Новый вариант томографии при сейсмическом прогнозе строения горного массива Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

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

ТТ рогноз строения горного массива -Ж-Ж 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 в у 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

попасть от пункта возбуждения (ПВ) к сейсмоприемнику (СП) разными путями, проходя при этом различные расстояния.

Адаптация метода сейсмической томографии на проходящих волнах для решения задач наземной сейсморазведки является чрезвычайно актуальной задачей, решение которой позволило бы повысить эффективность и качество сейсмического прогноза. В данной статье обоснована возможность решения данной проблемы и приведены примеры практического применения вышеуказанного подхода.

Сейсмическую томографию можно трактовать как процедуру моделирования пространственного распределения свойств среды на основе анализа регистрируемых значений характеристик волнового поля (здесь и далее будем обозначать их как А). Классическим примером можно считать расчет распределения скоростных показателей среды путем анализа скоростей прихода волновых пакетов. Широкое распространение данного подхода обусловлено тем, что скорости регистрируемых волновых пакетов непосредственно определяются геометрией участков исследуемой толщи пород и их скоростными характеристиками.

Принципы применения амплитудной томографии существенно отличаются от принципов скоростной. Амплитуда регистрируемых волновых пакетов зависит от целого ряда факторов, которые будут подробнее описаны ниже.

В основе предлагаемого подхода лежит идея, заключающаяся в том, что аномалия может быть описана путем обработки волновых пакетов, отраженных от расположенной за ней (относительно ПВ) резкой акустической границы. В качестве примера допустим,

что мы хотим исследовать аномалию, располагающуюся на глубине каном в толще достаточно близких по своим физико-механическим свойствам пород, которая ограничена снизу (на глубине к>каном) существенно более плотной породой. Тогда волны, отраженные от данного глубинного горизонта, будут относительно аномалии проходящими, и, рассчитав их путь, их можно использовать как инструментарий для томографии.

Это возможно, поскольку аномалии влияют на характеристики волновых пакетов вне зависимости от того, какой путь прошли соответствующие им колебания. Для иллюстрации этого факта рассмотрим следующий пример.

Использование томографии в данной модификации связано со многими проблемами. Одна из них заключается в том, что потребуется четко определить природу всех волновых пакетов и выбрать информативные. Эту задачу можно решить методами математического моделирования.

На рис. 2 и 3 для сравнения изображены теоретические и реальные сейсмограммы, полученные по профилю 1 на участке шахтного поля шахты Красноармейская-Западная №1. На теоретических сейсмограммах, полученных при использовании специализированного программного комплекса, разработанного в Укр-НИМИ четко выделяются четыре вида волн:

- прямые и интерференционные волны (А), распространяющиеся в наносах;

- головная и кратные ей волны продольной поляризации (Б), распространяющиеся

вдоль границы песчано-глинистых пород с наносами (глубина —100 м);

- волны поперечной поляризации (В), распространяющиеся вдоль границы песчаноглинистых пород с наносами;

- продольные волны (Г), отраженные от границы раздела песчано-глинистых пород с песчаными(глубина —300 м);

На реальных сейсмограммах, представленных на рис. 3, мы видим практически ту же картину. Присутствуют те же самые типы волновых пакетов (они на рисунке обозначены соответствующими буквами). Практически адекватно их взаимное расположение. Естественно, что на теоретических сейсмограммах четче проявляются волны, отраженные от границы песчано-глинистых пород с песчаными. Это объясняется тем, что в модели (построенной по результатам бурения) песчано-глинистые породы представлены однородной средой с усредненными характеристиками. В реальности это слоистая среда, состоящая из слоев с разными физикомеханическими свойствами (степень различия до 10 %). Тем не менее, при достаточных априорных данных о среде, можно не только разработать адекватную модель процесса распространения колебаний, но и четко выделить природу основных волновых пакетов, наблюдаемых в реальности.

Данный пример показывает нам и тот факт, что область применения томографии в предлагаемом варианте ограничена теми случаями, когда отраженные от резкой акустической границы волны достигают до сейсмоприемников с

Рис. 2. Схема зоны исследований на участке шахтного поля

ш. Краснолиманская

К объяснению алгоритма томографии на от-ных волнах

■т-----------------------------------

амплитудой, достаточной для дальнейшей обработки. Следовательно, между ПВ и аномалией породы должны иметь сходные физико-механи-ческие параметры (с различием не более 5-10 %). Теоретические расчеты показали, что наличие даже одной акустической границы с резкостью более 20 % между ПВ и аномалией может в отдельных случаях практически полностью экранировать волну, отраженную от плотных пород, залегающих глубже.

Перейдем к математическим соотношениям, связывающим параметры среды и регистрируемые характеристики волновых пакетов. Рассмотрим вопрос об изменении характеристики А по мере распространения колебаний через толщу пород. Пусть на пути луча встречаются N зон в, (ї=1..М) толщи пород с различными физико-механическими свойствами. Тогда изменение А от зоны к зоне можно выразить соотношениями

А = А-Л-ц,

М = А - 4-і

где АІ - значение характеристики в заданной зоне, АІ - в зоне, предыдущей по ходу луча, /і-1,! -функция, описывающая изменение параметра (ДАІ) в результате прохождения лучом расстояния между зонами. Тогда, если источник сигнала формируется в зоне под номером 0, а приемник колебаний находится в зоне N то значение АЫ можно вычислить по формуле:

\ = АШ-и . (і)

і=1

При этом изменение характеристики на всем пути луча ДА можно выразить соотношением

Л4 = £а4 =£(4 - А-і ) = AN - А =

=а-- ’)

Пусть из N зон, располагающихся на пути колебаний, М содержат аномалии. Тогда значение регистрируемого параметра можно определить по формуле

АК аном = Ао|П Ґк-1,к II П ЯГт

(2)

где А0 - исходное значение параметра,

к

О Ґк-1 к - соотношение, характеризующее из-

к=1

менение параметра в к зонах, которые не соМ

держат аномалии (К=^М), П ҐаТт - соот-

т=1

ношение, характеризующее изменение исследуемого параметра в М аномальных зонах. Формулы (1) и (2) не являются строгими в том смысле, что они предполагает тот факт, что волновой пакет характеризуется параметром А на каждом этапе своего формирования. На самом деле, колебания изменяют свою структуру по мере распространения, претерпевают различного рода трансформации. Кроме этого, соотношение (2) основано на том предположении, что суммарный вклад N зон в изменение параметра А не зависит от того, в какой последовательности сейсмические колебания их проходят. Но поскольку данные соотношения используются только для качественной оценки, они могут быть применены в рамках настоящего рассмотрения.

Используя данный подход можно оценить тот вклад в изменение параметра А, который вносят аномальные зоны:

8 А--

А„

.- А„

П Ґ-1,,

= П

гтТт 1 /„-!,„

ПГк-гк IIПгта~Ст |-Пг,-и

(3)

/'аном т-1,т

^ = АА«аном-ААм =8 А • Л = Л|П

/•аноі т-1,

,т 1

Рис. 3. Глубинный разрез МОГТ по участку профиля 1

колебаний аномальных зон. Выражение

/'аном т-1,и

</ т-1,и

можно рассматривать, как вклад отдельной аномалии в изменение параметра А. Этот вклад может быть зарегистрирован в том случае, если он превышает разрешающую способность аппаратуры по данному параметру.

Одной из наиболее важных регистрируемых характеристик волновых пакетов являются скорости первых вступлений. Её можно рассчитать по формуле среднего значения:

N

ь £ь

V = ь = —____

^ г ’

к V

где ь - общая длина сейсмического луча, ь -длина луча, а Vi - скорость распространения волны исследуемого типа в зоне в , г - время движения волны. Тогда

_ _ _ £Ь £ь

AVІ = V - V-1 = ^

к =1

к =1

£ ьк і'£

£ ь^ £ ь_ & Vk к=1 V,

£ V )[£ьк

к =1 Ук А к =1

где сомножители в соотношении П

т=1 /т-1,т

берутся для зон с аномалиями. Знаменатели в сомножителях представляют степень изменения параметра в том случае, если бы аномалии не было.

Поскольку АА„ аном = Аы аном - Д , ,

ЛАК = Аы - А,, тогда выражение

=1 ./т-1, п

представляет собой то изменение в значении регистрируемого параметра А, которое свидетельствует о наличии на пути распространения

Амплитуда волновых пакетов зависит от целого ряда параметров.

Во-первых, это естественное расхождение фронта колебаний при удалении от источника. степень расхождения фронта волны зависит в первую очередь от её природы. В наземной сейсморазведке, для задач, где можно пренебречь эффектами каналирования колебательной энергии пластами пород и полезного ископаемого, волны можно считать сферическими. Потенциал сферических волн

изменяется с расстоянием по закону не

зависимо от поляризации [1, 2]. При этом регистрируемая сейсмоприемниками амплитуда смещений частиц среды изменяется по закону ^2 . В шахтной сейсморазведке широко используются интерференционные боковые

N

І -1

и каналовые (нормальные) волны, образованные в результате каналирования колебательной энергии пластами полезных ископаемых (например, уголь, горючие сланцы). Они имеют иные законы убывания. В дальней зоне изменение потенциала каналовых

1

волн описывается законом

[г, 5].

альности, любой волновой пакет следует рассматривать как суперпозицию волн с различной частотой и начальной фазой:

K 1

ik (Wk ) - Z^TeXP (-eik Rik )eXP {iWkti )

а боковых

Во-вторых, это изменение амплитуды за счет поглощения средой колебательной энергии, которое описывается законом exp (-в r), где коэффициент поглощения в также зависит от типа волн (каналовые, боковые и т.д.) их поляризации и частоты. Указанные зависимости достаточно хорошо изучены как теоретически, так и экспериментально [5 ,6, 7].

В третьих, это характеристики направленности источников и приёмников сейсмических колебаний, учет которых не представляет сложности, поскольку данная информация является априори известной.

В четвертых, это условия контакта источников колебаний и сейсмоприёмников со средой. Обеспечение единообразия условий контакта представляет собой чрезвычайно сложную задачу. В общем случае для её решения приходится использовать усреднение по многократным возбуждениям сигнала на каждой из стоянок.

В пятых, это рассеяние колебательной энергии на любых неоднородностях толщи горных пород. Это чрезвычайно сложный фактор, поскольку речь идет как об известных априори неоднородностях, так и о неизвестных, в том числе о тех, которые являются объектом исследований.

В итоге, ограничиваясь рассмотрением расхождения волн, и их поглощением, имеем:

_ грасх гпогл

г-1,/ J l-1,l J i-1,i '

Тогда для сферических волн выбранной частоты, имеем следующие выражения:

( 1 ^ —^exp(-в R )exp(iwtl) — X R

x^rexp (-в-1 R-1 —xP (iwti-1 — R-1

к=1 к=1 Яік

При проведении практических вычислений необходимо использовать следующий алгоритм, упрощенно сводящийся к нескольким этапам.

Допустим, к обработке принято N сейсмотрасс. На М из них можно выделить волновой пакет, образованный колебаниями, отраженными от известного априори отражающего горизонта. Для каждого из них можно вычислить расстояние Ят, которое проходят соответствующие колебания и получить значение исследуемой характеристики Ат. Тогда среднее (фоновое) значение характеристики можно оценить по формуле

М

£ А,ЯШ А = -----.

£ ят

т=1

Исследуемый участок разбивается на прямоугольные зоны ву , где і и ] их номера по осям X и 1 соответственно (см. рис. 1). Для каждой зоны из совокупности отобранных М сейсмотрасс выбираются К проходящих через нее. На основе значений их характеристик (Ак) и длин их путей гку по в у 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:

К

Aj

У A

k kij

у rkij k=1

N

/1-и = -й^р ( ( - г<-1 )+Д-1 К1-1-в Ц ),

где N - путь, пройденный волной от источника до участка е1 включительно (за время у. В ре-

Выводимые в качестве результата относительные отклонения характеристик от фонового значения вычисляются по формуле:

и=[ ^ ]* 1о-.

Ят и Гкї в первом приближении можно вычислить из предположения прямолинейности лучей на участках от источников до отражающей границы и от неё до сейсмоприемников. При наличии априорной информации о распределении скоростных характеристик пород, на основе применения закона Снеллиуса можно вычислить более точные значения Ят и Гк,у.

г

k=1

Рис. 4. Амплитудная томограмма для массива горных пород на участке профиля 1

Как уже отмечалось выше, применение амплитудной томографии связано с определенными трудностями. Если учесть фактор расхождения фронта волны и характеристики направленности источников и приемников, то можно записать следующее выражение для оценки амплитуды исследуемого волнового пакета в сейсмотрассе под номером m:

An = A xf (r) x ф (а) XV (/?) где f (r) представляет собой закон убывания амплитуды при расхождении фронта волны, ф (а) - характеристика направленности источника колебаний (а - угол направления луча по отношению к ПВ), V (в) - характеристика направленности сейсмоприемника ( в - угол направления луча по отношению к СП). При математическом моделировании

V (в = const. Am представляет собой то значение амплитуды, которое было бы в случае отсутствия данных факторов.

В качестве примера рассмотрим результаты исследований по прогнозу местоположения Глубокоярского сброса и его апофиз на участке подготовки 11 лавы по пласту l3 (ГЧЛ «Шахта Краснолиманская») (см. рис. 2). Его особенностью является то, что в своей северо-западной части он многоступенчатый и на всем простирании сопровождается взбросами и мелкими сбросами. При отработке 10 южной лавы вскрыт целый ряд малоамплитудных тектонических нарушений и трещин с амплитудами смещений от 0 до 0,9 м., а при проходке 10 южного конвейерного штрека - тектоническое нарушение с амплитудой смещения 5,7 м, распространяющееся далее на участок исследований.

С учетом ранее опыта исследований в подобных условиях, было принято решение

о решении задачи прогноза многократным профилированием МОГТ с использованием описанного выше метода томографии в качестве дополнительного инструментария.

1. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакустиче-ский метод прогноза горно-геологических условий экс-

'^ОО 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200

пикеты, м

На глубинных сейсмических разрезах (см. рис. 3) выделяются аномальные зоны, связанные с изменением условия залегания литологических границ на уровне угольного пласта 13, сопровождающиеся изменением физикомеханических характеристик среды в области нарушения, которое прослеживается на томограммах распределения амплитуды (см. рис. 4). Данная аномальная зона соответствует местоположению зоны влияния Глубокоярского сброса, включающего в себя малоамплитудные тектонические нарушения различного типа и зону трещинноватых пород, что подтверждается результатами последующих работ.

Таким образом, в настоящей статьерас-смотрены теоретические основы и приведен пример практического применения метода прогноза строения среды с помощью скоростной и амплитудной томографии на волнах, отраженных от резкой акустической границы. В заключение хотелось бы отметить, что данный метод начинает применяться в дополнение к существующим методикам обработки результатов сейсморазведки, что позволяет повысить эффективность и надежность прогноза геологического строения горного массива. Опыт использования подхода показал целесообразность его использования как на этапе предварительного анализа априорных данных о модели методами математического моделирования для выработки наиболее оптимальных условий проведения экспериментов, так и на этапе анализа его результатов.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

плуатации угольных месторождений. - М.: Недра,1988. -199 с.

2. Korn M., Stocl H. Reflection and Transmission of Love channel Waves at Coal Seam Discontinuitis Computed with A Finite-Difference Method. -J. Gejphis.,1982,50. p. 171-176.

3. Глухов А.А., Захаров В.Н., Рубан А.Д. Моделирование волнового поля в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей/Горный вестник, М.: ИГД Скочинского, 1994, С.16-18

4. Анциферов А.В. Моделирование волнового поля в задачах шахтной сейсморазведки методом конечных разностей/Збірник наукових праць №5 “Проблеми гірського тиску” 2001. - С.5-15.

5. Анциферов А.В. Теория и практика шахтной сейсморазведки.- Донецк: изд. «Алан», 2002, - 312 с.

6. Бреховских Л. М. Распространение волн в

слоистых средах. - М.: Наука, 1973.

7. Рубан А.Д., Захаров В.Н. Исследование зон повышенного горного давления (ПГД) в углепородных массивах сейсмоакустическим методом // Механика горных пород: Науч. Сообщ./ ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, - М. - 1999. - Вып. 313. - С. 39-48.

8. Захаров В.Н., Харченко А.В. Влияние

слоистого строения пород почвы и кровли на структуру полного волнового поля и параметры отдельных типов волн// Науч. сообщ. /ННЦ ГП-ИГД

им. А.А. Скочинского. - М., 2002. - Вып. 321. - С.108-121.

9. Захаров В. Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств горных пород при разработке угольных месторождений. - М.: ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002. - 172 с.

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

Тиркель Михаил Годелевич — кандидат технических наук, зам. директора по научной работе, Украинский государственный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ НАН Украины), г. Донецк, Украина.

-------------------------------------------------- © С. Мазеин, Г. Стафеев,

2005

УДК 550.3:534.8.002.56:622.014.2:658.513.011.56:681.3 С. Мазеин, Г. Стафеев

РАБОТА СИСТЕМЫ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ НА ТПМКДИАМЕТРОМ 14,2 м

Семинар № 2

Общие положения

Я а технологическиом проходческо-механическом комплексе (ТПМК) фирмы «Herrenknecht AG» (Германия), работавшем на проходке Лефортовского тоннеля в Москве, установлена система геофизического прогноза SSP 202, название которой является сокращением от Sonic Softground Probing (звуковое зондирование рыхлых грунтов). Данная система использует метод измерений, который был разработан для геофизического прогноза тоннельной проходки ТПМК при бентонитовом пригрузе забоя. Комплекс установлен на самой большой проходческой машине диаметром 14,2 м.

Целью прогноза служит предварительная информация об инородных включениях в грунте (сваи, полости и т.д.), об изменениях характера грунта при проходке. Все эти факторы могут стать потенциальным источником опасности для земной поверхности и для ТПМК, при-

водящим к дорогостоящему ремонту или простоям.

Основная задача измерительной системы ББР 202 - локализация контрастов плотности пород с удалением от ротора до 40 м. Возможные распознаваемые неоднородности массива -это, к примеру, большие гранитные валуны в рыхлой почве или резкая смена геологических формаций.

Систему ББР можно дополнительно рассматривать и как инструмент, который позволяет с высокой разрешающей способностью предварительно уточнять геологию места проходки. Для геологической интерпретации результатов акустических измерений необходима дополнительная информация о характере контраста.

Источником информации служат:- предварительные геотехнические исследования (геологические разрезы и результаты испытаний образцов пород),- данные с проходческой машины (показатели режима проходки),- искусственно созданные массивы с разной плотно-