СПОСОБ И СХЕМА ДЛЯ АНАЛИЗА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ В СЛОЯХ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НАД ВЫРАБОТКАМИ ПОДЗЕМНОЙ ШАХТЫ
METHOD AND SCHEME FOR ANALYSIS OF GEOLOGICAL STRUCTURE AND RELATIVE CHANGES OF STRESS IN LAYERS LOCATED OVER OPENINGS OF UNDERGROUND MINE

Предметом изобретения является способ и схема для анализа геологической структуры и относительных изменений напряжений в слоях, расположенных над выработками подземной шахты, предназначенные для определения состояния опасности для инфраструктуры поверхности, вытекающего из возможности возникновения толчков, вызванных горными разработками в рассматриваемом районе.
В настоящее время выявление геологической структуры слоев, залегающих над эксплуатируемыми горными выработками, реализуется с применением инвазионных методов, заключающихся в возбуждении просвечивающих горный массив сейсмических волн возбудителями большой мощности или зарядами взрывчатых веществ, причем обычно используются инструменты сейсмической томографии. Известны, из публикаций [Dangel S.: Phenomenology of tremor-like signals observed over hydrocarbon reservoirs, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2003, 128 (1-3), s. 135-158, Gorbatikov Α.V., Kalinina Α.V., Volkov V.A. a.o.: Results of Analysis of Data of Microseismic Survey at Lanzarote Island, Canary, Spain, Pure Appl. Geophys., 2004, 161, s. 1561-1578, Boullenger В.: Finite Difference Feasibility Modelling of Time-lapse Seismic Noise Interferometry for CO2 monitoring. TU Delft, Master Thesis, 2012], примеры применения метода низкочастотной пассивной сейсмики LFS и явлений, касающихся шумов регионального характера, вызываемых, как правило, натуральными процессами, например землетрясениями, вулканической активностью, волнами морей и океанов, воздействием морских течений на континенты либо воздействием бурного течения воздушных масс. Местные шумы вызываются колебаниями от движения транспортных средств, работой машин, устройств и людей либо толчками, вызванными горными работами или другой деятельностью. Частота анализируемых сейсмических шумов составляет обычно от 0,1 до 3 Гц в случае регионального шума, а местного шума даже до 30 Гц. Максимальный по глубине радиус рекогносцировки, связанный с частотой анализируемой поверхностной сейсмической волны, может составлять от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Развитие методов низкочастотной пассивной сейсмики LFS в настоящее время стало возможным благодаря использованию современной технологии в производстве широкодиапазонных датчиков и увеличению расчетной мощности компьютеров путем применения параллельного расчета. В методах LFS используются многочасовые записи данных, что вынуждает создание новых приложений как для регистрации, обработки, так и для интерпретации данных. В методах LFS различают два основных метода: метод сейсмического зондирования MS (англ. microseismi sounding) и метод сейсмической интерферометрии IS (англ. seismic interferometry).
При использовании метода сейсмического зондирования регистрация осуществляется на нескольких перемещаемых в течение времени измерительных точках и постоянной референтной точке, а для интерпретации используется главным образом вертикальная составляющая сейсмического шума. Запись осуществляется в каждой точке в течение не менее 1 часа так, чтобы обеспечить его стационарность.
При использовании метода сейсмической интерферометрии запись осуществляется непрерывно с шагом дискретизации, выбираемым для конкретного задания, без перемещения датчиков. Чем меньше радиус рекогносцировки слоев, тем шаг дискретизации меньше. Запись может производиться с использованием вертикальной составляющей поверхностной волны типа Рэлея и/или горизонтальной волны Лява. Продолжительность записи зависит от: характеристики волнового поля исследуемого района, в том числе доминирующей частоты и направления распространения, а также от вида реализуемого задания, например мониторинг изменений, локализация зон ослабления, изучение строения среды.
Известен, из патентного описания WO 2012044480 (А2), способ обработки данных по методу сейсмической интерферометрии для исследования геологической структуры морского дна, с помощью низкочастотных сейсмических датчиков, протаскиваемых по морскому дну исследовательским судном. Способ позволяет получить трехмерную картину геологической структуры под морским дном. Расчеты в этом способе выполняются с использованием функции Грина.
Известны, из описания US 2011069580 (А1), способы модифицирования направленности сейсмической интерферометрии при определении геологической структуры Земли.
Известен, из описания US 2010315902 (А1), способ отображения структуры под земной поверхностью с помощью пассивной сейсмической томографии путем применения сейсмической интерферометрии, регистрирующей сейсмические сигналы, генерируемые сейсмическими явлениями, происходящими в горном массиве Земли.
Известен также, из публикации Чарны Р.: «Обзор применения метода сейсмической интерферометрии», Горный журнал, 2014, №7 [Czarny R.: "Przegląd zastosowania metody interferometrii sejsmicznej", Przegląd Górniczy, 2014, nr 7], метод сейсмической интерферометрии, заключающийся в отображении импульсного ответа среды (функция Грин) между парой датчиков, с помощью операции взаимной корреляции или деконволюции зарегистрированных сейсмических сигналов на этих датчиках. Этот метод открывает очень широкие возможности применения, от отображения глубинных структур земной коры, мониторирования происходящих в них изменений, до геоинженерного применения.
В другой публикации, Марцак X., Пилецки З., Исаков З.: «Возможности применения метода сейсмической интерферометрии в горном деле», Горный журнал, 2014, №7 [Marcak H., Pilecki Ζ. Isakow Ζ. Czarny R.: "Możliwości wykorzystania metody interferometrii sejsmicznej w górnictwie", Przegląd Górniczy, 2014, nr 7], описаны тенденции использования этого метода в горной геофизике, а также представлены результата анализа шумов, вызываемых в результате выполнения горных работ, которые могут быть использованы для проведения исследований методами сейсмической интерферометрии. Представлены также математические и физические основы этого метода. В методе сейсмической интерферометрии запись осуществляется непрерывно с шагом дискретизации, выбираемым каждый раз индивидуально для конкретных горно-геологических условий. Чем мельче залегают исследуемые структуры, тем шаг дискретизации меньше. Запись производится с использованием вертикальной составляющей поверхностной волны типа Рэлея и/или горизонтальной волны Лява. Продолжительность записи зависит от: характеристики волнового поля исследуемого района, в том числе доминирующей частоты и направления распространения, а также от вида реализуемого задания, например мониторинг изменений, локализация зон ослабления, изучение строения среды.
В свою очередь, в публикации Исаков З., Пилецки З., Серодзки П. «Современная система LOFRES низкочастотной пассивной сейсмики», Горный журнал, 2014, №7 [Isakow Ζ. Pliecki Ζ., Sierodzki. P., "Nowoczesny system LOFRES niskoczęstotliwościowej sejsmiki pasywnej", Przegląd Górniczy, 2014, nr 7] представлена система LOFRES, предназначенная для исследований, по методу низкочастотной пассивной сейсмики LFS, околоповерхностных геологических слоев, с использованием сейсмического шума. Система ввиду своих измерительных функций приспособлена для проведения исследований по методу сейсмического зондирования и по методу сейсмической интерферометрии. Система состоит из стационарного центра обработки данных, соединенного при помощи беспроводной связи с модулем мобильной регистрации измерительных данных и последовательно, посредством автономных пунктов доступа WiFi, с измерительными станциями и с референтной станцией. Низкочастотные трехмерные измерительные станции оборудованы низкочастотными сейсмическими датчиками, соединенными посредством аналогово-цифрового преобразователя с микропроцессором, и оборудованы внутренним запоминающим устройством большой емкости, приемником GPS, схемой беспроводной связи и питающим аккумулятором. Запись данных осуществляется во внутренней энергонезависимой памяти датчиков, емкостью более десяти гигабайтов. Синхронизацию времени обеспечивает подключенный к каждой измерительной станции приемник GPS. Автономные пункты доступа WiFi, работающие в режиме WDS, увеличивают радиус связи WiFi.
Основным недостатком применяемых до настоящего времени способов и схем анализа геологической структуры и относительных изменений напряжений в слоях, расположенных над горными выработками, является их неудобство применения, связанное с применением инвазионных методов, особенно на территориях, где на поверхности шахты в наблюдаемом районе имеется жилищная или промышленная застройка, а также связанная с этими застройками техническая инфраструктура.
Представленный в публикации Исаков З., Пилецки З., Серодзки П. «Современная система LOFRES низкочастотной пассивной сейсмики», Горный журнал, 2014, №7 [Isakow Z. Pilecki Z., Sierodzki. P., "Nowoczesny system LOFRES niskoczęstotliwościowej sejsmiki pasywnej", Przegląd Górniczy, 2014, nr 7] метод низкочастотной пассивной сейсмики, используемый для выявления геологической структуры и относительных изменений напряжений в слоях, расположенных над определенными наблюдаемыми горными выработками в версии сейсмического зондирования MS, хотя безынвазионный и с хорошей разрешающей способностью по горизонтали (около 3,5% длины волны), является малоэффективным и неудобным в практическом применении, так как требует устройства референтной станции на территории, не подвергающейся влиянию горных разработок, а также чувствителен к нестационарности просвечивающего низкочастотного шума. Метод MS характеризуется также низкой разрешающей способностью обнаружения по вертикали (около 30% длины волны). Метод в версии сейсмической интерферометрии IS, хотя и нечувствителен к нестационарности шума и удобный в длительном пользовании в полевых условиях, также характеризуется малой разрешающей способностью обнаружения по вертикали и в этом, известном, виде непригоден для анализа геологической структуры и относительных изменений напряжений в слоях, расположенных над горными выработками подземной шахты.
Целью изобретения является разработка нового, обладающего более высокой достоверностью, способа и схемы, предназначенных для безынвазионного выявления геологической структуры и относительных изменений напряжений в слоях над выбранными шахтными выработками, по методу низкочастотной пассивной сейсмики, для обеспечения возможности предупреждать периодически или постоянно о состояниях возникновения геологических аномалий и увеличенной концентрации относительных изменений напряжений, предшествующих тектоническим региональным толчкам.
Способ, являющийся предметом изобретения, характеризуется тем, что в стационарный центр обработки данных передаются данные из мобильного регистратора измерительных данных, а также из центральной станции шахтной сейсмической системы, получаемые в результате строго коррелированной по времени регистрации низкочастотного шума из поверхностной системы, а также сейсмических толчков, генерированных горными разработками. Затем зарегистрированные измерительные данные, во временных окнах продолжительностью лучше всего 30 с, в виде трехмерных записей низкочастотного сейсмического шума и сейсмических толчков, генерируемых горными разработками, подлежат обработке с применением метода сейсмической интерферометрии для записей шума и пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии для записей шахтных толчков. На этом основании определяются для исследуемого пространства горного массива изолинии скорости поперечной волны, а также изолинии скорости и/или затухания продольной волны, по методу пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии, которые в конечном итоге отображают усредненное состояние относительных изменений напряжений в слоях, расположенных над горными выработками. При этом в момент возникновения горного толчка происходит корреляция параметров локализации координат, рассчитанного времени возникновения этого в очаге, с временем вступления продольной волны, генерируемой им и регистрируемой в записях низкочастотных измерительных трехмерных измерительных станций на поверхности, а также соответствующих им величин времени нарастания сигнала от момента вступления продольной волны до момента достижения регистрируемым сигналом первого максимума. В свою очередь, состояние относительных изменений напряжений в слоях исследуемого пространства горного массива над шахтными выработками подвергается текущему сравнительному анализу в стационарном центре обработки, с принятыми пороговыми допускаемыми величинами относительных изменений напряжений для исследуемого участка горного массива. В случае увеличения измеряемых в текущем порядке относительных изменений напряжений выше пороговых значений происходит сигнализация мест, в которых возникло такое состояние, а затем реализуется передача трехмерного результата томографии, выполняемой по методу сейсмической интерферометрии, а также усредненной томографии, от стационарного центра обработки данных, в центральную станцию шахтной сейсмической системы, где в визуализационно-сигнализационном модуле осуществляется визуализация исследуемых относительных изменений напряжений.
В схеме для применения способа согласно изобретению стационарный центр обработки данных соединен с одной стороны, лучше всего посредством модуля связи GSM, с мобильным регистратором измерительных данных, а с другой стороны с центральной станцией шахтной сейсмической системы, которая соединена с синхронизирующими время часами и с визуализационно-сигнализационным модулем, а также посредством системы искробезопасной цифровой связи с шахтной сетью связи не менее чем с четырьмя подземными сейсмометрическими станциями и/или не менее чем с четырьмя сейсмическими геофонными станциями.
Положительным эффектом изобретения является создание возможности проводить в текущем порядке эффективный анализ относительных изменений напряжений в слоях над горными выработками путем коррелированного применения пассивного метода низкочастотной сейсмической интерферометрии и метода пассивной сейсмической томографии с использованием сейсмических толчков, генерируемых горными разработками, что повышает функциональность, разрешающую способность и точность проводимой рекогносцировки на определенном горном отводе подземной шахты. Являющееся предметом изобретения решение позволяет раньше выявлять места с увеличенной концентрацией напряжений, предшествующей региональным тектоническим толчкам, что имеет существенное значение для применения соответствующей профилактики в районах, где на поверхности имеется жилищная и/или промышленная застройка, а также техническая инфраструктура. Анализ относительных изменений напряжений позволяет предупредительно сигнализировать состояние опасности. Изобретение обеспечивает глубокую, достигающую нескольких сот метров, безынвазионную пенетрацию геологических слоев, без необходимости применения методов возбуждения искусственной сейсмической волны с помощью детонирования зарядов взрывчатого вещества. Измерение требует только монтажа датчиков и устройства, соединенного с шахтной сейсмической системой, схемы для измерения низкочастотной пассивной сейсмики. Существенное значение имеет сокращение временных интервалов между очередными анализами, благодаря использованию метода сейсмической интерферометрии, в которой, учитывая коррелирование записей шума, не требуется стационарность регистрируемого шума.
Предмет изобретения, пример исполнения, представлен на чертежах, где на Фиг. 1 представлена, в упрощенном виде, измерительная схема, вместе с взаимным расположением ее блоков на поверхности и в подземной части шахты, в аксонометрическом изображении, на Фиг. 2 представлена блок-схема измерительной схемы.
i
n.cz.
w.cz.
Способ, являющийся предметом изобретения, реализуется с использованием метода сейсмической интерферометрии при помощи, лучше всего сорока, низкочастотных трехмерных измерительных станций 5-5, расположенных с самого начала измерений в пяти измерительных линиях "k". Метод сейсмической интерферометрии заключается в отображении импульсного ответа среды, т.наз. функции Грина с помощью взаимной корреляции или деконволюции сейсмических сигналов, зарегистрированных парами низкочастотных трехмерных измерительных станций 5. Для непрерывности контроля по методу сейсмической интерферометрии необходимо обеспечение непрерывности их питания безопасным напряжением от блока питания 8 постоянным током, а также беспроводного приема данных с использованием беспроводной сети передачи данных WiFi с местными автономными точками доступа WiFi 4 и мобильного регистратора измерительных данных 3, регистрирующего данные и передающего их, лучше всего, системой пакетной передачи данных GPRS, посредством модема связи GSM 2, в стационарный центр обработки данных 1. Зарегистрированные измерительные данные во временных окнах, лучше всего продолжительностью 30 с, в виде трехмерных низкочастотного сейсмического шума D от низкочастотных трехмерных измерительных станций 5 подлежат обработке с применением метода сейсмической интерферометрии. В свою очередь, генерируемые горной разработкой сейсмические толчки D, зарегистрированные низкочастотными трехмерными измерительными станциями 5, обрабатываются по методу пассивной сейсмической томографии с использованием для этой цели автоматически определяемого времени прохода сейсмической волны вдоль трасс сейсмических лучей от места возникновения толчков W до места их регистрации на поверхности низкочастотными трехмерными измерительными станциями и на этой основе составляются для данного участка горного массива 7 изолинии скорости продольной и поперечной волны, которые отображают состояние относительных изменений напряжений ΔΝΡ в слоях над шахтными выработками В, расположенными над исследуемым участком горного массива 7. При этом в момент возникновения толчка W, с целью автоматического определения времени прохода сейсмической волны вдоль трасс сейсмических лучей, необходимого для определения скорости распространения волны в этих направлениях, происходит корреляция параметров локализации координат X, Y i Ζ и рассчитанного времени То в очаге горного толчка W с временем Тр вступления продольной волны, регистрируемым записями низкочастотных трехмерных измерительных станций 5 на поверхности шахты А. Кроме того, с целью обеспечения возможности дополнительно применять метод пространственной пассивной сейсмической амплитудной томографии, также идентифицирующие относительные изменения напряжений, после идентификации низкочастотными трехмерными измерительными станциями 5 появления записи сигнала толчка, определяется автоматически время нарастания сигнала с момента Тр вступления продольной волны, вызванной толчком, до первого максимального значения регистрируемого сигнала. В методе сейсмической интерферометрии используются поверхностные волны, которые несут информацию об устройстве и свойствах геологической среды, представляемую в виде графиков дисперсии. Обработка в стационарном центре обработки данных 1 охватывает: контроль качества данных путем устранения тенденций и ошибок записей, фильтрацию поверхностных волн в диапазоне от 0,2 Гц до 15 Гц, однобитовую нормализацию, корреляцию данных для каждой пары измерительных станций, отбор коррелограмм с наилучшим отношением полезного сигнала к уровню шума, идентификацию кривых дисперсии фазовой скорости волн Рэлея, инверсию графиков дисперсии на модели 1D скорости поперечной волны, составление модели 2D поля скоростей поперечной волны, а при использовании данных из многих измерительных профильных линий "k" низкочастотных трехмерных измерительных станций 5 - составление модели 3D поля скоростей поперечной волны. Программное обеспечение позволяет выполнять измерения и обработку их результатов в текущем порядке с использованием методов сейсмической интерферометрии, для нужд которой разработаны соответствующие алгоритмы и программное обеспечение. В результате обработки получают пространственное изображение контролируемого пространства в виде изолиний скорости распространения поперечной волны. Для разрыхленных участков, с более низкими значениями напряжений, наблюдается уменьшение амплитуд скорости поперечной волны, а для более плотных участков, с более высокими значениями напряжений - увеличение амплитуд.
В способе, являющемся предметом изобретения, локализованные шахтные толчки с известными координатами Χ, Υ, Ζ и рассчитанным временем То в очаге, а также идентифицированное время Тр вступления генерируемой ими волны в записях измерительных станций 5, расположенных в узлах измерительной сети Ρ на поверхности шахты, используются для пространственной пассивной сейсмической скоростной или амплитудной томографии. Результаты этой томографии дополняют низкочастотную томографию и после коррелирования полученных томографических карт увеличивают достоверность анализа. В свою очередь, реализуется пространственное распределение скоростей распространения поперечных волн вдоль отдельных профильных линий "k", из усредненных карт низкочастотной томографии, полученных по методу сейсмической интерферометрии на основе регистрируемого на поверхности низкочастотного шума, а также реализуется пространственное распределение скорости распространения продольных волн, получаемое путем применения пассивной сейсмической скоростной и/или амплитудной томографии, использующей горные толчки W, которая отображает состояние относительных изменений напряжений ΔΝ в слоях исследуемого участка горного массива 7 над шахтными выработками В. Затем относительные изменения напряжений ΔΝΡ подвергают в стационарном центре обработки данных 1 текущему сравнительному анализу, сопоставляя с принятыми пороговыми допускаемыми относительными изменениями напряжений ΔNPgr для исследуемого участка горного массива 7 и в случае увеличения, измеряемых в текущем порядке, относительных изменений напряжений ΔΝΡ выше пороговых значений, т.е. когда ΔΝΡ≥ΔNPgr, происходит сигнализация и передача пространственного результата обеих томографий, а также усредненной томографии из центра обработки данных 1, в центральную станцию шахтной сейсмической системы 10, где в подключенном к ней визуализационно-сигнализационном модуле 11 реализуется визуализация исследуемых относительных изменений напряжений ΔΝΡ.
В схеме (Фиг. 1, Фиг. 2), являющейся предметом изобретения, стационарный центр обработки данных 1 соединен сетью беспроводной связи WiFi посредством модемов GSM 2 с мобильным регистратором измерительных данных 3 и, следовательно, посредством двух автономных точек доступа WiFi в конфигурации Mesh, с цифровыми выходами сорока стационарных низкочастотных трехмерных измерительных станций 5, сгруппированных в пять измерительных панелей 6, расположенных вдоль профильных линий "k".
k
n.Cz.
Число измерительных узлов 3 измерительной сетки, в которой установлены низкочастотные трехмерные измерительные станции 5 (SP), а также число измерительных панелей 6-6, размещаемых над исследуемым участком горного массива 7, определяется каждый раз в зависимости от размеров этого участка. При этом низкочастотные трехмерные измерительные станции 5 размещаются в грунте и питаются от блока питания постоянного тока 8 посредством защищаемых громоотводными устройствами подземных телетехнических кабельных линий. Каждая из низкочастотных трехмерных измерительных станций 5 оборудована низкочастотными трехмерными сейсмическими датчиками 5а, соединенными посредством аналого-цифрового преобразователя 5b с микропроцессором 5с с внутренней энергонезависимой памятью 5d большой емкости. Микропроцессор 5с соединен с аккумулятором 5е и через автоматическое зарядное устройство 5f с блоком питания постоянного тока 8 и часами GPS. В свою очередь, стационарный центр обработки данных 1 соединен также сетью типа ETHERNET 9 с центральной станцией шахтной сейсмической системы 10, оборудованной часами GPS, а также визуализационно-сигнализационным модулем 11. В свою очередь, центральная станция шахтной сейсмической системы 10 посредством искробезопасной схемы цифровой передачи данных 12 соединена шахтной телетрансмиссионной сетью связи 13 с цифровыми выходами подземных сейсмометрических станций 14 и с сейсмическими геофонными станциями 15. Низкочастотные трехмерные измерительные станции 5 регистрируют непрерывно, синхронно с временем часов GPS, измерительные данные из низкочастотных трехмерных сейсмических датчиков 5а в виде низкочастотного сейсмического шума (D) после его преобразования микропроцессором 5с с аналого-цифровым преобразователем 5b в цифровую величину и регистрируют в своей внутренней энергонезависимой памяти 5d большой емкости. Затем низкочастотные трехмерные измерительные станции 5 передают указанные выше измерительные данные на расстояние до нескольких сот метров посредством автономных точек доступа WiFi 4, увеличивающих радиус передачи, в мобильный регистратор измерительных данных 3, где они хранятся и откуда периодически или непрерывно передаются, лучше всего с помощью модема связи GSM 2 или, альтернативно, проводной сетью Интернет в стационарный центр обработки данных 1.
Список обозначений:
1 (CP) - стационарный центр обработки данных,
2 (MGSM) - модем связи GSM,
3 (MR) - мобильный регистратор измерительных данных,
4 (АР) - автономные точки доступа WiFi,
5 (SP) - низкочастотные трехмерные измерительные станции,
5а (CZ) - низкочастотный трехмерный сейсмический датчик,
5b (АС) - аналого-цифровой преобразователь,
5с (MK) - микропроцессор,
5d (FL) - внутренняя энергонезависимая память (флеш-память),
5е (AK) - аккумулятор,
5f (LD) - автоматическое зарядное устройство,
6 (РР) - измерительная панель,
k
6 - измерительная панель в профильной линии "k" с измерительными станциями,
7 (OG) - исследуемый участок горного массива,
8 (ZC) - блок питания постоянного тока,
9 (ET) - сеть типа ETHERNET
10 (KS) - центральная станция шахтной сейсмической системы,
11 (MW) - визуализационно-сигнализационный модуль,
12 (IT) - схема искробезопасной цифровой передачи,
13 (KT) - шахтная телетрансмиссионная сеть,
14 (S) - сейсмические сейсмометрические станции,
15 (G) - сейсмические геофонные станции,
Ρ - узел измерительной сетки,
А - поверхность шахты,
В - горные выработки,
W - горный толчок,
WI-FI - система беспроводной связи,
GPS - часы GPS,
k - профильные линии,
То - время возникновения горного толчка в его очаге,
Тр - время вступления волны Р, в записях измерительных станций,
n.cz.
D - низкочастотный сейсмический шум,
w.cz.
D - высокочастотные сейсмические толчки, генерируемые горными разработками.