CC BY
37
УДК 622+550.834.33
В.В. Романов, К.С. Мальский, А.И. Посеренин, А.Н. Дронов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАТУХАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ТОЛЩЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК*
Проведен анализ результатов опыта по определению коэффициента затухания в приповерхностной толщи горной выработки. Опыт основан на регистрации микросейсмических колебаний, возникающих под действием источника типа «падающий груз» и оказывающего на поверхность выработки направленное вертикальное воздействие. Использован комплекс из регистратора сейсмических сигналов «Дельта», обрабатывающей программы «MicraSeisTools» и портативного источника упругих волн типа «падающий груз». Определена реакция трехкомпонентного акселерометра при различном удалении источника от датчика. Установлено значительное снижение уровня вертикальной компоненты виброускорения в зависимости от расстояния, при намного меньшем затухании горизонтальных компонент. По амплитудам импульсов на трассе вертикальной компоненты построена и обработана амплитудная кривая, по наклону линеаризованной амплитудной кривой в полулогарифмическом масштабе найден коэффициент затухания. Дана оценка возможности источника при выполнении подобных работ на другом объекте.
Ключевые слова: коэффициент затухания, микросейсмы, горные выработки, сейсмология, сейсмические волны, амплитуды.
Введение
Коэффициент затухания определяет уменьшение амплитуды сейсмической волны в процессе ее движения в толще горных пород. Амплитуда уменьшается из-за совокупного влияния геометрического расхождения и неидеально упругого поглощения. Разделение названных факторов и независимая оценка их параметров затруднительна, поэтому используется эффективный параметр — коэффициент затухания к, входящий в эмпирическое уравнение(1)
Ах = А0е-кХ (1)
где Ах — амплитуда сейсмической волны на расстоянии X от источника вол-
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-110-116
ны, А0 — амплитуда волны в источнике, к — коэффициент затухания. Значения коэффициента затухания позволяют качественно вычленить в массиве горной выработки ослабленные зоны и скрытые полости, проходка которых сопряжена с повышенной опасностью при разработке месторождения [6,7].
Методика эксперимента
В основе эксперимента лежит базовый принцип сейсмической разведки — возбуждение упругих волн и их регистрация на разных расстояниях от источника [1]. В точке измерения устанавливался комплект регистрирующего оборудова-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-60070.
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 1. С. 110-116. © В.В. Романов, К.С. Мальский, А.И. Посеренин, А.Н. Дронов. 2018.
Канал 2, Нопгота! X Агтз= 1 тт/з2; Ареак=69 тт/э2
О 64 128 192 256 320 384 448 512 576 640 704 768 832 896 960 1 024 1 088 1 152 1 216 1 280 1 344 1 408 1 472 1 536 1 600 1 664 1 728 1 792 1 856 1 920 1 984
Канал 3, Гюпгогйа! У Аггп5= 1 тт/52; Ареак=137 шгп/б2
64 128 192 256 320
512 576 640 704
832 896 960 1 024 1 088 1 152 1 216 1 280 1 344
1 728 1 792 1 8!
Рис. 1. Фон сейсмических колебаний в отсутствии ударных воздействий
ния — трехкомпонентныи акселерометр А0531 (производство ЗАО «Геоакустика»), четырехканальный регистратор сейсмических сигналов «Дельта-03М» (производство ООО «Логис») с управляющим блоком — нетбуком [5]. Предварительно был оценен фон микросейсмических колебаний в точке записи (рис. 1).
Далее по линейному профилю длиной 10—15 м перемещался источник сейсмических волн типа «направленная вертикальная сила», представляющий металлический груз массой 2500 г, совер-
шающий падение с высоты 40 см. Его потенциальная энергия составила 10 Дж [3]. Подъем груза происходил вручную,
Рис. 2. Изображение и чертеж применяемого сейсмического источника
Рис. 3. Импульсы сейсмических волн, возбужденные падающим грузом и записанные 3-компо-нентным регистратором
при помощи прикрепленного к нему металлического троса (рис. 2).
В каждой точке профиля, с шагом в 1 м, выполнялось по 5—10 ударов для накопления статистической информации с целью снижения влияния случайных мешающих колебаний и локальных поверхностных условий.
Импульсы наблюдались с задержками, связанными с ограниченной скоростью распространения волн в горных породах, амплитуда волны закономерно уменьшалась с ростом расстояния от источника (рис. 3).
Полученные данные обрабатывались в программе MicroSeisTools, предназна-
60
10
Лу мм/с2
\ 1
Хм
1 -*-Аг1
2
3 —Ау1
Рис. 4. Амплитудные графики для трех компонент колебаний
4.5 А, мм/с2 4
3.5 ч
3
2.5 у = -0.4769х +3.9994
2 .
1.5
1 N.
0.5 0 1 2 X, м
3 4 5 6 7 8
Рис. 5. Пример определения коэффициента затухания по наклону амплитудного графика (вертикальная компонента)
ченной для анализа и преобразования записей микросейсмических колебаний (В.В. Романов, К.С. Мальский, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016615697). Файлы данных фильтровались в полосе 1—50 Гц, «шумящие» участки отбраковывались [4]. Импульсы, полученные при одном положении источника, визуально выделялись в группы по признаку наличия интервалов «сейсмической тишины» между ними. В пределах группы импульсов находилось среднее значение пиковой амплитуды.
Анализ полученных результатов
Естественные колебания земной поверхности (микросейсмы) в проводимом опыте являются помехами. По записи микросейсм в отсутствии работающего источника были определены среднеква-дратические амплитуды: Аг = 0,3 мм/с2, Ах = 0,7 мм/с2, Ау = 0,9 мм/с2. Полученные значения задают то максимальное расстояние источника от регистратора, при котором влияние помех можно по-
лагать незначительным. Считая, что последние распределены по нормальному (гауссову) закону, в расчет брались только те значения амплитуд, которые в три и более раз превышали среднеквадра-тический уровень шума.
Амплитуды искусственно созданных источником сейсмических волн были сгруппированы и построены на графиках вида «амплитуда/расстояние источник-приемник» [2]. Пример такого графика показан на рис. 4.
Можно заметить, если амплитуда вертикальной компоненты, преобладание которой обусловлено направлением удара, резко убывает с расстоянием от источника по приблизительно экспоненциальному закону, тогда как горизонтальные компоненты убывают значительно медленней и линейно. Если на расстоянии 1—2 м от источника амплитуда вертикальной компоненты колебаний в 5— 10 раз больше, чем у горизонтальных, то на расстоянии в 6—7 м их уровень почти сравнивается. На удалении 8—10 м от источника амплитуда вертикальной
компоненты достигает критического уровня, в связи с чем остальные данные по остальным пикетам профиля не рассматривались, как содержащие достаточный высокий уровень мешающих микро-сейсм.
Амплитудные графики по вертикальной компоненте изображались в полулогарифмическом масштабе, что превращали обратные экспоненциальные зависимости в убывающие линейные, с угловым коэффициентом, равным коэффициенту затухания (2).
к = -ДА/ДХ (2)
Значения определенных коэффициентов затухания (рис. 5) составили 0,3—0,5. Близость амплитудного графика в полулогарифмическом масштабе к линейной зависимости подтверждает гипотезу о экспоненциальном убывании ампли-
туды вертикальной компоненты с расстоянием.
Выводы
В результате проведенного эксперимента была опробована методика нахождения коэффициента затухания сейсмических волн в приповерхностной толще горных выработок. В результате была выбрана оптимальная длина профиля — 8—10 м и получены числовые значения коэффициентов затухания — 0,3—0,5. Вместе с тем выявлены и слабое место технологии — существенный разброс амплитуд импульсов, полученных с одного расстоянии от источника. Предполагается, что разработка нового автоматизированного источника (например электромагнитного) со строго дозированной энергией удар снимет эту проблему.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кувалдин А. В., Романов В. В., Рахматуллин И. И. Сейсморазведочные исследования при строительстве // Профессиональное образование и общество. — 2014. — № 2 (10). — С. 56—58.
2. Романов В. В. Применение амплитудных графиков при обработке и интерпретации данных метода преломленных волн для решения задач инженерной геологии // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. — 2012. — № 4. — С. 56—60.
3. Романов В. В. Возможности повышения разрешенности сейсмограмм метода преломленных волн (МПВ) //Технологии сейсморазведки. — 2013. — № 4. — С. 67—73.
4. Романов В. В., Мальский К. С., Дронов А. Н. Выбор оптимальных параметров записи микросейсмических колебаний в горных выработках // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 7. — С. 101—107.
5. Романов В. В., Мальский К. С., Дронов А. Н. Использование записей микросейсмических колебаний при изучении влияния массовых взрывов на состояние горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 5. — С. 293—300.
6. Романов В. В., Мальский К. С., Дронов А. Н. Выбор места заложения штольни на борту карьера с помощью микросейсмического зондирования // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 11. — С. 314—321.
7. Соловьев Н. В., Романов В. В., Мальский К. С. Основные направления совершенствования технико-технологического обеспечения геологоразведочных работ // Разведка и охрана недр. — 2016. — № 5. — С. 47—53.
8. Cai M., Kaiser P. K., Martin C. D. Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2001. — vol. 38. — no 8. — pp. 1135—1145.
9. Mayerhofer M. J., etc. Integration of microseismic-fracture-mapping results with numerical fracture network production modeling in the Barnett Shale // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. — Society of Petroleum Engineers, 2006.
10. Warpinski N., etc. Microseismic monitoring: Inside and out // Journal of Petroleum Technology. — 2009. — vol. 61. — no 11. — pp. 80—85. EES
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Романов Виктор Валерьевич1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Мальский Кирилл Сергеевич1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected],
Посеренин Алексей Игоревич1 — старший преподаватель, e-mail: [email protected],
Дронов Андрей Николаевич — старший преподаватель, e-mail: [email protected], Российский университет дружбы народов, 1 Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГУ).
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 1, pp. 110-116.
UDC 622+550.834.33
V.V. Romanov, K.S. Malskiy, A.I. Poserenin, A.N. Dronov
DETERMINATION OF SEISMIC WAVE ATTENUATION IN ROCKS SURROUNDING UNDERGROUND EXCAVATIONS
The test data on the determination of wave attenuation factor in rocks surrounding underground excavations are analyzed. The test was based on recording of microseismic vibrations generated by a source of the type of «falling load» which exerted directional vertical impact on the excavation surface. The seismic recording system was composed of signal recorder Delta, software program MicroSeisTools and a portable elastic wave source of the type of «falling load.» The three-axis ac-celerometer response was determined at different distances between the source and recorder. It is found that the attenuation of the vertical component of vibration acceleration considerably grows with the distance and is higher than the horizontal component attenuation. The curve of the amplitudes of impulses along the route of the vertical components is plotted and processed. By the slope of the linearized amplitude curve in log-loge scale, the wave attenuation factor is determined. Aside from the key objective of the study, the capabilities of the source in the same operation with other objects are estimated.
Key words: attenuation factor, micro-seisms, underground excavation, seismology, seismic waves, amplitudes.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-1-0-110-116
AUTHORS
Romanov V.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Malskiy K.S1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Poserenin A.I.1, Senior Lecturer, e-mail: [email protected], DronovA.N., Senior Lecturer, e-mail: [email protected],
Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), 113093, Moscow, Russia,
1 Russian State Geological Prospecting University named after Sergo Ordzhonikidze (MGRI-RSGPU), 117997, Moscow, Russia.
ACKNOWLEDGEMENTS
The study has been supported by the Russian Foundation for Basic Research, Project No. 16-35-60070. REFERENCES
1. Kuvaldin A. V., Romanov V. V., Rakhmatullin I. I. Professional'noe obrazovanie i obshchestvo. 2014, no 2 (10), pp. 56-58.
2. Romanov V. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Geologiya i razvedka. 2012, no 4, pp. 56-60.
3. Romanov V. V. Tekhnologii seysmorazvedki. 2013, no 4, pp. 67—73.
4. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Dronov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 7, pp. 101—107.
5. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Dronov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 5, pp. 293—300.
6. Romanov V. V., Mal'skiy K. S., Dronov A. N. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016, no 11, pp. 314—321.
7. Solov'ev N. V., Romanov V. V., Mal'skiy K. S. Razvedka i okhrana nedr. 2016, no 5, pp. 47—53.
8. Cai M., Kaiser P. K., Martin C. D. Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2001, vol. 38, no 8, pp. 1135—1145.
9. Mayerhofer M. J. Integration of microseismic-fracture-mapping results with numerical fracture network production modeling in the Barnett Shale. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers, 2006.
10. Warpinski N. Microseismic monitoring: Inside and out. Journal of Petroleum Technology. 2009, vol. 61, no 11, pp. 80—85.
FIGURES
Fig. 1. Background seismic vibrations in the absence of impact forces.
Fig. 2. General view and layout of the employed seismic source.
Fig. 3. Seismic wave impulses generated by the falling load and registered by the three-axis recorder.
Fig. 4. Amplitude plots for three components of vibrations.
Fig. 5. Example of acceleration factor determination by the amplitude curve slope (vertical component).
_
ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ
(СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК)
ОПЫТ РУКОВОДСТВА АО «РАЗРЕЗ ТУГНУЙСКИЙ»
(2017, № 10, СВ 20, 88 с.)
Коллектив авторов
Сборник содержит материалы интервью, раскрывающие профессиональный и жизненный опыт, накопленный руководителями АО «Разрез Тугнуйский». Представленные размышления и взгляды руководителей на актуальные вопросы организации производства и управления персоналом угледобывающего предприятия будут полезны тем, кто формирует собственную модель успешного управления или стремится освоить руководство как функцию и роль.
Ключевые слова: угледобывающее предприятие, руководитель, управление, профессионализм, организация производства, безопасность и эффективность производства.
EXPERIENCE OF MANAGEMENT OF JSC «RAZREZ TUGNUISKY»
Team of authors
The collection contains material from interviews, discussion of professional and experience accumulated by managers of JSC «Razrez tugnuisky». Presents the reflections and views of leaders on the topical issues of organization of production and personnel management of coal mining enterprises will be useful to those shaping its own model of successful management or seeks to develop the leadership function and role.
Key words: coal mining enterprise, manager, management, professionalism, organization of production, safety and efficiency.
