К вопросу об интерпретации результатов метода сейсмической томографии при мониторинге скальных массивов

© Н.Н. Абрамов, Е.В. Кабеев, 2002

УАК 622.02.

Н.Н. Абрамов, Е.В. Кабеев

К ВОПРОСУ ОБ ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ МЕТОЛА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ПРИ МОНИТОРИНГЕ СКАЛЬНЫХ МАССИВОВ

При интерпретации результатов метода сейсмической томографии в задачах контроля состояния скальных массивов и, в особенности, при мониторинге состояния массива во времени, особую актуальность приобретают вопросы достоверности получаемой информации. Здесь можно вести речь о двух аспектах проблемы, во-первых, оценить насколько значимы вариации контролируемых параметров -скоростей сейсмических волн при оценке изменчивости свойств массива во времени и, во-вторых, в снижении степени неоднозначности интерпретации при оценке состояния массива за счет использования при анализе нескольких контролируемых параметров. Под состоянием массива пород здесь понимается оценка степени его нарушенности трещинами разных порядков и происхождения, и наличие действующего поля напряжений в массиве.

Важным элементом при оценке достоверности метода сейсмической томографии является анализ погрешностей выполняемых наблюдений. Общая погрешность складывается из погрешности непосредственно измерений времен первых вступлений сейсмических волн, погрешности определения базы сейсмопросвечивания и погрешностей измерений, обусловленных влиянием различий при выборе мест и качества крепления сейсмоприемников к стенкам выработок, а также различием интенсивности ударных импульсов возбуждения сейсмических волн. Первые две составляющие погрешности определяются, в основном, характеристиками применяемой измерительной аппаратуры. Для современной цифровой портативной сейсмической аппаратуры, с дискретностью оцифровки сейсмограмм Д/ = (0.02-

0.05) мс, эти погрешности пренебрежимо малы и в сумме составляют лишь малые доли процента. В этой связи, особенно важно оценить насколько сильно влияние двух последних составляющих погрешностей.

мент, целью которого было сопоставление результатов томографической обработки при возбуждении сейсмических волн в одном и том же породном целике при прямом и обратном направлениях просвечивания. На участке массива высокопрочных скальных пород был оборудован измерительный полигон. На двух противоположных стенках целика прямоугольного сечения (в плане 130x76 м), ортогонально обнажению, закреплены по 24 сейсмоприемника на каждой стенке. Сейсмоприемники на реперах крепятся к стенкам выработок на материал «цемент - жидкое стекло». Регистрация времен сейсмических волн выполнялась цифровой 24-канальной сейсмостанцией «МсБе1Б-160». Точки возбуждения сейсмических волн размещены на стенках выработок согласно точкам крепления сейсмоприемников. Схема полигона представлена на рис. 1.

С каждой стороны целика на оборудованных точках было выполнено по 18 ударных возбуждений. Условия ударных возбуждений: при прямом просвечивании удары выполнялись по стенке с торкрет-бетонной обделкой, при обратном просвечивании - по противоположной стенке по скале без бетонной крепи. Таким образом, анализировались времена вступлений продольных волн £р по 432 сейсмическим лучам при прямом и обратном сейсмическом просвечиваниях, соответственно.

Сопоставление результатов измерений выполнялось исходя из расчета относительных невязок времен вступлений продольных волн по каждому У-ому лучу в прямом и обратном направлениях. Расчет невязок выполнялся по следующим этапам:

1. Расчет средних значений времен пробега продольных волн по лучу в прямом и обратном направлениях:

____ t"r + t

lPi +l

lp —

lPi

где

lPi

обр Pi '

времена по прямому и обратному на-

правлениям, мс.

2. Определение отклонений от средних для каждого луча:

Для решения этой задачи был проведен экспери-

2

Рис. 1. Схема полигона: (а) - V - сейсмоприемники,

• -источники,

1 - контрольный целик;

лучевая картина (б) - V - сейсмоприемники, • - источники.

37.9 %

<й

18.5 %

18.7 %

14.3 %

10.4 %

0.02

0.02

Относительная невязка времени. 5^. отн.

Д( пР - * *пр

ДРі - *РІ - *Рі

Д* обР = * * обР

ДРі - *Рі - *РІ •

3. Оценка относительных временных невязок измерений:

8 -ДРъ-

О/р - — ;

1Р1

На рис. 2 приведена гистограмма распределения относительных невязок времен вступлений по прямому и обратному направлениям измерений. Как видно из гистограммы, по величинам, относительные невязки не превышают уровень 0.05-0.06 отн. ед. (5-6%). Доля этих невязок составляет 10.4%.

Для выяснения степени влияния величин относительных невязок времени на качество томографической картины были построены томограммы скоростей продольных волн для прямого и обратного направлений с введением поправок в наблюденные времена. В качестве критерия оценки качества томограмм при их сопоставлении принята величина разрешенной максимальной относительной невязки скорости Ур в каждой соответствующей по координатам томограммы ячейке для прямого и обратного направлений сейсмического просвечивания. Удовлетворительная сходимость результатов обработки, как видно из томограмм, приведенных на рис. 3а, получена уже на первом шаге введения поправок в наблюденные времена с величинами относительных невязок времени 8^тах) < 5%. На рис. 3б, представлена гистограмма распределения относительных невязок скоростей продольных волн для данных томограмм, из которой оценена максимально разрешенная относительная невязка скорости 8Ур =

Исходя из полученных результатов, определяем, что максимально разрешенная величина относительной невязки времени для идентичных сейсмических лучей в исходных данных не должна пре-

Рис. 3. Томограммы скоростей продольных волн (а) при прямом и обратном сейсмическом просвечивании целика и гистограмма распределения (б)относительных невязок скорости Ур.

а)

Рис. 2. Гистограмма относительных невязок времен вступлений продольных волн

вышать 5% ^ < 5%). Таким образом, величины невязок более 5%, как видно из рис. 2, соответствуют погрешностям измерений, возникающих из-за не учета качества крепления сейсмоприемников и способов возбуждения сейсмической волны.

Как видно из гистограммы рис. 2 частость измерений с невязками времени от 5 до 6% составляет 10%. Это говорит о необходимости введения поправок времен вступлений продольной волны для (0.1-К) лучей, где К - общее количество сейсмических лучей на томограмме. Для нашего случая К = 432 луча, тогда необходимо ввести поправки для 43 лучей. Реально, это соответствует корректировке двух ударных возбуждений по 24 луча каждая и не представляет трудностей. Величины поправок определяются из анализа соответствующих годографов продольных волн.

Таким образом, при выполнении сейсмотомо-графических исследований по оценке состояния скальных массивов рекомендуется следующее:

1. Места ударных возбуждений должны выбираться на незакрепленных бетонной обделкой участках обнажений выработок и в тех точках, где нарушенная зона приконтурного массива пород минимальна или отсутствует. При наличии бетонного крепления выработок, необходимо выбирать участки с плотными контактами «бетон - скала». Сейсмоприемники рекомендуется устанавливать Установка на раствор «цемент - жидкое стекло», а также Невыполнение строгих правил при выборе мест установки сейсмоприемников и точек возбуждения сейсмических волн в массиве пород могут привести к значительным искажениям томограмм скоростей продольных волн и неверным оценкам

2. При мониторинге скального массива методом сейсмической томографии необходимо обращать внимание на случаи, когда относительная невязка времен вступлений продольных волн в исходных данных для разновременных наблюдений превышает порог 5%. В этом случае, необходимо оценивать причины установленных невязок и при необходи-

Прямое просвечивание

б)

Относительная невязка скорости 5ур, отн. ед.

мости вводить поправки в наблюденные годографы продольных волн.

3. Для адекватного описания и оценки состояния обследуемой среды с использованием метода сейсмической томографии и нивелирования влияния погрешностей от различий ударных возбуждений и способов крепления сейсмоприемников рекомендуется сейсмическое просвечивание выполнять в прямом и обратном эквивалентных направлениях с полным соответствием координатных условий.

Данные рекомендации при использовании метода сейсмической томографии обеспечивают, та-

Рис. 4. Томограмма скоростей продольных волн (а) и зональность участка массива по трещиноватости

Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики обследуемого участка массива

ким образом, надежность определения скоростей упругих волн. Интерпретация скоростных томограмм, как известно, сводится к дифференциации обследуемого массива пород по величинам скоростей упругих волн [1, 2, 3] и описанию их вариаций через свойства и состояние массива пород. Согласно [3], при прочих равных условиях, зоны массива, обладающие низкими скоростными характеристиками, являются более нарушенными, трещиноватыми, и наоборот, участки с высокими скоростями являются более напряженными. Там же приводятся критерии оценки состояния по кинематическому показателю Ве.

На рис. 4 представлена томограмма продольных сейсмических волн (а) и распределение зон трещиноватости для участка скального массива, выполненное по кинематическому критерию трещиноватости Ве согласно методике [3]:

ве = 1 -

где К0 - скорости продольной волны в отдельностях, слагающих массив; VI - скорости продольной волны по направлению 1.

На приведенном рисунке довольно четко по разнице цветовой палитры отделены участки высоких и низких скоростей. Низкоскоростные зоны (самый светлый колор томограммы скорости рис. 4а), согласно критерию (4) отнесены к участкам с большей степенью нарушенности вмещающих пород (белый и самый темный колор рис. 4б).

В то же время, известно, что скорость продольной волны, кроме структурной нарушенности пород, является функцией целого ряда других параметров состояния массива (минеральный состав пород, плотность, водонасыщение, напряженность и т. д.). Эта неоднозначность, при отсутствии дополнительной информации, иногда затрудняет адекватную интерпретацию результатов при оцен-

ке состояния и свойств пород только по кинематическому показателю Ве.

При оценке трещиноватости массива, используя метод сейсмической томографии, наряду с кинематическими характеристиками сигналов необходимо использовать и динамические характеристики. Перспективным оказывается анализ частотного спектра сигнала, прошедшего через массив [4]. Для примера, представленного на рис. 4, проведен анализ амплитудно-частотных характеристик для некоторых сейсмических лучей. Из всей совокупности лучей, необходимых для построения томограмм скоростей рис. 4 были выбраны восемь таких, которые расположены в различных по трещиноватости зонах. За основу взята оценка трещиноватости по критерию (4). На рис. 5 представлены амплитудно-частотные характеристики для этих 8 выбранных сейсмических лучей. Как видно из рисунка, лучи 2-8, 14-8, 16-8, 14-14 и 16-14 расположены в более сохранной зоне участка. Лучи 8-14, 2-14, и 8-8 проходят через прогнозируемые трещиноватые зоны. В эксперименте частотный диапазон сейсмических волн был выбран исходя из возможности уверенного приема первых вступлений продольных волн и составлял 0-792 Гц. Как видно из приведенных спектров рис. 5 рассматриваемые направления лучей существенно отличаются по частотным характеристикам друг от друга. Эти результаты приведены в таблице.

Как известно, трещиноватость горных пород смещает спектр сигнала в область низких частот [3]. Тогда, вариации частот в спектре, как видно из приведенной таблицы, позволяют оценить разницу нарушенности массива по выделенным на-

№ сейсмич. луча Преобладающая частота спектра, Гц Характеристика участка по трещиноватости по Ве

2-8 600 сохранный

14-8 760

16-8 770

14-14 660 слаботрещиноватый

16-14 680

8-14 200 среднетрещиноватый

2-14 370

8-8 420

правлениям. Соответствие оценок по кинематическому показателю Ве и частотной характеристике спектра указывает на объективность выполненной классификации массива по трещиноватости. Аналогичным образом выполняется анализ частотных спектров для всех сейсмических лучей и строится частотная томограмма для контролируемого участка массива. Далее, сопоставляя томограммы скоростей и преобладающих частот спектра, можно более достоверно оценивать свойства и состояние массива пород.

Таким образом, используя волновые характеристики массива - скорости упругих волн и частотный спектр принимаемых сигналов, с использованием метода сейсмической томографии более адекватно оценивается такая важная характеристика массива как трещиноватость пород. Количественные характеристики трещиноватости, в обязательном порядке согласуются с оценкой трещиноватости прямыми геологическими методами в опорных точках.

1. Нолет Г. Сейсмическая томография. - М.: Мир, 1990. - 416 с.

2. Абрамов Н.Н., Кабеев Е.В., Педчик А.Ю. Мониторинг состояния массива вокруг крупногабаритных сооружений методом сейсмической томографии. Проблемы развития транспортных и инженерных комму-

никаций., №2, апрель - июнь 1999, -М.: Изд. «ТИМР», с. 21-25.

3. Абрамов Н.Н. Использование метода сейсмической томографии при мониторинге подземных сооружений. Проблемы разработки месторождений подземных ископаемых и освоения подземного пространства

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Северо-Запада России. Материалы Международной научной конференции. - Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН, ч.3. с. 96-105.

4. Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. - М.: Недра. 1987. - 276 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Абрамов Н.Н. - ст. научный сотрудник, Горный институт КНЦ РАН, 184209, г. Апатиты, Россия. Кабеев Е.В. - вед. технолог, Горный институт КНЦ РАН, 184209, г. Апатиты, Россия.

Файл: АБРАМОВ

Каталог: G:\№ работе в универе\2002\Папки 2002\giab8_02

Шаблон: C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm

Заголовок: К вопросу интерпретации результатов метода сейсмической томографии

при мониторинге скальных массивов Содержание:

Автор: Nik

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания:

Число сохранений:

Дата сохранения:

Сохранил:

Полное время правки:

Дата печати:

При последней печати страниц: слов:

знаков:

09.07.2002 15:26:00 24

28.11.2008 17:26:00 Таня

47 мин.

28.11.2008 18:54:00 4

2 023

11 532