CC BY
31
-------------------------------------------- © А.С. Трифонов, М.Г. Тиркель,
В.В. Туманов, Я.М. Юфа,
А.С. Архипенко, 2010
УДК 622:550.834
А.С. Трифонов, М.Г. Тиркель, В.В. Туманов,
Я.М. Юфа, А.С. Архипенко
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГОРНОГО МАССИВА НАД ОБЛАСТЬЮ ОЧИСТНЫХ РАБОТ
Приведены результаты сейсмического мониторинга над областью очистных работ по комплексу энергетических и спектральных показателей отраженных волн, позволяющего объективно оценивать динамику развития напряженнодеформационных процессов в горном массиве с оперативным определением глубины, степени и тенденций проявления геомеханических процессов в породной толще
Ключевые слова: сейсмическая диагностика, напряжения и деформации в горном массиве, геомеханические процессы
Неделя горняка
А ктуальность проблемы контроля Ул. процессов формирования и развития напряжений и деформаций в горном массиве, обостряется с увеличением глубины отработки угольных пластов. Усложнение геологического и тектонического строения геосреды, особенно при отработке пластов опасных по гео-динамическим проявлениям разгрузки повышенных напряжений в виде внезапных выбросов угля и газа, горных ударов, внезапных обрушений пород основной кровли определяет необходимость постоянного мониторинга геоди-намического состояния породной толщи. Несмотря на многообразие, ныне практикуемых методов оценки состояния подрабатываемого массива, общий уровень связанных с геодинамикой аварийных ситуаций (около 150 газодинамических явлений и около 140 завалов горных выработок в год на шахтах Украины [1]) заметно не снижается. Одной из значимых причин этой негативной статистики является недостаточная эффективность существующих диагностических технологий.
Объективная оценка процессов перераспределения напряжений в горном массиве с учетом большого диапазона глубин отработки угольных пластов и необходимости контроля значительных областей среды возможна на основании использования динамических и кинематических характеристик упругих волновых полей [2]. Насыщенная параметризация сейсмических волн позволяет не только контролировать изменение полей напряжений в массиве, но и определять тенденции формирования условий и областей возможных геоди-намических проявлений. Определенным подтверждением этому являются результаты аналитических исследований физико-математического моделирования распространения упругих колебаний в многослойной среде [3]. В этих исследованиях установлена достаточно высокая чувствительность характеристик отражений к относительно небольшим изменениям скоростных характеристик одного из структурных слоев моделируемой среды.
Рис. 1. Нормированные сейсмограммы отраженных волн по трем циклам наблююдений
В упрощенной модели подрабатываемого массива активизация геомеханиче-ских процессов в породной толще (без учета тектонической составляющей напряженного состояния и влияния на него температурного градиента) возникает вследствие увеличения длины и пространственной протяженности консольной части пород основной кровли [4,
5]. При этом создаваемая в пласте нагрузка от указанной консоли может на порядки превышать гравитационную составляющую и, соответственно, изменять физикомеханические показатели не только угольного пласта, но и основной кровли в области ее защемления и в породном массиве над основной кровлей в зависимости от ее мощности и геологического разреза вплоть до земной поверхности [6]. Степень изменения физико-механических характеристик породных слоев может быть достаточной для существенного изменения значений коэффициентов отражения сейсмических волн и времени их распространения в напряженных областях.
Для изучения характера и степени проявления в параметрах отраженных сейсмических волн изменения во времени напряженного состояния горного массива над областью очистных работ в рамках интеграционного проекта № 93 «Разработка методов и создание систем сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов» (проект СО РАН при участии НАН Украины) проведены мониторинговые
сейсмические наблюдения над действующим очистным забоем шахты «Красноармейская-Западная № 1» (6-я южная лава, угольный пласт d4 мощностью около 2 м на глубине 600 м). Наблюдения проводились с зондированием массива в фиксированных пунктах на земной поверхности импульсным сейсмическим сигналом (механический ударный источник возбуждения упругих волн) с ориентацией на отраженные по нормали продольные волны. При этом база между пунктами возбуждения и приема сейсмического сигнала составляла 3 м при их расположении в скважинах на глубине до 2-х метров, а цикличность замеров - 12-14 дней.
Рис. 2. Нормированные сейсмограммы отраженных волн в м). абсолютных значениях амплитуд по трем циклам (соответственно - а, б и в) сейсмического мониторинга
Для оценки энергетических показателей сейсмических волн и возможности сопоставления этих показателей последующих наблюдений с показателями предыдущих наблюдений сейсмическая запись (сумма 60-ти последовательных возбуждений) нормировалась по максимальному значению амплитуды прямого сигнала с приведением максимального значения к единице. Такая процедура позволяет уравнять сейсмические записи последующих и предыдущих циклов по энергии прямого сигнала и тем самым корректно сопоставлять энергетические показатели отражений независимо от различий мощности источника возбуждения в разных циклах наблюдений. Пример общего вида сейсмических записей отраженных волн во временном
диапазоне 100-500 мс для трех циклов наблюдений представлен на рис. 1. В первом цикле проекция линии очистного забоя на земную поверхность расположена в 20-ти метрах до пункта зондирования, во втором цикле примерно совпадает с пунктом зондирования и в третьем цикле находится за пунктом зондирования примерно на 10-12 м. Рисунок качественно иллюстрирует изменения волновой структуры и энергии отражений во времени (временной диапазон 200-350 мс сейсмического сигнала в соответствии со скоростными значениями слагающих пород по данным ближайшей разведочной скважины соответствует области глубин 450-600
Более наглядны изменения волновой структуры отражений на сейсмограммах в виде абсолютных значений амплитуд, показанных на рис. 2. Достаточно выраженная хаотичность трансформации волновой структуры в таком виде представления сейсмограмм свидетельствует об активности и сложности деформационных процессов в породной толще с возможным ослаблением контактов между слоями пород и расслоением пород в их консольной части.
Обобщенная оценка изменения энергетических показателей отраженных волн выполнена во временных диапазонах сейсмических записей посредством суммирования абсолютных значений всех дискретов амплитуд отражений.
Усл. ед.
циклы наблюдений
Рис. 3. Энергетические изменения отраженных волн во временных диапазонах сейсмических сигналов по циклам мониторинговых наблюдений
На рис. 3 показан характер изменения энергетических показателей отражений во временных диапазонах сейсмических записей относительно этих показателей первого цикла наблюдений (нормирование энергетических показателей временных диапазонов второго и третьего циклов наблюдений относительно этого же показателя в первом цикле наблюдений). Оценка этих показателей, начиная с 200 мс, обусловлена возможным проявлением во временном диапазоне до 200 мс кратных волн, которые в данном случае являются помехами.
Существенное понижение обобщенного энергетического показателя (до 40 %) временных диапазонов отражений 250-300 мс и 300-350 мс во втором цикле наблюдений по отношению к уровню этого показателя в первом цикле наблюдений может свидетельствовать о достаточно масштабных структурных изменениях в массиве и снижении напряжений.
Повышение энергетического уровня отражений в
третьем цикле наблюдений может быть объяснено последующим проседанием породной толщи с частичным восстановлением контактных условий между породными слоями. Менее выраженное понижение энергетического уровня отраженных волн во временном диапазоне 200-250 мс, по всей видимости, обусловлено меньшей подверженностью более высоких горизонтов горного массива процессам перераспределения напряжений и деформаций над областью очистных работ. В общем случае характер поведения энергетических показателей отраженных волн во времени является вполне достоверным диагностическим признаком изменения напряженно-деформированного состояния подрабатываемого массива. Следует также отметить, что подобный характер изменения энергетики отраженных волн проявлялся и в других точках наблюдений с определенными вариациями значений, которые могут быть обусловлены влиянием ранее отработанного массива (5-ая южная лава).
В проводимых исследованиях оценивались также энергетические преобразования отражений во времени с учетом их фазовых изменений, вызываемых скоростными вариациями в массиве. На рис. 4 представлены результаты соотношение осредненных и нормированных по максимальному значению амплитуды прямого сигнала сейсмических записей в виде абсолютных зна-
раз 30 20 10 0
0 100 200 300 400 500 мс
Рис. 4. Соотношение сейсмических записей (осредненных и нормированных) в абсолютных значениях амплитуд последовательных циклов наблюдений (первого и второго)
(1 1 1) 11
Л
Частота, Г ц
циклы наблюдений
Рис. 5. Изменение во времени среднего значения частоты области максимума спектра (на уровне 0,6 максимальной амплитуды спектра)
Усл. ед.
циклы наблюдений
Рис. 6. График изменения энергетических показателей области максимума спектра
чений амплитуд двух последовательных циклов наблюдений (первого и второго циклов).
Примечательной особенностью показателя соотношения сейсмических записей является практически полное подавление прямого сигнала и возрастание значений соотношения во временном диапазоне 130-330 мс. Этот
временной диапазон отражений соответствует глубинам 200-600 м и высокие значения соотношения в нем являются показателем активности геомеха-нических преобразований, захватывающих значительную толщу массива. Происходящие в нем вариации напряжений, ослабление контактов между пластами пород проявляются в энергетических показателях отраженных волн и в изменении их кинематических характеристик. Степень этих изменений достаточно значительна и отражающий ее рассматриваемый показатель может служить объективной оценкой активизации энергообменных процессов в подрабатываемом массиве.
Подверженность изменению состояния геосреды испытывают также спектральные параметры отраженных волн. Основная частота отраженных волн, определяемая обобщенными физикомеханическими характеристиками всей породной толщи, включая покровные отложения (на исследуемом участке глубина залегания коренных пород составляет ~ 80 м), понижается к третьему циклу наблюдений примерно на 8 % (см. рис. 5). По всей видимости, в значительной мере этот показатель нивелируется покровной толщей, как при распространении прямого, так и при прохождении через нее отраженного сигналов.
Более интенсивно происходит снижение энергетических показателей спектра отражений, показанное на рис. 6. В качестве энергетического показателя использовалась сумма амплитуд частотных составляющих области основной энергии спектра на уровне 0,6 от его максимума. Значения энергетических показателей второго и третьего циклов наблюдений нормированы к этому показателю первого цикла.
Усл. ед.
Рис. 7. График изменения высокочастотной части области максимальной энергии спектра отраженных волн
Понижение энергии спектра во времени происходит практически линейно с общим уровнем снижения к третьему циклу на 25 % от исходного уровня.
При достаточно высокой чувствительности обобщенного энергетического показателя спектра отраженных волн к изменению состояния массива значительно более высокую чувств и-тельность проявляет высокочастотная часть спектра, характер изменения которой во времени показан на рис. 7. На этом графике с нормированием значений энергетических показателей второго и третьего циклов к значению первого цикла, только за период меж-
1. Левкин Н.Б., Кузменко Н.С., Зинченко К.А., Андреев Н.М., Удовенко О.Н. Безопасность при отработке угольных целиков в сложных горно-геологических условиях // Проблеми гірського тиску. - 2003. - № 9. - С. 23-39.
2. Тиркель М.Г. О границах применения наземной сейсморазведки для прогноза аномалий залегания угольных пластов на основе анализа волн, отраженных от нижезалегающих горизонтов // Сб. науч. тр. «Проблемы горного дав-
ду первым и вторым циклом, рассматриваемый показатель снижается почти на 40 %. За период между вторым и третьим циклом это снижение резко замедляется (до 15 % за цикл).
Значительный градиент изменения энергии высокочастотной части спектра определяет высокую чувствительность этого показателя к изменениям напряженно-деформированного состояния массива и затухание высокочастотных составляющих сейсмических волн может быть связано с нарушением контактов между породными слоями и с раскрытием экзогенных трещин при развитии деформационных процессов в массиве.
Таким образом, сейсмический мониторинг над областью очистных работ по комплексу энергетических и спектральных показателей отраженных волн позволяет объективно оценивать динамику развития напряженнодеформационных процессов в горном массиве с оперативным определением глубины, степени и тенденций проявления геомеханических процессов в породной толще. Установленные диагностические параметры отражений могут служить основой эффективной системы контроля массива над очистными работами с перспективой на прогнозные оценки формирования опасных геодинамических ситуаций.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ления». - Донецк: ДонНТУ, 2005. - № 13. - С. 102-120.
3. Диагностический сейсмический мониторинг геодинамического состояния горного массива при отработке угольных пластов / Тиркель М.Г, Трифонов А.С., Туманов В.В., Юфа Я.М., Анциферов В.А. // Материалы конференции -«Геодинамика и напряженное состояние недр Земли»: Институт горного дела СО РАН: - Новосибирск, 2007.
Среднегодо-
вая
4. Пат. 20460 Украина, МПК G01V 1/00. Способ сейсмической диагностики горного массива. / А.С. Трифонов, М.Г. Тиркель, В.В. Туманов и др. (Украина); УкрНИМИ. - № и200609063; Заявлено 15.08.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. № 1.
5. Пат. 26538 Украина, МПК G01V 1/00, Е2^. Способ сейсмической диагностики геодинамического состояния горного массива / А.С. Трифонов, А.В. Анци-
феров, В.В. Туманов, М.Г. Тиркель и др. (Украина); УкрНИМИ. - № и200705572; Заявлено 21.05.2007; Опубл. 25.09.2007, Бюл. № 15.
6. Звягильский Е.Л., Бокий Б.В., Папазов Н.М., Назимко Е.В., Бугара М.И., Коломиец
В.А., Грищенко Н.Н. Динамика сдвижения земной поверхности при больших скоростях подвигания очистных забоев // Сб. науч. тр. «Проблемы горного давления». - Донецк. ДонНТУ, 2003. - № 9. - С. 189-212. ШШЭ
Коротко об авторах
Трифонов А. С. - старший научный сотрудник УкрНИМИ НАН Украины Тиркель М.Г, - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе УкрНИМИ НАН Украины, [email protected] Туманов В.В. - и.о. заведующего отделом УкрНИМИ НАН Украины, tumanov@ukrnimi. donetsk.ua
Юфа Я.М, - старший научный сотрудник УкрНИМИ НАН Украины, ukrnimi@ukmimi. donetsk. ш
Архипенко А.С. - старший научный сотрудник УкрНИМИ НАН Украины, [email protected]
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИШИН Александр Васильевич Методологические основы экологоэкономической оценки использования подземного пространства реконструируемых городских территорий 08.00.05 Д.э.н.
