Согласование натурных и лабораторных сейсморазведочных оценок напряженнодеформированного состояния массива Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

--------------------------------------- © А.И. Бабкин, А.Е. Ахматов,

2006

УДК 55.834

А.И. Бабкин, А.Е. Ахматов

СОГЛАСОВАНИЕ НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНЫХ ОЦЕНОК НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА *

Семинар № 3

~П ыбор необходимых параметров

.О системы отработки продуктивных пластов в конкретных геологических условиях основан на гибкой системе геоме-ханического обеспечения, способной оперативно учитывать локальные изменения горно-геологичес-кой обстановки. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы, связанные с возможностью оценки состояния породного массива дистанционными методами контроля, к которым следует отнести геофизические исследования. С оценкой изменчивости напряжённо-деформированного состояния массива в процессе его отработки в определенной степени связана безопасность горного производства.

Со степенью напряжённо-деформированного состояния массива в большей степени связаны изменения упругих характеристик пород, проявляющиеся при сейсморазведочных исследованиях в параметрах регистрируемых волновых полей. Основной вклад в изменчивость сейсмической записи при увеличении нагрузки на слагающие разрез породы вносят уменьшение общей пористости и тре-щинообразование. Пористые породы характеризуются более заметным изменением скорости волн при увеличении давления. Так, при лабораторных измерениях установлена зависимость диапазона изменения скорости от пористости [1]. При

увеличении давления на 50-60 МПа для пород с пористостью 20 % происходит повышение скорости продольных волн на 30-40 %. Под действием увеличивающегося напряжения образуются трещины или, иначе говоря, изменяется степень на-рушенности пород, которая так же оказывает влияние на параметры упругих волн. Известно, что с ростом действующей нагрузки скорость упругих волн сначала возрастает за счёт уплотнения материала, а затем падает в связи с нарушением сплошности [4].

Перечисленные взаимосвязи изменения напряжённо-деформированного состояния горного массива с характеристиками упругих волн предопределяют возможность использования сейсморазведочных данных для геомеханического контроля горного производства. Разработка подобной сейсморазведочной технологии подразумевает поиск наиболее информативного набора параметров регистрируемых волновых полей.

Решение прямой задачи на основе физического моделирования позволяет напрямую оценить закономерности в распространении упругих волн, связанные с фактическими изменениями физических и структурных параметров породных объектов. Проводимые в настоящее время исследования изменения характеристик проходящих волн при нагружении об-

*Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ (гранд № 04-05-96011) 72

разцов достаточно сложно применить в практических исследованиях, как вследствие масштабного эффекта, так и по причине упрощенной имитации полевых систем наблюдений. В этой связи несомненный теоретический и практический интерес представляет физическое моделирование современных сейсморазведочных технологий, к которым следует отнести методику многократных перекрытий по общей глубинной точке (ОГТ).

В рамках решения представленной задачи нами выполнено физическое моделирование изменения напряжённо-

деформированного состояния образца при различной степени нагружения: 1) без нагрузки; 2) 3,03 МПа; 3) 6,06 МПа; 4) 12,12 МПа; 5) 18,18 МПа. В качестве используемого материала взят блок сильвинита (рис. 1). Его размеры: длина - 30 см, ширина - 11 см, высота - 17 см. В пределах горизонтальной плоскости имитирована интерференционная система наблюдений методики многократных перекрытий со следующими параметрами: 15-ти канальная центральная с раскрытием и закрытием системы на концах профиля; дХпв = йХпп = 2 см; точечный источник упругих волн (удары молоточка по болту малого диаметра). Параметры регистрации: М = 2 мкс; ФВЧ - 500 Гц; ФНЧ - 20 кГц; коли-

Рис. 1. Устройство физического моделирования

чество воздействий - 9. Направленность излучения и регистрации параллельно действию нагружения.

В результате моделирования получен набор временных разрезов (рис. 2), а также кинематических и динамических составляющих волновых полей (рис. 3), соответствующих выбранным параметрам нагружения. Априорный скоростной закон (3800 м/с) основан на результатах предыдущих работ по физическому моделированию [3]. Анализ волновых картин не позволяет в достаточной степени идентифицировать изменения в сейсмической записи с ростом нагрузки. Можно отметить более сложный интерференционных характер сейсмической записи в интервале исследуемого блока от линии наблюдений до отражения от нижней грани (~ 90 мкс). В подобной ситуации решение поставленной задачи может быть найдено на основе анализа амплитудных и скоростных характеристик сигнальной составляющей волновых полей.

Для этого построены зависимости интегральных оценок (рис. 3) основных параметров регистрируемых волн от величины нагрузки (средняя амплитуда, эффективная скорость, частоты спектрального центроида, максимума спектра и ширина спектра).

С ростом нагружения происходит незначительное изменение средних амплитуд (~2 %). Изменение находится в пределах погрешности регистрации и обработки и в приложении к оценке напряжённо-деформированного состояния массива не может выступать критерием его изменения.

Рис. 2. Временные разрезы физического моделирования: а) без нагрузки; б) — 3 МПа; в) — 6 МПа; г) : 12 МПа; д) - 18 МПа; 1 - границы блока

Анализ различных спектральных характеристик сигнала указывает на стабильное увеличение как частоты спектрального центроида (-4 %), так и максимума спектра регистрируемых колебаний (-15 %). При этом с повышением частоты происходит сужение ширины спектра (-7,5 %). Подобный характер изменения спектральных оценок свидетельствует о выпадении низкочастотной составляющей упругих колебаний с ростом нагружения образца. Данное явление, на наш взгляд, связано как с уменьшением общей пористости, так и с образованием трещин, на которых происходит интерференция волн. Зависимость частоты максимума спектра от величины нагрузки обладает большей стабильностью и может быть выбрана в качестве одного из параметров оценки напря-

жённо-деформированного состояния массива при проведении сейсморазведочного мониторинга.

Исходя из результатов экспериментов ультразвукового контроля процесса деформирования на сильвинитовых образцах [2], следует предположить аналогичное изменение скоростей с ростом давления и при физическом моделировании сейсморазведки МОГТ. А именно: увеличение скорости при распространении волн в направлении действия нагрузки и уменьшение в перпендикулярном. При этом, в связи с малой пористостью соляных пород скорости прохождения ультразвуковых волн в процессе нагружения возрастают не более чем на 20 %. В большей степени скорость зависит от степени дефектности образца, или трешинообразования [2].

.МПа

. МПа

МПа .

>ЛП\/{>ЫХ

I и.и ллистопис мт»с<^/№іопоіл 1/цслч/А /липо. ниі/н**ил,аил и і/н і і и. иіі -и і /\и а ідшщил

полей для физического моделирования напряженно-деформированного состояния массива: спектрального центроида; г) максимум спектра; д) ширина спектра: а) средняя амплитуда; б) эффективная скорость; в) частота

Результаты скоростного анализа полученных данных указывают на их несоответствие приведенным в [2] зависимостям. В нашем случае увеличение нагрузки на исследуемый образец приводит к незначительному уменьшению интегральных оценок эффективных скоростей волн по блоку (-2 %), которые находятся в пределах ошибки определения. Данное явление можно объяснить малыми размерами исследуемого блока по отношению к базе регистрации сигнала (рис. 4), при которой с увеличением удаления регистрирующего канала от источника колебаний угол падения и отражения волны приближается к 45°. Распространение волн в данном случае не выдерживает требования парал-

лельности к направлению нагружения. Поэтому на значения скоростей оказывает влияние и уплотнение образца, и увеличение его дефектности.

Для исключения влияния системы наблюдений на скоростные оценки в дальнейшем их расчет производился по выборке центральных лучей, которые удовлетворяют требованию параллельности к направлению приложения нагрузки. В этом случае зависимость изменения скорости от давления соответствует теоретической. С нагружением образца до определённого значения происходит увеличение скорости упругих волн (-20 %) за счёт уплотнения, затем наблюдается их уменьшение в следствии нарушения

сплошности (рис. 5). Наиболее резкое падение скорости происходит при достижении напряжением значения 0,7 от величины при которой произошло полное разрушение. Это согласуется с данными [2, 4], согласно которым интенсивное развитие микродефектов, их слияние и образование макротрещин приурочено к напряжению, действующему в диапазоне 0,6-0,8 ссж.

Представленные результаты физического моделирования позволяют определить информативный набор параметров волновых полей для дальнейшего согласования с данными натурных сейсморазведочных измерений.

Для согласования с модельными представлениями выбраны два смежных участка шахтного поля. В пределах первого пройдена одиночная разведочная выработка, влияние которой на массив минимально. Второй участок отработан и, следовательно, характеризуется интенсивным техногенным воздействием на породный массив. В обоих случаях наблюдения велись из горной выработки в верхнее полу-

4600 —

4400 —

О

2

= 4200 —

> -

4000 —

3800 —------------------1------------1------------1

0 6,06 12,12 18,18 8, МПа

Рис. 4. Лучевая схема регистрируемых колебаний: 1 - для сейсмограмм ОПВ; 2 - для центрального луча

пространство. Применялись одинаковые системы наблюдений МОГТ и графы цифровой обработки сейсморазведочных данных, соответствующие традиционным для Верхнекамского месторождения калийных солей [5].

Конечным результатом проведенных шахтных сейсморазведочных исследований являются временные разрезы и наборы кинематических и динамических составляющих волновых полей, зарегистрированных в различных горногеологических условиях. Наибольшие изменения напряженно-деформи-рованного состояния массива приурочены к ближней от выработанного пространства зоне, поэтому для анализа использованы параметры волнового поля, относящиеся к этому интервалу разреза. Для согласования выбраны интегральные оценки тех параметров, которые при физическом моделировании наиболее информативно характеризуют изменение различных степеней нагружения. К ним относятся: частота максимума спектра и ширина спектра (рис. 6, б, в).

Изменения выбранных характеристик с увеличением действующей на подработанный массив нагрузки соответствуют модельным. Так происходит увеличение частоты максимума спектра (-8,2 %) и уменьшение его ширины (-53 %). Причем, существенное сужение ширины спектра при увеличении частоты его максимума указывает на более ин

тенсивное поглощение низкочастотной составляющей при увеличении нагрузки на породы в естественном залегании.

Рис. 5. Изменение интервальной скорости, рассчитанной по центральному лучу.

горных пород при сейсморазведке. - М.: Недра, 1982, 232 с.

2. Асанов В.А. Геомеханическая оценка устойчивости несущих элементов камерной системы разработки соляных пород: Дисс... докт. техн. наук. - Пермь, -2004. - 362 с.

3. Бабкин А.И., Ахматов А.Е. Применение физического моделирования для интер-

Рис. 6. Изменение интегральных оценок кинематических и динамических составляющих волновых полей в одиночной выработке (I) и подработанном пространстве (II): а) эффективная скорость; б) максимум спектра; в) ширина спектра

Результаты скоростного анализа (рис. 6, а), как и при моделировании, с ростом техногенной нагрузки не дают значимых оценок изменения эффективных скоростей (- 1,3 %). На наш взгляд это связано с более существенным влиянием нарушенно-сти приконтурной части массива на значения скоростей упругих волн.

Качественная согласованность рассматриваемых натурных и лабораторных сейсморазведочных оценок напряженно-деформированного состояния массива позволяет определить информативный набор параметров волновых полей. На основании представленных результатов возможно построение сейсморазведочного мониторинга для определения количественных оценок напряженно-деформированного

состояния массива.

------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

претации шахтных сеисмоакустических данных в зонах трещиноватости/ Горный аналитический бюллетень №8, 2005 г.

4. Барях А.А., Константинова С.А, Асанов В.А. Деформирование соляных пород. - Екатеринбург: УрО РАН, 1996, 202 с.

5. Санфиров И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург: УрО РАН, 1996. - 168 с.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Бабкин А.И. - старший научный сотрудник,

Ахматов А.Е. - инженер,

Горный институт Уральского отделения Российской академии наук. Пермь.