CC BY
0УДК 550.834:622.12
А. А. Глухов, В. А. Анциферов, Л. Н. Крижановская
ОБОБЩЕННЫЙ ГРАФ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ
В данной статье представлен обобщенный граф обработки сейсмических данных применительно к различным методикам прогноза строения массива горных пород. Рассмотрены основные процедуры предварительной обработки материалов сейсморазведки а также процедуры обработки в рамках конкретных методик. Рассмотрены методики сейсмического просвечивания, метода отраженных волн по схеме общей глубинной точки, по схеме эллипсов, регулируемого направленного приема. Рассмотрена методика применения дифрагированных волн. Представленный обобщенный граф обработки сейсмических данных применительно к различным методикам прогноза строения массива горных пород реализован в программном обеспечении, которое прошло многократную апробацию на реальных объектах.
Ключевые слова: методика применения дифрагированных волн, обобщенный граф, направленный прием, строение массива горных пород.
Процесс добычи угля является одним из наиболее сложных по сравнению с разработкой других полезных ископаемых. Он связан с решением множества проблем, возникающих под влиянием самых разнообразных факторов, главным из которых являются горно-геологические условия, от которых зависят рентабельность производства, применяемые технологиии, эффективность и безопасность труда. Встречи геологических нарушений при отработке угольных пластов приводят не только к экономическим потерям, но и являются причиной аварийности и травматизма. Поэтому заблаговременный достоверный прогноз горно-
геологических условий залегания угольных пластов чрезвычайно актуален.
Шахтная сейсморазведка является одним из самых эффективных методов опережающего прогноза геологических нарушений. Ее основы достаточно подробно изложены в ряде работ [1]-[8]. В [1]-[3] рассмотрен «классический» вариант на базе использования каналовых волн. В монографиях [4], [5] дан подробнейший анализ многоволнового подхода. В ряде публикаций рассмотрены вопросы формирования волновых полей в типичных для различных угольных бассейнов условиях [9]-[12]. Дан анализ влияния резкости акустических границ на формирование сигнала
[9], рассмотрены вопросы формирования волновых полей на угольных пластах сложного строения и на сближенных пластах
[10], [11]. В работе [12] рассмотрены особенности применения сейсморазведки в условиях угольных бассейнов Украины, России, Казахстана. Целый ряд работ посвящен теоретическим и практическим аспектам обнаружения геологических нарушений разных типов [13], [14], а также методическим вопросам проведения сейсмических экспериментов [15]-[19]. Среди современных зарубежных работ также следует упомянуть публикации, связанные с определением распределения мощности угольного пласта в плане исследуемого участка [20], [21], основанные на анализе дисперсионных зависимостей [22] информативных волновых пакетов.
В данной статье представлен обобщенный граф обработки сейсмических данных применительно к различным методикам прогноза строения массива горных пород.
Исходной информацией для графа обработки являются первичные исходные записи полевых наблюдений.
На первом этапе выполняется первичная обработка данных. Под первичной обработкой данных (препроцессинг) понимают набор процедур, выполняющих подготовку данных к обработке. Они заключаются в представлении всех записей в едином формате в виде сейсмограмм общего пункта возбуждения для каждого из физических наблюдений, а также в последующем редактировании данных с применением ряда процедур (рис. 1).
Оценка качества и отбраковка сейсмотрасс производится визуально с целью удалить из процесса обработки те, которые не несут полезной информации по каким- либо причинам, либо информацию заведомо нельзя выделить. Причинами появления таких сейсмотрасс может быть неисправность сейсмоприемника, неудовлетворительная фиксация его по месту расположения, чрезвычайно высокий уровень постороннего шума и тому подобное.
Необходимость в смене полярности сейсмотрасс возникает при несогласованной полярности подключения сейсмоприемни-ков на профиле.
Частотная фильтрация позволяет выделить полезную часть сигнала и уменьшить влияние помехи. В случае, если для разделения сигнала и шума недостаточно простых фильтров применяется оптимальная фильтрация, которая бы минимально искажала сигнал при подавлении шума. Оптимальные фильтры имеют ряд разновидностей.
Согласованные фильтры применяются с целью выделения на сейсмозаписях сигнала заданной формы. Критерием оптимизации в общем случае служит соотношение максимальной амплитуды отфильтрованного сигнала к дисперсии отфильтрованного шума.
Формирующие фильтры обеспечивают в результате фильтрации минимальное среднеквадратическое отклонение от сигнала заданной формы. Они базируются на решении уравнения Колмогорова-Винера. Разновидностью формирующих фильтров являются фильтры оптимального воспроизведения сигнала (при этом считается, что форма сигнала соответствует его полезной части. Другой разновидностью формирующего сигнала является фильтр отбеливания. При этом полагается, что задан сигнал в виде 5-функции. Цель фильтрации - преобразовать полезную часть сигнала в 5-импульс, расширив соответственно его спектр.
Предсказывающие фильтры позволяют вычислять последующие значения сигнала по предыдущим.
Выравнивание амплитуд по времени и по набору сейсмот-расс выполняется процедурами автоматической регулировки уровня (АРУ) либо нормировкой к одному уровню. Может быть
использована процедура восстановления усиления с целью корректировки эффекта расхождения волны.
На следующем этапе после препроцессинга выполняется обработка данных в рамках конкретного метода.
Исходные записи полевых
наблюдении
Чтение сейсмотрасс
Проверка корректности
Отбраковка трасс
Смена полярности трасс
Регулировка и восстановление амплитуд
Частотная фильтрация, оптимальная фильтрация
Откорректированные
сейсмотрассы
Рис.1 Схема выполнения препроцессинга Метод сейсмического просвечивания.
В основе метода сейсмического просвечивания лежит восстановление параметров волнового поля в плоскости выемочного столба [27], [28]. Граф обработки методом сейсмического просвечивания (МСП) представляет собой итерационный процесс выполнения следующих процедур:
- исследуемая область выемочного столба покрывается системой непересекающихся блоков конечных размеров, имеющих прямоугольную форму;
- по каждой сейсмотрассе значения измеренных либо рассчитанных информатичных параметров приводятся к одному расстоянию регистрации;
- выполняется томографическое восстановление параметров волнового поля в плоскости выемочного столба (производится расчет в каждом фиксированном блоке среднего значения параметра волнового поля, определяемого как отношение суммы значений параметров, измеренных по лучам, проходящим через данный блок, к числу таких лучей);
- на основе использования критериев прогноза нарушенно-сти выделяются и интерпретируются аномальные зоны.
Критерии выявления и распознавания аномалий базируются на величине отклонений значений информативных параметров от фоновых значений. Например, зоны дизъюнктивов и зоны повышенной трещиноватости без разрыва сплошности пласта характеризуются уменьшением скорости информативной волны, уменьшением её амплитуды и частоты, увеличением ширины частотного спектра. Как правило, отклонения параметров пропорциональны амплитуде дизъюнктива.
Метод отраженных волн по схеме общей глубинной точки.
В основе метода отраженных волн по схеме общей глубинной точки (ОГТ) лежит процедура построения сейсмических разрезов по алгоритму, подробно изложенному в [29], [30].
На сейсмограммах годографы волн различных типов проявляются в виде гипербол или близких к ним кривых. Уравнение годографа для однократно отраженных волн используются для построения на сейсмических разрезах изображений отражающих границ. Используя данное уравнение можно выполнить трансформацию кривой линии в прямую путем ввода поправок называемых кинематическими [29]. Для определения кинематических поправок необходимо оценить закон изменения скорости распространения волн в исследуемой среде. Для этого служит процедура расчета спектров скоростей [29]. В наземной сейсморазведке такой спектр называют «вертикальным», поскольку он описывает изменение скорости распространения волн для разных глубин. В случае подземной сейсмики это расчет распределения скоростей вдоль и перпендикулярно профилю наблюдений.
Следует учесть, что расположение изображения отражающей границы совпадает с реальным в случае ее параллельности профилю наблюдений. В иных случаях оно смещается по законам дифракции. Изображение отдельной взятой точки среды в результате дифракции на сейсмическом разрезе представляет собой гиперболу. Положение вершины такой дифракционной гиперболы всегда совпадает с проекцией точки дифракции на линию профиля. Если просуммировать амплитуды исходных трасс разреза ОГТ вдоль таких гипербол и поместить полученные значение в их вершины, можно сформировать уточненный сейсмический разрез в котором положение точек среды, в том числе и отражающих границ будет более адекватно реальному. В этом суть процедуры миграции.
Кроме этого при трансформации следует учесть статические поправки. Это разность времени регистрации волны и расчетного времени ее прихода при условии, что пункт возбуждения (ПВ) и сейспоприемник (СП) находятся на заданной линии приведения. В общем случае статическая поправка состоит из двух частей. Первая обусловлена непрямолинейностью профиля наблюдений. Вторая часть поправки обусловлена наличием зоны разуплотненных пород вдоль выработки, где расположен профиль.
Таким образом, граф обработки по методу отраженных волн по классической схеме общей глубинной точки представляет собой процесс выполнения следующих процедур:
- расчет распределения скоростей вдоль и перпендикулярно профилю наблюдений для определения условий расчета кинематической поправки;
- расчет и ввод статической поправки;
- расчет кинематической поправки и выполнение суммирования по ОГТ;
- при необходимости - выполнение процедуры миграции;
- преобразование временных разрезов в глубинные на основе рассчитанных скоростных законов.
- выделение на глубинных разрезах ОГТ отражающих границ и зон дифракции.
Отражающие границы на разрезах ОГТ проявляются в виде осей синфазности с амплитудой волн, превышающей фон помех.
Дифрагированные волны от локальных аномалий на разрезах ОГТ (без применения процедуры миграции) проявляются в форме характерных гипербол.
Анализ геологической ситуации в зоне расположения профилей, позволяет ситуационно привязать эти синфазности к определенным литолого-стратиграфическим границам либо к вероятным зонам нарушений.
Метод отраженных волн и сейсмической локации по схеме эллипсов.
Как упоминалось выше, годографы отраженных волн проявляются на сейсмограммах в виде гипербол. Для каждой отдельной сейсмотрассы точки отражений, которые соответствуют позиции на годографе располагаются вдоль эллипса с фокусами в местах расположения ПВ и СП. Соответствующий момент времени на годографе равен значению большой оси эллипса деленному на скорость распространения информативной волны.
На основе этого граф обработки по методу эллипсов представляет собой итерационный процесс выполнения следующих процедур [31]:
- расчет распределения скоростей информативных волн вдоль и перпендикулярно профилю наблюдений;
- выделение на сейсмозаписях осей синфазности по первым вступлениям предполагаемой информативной волны;
- построения элиипсов с фокусами в местах расположения ПВ и СП. Значение удвоенной полуоси эллипса равно скорости распространения информативной волны на время первого вступления, соответстующему отсчету на сейсмотрассе.
Критерием наличия отражающих границ является сближение либо пересечение эллипсов в локальной зоне (рис. 2).
Надежность использования методики зависит от расстояния до нарушения и его параметров. При расстоянии порядка 50-60 м надежность прогноза местоположения тектонических разрывных нарушений и размывов угольных пластов (с амплитудой или глубиной эрозионного среза порядка мощности пласта) может достигать 80 %. При этом погрешность определения расстояния составляет от 5 м и более, а погрешность определения пеленга - от
10 о. При уменьшении расстояния надежность метода резко падает.
Рис. 2 - Шахта «Казахстанская» (Казахстан), участок газодренажного штрека 332Д6-З. Пример построения отражающей границы
Основной проблемой при применении данной методики является сопоставимость характерных длин волн сейсмических сигналов, дистанций, на которых производится исследования, а также характерных размерностей аномалий (амплитуда тектонического нарушения, радиус кривизны края аномальной зоны и т.д).
Метод регулируемого направленного приема.
В основе метода регулируемого направленного приема (РНП) лежит разновременное суммирование сейсмозаписей следящей компоненты волнового поля, полосовая фильтрация и изображение результатов на плоскости глубинного разреза [4]. Так как суммирование выполняется на малых базах одновременно с оптимальной фильтрацией, это позволяет выделять на сум-молентах РНП неидеально регулярные волны, т.е. волны которые обладают примерно одинаковой формой. Информативная отраженная волна проявляется в синфазных колебаниях с максимальной амплитудой на суммотрассе, соответсвующей азимутальному углу нарушения.
Основные алгоритмы РНП разработаны для задач наземной глубинной сейсморазведки в предположении наличия протяженных отражающих границ. Полная адаптация алгоритмов РНП к условиям шахтной сейсморазведки, при наличии локальных аномалий произвольной формы пока не выполнена.
Метод дифрагированных волн.
Алгоритм получения сейсмических изображений по методу дифрагированных волн (МДВ) можно условно считать интегральной формой описанного выше алгоритма трассирования геологических нарушений по схеме эллипсов [31]. Если в классическом методе эллипсов условное суммирование происходит вдоль кривых определяемых годографами конкретных волн, то в алгоритме метода дифрагированных волн - по всей плоскости. Если в заданной точке плоскости происходит суммирование синфазных колебаний - получаем изображение отражающей границы либо точки дифракции [24], [25].
Граф обработки МДВ представляет собой процесс выполнения следующих процедур:
- сортировка сейсмических записей по ОПВ;
- при необходимости режекторная фильтрация записей для подавления промышленных электрических помех;
- полосовая фильтрация сейсмических записей;
- обязательная нормировка сейсмических записей;
- получение мигрированных сейсмических изображений на основе использования метода суммирования по гиперболам [24], [25].
Если дизъюнктив расположен таким образом, что системой наблюдений на профиле могут быть зарегистрированы волны, отраженные от нарушения, то представляется возможность оценить как расположение, так и ориентацию нарушения. При этом метод дифрагированных волн позволяет получить изображение нарушения в виде характерных полос синфазности. Если дизюнк-тив расположен таким образом, что на профиле наблюдений могут быть зарегистрированы волны, рассеянные крайними зонами нарушения, то представляется возможность только определить расположение данного края. Метод дифрагированных волн генерирует изображение края нарушения как область, в которой по-
лосы синфазности резко прерываются, либо претерпевают излом (рис. 3). Изображения получены для различных значений скорости информативной волны. Масштабная сетка с шагом 10 м. Контуры забоя в нижней правой части изображений.
■IUI]
Г ШШЯШШШШШшШШШ
fmifm/£f№
m?iiiR'/tiifi
Рис. 3 - Зоны потери синфазности слева от груди забоя на участке конвейерного штрека 62 К12-В шахты «Саранская»
Представленный обобщенный граф обработки сейсмических данных применительно к различным методикам прогноза строения массива горных пород реализован в программном обеспечении, которое прошло многократную апробацию на реальных объектах.
Исследования проведены в рамках НИР «Разработка теории и методических основ сейсмического прогноза структуры угле-породного массива из полевых выработок», выполняемой по заказу Министерства образования и науки ДНР. Результаты данной статьи могут быть использованы при совершенствовании методик сейсмоакустического прогноза горно-геологических условий залегания угольных пластов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dresen L. Seismic Coal Exploration, Part B, Seismics: Handbook of Geophysical Exploration, Section I. Seismic Exploration / L. Dresen, H. Rüter. - Pergamon, 1994. - 486 p.
2. Азаров Н. Я. Сейсмоакустический метод прогноза горногеологических условий эксплуатации угольных месторождений / Н. Я. Азаров, Д. В. Яковлев. - М.: Недра, 1988. - 199 с.
3. Dresen L. Rayleigh - channel waves for the in-seam seismic detection of discontinuities / L. Dresen, S. Freystatter // Geophysics. -1976. - Vol. 42. - P. 111-129.
4. Анциферов А. В. Теория и практика шахтной сейсморазведки / А. В Анциферов. - Донецк: ООО «Алан», 2002. - 312 с.
5. Анциферов А. В. Математическое моделирование в шахтной сейсморазведке / А. В. Анциферов, А.А. Глухов. - Киев: Наукова думка, 2012. - 255 с.
6. 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.
7. Buchanan D.J. Coal geophysics. / D.J. Buchanan, P.J. Jackson // In Geophysics Reprint Series of the Society of Exploration Geophysics. - 1986. - Vol. 6. - P. 275-385.
8. Regueiro, J. Seam waves: What are they? / Regueiro, J. // The Leading Edge. - 1990. - Vol.19. - P. 19-23.
9. Анциферов А. В. Влияние резкости акустических границ на формирование акустического сигнала при применении метода сейсмопросвечивания / А. В. Анциферов // Физико-технические проблемы горного производства. - 2001. - Вып. 4. - С. 55-63.
10. Глухов А. А. Сейсмические волновые поля, регистрируемые на угольных пластах Донбасса при решении задач шахтной сейсморазведки / А. А. Глухов // Зб. наук. праць Нащонального прничого ушверситету. - 2006. - Т.1, № 26. - С. 65-74.
11. Глухов А. А. Физико-математические модели горногеологических условий залегания угольных пластов / А. А. Глу-хов // Наук. вюник Нащонального прничого ушверситету. - 2003.
- № 8. - С. 33-35.
12. Antsyferov A. Review of seismograms typical for an in-seam seismic technique in conditions of different coal basins / A. Antsyferov, A. O. Glukhov // Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining. Taylor & Francis Group. - 2014.
- P. 61 - 64.
13. Глухов А. А. Прогноз геологических неоднородностей углепородного массива методами шахтной пластовой сейсморазведки / А. А. Глухов, А. И. Компанец, В. В. Трофимов, М. А. Педченко, В. А. Анциферов // Наук. пр. УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - 2010. - № 6. - С. 301-312.
14. Mason, I. Fault location by underground seismic survey / Mason, I., Buchanan, D., and Booer, A. // Institution of Electrical Engineers. - 1980. - Vol. 127. - P. 322-336.
15. Friedel Michael J. Mining applications of seismic tomography / Michael J. Friedel, Darel R. Tweeton, M. J. Jackson, J. A. Jossop, S. Billington // 62nd Annu. Int. SEG Meet. - 1992. - Vol. 4. - P. 58-62.
16. Waclawik P. Utilization of innovation of the ISS. In Seam seismic method at the CSM Mine / P. Waclawik, W. Schott // Gor-nicze zagrozenia naturalne. - 2011. - Vol. 2. - P. 517-524.
17. 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.
18. Belisle J. In-seam GPR and 2-C seismic investigations at the Goderich / Jill Belisle, Robert R. Stewart // Ontario salt mine CREWES Research Report. In-seam techniques, 1996. - Vol. 8. -P. 351-355.
19. Lawrence M. Gochioco Advances in seismic reflection profiling for US coal exploration, Geophisics: The leading edge of exploration / Lawrence M. // Consolidation Coal Company Library, Pensyl-vania. - 1991. - P. 24-29.
20. Schott W. On the quantitative determination of coal seam thickness by means of in-seam seismic surveys / W. Schott, P. Waclawik // Canadian Geotechnical Journal. - 2015. - Vol. 52. -P. 1-9.
21. Schott W. 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.
22. Räder D. Calculation of dispersion curves and amplitude-depth distributions of Love channel waves in horizontally-layered me-
dia / D. Räder, W. Schott, L. Dresen, H. Rüter // Geophysical Prospecting. - 1985. - Vol. 33. - P. 80-86.
23. Глухов А. А., Бородин Д. С. О перспективных методах прогноза геологических аномалий методами шахтной пластовой сейсморазведки // H^y^Bi пращ УкрНДМ1 НАН Украши. - До-нецьк, УкрНДМ1 НАН Украши, 2012. - № 11. - С. 210-218.
24. Глухов, А.А. Об использовании миграции до суммирования при построении сейсмических изображений углепородных массивов методами пластовой сейсморазведки А. А. Глухов // Hаyковi пращ УкрНДМ1 НАН Украши: зб. наук. пр. - Донецьк, 2012. - № 14. - С. 209-216.
25. Глухов, А. А. Алгоритм метода дифрагированных волн по прогнозу дизъюнктивов угольных пластов [Текст] /
A. А. Глухов // Журнал теоретической и прикладной механики. - 2021. - № 1. - С. 73 - 83.
26. Глухов, А. А. Об информативности методов шахтной сейсморазведки в зависимости от ориентации дизъюнктива относительно профиля наблюдений [Текст] / А. А. Глухов,
B. А. Анциферов, Т. И. Скопич // Труды РАНИМИ: сб. науч. трудов. - Донецк, 2021. - № 12-13 (27-28). - С. 7 - 21.
27. А. А. Глухов, Е. В. Ребенок, Д. В. Кутепов, Л. Н. Крижа-новская Метод сейсмической томографии углепородного массива. [Текст] Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук Том 8, № 2, 2021.
28. Анциферов А. В., Глухов А. А., Туманов В. В., Сон Д. В., Оленюк С. П. Об алгоритме сейсмической томографии при прогнозе геологических нарушений угольных пластов[Текст] / Анциферов А. В., Глухов А. А., Туманов В. В., Сон Д. В., Оленюк С. П. // Горные науки и технологии. - М.: МИСиС - 2018. -№ 4. - С.1-11.
29. Воскресенский, Ю. Н. Построение сейсмических изображений [Текст] / Ю. Н. Воскресенский. - М.: РГУ нефти и газа, 2006. - 116 с.
30. Автоматизация обработки данных сейсморазведочных работ методом общей глубинной точки [Текст] / А. А. Глухов, В. В. Туманов, В. А. Анциферов.: сб. научн. трудов / Труды РАНИМИ. - Донецк: РАНИМИ, 2019. - № 8 (23). - С. 93 - 100.
31. Глухов А. А., Туманов В. В. Алгоритм прогноза геологических нарушений угольных пластов на основе использования методов эллипсов [Текст] / А. А. Глухов, В. В. Туманов // Сб. научн. тр. РАНИМИ. - 2018. - Т. 1 - № 20. - С. 213.
Глухов Александр Александрович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом компьютерных технологий, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, glukhov1964@yandex.ru.
Анциферов Вадим Андреевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР.
Крижановская Лариса Николаевна, ученый секретарь, ГБУ «РАНИМИ», Донецк, ДНР, lnk_ukrnimi@mail.ru.
GENERALIZED GRAPH OF SEISMIC DATA PROCESSING AND ANALYSIS
This article presents a generalized graph of seismic data processing applied to various methods of forecasting the structure of a rock mass. The basic procedures of preliminary processing of seismic survey materials as well as procedures within specific techniques are considered. The methods of seismic transmission, the method of reflected waves according to the scheme of a common deep point, according to the scheme of ellipses, regulated directional reception are considered. The method of application of diffracted waves is considered. The presented generalized graph of seismic data processing applied to various methods offorecasting the structure of the rock mass is implemented in software that has been repeatedly tested on real objects.
Keywords: diffracted wave application technique, generalized graph, directional reception, rock mass structure.
Glukhov Alexander Alexandrovich, doctor of technical sciences, senior researcher, head of the computer technology department, GBU "RANIMT, Donetsk, DPR, glukhov1964@yandex.ru.
Antsiferov Vadim Andreevich, candidate of technical sciences, senior researcher, senior researcher of the department of ecological and geophysical research, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR.
Larisa Nikolaevna Krizhanovskaya, scientific secretary, GBU «RANIMI», Donetsk, DPR, lnk_ukrnimi@mail.ru.
