CC BY
27
УДК 622.271:550.834 А.И. Бабкин
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
Приведены результаты натурных экспериментов для реализации задач, связанных с пространственно интерференционными системами наблюдения во внутренних точках среды калийных рудников
Ключевые слова: сейсмоакустические наблюдения, калийные рудники, горные массивы, информативные характеристики волнового роля
Семинар № 2
ТЪ озрастающая потребность в ис--Ш.9 пользовании геофизических методов контроля состояния разрабатываемого массива на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) продиктована все более жесткими требованиями к безопасности горного производства в условиях его интенсификации. Лидирующая роль в комплексе применяемых методов отводится сейс-моакустическим исследованиям. Это связано с большей разрешающей способностью сейсмоакустических наблюдений и меньшим искажающим влиянием на регистрируемые данные технологического оборудования (электрические кабели, подстанции). Кроме того, в условиях подземных выработок появляется возможность конструирования систем наблюдений для изучения массива в нескольких плоскостях разреза [1] с использованием волн различного класса и типа [4]. На сегодняшний день на рудниках ВКМКС наблюдения ведутся в традиционном профильном исполнении по линиям в одной или в двух расположенных рядом взаимно-
перпендикулярных выработках [5]. Горно-технические условия многопластовой
отработки продуктивной толщи с прохождением разведочных и подготовительных выработок позволяет осуществлять сейсмоакустические наблюдения в пространственном исполнении.
Известные в наземной сейсморазведке методом общей глубинной точки площадные системы наблюдений позволяют получать информацию о строении геологической среды в объемном представлении - так называемые 3D кубы. Однако, успешная реализация пространственных высокоинформативных интерференционных систем наблюдений в горных выработках требует тщательного анализа волновых сейсмоакустических процессов в горном массиве. Это связано прежде всего с тем, что наблюдения проводятся не на поверхности полупространства, а во внутренних точках среды. В этом случае геологическая интерпретация получаемых данных возможна только при наличии достоверных представлений о направленности излучения и регистрации объемных упругих колебаний. Извлечение информативной составляющей волновых полей осложнено также регистрацией
Рис. 1. Положение сейсмоаку-стических профилей на плане горных работ
на сейсмограммах волн различных типов. Последние присутствуют в равной степени вне зависимости от направленности оси
тельности сейсмоприемников, вследствие обменных процессов на границе целик-выработка [4].
Для решения методических задач, связанных с успешной реализацией пространственных интерференционных систем наблюдений во внутренних точках среды, проведены натурные эксперименты. В пределах подготовленного для очистных работ целика реализованы сейсмоакустиче-ские наблюдения по смежным взаим-но-перпендикуляр-ным выработкам (рис. 1). Серия профильных наблюдений МОГТ по обоим штрекам заключалась в регистрации отраженных сигналов при направлении ударных воздействий в кровлю (рис. 2.а) и смежную стенку (рис. 2.б) выработок. Сейсмоприемники электродинамического типа устанавливались на почве в вертикальном направлении оси чувствительности (рис. 2.в). С целью выделения информативных элементов регистрируемых волновых полей проведена цифровая обработка данных, которая включала в себя набор традиционных для МОГТ процедур, адаптированных и скорректированных в соответствии с особенностями при-
Рис. 2. Схема возбуждения упругих колебаний из горной выработки в вертикальной (а) и горизонтальной плоскостях (б) при регистрации вертикальными геофонами (в)
меняемых систем наблюдений [6]. Граф обработки состоит из полосовой и обратной фильтрации, расчета и коррекции кинематических поправок, расчета остаточных фазовых сдвигов, вычитания интенсивных волн-помех с отличающимися от целевых отражений скоростными характеристиками, коррекции формы сигнала и когерентной фильтрации. Разделение волн продольного и поперечного типов на этапе цифровой обработки базируется на положениях частотной теории интерференционного приема, неоспоримым достоинством которой является направленная селекция по кинематиче-
а! б ( в_1
Рис. 3. Временные разрезы МОГТ, полученные при пространственном направлении излучения упругих колебаний в вертикальной плоскости Р-волны (а), S-волны (б)
ским характеристикам волн.
Информативными результатами цифровой обработки по каждой выработке являются наборы пространственно-ориентированных конечных временных разрезов общей средней точки (ОСГ) для волн продольного и поперечного ^) типов. Волны S-типа рассматриваются без учета их поляризации. Основанием для этого являются: несущественное различие в скоростях распространения SV- и SH-волн; неопределенность характера смещения частиц при формировании на контуре выработки обменных волн, регистрируемых продольными геофонами.
Как и следовало ожидать, временные разрезы, полученные при пространственном направлении излучения упругих колебаний в вертикальной плоскости, отображают слоистую структуру строения вышележащих пород водозащитной толщи (ВЗТ). На волновых картинах как продольных, так и поперечных волн выделяются отражающие горизонты (ОГ), соответ-
ствующие одним литологическим границам (рис. 3). Некоторое несоответствие интенсивности проявления тех или иных ОГ вызваны различием влияния горных пород на процессы распространения и отражения P- и S-волн.
При осуществлении наблюдений в горизонтальной плоскости на временных разрезах P-волн явно проявляется отражение от противоположно выработки (рис. 4). Для профиля №1 менее наглядно по причине недостаточного времени регистрации при большем удалении выработки от линии наблюдений. Критерием возможности проявления в поле отраженных волн в горизонтальной плоскости одиночной выработки являются горизонтальная и вертикальная разрешающие способности МОГТ, которые базируются на определенном соответствии размеров объекта с длиной волны и радиусом первой зоны Френеля [2]. Временные разрезы S-волн в горизонтальной плоскости, не отобра-
б
Штрек х, м
Рис. 4. Временные разрезы МОГТ для P-вoлн, полученные при пространственном направлении излучения упругих колебаний в горизонтальной плоскости.
А — профиль №1, б — профиль №4
жают противоположных выработок по причине выхода их ожидаемого времени регистрации за пределы длины записи сейсмограмм (рис. 5).
При возбуждении упругих колебаний в горизонтальной плоскости волны распространяются вдоль пластов, следовательно, характер волновой картины в интервале между началом записи и отражением от противоположной выработки не должен иметь выдержанные по разрезу оси синфазности. Однако, на рис. 5. достаточно уверено коррелиру-ются псевдо ОГ, не имеющие геологического истолкования. Причем, отражение на времени 50 мс имеет схожий ха-
рактер рисунка на разрезах Р- (рис. 4.а) и S-волн (рис. 5.а), что не может быть физически по причине различия в скоростях распространения волн этих типов. Следует отметить также заметное снижение интенсивности данного отражения в направлении к середине исследуемого целика на временном разрезе Р-волн. При сравнительном анализе всего набора временных разрезов, относящихся к исследованиям в данной горной выработке, представленные ложные оси синфазности и по времени и по форме отождествляются с выделенными в вертикальной плоскости ОГ для поперечных волн (рис. 3.б - ОГ4).
б
О 50 100 150
X, м
Рис. 5. Временные разрезы МОГТ для S-волн, полученные при пространственном направлении излучения упругих колебаний в горизонтальной плоскости.
А - профиль №1, б - профиль №4
В качестве объяснения данного явления приведем теоретические характеристики направленности источника типа сосредоточенной силы, приложенной к свободной поверхности (рис. 6) [3]. Достаточно близкие к теоретическим выкладкам имеют характеристики направленности, определенные экспериментально в исследованиях ряда авторов (рис. 7) [7]. Видно, что максимум направленности источника для поперечных волн соответствует диапазону углов ~ 40-50° от направления воздействия на горный массив. Таким образом, при условии более выраженной акустической контрастности геологического разреза в диапазоне этих углов, во внутренних точках среды могут регистрироваться
Рис. 6. Характеристики направленности источника типа сосредоточенной силы, приложенной к свободной поверхности, для значений у = 0,5 (а) и = 0,2 (б) по данным В.
Н. Никитина
отраженные 8-волны, пришедшие к линии наблюдений не в плоскости направленности исследований. Присутствие ложных ОГ на временных разрезах Р-волн имеет важное методическое значение с точки зрения оценки достоверности информации на краях профильных линий, где селекция регистрируемых сигналов теряет свою эффективность вследствие понижения кратности наблюдений.
Результаты проведенных экспериментальных исследований позволяют сделать ряд методических выводов.
• При проведении сейсмоакусти-ческих наблюдений МОГТ с использо-
Рис. 7. Характеристики направленности импульсного источника по продольным (а) и поперечным (б) волнам по данным М. Б. Шнеерсона, В. В. Майорова
ванием пространственных интерференционных систем регистрации данных с целью изучения породного массива из горных выработок необходимо выбирать интервал полезной записи с учетом возможной регистрации отраженных волн-помех, распространяющихся в направлениях, отличных от прихода целевых волн.
• В процессе цифровой обработки сейсмоакустических данных определяющую роль в повышении достоверности получаемых результатов играют процедуры коррекции кинематических поправок на основе детального скоростного анализа регистрируемого волнового поля. При этом необходимо учитывать возможный диапазон изменения скоростей согласно априорной модели разреза и направлению распространения целевых волн.
• При расчете параметров систем наблюдений необходимо учитывать присутствие в регистрируемом волновом поле волн P- и S-типа. Характеристики применяемых систем интерференционного приема должны обеспечивать селекцию разнотипных волн, достаточную для достоверной совместной интерпретации в рамках многоволновых исследований.
Учет всех перечисленных методических особенностей шахтных сейсмоаку-
Рис 8. Распределения скоростей продольных волн в пределах исследуемого целика в горизонтальной плоскости.
а - по данным профиля №1, б - по данным профиля №4, в - среднее для обоих профилей
стических исследований с использованием пространственных высокоинформативных интерференционных систем наблюдений позволит получать достоверные пространственно-
ориентированные представления о геологической среде. Информативные характеристики волнового поля, зарегистрированного в различных направлениях распространения волн, при совместной их интерпретации в меньшей степени зависят от искажающего влияния процедур цифровой обработки.
В качестве примера повышения достоверности получаемых данных представим распределения скоростей продольных волн в пределах иссле-
1. Бабкин А.И. Новые интерпретационные возможности метода сейсмического просвечивания за счёт использования отраженных волн// Проблемы горного недроведения и системологии. Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. Пермь, 1999. С. 5-9.
2. Мешбей В. И. Методика многократных перекрытий в сейсморазведке. Москва: Недра, 1985. 264 с.
3. Никитин В.Н. Основы инженерной сейс-мики. Москва: Изд-во МГУ, 1981. 176 с.
4. Санфиров И.А., Бабкин А.И., Сальников А.П. Контроль состояния горного массива методом многоволновой шахтной сейсмораз-
дуемого целика в горизонтальной плоскости (рис. 8). Как для профиля №1, так и для взаимно-перпендикулярного профиля №4 наблюдается общее понижение значений скоростей в северо-восточном направлении. Однако, в силу специфики цифровой обработки в МОГТ, присутствует некоторая «вы-тянутость» элементов скоростного поля согласно пространственному положению линий наблюдений (рис. 8, а, б). А найденное как среднее для обоих волновых полей, распределение значений скоростей в целике сохранило характерную для каждого профиля зональность, но при этом без видимых линейных форм (рис. 8, в).
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ведки/ Горный Вестник, Москва: Академия горных наук, институт горного дела им. А.А. Ско-чинского, №6, 1998. С.94-99.
5. Санфиров И.А. Бабкин А.И. Сейсморазведка МОВ в горных выработках соляных рудников/ «Геофизика», Москва: Евро-азиатское геофизическое общество (ЕАГО), №3, 2006. С.23-26.
6. Санфиров И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. 168 с.
7. Шнеерсом М.Б., Майоров В.В. Наземная невзрывная сейсморазведка. М.: Недра, 1988. -237 с.
Коротко об авторе ----------------------------------------------------------
Бабкин А.И. - старший научный сотрудник Горного института Уральского отделения Российской академии наук, кандидат технических наук. Пермь, [email protected]
А
