственно.
Таблица 1.
Характер отклонения информативных параметров волновых пакетов в зонах геологических аномалий.
Тип нарушения
Ин ф орлах и вн ый параметр волнового пакета Дизъюнкт и в. зона трещиноватости Утонение, размыв
Изменение амплитуды О
Изменение частоты о
Изменение скорости первого вступления либо максимума амплитуды о
Подобное сочетание отклонений характерно для зоны трещиноватости. В данном случае образовавшейся в примыкающей к выработке породе в результате проходки. Подтверждением это служит отчетливо проявляющийся градиентный характер изменения параметров по нормали к направлению выработки.
В качестве примера использования метода сейсмической томографии на рисунке 2 представлен пример расчета томографических картин распределения параметров волновых полей на реальном участке проведения сейсмических наблюдений.
Зона №2 располагается у выработки по другую сторону области исследований имеет такой же характер отклонения параметров от фоновых значений. Максимальная степень понижения скорости распространения информативной волны и ее амплитуда (в качестве информативной в данном случае выступает классическая каналовая волна) от фонового значения достигает более 20%, что однозначно свидетельствует о наличии геологического нарушения. Существенное уменьшение скорости и амплитуды волны в первую очередь позволяет говорить о наличии дизъюнктива, сопровождающегося зоной повышенной тре-щиноватости. В качестве подтверждения отметим, что по результатам добычных работ было подтверждено наличие в границах зоны №2 нескольких дизъюнкти-вов с ампдитудой от 0.2, до 0.5 м.
При анализе зонаы №3 следует учесть, что фоновое значение рассчитываемых параметров представляет собой некое промежуточное значение между минимальным и максимальным по участку наблюдений. За счет того, что на нем существенную роль играют зона со значительным отрицательным отклонением
скорости и амплитуды, уровень фона слегка отклонен в ту же сторону. Поэтому ненарушенные участки угольного пласта проявляются как область, где данные параметры смещены в сторону высоких значений.
а)
И Лт 1ч™ М 3 [Й 3 Шип). ■ 1V »|5 ^
№4
б)
Рис. 2. Распределение отклонений а) скорости максимума амплитуды; б) максимальной амплитуды информативных волновых пакетов от фоновых значений на участке лавы 37К10 В
ш. Кузембаева (Казахстан)
Ложные аномальные зоны (причем с разным знаком отклонений параметров) могут формироваться по краям расчетной сетки (рис. 1, зона № 4). Во-первых, в краевых зонах сейсмические лучи часто приходят с одного направления, что не отвечает оптимальным условиям применения алгоритма томогра-
фии. Во-вторых, количество сейсмических лучей пересекающих участок может быть недостаточным.
Заключение. Представленный выше алгоритм обработки и разработанное в рамках предлагаемого подхода программное обеспечение могут быть использованы геофизическими службами и специализированными геологоразведочными организациями для обработки и анализа результатов сейсмических исследований при прогнозе структуры углепородного массива.
1. Dresen L. Seismic Coal Exploration, Part B, Seismics: Handbook of Geophysical Exploration, Section I. Seismic Exploration / L. Dresen, H. Ruter. - Pergamon, 1994. - 486 p.
2. Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки / А.В. Анциферов. - Донецк: ООО «Алан», 2002. - 312 с.
3. Анциферов А.В. Математическое моделирование в шахтной сейсморазведке / А.В. Анциферов, А.А. Глухов. - Киев: Наукова думка, 2012. - 255 c.
4. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений / В.Н. Захаров. - М.: ФГУП ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 172 с.
5. Захаров В.Н. Углепородные массивы: прогноз устойчивости, риски, безопасность / В.Н. Захаров, В.С. Забурдяев, В.Б. Артемьев. - М.: Горное дело, 2013. - 277 с.
6. Antsiferov A.V. Review of seismograms typical for an in-seam seismic technique in conditions of different coal basins / A.V. Antsiferov, A.A. Glukhov // Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining. Taylor & Francis Group. - 2014. - P. 61-64.
7. Соколов С.В. Комплексные геофизические исследования состояния углепородного массива в условиях Кузбасса / С.В. Соколов, Е.А. Салтымаков, А.Н. Кормин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2017. - № 2. - С. 66-70.
8. Lu Jun Prediction of Coal Seam Details and Mining Safety Using Multicomponent Seismic Data: A case History from China / Lu Jun, Meng Xinghun, Wang Yun // Geophysics. - 2016.
- Vol. 81. - P. 149-165.
9. Mason I. Fault location by underground seismic survey / I. Mason, D. Buchanan, A. Booer // Institution of Electrical Engineers. - 1980. - Vol. 127. - P. 322-336.
10. Шепе Ф. Исследование геологического строения пластов каменного угля сейсмическим методом с помощью аппаратуры SUMMIT II EX / Ф. Шепе // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 10. - С. 145-154.
11. Gochioco Lawrence M. Advances in seismic reflection profiling for US coal exploration / Lawrence M. Gochioco. // The leading edge. - 1991. - Vol. 10. - P. 24-29.
12. Friedel Michael J. Mining applications of seismic tomography / Michael J. Friedel, Darel R. Tweeton, M.J. Jackson et al. // 62nd Annu. Int. SEG Meet. - 1992. - Vol. 4. - P. 58 - 62.
13. Hongliang W. Seismic Wave Propagation in Coal Seams: Finite Element Modeling and Field Tests / W. Hongliang, G. Maochen // International Journal of Mining and Mineral Engineering.
- 2014. - Vol. 5, no. 3. - P. 229-385.
14. Рубан А.Д. Программный комплекс итерационного линейного восстановления строения и нарушенности угольного пласта на основе информативных параметров при сейсмопросве-чивании / А.Д. Рубан, В.Н. Захаров, А.П. Аверин, С.А. Вартанов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2010. - № 3. - С. 177-182.
15. Захаров В.Н. Анализ алгоритмов лучевой томографии для прогноза нарушенности выемочного столба / В.Н. Захаров, А.П. Аверин, С.А. Вартанов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2010. - № 3.- С. 183-190.
16. Waclawik P. Utilization of innovation of the ISS method - in seam seismics at the CSM Mine / P. Waclawik, W. Schott // Gornicze zagrozenia naturalne. - 2011. - Vol. 2. - P. 517-524.
17. Schott W. On the quantitative determination of coal seam thickness by means of in-seam seismic surveys / W. Schott, W. Waclawik // Canadian Geotechnical Journal. - 2015. - Vol. 52. -
P. 1-9.
18. Schott W., Brandt K. Investigation of seam thickness and seam splitting within a longwall panel by an in-seam seismic survey / W. Schott, K. Brandt // 22nd International Conference on Ground Control in Mining. - 2003. - Vol. 2. - P. 152-156.
A.A. Glukhov, V.A. Antsiferov, Y.V. Rebenok, D.V. Kutepov On the algorithm of seismic tomography of coal-bearing solid mass.
In this paper we present the self-developed and embodied in the software algorithm for seismic tomography of coal-bearing solid mass, which allows evaluating the type and parameters of geological disturbances. Determination of the type and characteristics of the disturbances employing in-seam seismics is made based on the analysis of the distribution of deviations of kinematic, dynamic and spectral parameters of the wave field from their background values in the plane of the extraction panel area of interest.
Keywords: mine seismic survey, in-seam seismics, seismic tomography.
Республиканский академический научно-исследовательский и Получено 21.12.2020
проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ), Донецк
glukhov1964@yandex.ru
