Шахтная сейсмоакустика по методике многократных перекрытий: На примере Верхнекамского месторождения калийных солей

Актуальность темы

диссертации.

При освоении месторождений твердых полезных ископаемых, которым является и Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС), необходимо постоянное и своевременное пополнение банка горно-геологической информации на всех стадиях его разработки. Достижение максимальной оперативности решения данной задачи возможно только за счёт привлечения геофизических методов. Выбор методов обуславливается конкретными геологическими особенностями объекта изучения.

Сейсмические методы характеризуются большей разрешающей способностью и независимостью извлекаемой информации от влияния шахтного электрооборудования и влажности.

Применяемые в настоящее время шахтные сейсмические исследования основаны на различных методах: преломленных волн (МПВ), отраженных волн (MOB), сейсмического просвечивания (МСП). При исследованиях МСП ограничиваются обьшно лишь изучением времён и амплитуд первых вступлений. МПВ не достаточно эффективен при изучении тонкослоистых толщ в сложных геологических условиях. Кроме того, при шахтных исследованиях состояния водозащитной толпщ ВКМКС волны распространяются от высокоскоростных пород к пластам с меньшими значениями скоростей. В подобных условиях наиболее приемлем MOB.

Конкретная геологическая обстановка диктует определённые требования при выборе методик MOB. Наиболее информативной в условиях калийных месторождений пластового типа представляется методика общей глубинной точки (МОГТ). Её основные положения также могут быть использованы и в других шахтных сейсмических методах, например в МСП. В этой связи, поиск новых технологий оценки геологического строения среды с учетом методических особенностей шахтных сейсмоакустических исследований, базирующихся на интерференционных системах наблюдений, приобретает исключительно важное значение.

Цель работы.

Обоснование и разработка шахтных информативных сейсмоакустических технологий на основе методики многократных перекрытий.

Для достижения цели поставлены задачи:

1. Разработка физико-геологических естественных и изменённых за счёт техногенного воздействия моделей локальных неоднородностей, характерных дляВКМКС.

2. Обоснование параметров интерференционных систем наблюдений при исследованиях во внутренних точках среды сложных геологических объектов.

3. Оценка влияния условий возбуждения и приёма колебаний на высокочастотное волновое поле.

4. Выявление скоростных неоднородностей в поле отраженных волн при исследованиях горного массива в горизонтальной плоскости.

5. Оценка согласованности результатов сейсмических исследований в различных частотных диапазонах при исследованиях в горных вьфаботках и на земной поверхности.

6. Обоснование возможности разделения разнотипных волн при их совместной регистрации.

Основные защищаемые положения:

1. Шахтные сейсмоакустические методики, базирующиеся на принципах интерференционных систем наблюдений, разработанные для исследования тектонических нарушений, газонасыщенных участков, зон замещения и степени влияния техногенного фактора на горный массив во внутренних точках среды применительно к ВКМКС.

2. Комплексная интерпретация шахтных и наземных сейсморазведочных наблюдений в рамках единой модели позволяет выделять малоамплитудные нарушения и оценивать их размеры.

3. Технологии многоволновой сейсморазведки для дистанционного прогноза физико-механических свойств и оценки анизотропии соляного массива.

Научная новизна работы:

1. Разработана схема единого комплекса сейсмических и акустических работ МОГТ для построения согласованной интерпретационной модели при исследованиях на земной поверхности и во внутренних точках среды в различных частотных диапазонах.

2. Установлена возможность совместной регистрации в подземных условиях и дальнейшего разделения при цифровой обработке продольных и поперечных волн в рамках единого технологического процесса без ущерба совместной интерпретации.

3. Выявлены закономерности формирования аномалий кинематических и динамических характеристик сейсмического и акустического отраженных волновых полей при исследованиях МОГТ во внутренних точках среды, связанных с различными геологическими неоднородностями и влиянием горного производства.

4. Экспериментально показана возможность оценки анизотропии соляного массива на основе единой технологии многоволновой сейсморазведки.

5. Определена связь пространственного распределения в приконтурных частях междукамерных целиков параметров полей отражённых упругих волн и напряжений.

Практическая реализация результатов исследований.

Технологии сейсмоакустических исследований во внутренних точках среды, включающие многоволновую сейсморазведку в рамках единого технологического процесса, МСП с использованием отраженных волн, а также результаты изучения анизотропии соляного массива и система комплексной интерпретации разночастотных наземно-подземных данных внедрены в практику геофизических работ на рудниках ОАО «Уралкалий». МСП на отраженных волнах применяется в сложцых горнотехнических условиях для изучения особенностей строения горного массива с целью корректировки технологии отработки очистных камер. Особенности тектонических нарушений, выявленных при наземных сейсморазведочных работах или в результате проходки разведочных штреков, уточняются в рамках комплексной интерпретационной модели.

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных трудов. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались с 1996— года на различного уровня конференциях и семинарах. В их числе: региональные научные конференции «Моделирование геологических систем и процессов» (Пермь, 1996), «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 1997), «Геология Западного Урала на пороге XXI века» (Пермь, 1999) — Международная конференция «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва — Санкт-Петербург, 1999) — научные сессии Горного института УрО РАН с 1998Л по 2001л года.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения (справка о внедрении) и изложена на 156 стр., включая 63 иллюстрации, 8 таблиц и список использованных источников из 105 наименований.

Основные результаты исследований сводятся к следующему: 1. Разработаны физико-геологические модели локальных геологических неоднородностей, осложняющих процесс горного производства. Установлены закономерности их влияния на кинематические и динамические особенности волновых полей при исследованиях во внутренних точках среды в сейсмическом и акустическом частотных диапазонах:

• Для описания модели тектонического нарушения использовалась традиционная форма с вертикальным смещением по плоскости разрыва. Над разрывом изменяется форма записи отражений со смещением осей синфазности, снижается интенсивность колебаний. Участок минимальных значений амплитуд отраженных волн ограничивается максимумами интенсивности волновой картины, обусловленными конструктивной интерференцией отражённых и дифрагированных волн.

• Локальные газонасыщенные зоны отличаются от вмещающих пород строением, минеральным составом, пористостью и трепщноватостью. Модель вы-бросоопасного газосодержащего объекта, построенная на основании априорных данных, состоит из трёх основных частей: 1) газонасыщенная, пористая — низкие скорости распространения и повышенное затзгхание упругих волн- 2) переходная нормально-пористая, слаботрещиноватая — повышенные напряжения, улучшенные акустические контакты, повышенные значения скоростей распространения и пониженное затухание упругих волн- 3) вме-щаюпще породы, характеризующиеся фоновыми, средними значениями скоростей, затухания и частоты проходящих упругих волн. Основными признаками проявления данных образований в волновых полях служат: значительное затухание амплитуд колебаний и понижение частотного состава, а также увеличение времени прохождения волн.

• Изменчивость состава продуктивных пластов в зонах замещения наблюдается на сравнительно небольших участках шахтных полей, в пределах одной горной выработки или даже её части. В общем случае, согласно результатам шахтных исследований, сама зона является высокоскоростной относительно вмещающих пород, а вблизи её границ по обе стороны присутствуют градиентные области скоростей распространения упругих волн. Признаками подобных зон в волновых полях являются: 1) резкие знакопеременные изменения скоростной характеристики изучаемого интервала разреза в приграничных участках- 2) крайне нерегулярный характер волновой картины в интервале временного разреза, соответствующем местоположению зоны замещения.

2. Обоснована эффективность применения для изучения локальных геологических неоднородностей во внутренних точках среды интерференционных систем наблюдений в сейсмическом и акустическом диапазонах частот. Применение методики многократных перекрытий существенно повышает информативность и технологичность исследований при профилировании и просвечивании. Применение традиционных методик просвечивания очень часто ограничивается сложными горнотехническими условиями. В этой связи, дополнительные технологические возможности раскрываются при реализации МСП на отражённых волнах. Преимущества подобной технологии сводятся к следующему: 1) возможность изучения массива при наличии доступа хотя бы к одной горной выработке- 2) получение наглядного, легко интерпретируемого сейсмического изображения исследуемого массива- 3) более точные определения скоростных характеристик среды за счёт двойного прохождения упругих волн через просвечиваемый массив. Для конкретных геологических неоднородностей: тектонических нарушений, газонасыщенных участков, зон замещения определены методы и параметры систем наблюдений.

• Повышение частотного состава регистрируемых упругих колебаний во внутренних точках среды позволяет более уверенно выделять малоамплитудные разрывные нарушения. Предельные размеры изучаемого разрывного нарушения диктуют выбор частотного диапазона регистрируемых колебаний.

И пространственные параметры применяемых систем наблюдений. Оптимальной является непродольная система наблюдений.

• Проблема прогаоза локальных газонасыщенных участков успешно решается методом сейсмического просвечивания. Реализация МСП на отражённых волнах, в отличие от традиционных работ МСП, позволяет достаточно точно локализовать газонасыщенные зоны в объёме просвечиваемого массива. При этом сама зона проявляется в волновом поле как отражаюпщй объект. Если газовые скопления находятся выше разрабатываемых пластов, то их обнаружение возможно на основании данных профилирования МОГТ.

• Наиболее информативными технологиями изучения зон замещений являются комплексные сейсмические наблюдения в рамках МОГТ и МСП на отраженных волнах. Исследования необходимо проводить в пределах одного участка с учётом следуюпщх положений: МОГТ — на уровне ниже предполагаемых вертикальных границ зоны замещения. Параметры системы наблюдений определяются необходимой детальностью исследованийМСП — в пределах горных выработок, пересекающих предполагаемые горизонтальные границы зоны замещения, и, по возможности, на нескольких уровнях. При выборе параметров системы наблюдений руководствуются горногеологическими условиями.

3. При проведении шахтных сейсморазведочных исследований поверхностные условия оказывают значительное влияние на динамические характеристики регистрируемых упругих колебаний. Их изменчивость в пределах одного сейсморазведочного профиля осложняет геологическую интерпретацию регистрируемого волнового поля. Особенно необходим учёт поверхностных условий при совместном использовании разночастотных сейсмических методов в рамках единого комплекса, таких как шахтная сейсморазведка и акустические исследования. В этой связи важным является методический вывод о наиболее оптимальных поверхностных условиях на участках горных выработок, сложенных прослоями каменной соли. В этом случае регистрируемое волновое поле характеризуется максимальными частотами и минимальным затуханием упругих волн.

4. Показана возможность методически успешного применения комплекса наземных и шахтных сейсморазведочных исследований в сейсмическом и акустическом диапазонах частот для изучении конкретных геологических объектов. Предложенная схема комплексирования прошла практическое опробование при решении таких тонких геологических задач, как локализация и определение размеров малоамплитудных тектонических нарушений ВЗТ в трёхмерной системе координат. Для этого волновые картины увязывались по опорньпл отражающем горизонтам на основе результатов скоростного анализа. Успех подобной процедуры обусловливается применением однотипных: методики полевых исследований и системы обработки. Далее проанализированы характерные особенности одноимённых отражающих горизонтов. Необходимый этап в данном процессе — итеративное согласование скоростных законов, найденных при наземных и шахтных наблюдениях. Наличие согласованной модели позволило перейти к последующей её детализации в акустическом диапазоне частот.

5. Для дистанционного прогноза физико-механических свойств горного массива разработана технология многоволновой сейсморазведки. Установлено, что: 1) в волновом поле регистрируемом, во внутренних точках среды в равной степени присутствуют и продольные и поперечные волны- 2) наиболее оптимальная технология совместной регистрации разнотипных волновых полей основана на использовании вертикальных датчиков в лучевом направлении распространения фронта волны- 3) успешное разделение совокупного регистрируемого волнового поля возможно в процессе цифровой обработки сейсмораз-ведочных данных. Всё перечисленное даёт возможность в рамках одного технологического процесса конструировать различные методики исследований геологической среды, базирующихся на принципах многоволновой сейсморазведки.

6. В рамках многоволновой технологии определены методические решения оценки скоростной неоднородности соляного массива, вызванной его анизотропностью. Сведения об анизотропии позволяют уточнить природу скоростных аномалий и установить корреляционные связи с наблюдаемьпли неодно-родностями в разрезе. Шахтная сейсморазведочная технология изучения анизотропии скоростей при возбуждении упругих колебаний только в одной плоскости должна предусматривать регистрацию поперечных волн различной поляризации (8У, 8Н).

7. Установлены формы проявления в сейсмических волновых полях техногенного влияния на горный массив. Обоснованы оптимальные технологии изучения техногенной нарушенности массива: 1) Определение положения границ зон техногенной нарушенности междукамерных целиков осуществляется по сейсмическим временным разрезам для Р-волн. В случае изучения акустических волновых полей, данные границы лучше выражены на временных разрезах 8-волн- 2) Количественная оценка степени изменения состояния междукамерных целиков связана с применением акустических методов, которые обеспечивают наибольшую детальность и информативность получаемых скоростных характеристик волновых полей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.