CC BY
17
УДК 550.834
ОБНАРУЖЕНИЕ ОСЛАБЛЕННЫХ ЗОН В ЦЕЛИКАХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ДАННЫМ ПАССИВНЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ (ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ)
Юрий Иванович Колесников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики, тел. (383)333-31-38, e-mail: KolesnikovYI@ipgg. sbras.ru
Константин Владимирович Федин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кндидат технических наук, научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики, тел. (383)333-34-19, e-mail: FedinKV@ipgg.sbras.ru
Представлены результаты физического моделирования, проведенного с целью оценки возможности выявления ослабленных зон в целиках горных выработок по записям сейсмоа-кустического шума. Показано, что накопление амплитудных спектров последовательных участков шумовых записей позволяет выделить из шума стоячие волны, по частотам и амплитудам которых можно локализовать ослабленные зоны, если скорости упругих волн в них и в целике различаются.
Ключевые слова: целики горных выработок, ослабленные зоны, сейсмоакустический шум, стоячие волны, физическое моделирование.
DETECTION OF WEAKENED ZONES IN THE MINE WORKING PILLARS USING PASSIVE SEISMO-ACOUSTIC MEASUREMENTS (PHYSICAL MODELLING)
Yury I. Kolesnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Science, Principal Research Scientist, Associate Professor, tel. (383)333-31-38, e-mail: KolesnikovYI@ipgg.sbras.ru
Konstantin V. Fedin
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, PhD, Research Scientist, tel. (383)333-34-19, e-mail: FedinKV@ipgg.sbras.ru
We present the results of physical modelling, carried out to estimate the ability of detecting weakened zones in the mine working pillars using seismo-acoustic noise. It is shown, that accumulation of amplitude spectra of successive areas of noise records allow to extract the standing waves from a noise field. Their frequencies and amplitudes can be used for locating weakened zones, if elastic velocities in these zones and in the pillar are different.
Key words: mine working pillars, weakened zones, seismo-acoustic noise, standing waves, physical modeling.
При проведении подземных горных работ в выработанных пространствах часто оставляют целики - нетронутые участки рудного тела, пласта или вмещающих горных пород. Целики могут иметь различное назначение, но в боль-
шинстве случаев они предназначены для предотвращения разрушения окружающих горных пород. Потеря несущей способности целика может привести к разрушению других целиков на соседних участках, что в лучшем случае осложнит проведение дальнейших горных работ, а в худшем - может иметь катастрофические последствия. Этим обстоятельством обусловлена необходимость разработки эффективных методов контроля состояния целиков.
В настоящее время для такого контроля используют как прямые методы измерения деформаций, перемещений, напряжений и др., так и косвенные геофизические методы в разных модификациях. Из последней группы наиболее часто применяют сейсмические и сейсмоакустические методы, причем как активные (с использованием искусственных источников упругих волн), так и пассивные.
Активными сейсмическими и сейсмоакустическими методами оценивают упругие свойства горных пород, которые отражают, в частности, изменение их трещиноватости, флюидонасыщенности, напряженно-деформированного состояния и т. д. Пассивные методы (регистрация сейсмоакустической эмиссии, микросейсмичности и др.) применяются для изучения активности горных пород, связанной с их прочностными свойствами и напряженно-деформированным состоянием. В работе представлены результаты трехмерного физического моделирования, демонстрирующие возможность оценки состояния целиков в горных выработках по данным пассивных сейсмоакустических измерений.
Предлагаемый метод выявления ослабленных зон в целиках основан на предположении, что в пространстве между боковыми поверхностями целика под действием сейсмоакустических шумов должны формироваться стоячие волны, которые можно выделить из шумового поля при его обработке. Подобный метод описан в работе [1], где моделировались стоячие волны, генерируемые шумами над приповерхностными пустотами. В случае возникновения стоячих волн в целике горной выработки на его свободных боковых поверхностях должны наблюдаться пучности колебаний, а между ними чередоваться узлы и пучности, подобно стоячим волнам в незакрепленном стержне [2]. При этом между границами целика должно укладываться целое число полудлин упругих волн.
Учитывая известную корреляционную связь прочности при сжатии горных пород со скоростью прохождения в них продольных волн [3], естественно предположить, что при неизменной толщине целика снижение скорости упругих волн в его ослабленных зонах должно приводить к соответствующему понижению частот стоячих волн в этих местах. Следовательно, выделяя стоячие волны из шумового поля, по их частотам можно оценивать неоднородность породного массива, а по понижению частот при повторных измерениях выявлять потенциально опасные ослабленные зоны целика.
В лабораторных экспериментах моделировались две параллельные выработки, разделенные ленточным целиком (рис. 1). Модель с внешними размерами 30^30x30 см3 была изготовлена из бетона на основе смеси цемента и речного песка в пропорции 1:1. Толщина целика составляла 10 см, высота «выработок» также 10 см. В центральной части целика (начиная с 9 см от торца модели)
на всю его высоту и толщину было оставлено сквозное отверстие прямоугольного сечения длиной 11 см, которое в трех экспериментах заполнялось разными материалами, имитирующими ослабленную зону целика. Материалы и измеренные импульсным методом скорости продольных волн Vp в целике и трех «ослабленных» зонах приведены в таблице.
Сейсмоакустический шум моделировался с помощью установленных на торцах модели двух громкоговорителей, на которые с двухканального аудиовыхода компьютера подавались генерируемые программой Audacity (http://audacity.sourceforge.net/) в режиме белого шума независимые электрические сигналы. Для регистрации шумовых сигналов использовался широкополосный пьезокерамический датчик поршневого типа диаметром 2 мм. Регистрация проводились с шагом 1 см на продольном линейном профиле длиной 29 см в средней части одной из боковых поверхностей целика (см. рис. 1). Ось максимальной чувствительности датчика была ориентирована по нормали к поверхности наблюдений, поэтому регистрировались преимущественно колебания типа сжатия-растяжения. Сигналы от датчика, оцифрованные с частотой дискретизации 1 МГц, с помощью цифрового осциллографа В-423 записывались на жесткий диск компьютера для последующей обработки. Длительность регистрации при каждом положении датчика составляла примерно 2 с.
Таблица
Материалы целика и «ослабленных» зон, скорости Ур и частоты ^ трех низших мод стоячих волн в них
Материал Vp, м/с К кГц /2, кГц Я кГц
Целик Бетон (песок/цемент 1:1) 4450 22.5 45.1 67.5
Зона 1 Бетон (песок/цемент 2:1) 2760 14.0 28.1 42.1
Зона 2 Бетон (песок/цемент 4:1) 1350 7.1 14.1 21.3
Зона 3 Высушенная глина 1220 6.3 12.6 18.8
Для выделения стоячих волн из шумового поля, как и в работе [1], проводилось накопление амплитудных спектров последовательных участков шумовых записей длительностью 8192 отсчета каждый. Примеры накопления 240 спектров в «ненарушенном» целике и трех «ослабленных» зонах приведены на рис. 2. Как можно видеть, на всех спектрах после накопления уверенно выделяются три резких пика, соответствующих трем низшим модам стоячих волн
Рис. 1. Структурная схема модели: 1 - вмещающая среда, 2 - целик, 3 - «ослабленная» зона в целике, 4 - профиль наблюдений
сжатия-растяжения. В том, что это именно стоячие волны сжатия-растяжения, можно легко убедиться, сравнив полудлины волн, соответствующие частотам пиков, с толщиной целика.
Рис. 2. Результаты накопления амплитудных спектров шумовых сигналов, зарегистрированных на боковых поверхностях «ненарушенного» целика (а) и «ослабленных» зон (см. табл. 1): зоны 1 (б), зоны 2 (в) и зоны 3 (г). Цифрами обозначены номера мод стоячих волн сжатия-растяжения
Например, для «ненарушенного» целика при скорости продольных волн в нем 4450 м/с частоте первой моды (см. табл. 1) соответствует определяемая формулой Лх/2 = Ур/2^ полудлина волны 9.9 см, что примерно равно толщине целика, частоте второй моды - полудлина 4.9 см (примерно половина толщины), частоте третьей моды - полудлина 3.3 см (примерно треть толщины). Аналогичные результаты дает и анализ стоячих волн в «ослабленных» зонах.
Наконец, на рис. 3 представлены графики изменения частоты и амплитуды низшей (первой) моды стоячих волн вдоль профиля наблюдений для трех моделей «ослабленных» зон. Как можно видеть, такое профилирование вдоль целика позволяет уверенно выделять в нем «ослабленные» зоны по графикам как частот, так и амплитуд стоячих волн. Тем не менее предпочтительнее, особенно при небольшом контрасте упругих свойств целика и ослабленной зоны, использовать в качестве информативного параметра не амплитуды, а частоты стоячих волн, так как они намного меньше зависят от параметров используемой аппаратуры и спектральных характеристик сейсмоакустического шума.
а
б
1
1 1
1- ( __ ___ 1
10 20 Расстояние, см
30
О)
¿0.8 1
° 0.6
аз
с!
> 0.4
I 0.2 Н
уч - . ______ ,
\\ \ 4—^О-г""^
\
10
20
30
Расстояние, см
Рис. 3. Распределение частот и амплитуд низшей моды стоячих волн вдоль линии профиля для моделей (см. табл. 1): с зоной 1 (сплошная линия), с зоной 2 (пунктир) и с зоной 3 (штрихпунктир). Положение зон на профиле показано жирной линией над горизонтальной осью
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Колесников Ю.И., Федин К.В. Обнаружение подземных пустот по микросейсмам: физическое моделирование // Технологии сейсморазведки. - 2015. - № 4. - С. 89-96.
2. Лепендин Л.Ф. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978. - 448 с.
3. Петрофизика: Справочник. В трех книгах. Книга первая. Горные породы и полезные ископаемые / под ред. Н.Б. Дортман. - М.: Недра, 1992. - 391 с.
© Ю. И. Колесников, К. В. Федин, 2016
