Оптимальное решение задач техногенной безопасности геофизическими методами Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

- колебательный процесс У - компоненты более устойчив. Резонансных колебаний не наблюдается, однако концентрация колебательного процесса вокруг горной выработки присутствует.

4. Для Х и У - компонент колебательного процесса горная выработка является своеобразным техногенным фильтром, разделяющим амплитудно-частотный спектр на две составляющие - высокочастотную и низкочастотную, что подтверждают экспериментальные исследования, выполненные впервые Мирером.

5. Наличие трещиноватой зоны вокруг выработки позволяет существенно снизить про-

Частота. г и

Рис. 12. Спектральный состав Х компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

Частота, ги

Рис. 13. Спектральный состав У компоненты колебательного процесса при удалении от источника по нормали к угольному пласту

цессы раскачки горных пород в зоне ее влияния.

— Коротко об авторах

Захаров В.Н., Гуляев П.Н., Харченко А.В. - ИПКОН РАН, г. Москва.

■V---------

© В.В. Туманов, Я.М. Юфа, А. С. Трифонов, А.И. Архипенко, Ю.А. Балакин, 2005

УДК 622.8:550.3

В.В. Туманов, Я.М. Юфа, А. С. Трифонов,

А.И. Архипенко, Ю.А. Балакин

ОПТИМАЛЬНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Семинар № 2

ТТ рименение геофизических методов

-1 -I для решения инженерно-геологических задач предполагает изучение геологического разреза на глубину до нескольких десятков метров. Традиционно используемый для этих целей комплекс методов, как правило, включает в себя электроразведку в различных модификациях метода сопротивлений, метода переходных процессов и других, сейсморазведку МПВ с маломощными источниками возбуждения, в некоторых случаях МОВ и МОГТ, а также ряд других геофизических методов. При больших объемах исследований затраты времени на производство геофизических работ и их стоимость значительно возрастают. Это приводит к необходимости поиска более оптимальных комплексов, включающих экономичные и, в то же время, эффективные методики.

В 80-е годы прошедшего столетия в СССР получила развитие методика сейсморазведочных наблюдений на постоянных базах с использованием малоканальных накопительных сейсмостанций и маломощных механических источников возбуждения колебаний [1]. Проводимые работы давали возможность оперативно и с относительно небольшими материальными затратами получать геологические результаты, по информативности сопоставимые с результатами традиционных методик МПВ, МОВ. В настоящее время существует несколь-

ко моделей компьютеризированных малогабаритных сейсмостанций с записью на жесткий диск компьютера либо в автономное запоминающее устройство. Удачным решением является, на наш взгляд, разработанная в УкрНИ-МИ двухканальная сейсмостанция КЕ7-2. Малые габариты, энергонезависимая флэш-память объемом 8 Мбайт, возможность экспорта информации в различные форматы сейсмических записей позволяют в сжатые сроки и с минимальными трудозатратами проводить полевые наблюдения и в полной мере использовать компьютерные технологии обработки данных.

На примере исследования оползневого склона на участке 14-го километра проектируемого газопровода (южная часть Ставропольского края), продемонстрируем возможности, реализуемые при комплексировании метода сейсмического профилирования на постоянных базах с зондированием методом КМПВ и с методом естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ).

Работы выполнялись с целью определения глубины до коренных глин неоген-нижнечетвертичного возраста, представляющих ложе оползневых отложений глинистого состава, в толще которых проектируется бурение наклонной скважины большого диаметра для строительства газовой магистрали на глубине, неподверженной оползневым влияниям.

Рис. 1. Сейсмограммы и спектры сигналов, полученные с источниками возбуждения различной мощности: а)

кувалда 4 кг и стальная подложка 1,5 кг; б) кувалда 13 кг и деревянная подложка 4кг &150 мм

500

480

460

На предварительном этапе исследований для определения скоростного строения верхней части разреза были проведены зондирования методом КМПВ на базе 92 м с шагом 2 м. Использовались встречные и нагоняющие системы наблюдений для регистрации продольных волн. Преломляющие границы построены методом пластовых скоростей [2] с использованием специализированного программного комплекса интерактивной обработки данных КМПВ.

На основе разрезов КМПВ были рассчитаны теоретические годографы отраженных и преломленных продольных волн, анализ которых показал, что для регистрации волны, отраженной от поверхности коренных глин, оптимальной является база источник-приемник порядка 20 м. На этом расстоянии при глубине залегания отражающей границы 10-30 вступления отраженной волны регистрируются в наиболее чистом виде, поскольку соответствующая ей головная волна либо еще не образуется, либо опережает ее на незначительный промежуток времени, практически не искажая времена вступлений отраженной волны.

При этом поперечные, поверхностные и воздушные (звуковые) волны, как видно из рис. 1, вступают на временах, превышающих времена регистрации целевой продольной отраженной волны.

Кроме выбора оптимальной базы для успешного выделения интересующего отражения необходимо обеспечить достаточную раз-решенность сейсмической записи. Известно, что при использовании ударного источника частота возбуждаемых колебаний увеличивается при уменьшении суммарной массы бойка и подложки [1]. На рис. 1 показано, как изменяются частота колебаний в области волны, регистрируемой в первых вступлениях (1) и в области регистрации целевой отраженной волны (2) при увеличении суммарной массы бойка и подложки от 5,5 кг (а) до 17 кг.

При этом определенное значение имеют размеры подложки и ма-

териал, из которого она изготовлена.

Подобранные таким образом оптимальные параметры бойка и подложки, а также улучшение соотношения сигнал/помеха путем синхронного накапливания сигнала позволяют получить сейсмические записи, хорошо разрешенные во временном и динамическом отношении.

На рис. 2 показан глубинный динамический разрез МОВ, полученный при профилировании оползневого склона на постоянной базе источник-приемник 20 м и шаге наблюдений 5 м. Обработка сейсмозаписей проведена с использованием процедур программного комплекса,

Горизонтальный масштаб 1:5000 Вертикальный масштаб 1:2000

500

ю х б

50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 ПК, м

частота, Гц

85 75 65 55 45 35

Вариация основной частоты акустического отклика массива

вЛ Область активного проявления оползня

-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 ПК, м

Изменения нормированной энергии продольных волн

Рис.2.

-10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 270 290 310 330 350 ПК м

предназначенного для обработки данных МОГТ. Последовательно выполнены нормирование, полосовая фильтрация и деконволюция сейсмических трасс, на основе скоростных законов, полученным по результатам КМПВ, введены кинематические поправки. Затем сформирован аналог временного разреза ОГТ, который пересчитан по упомянутым выше скоростным законам в глубинный динамический разрез. Для наглядности глубинный разрез приведен к линии дневной поверхности. Показанная на рис. 2 отражающая граница построена с учетом поправки за фазу и соответствует поверхности коренных глин.

На интервале ПК 115 - ПК225 наблюдается ухудшение корреляции отражающей границы одновременно с быстрым увеличением мощности оползневых отложений. Это дает основание предположить наличие тектонического нарушения на данном участке профиля, подтверждаемое результатами измерения электромагнитной эмиссии (естественного импульсного электромагнитного поля Земли - ЕИЭМПЗ). Достаточно выраженная отрицательная аномалия электромагнитной эмиссии (см. рис. 3 а) на пикетах 110-150 м отражает, по всей видимости, наиболее перемятую и водонасыщенную

область массива [3].

Симметрично примыкающие на графике к этой области положительные экстремумы электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) являются показателем повышенных напряжений в горном массиве, подтверждающие тектонический характер аномалии по ЭМЭ. Вместе с тем этот график ЭМЭ отражает тектоническую ситуацию на профиле достаточно обобщено, без каких-либо особенностей оползневой ситуации на профиле.

В этом отношении значительно более информативным представляется показатель основной частоты спектра акустического отклика массива [4], (см. рис. 3 б), полученный при удалении приемника от источника на 2 м с использованием мер по подавлению прямого неинформативного сигнала. Глобальный минимум этого показателя совпадает с местополо-

Рис. 3. Графики значений ЕИЭМПЗ и динамических характеристик упругих волн на профиле 1

жением минимума ЭМЭ, подтверждая тем самым данные ЕИЭМПЗ. Падение основной частоты спектра акустического отклика массива в области тектонического нарушения вызвано, по всей видимости, повышенной обводненностью этой части массива. Следует отметить, что основная частота спектра акустического отклика определяется преимущественно поверхностными волнами рэлеевского типа, которые, проникая в массив на небольшую глубину (на величину порядка половины длины волны - 4-6 м), отражают в основном состояние покровных оползневых отложений. Их напряженное состояние характеризуется энергетическими показателями продольных рефрагированных волн, показанных на рис. 3 в с нормированием амплитуд этих волн к мощности источника для каждой точки замера. Чередование положительных и отрицательных аномалий этого графика характеризует смену зон растяжения и сжатия в теле оползня, приводящих к изменению характера рефракции продольных волн в приповерхностной области массива (меняется направление подхода фронта волны по отношению к оси максимальной чувствительности сейсмоприемника) и интенсивности этих волн.

Таким образом, использование при интерпретации сейсмогеологического разреза разработанных показателей динамических характеристик поверхностных волн Рэлея и продольных рефрагированных волн обеспечивает более полную детализацию строения приповерхностной части исследуемого горного массива.

Приведенный пример демонстрирует только один из многих аспектов применения методов малоканальной сейсморазведки при инженерных изысканиях. Возможность оперативного получения достоверных результатов при относительно низкой стоимости работ определяет перспективность использования вышеописанных технологий при выделении тектонических нарушений в осадочных и кристаллических породах, зон развития карста, картировании неглубоко залегающих пластов, определении глубины уровня грунтовых вод и решения целого ряда других геологических задач.

-------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Палагин В.В., Попов А.Я., Дик П.И. Сейсморазведка малых глубин - М.: Недра, 1989. - 210с.

2. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. -М.: МГУ, 1981. - 176с.

3. Соломатин В.Н., Воробьев АА. Постановка метода изучения естественного импульсного электромагнитного поля при искусственной активизации оползневого процесса. // Разведочная геофизика: теория, методика, результаты. - Киев, «Наукова думка», 1984. -с. 240.

4. Трифонов А.С., Архипенко А.И, Туманов В.В., Юфа Я.М., Киселев Н.Н., Богак М.Ю. Сейсмоакусти-ческая диагностика состояния насыпных объектов техносферы. // Сб. научных докладов. Международная научно-техническая конференция: горная геология, геодинамика и маркшейдерия. - Донецк, Укр-НИМИ НАН Украины, 2004. - с. 472.

— Коротко об авторах

Туманов В.В., Юфа ЯМ., Трифонов А.С., Архипенко А.И. - УкрНИМИ НАН Украины, г. Донецк, Балакин ЮЛ. - ТИСИЗ, г. Ставрополь.

------Ф

^-------

--------------------------------------------- © М.Г. Тиркель, 2005

УДК 550.3:551:534.8 М.Г. Тиркель

НОВЫЙ ВАРИАНТ ТОМОГРА ФИИ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ПРОГНОЗЕ СТРОЕНИЯ ГОРНОГО МАССИВА

Семинар № 2

рогноз строения горного массива сейсмическим методом опирается на использование наборов критериев, свидетельствующих о наличии тех или иных геологических структур и аномалий. При этом одним из наиболее эффективных подходов в определении характеристик аномалий является сейсмическая томография. В шахтной сейсморазведке при использовании сейсмопросвечивания (МСП) широко используются методы томографии, основанные на следующем подходе.

Исследуемый участок разбивается на зоны ву. Для каждой из ву выбирается совокупность К сейсмотрасс, лучи которых проходят через данную зону. На основе значений характеристик Ак (полученных в результате обработки

информативных волновых пакетов сейсмотрасс), длин путей лучей от источника до приемника Кк и длин их путей гку по ву оценивается то значение характеристики Ау, которое было бы у сейсмотрасс в том случае, если бы вся среда имела бы такие же параметры, как в зоне ву. При этом предполагается, что любые составляющие сейсмотрассу колебания проходят один и тот же путь вдоль ее луча. Этот чрезвычайно эффективный метод прогноза горногеологических условий залегания угля не находит распространения при решении задач наземной сейсморазведки, базирующейся на анализе характеристик отраженных и преломленных волн. При этом характерно, что колебания за один и тот же временной промежуток могут