Применение физического моделирования для интерпретации шахтных сейсмоакустических данных в зонах трещиноватости

УДК 534:550.834:622.02.001.57

А.И. Бабкин, А.Е. Ахматов

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ШАХТНЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ЗОНАХ ТРЕЩИНОВАТОСТИ*

Семинар № 2

✓"Объектами поисковых сейсморазведочных исследований являются сложные геологические структуры, характеризующиеся множеством параметров, каждый из которых в той или иной степени влияет на особенности формирования и распространения упругих волн. В подобной ситуации отождествление изменения сейсмической записи с определенными геологическими объектами невозможно без набора диагностических признаков. Моделирование влияния различных неоднородностей геологической среды на характеристики регистрируемых волновых полей позволяет в дальнейшем с высокой степенью достоверности выявлять искомые объекты при сейсморазведочных работах.

Наиболее развитым и распространенным методом моделирования является математическое. Несмотря на высокий теоретический уровень современных подходов к решению прямых задач, при расчете синтетического волнового поля допускаются определенные упрощения. Для сложных геологических объектов не всегда возможно получение точного сейсмического образа.

В отличие от математического, физическое моделирование позволяет напрямую оценить закономерности в распространении упругих волн, связанные с изменениями физических и структурных параметров породных объектов. Но при этом, обычно ограничиваются изучением,

либо влияния тех или иных горных пород на динамические характеристики проходящих волн (на образцах), либо особенностей формирования отраженных волн в упрощенных моделях из композиционных материалов, по своим упругим характеристикам недостаточно соответствующим реальным горным породам [1]. Полученные результаты достаточно сложно применить в практических исследованиях, как вследствие масштабного эффекта, так и по причине упрощенной имитации полевых систем наблюдений. В этой связи несомненный теоретический и практический интерес представляет физическое моделирование современных сейсморазведочных технологий, к которым следует отнести методику многократных перекрытий по общей глубинной точке (ОГТ).

К одной из наиболее важных задач малоглубинной сейсморазведки ОГТ, применяемой в пределах Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), следует отнести выявление дизъюнктивных нарушений и зон трещиноватости в продуктивной толще. Перераспределение опорного горного давления в процессе разработки месторождения при наличии подобных геологических объектов может привести к нарушению целостности водозащитной толщи (ВЗТ).

Наибольшей информативностью при локализации неоднородностей горного массива характеризуются шахтные сейсморазведочные исследования, базирую-

*Работа выполнена при поддержке фонда РФФИ

щиеся на интерференционных системах приема [4].

В рамках решения представленной задачи нами выполнено физическое моделирование одиночного разрывного нарушения. В качестве используемого материала взят блок сильвинита с прослоями каменной соли (рис. 1). Его размеры: длина - 32 см, ширина - 12 см, высота - 16,5 см. В пределах горизонтальной плоскости имитирована интерференционная система наблюдений методики многократных перекрытий со следующими параметрами: 15-ти канальная центральная с раскрытием и закрытием системы на концах профиля; шаг пунктов возбуждения (ЖХпв) равен шагу пунктов приема (ЖХпп) - 2 см; точечный источник упругих волн (удары молоточка по болту малого диаметра). Параметры регистрации: Ж = 2 мкс; ФВЧ - 500 Гц; ФНЧ - 20 кГц; количество воздействий - 9.

Для оценки влияния разрывного нарушения на параметры волнового поля модельное профилирование МОГТ проведено в два этапа: 1) по ненарушенному блоку и 2) с пропилом крутопадающей трещины. Отображение наклонного дизъюнктивного нарушения в волновой картине возможно при определенных соотношениях размеров нарушенной зоны и оценок вертикальной и горизонтальной разре-шенности сейсмической записи.

Критерием вертикальной разрешенно-

сти является отношение преобладающей длины сейсмической волны (^) к толщине исследуемого объекта. Временное разделение двух последующих друг за другом сигналов, в классическом представлении, начинается при Т/2, т.е. при мощности

объекта >/4 [5]. Рядом авторов доказана возможность выделения тел меньших размеров - Ак > /8 [7].

В качестве оценки горизонтальной раз-решенности используются размеры первой зоны Френеля [5]. Размер и форма первой зоны Френеля для конкретного объекта зависит от его удаления относительно линии наблюдений и длины отраженной волны: лфр. = „¡01/2 [6], где Яфр - радиус

первой зоны Френеля и В - удаление от линии наблюдений до исследуемого объекта. Существует ряд общих положений в определении предельных размеров поисковых объектов при наблюдениях по методике многократных перекрытий. В литературе обычно упоминаются значения, равные 1/4 первой зоны Френеля [5]. При этом основываются на эффективном размере первой зоны Френеля, который в

раз меньше реального радиуса [7].

Пространственные параметры разрывного нарушения на модели выбраны исходя из масштабного соответствия длин волн при моделировании (^ = 15 см) и реальных сейсморазведочных исследованиях в горных выработках (^ = 5 м). Толщина пропила в блоке составляет 3 мм, что при учете масштабного коэффициента соответствует мощности зоны трещинообразования - 10 см. Таким образом, с учетом наклонного падения сейсмического луча к плоскости разрыва, вертикальный размер нарушения составляет не бо-

Рис. 1. Общий вид породного блока для физического моделирования

а

а

24 22 20 18 16 14 12 10 8 б 6 4 2

X, см

225 20 15 10 5 0

1Ш

16

Д-1/

Чл< аЛ 4* *Л4 -

г— ОФ/)

IТТ] 11/.

лее //30 . В подобных условиях плоскость нарушения может проявляться в волновом поле как интерференционный отражающий элемент, что отчетливо наблюдается на волновой картине физического моделирования (рис. 2, б).

На рис. 2 представлены временные разрезы, полученные при модельном профилировании МОГТ по цельному блоку (а) и с разрывом (б). Для обоих разрезов на времени -87 мкс отчетливо проявляется отражение от нижней грани блока, что соответствует скорости распространения продольных волн 3800 м/с. В соответствующей интервалу исследуемого блока области сейсмической записи, на фоне общей выдержанности волнового поля, в пределах пикетов 5-13 наблюдается сложная интерференционная картина, вызванная дифракционными явлениями на складке прослоя каменной соли (рис. 1). Точка дифракции пространственно соответствует положению оси складки, где происходит уменьшение мощности про-

Рис. 2. Временные разрезы МОГТ при моделировании по цельному блоку (а) и с разрывом (б): 1 - границы блока; 2 - разрывное нарушение

пластков с выклиниванием одного из них. При наличии разрыва блока, в регистрируемом поле появляется дополнительное отражение в виде непродолжительной оси синфаз-ности сигнала, совпадающей с его положением. Размеры

проекции нарушения на линию наблюдения составляют 3,5 см, что при сопоставлении с эффективным размером первой зоны Френеля (5 см) удовлетворяет условию ее проявления в волновом поле -Ь > ^Фр/4 . Погрешность в

определении положения начала разрыва в пространстве зависит от величины зоны Френеля [2].

Отображение разрывного нарушения в сейсмической записи физического моделирования при незначительных соотношениях его размеров с длиной волны и зоной Френеля не может интерпретироваться явно. Отождествление аномалии волнового поля с разрывом в данном случае в большей степени основано на знании фактического его расположения. Следовательно, появление только дополнительных отражающих и дифракционных элементов на временном разрезе не может выступать достаточным диагностическим признаком при картировании единичного разрывного нарушения. В этой связи необходим анализ закономерностей изменения всех параметров регистрируемого волнового поля, таких как: скорости распространения упругих колебаний, их амплитудные и спектральные характеристики.

Известно, что в пределах разрывного нарушения происходит понижение скоро-

6-

Л

300

0

1

ПК, м

стей, заметное затухание интенсивности амплитуд и поглощение высокочастотной составляющей сейсмических колебаний. Совокупность аномалий всех перечисленных характеристик может быть представлена в виде комплексного параметра (рис. 3) [3]. Как видно из рисунка, распределение комплексного параметра в блоке значительно различается для случая нетронутого массива (рис. 3, а) и нарушенного разрывом (рис. 3, б).

Повышение значений комплексного параметра происходит на участках разреза, которым соответствуют аномальные изменения расчетных характеристик поля. Чем больше параметр, тем выше вероятность ослабленности массива на этом участке разреза. В ненарушенном блоке аномалия комплексного параметра связана со складкой, которая нашла свое проявление в виде усложнения волновой картины вследствие деструктивной интерференции в пределах ее расположения.

В нарушенном блоке изменения комплексного параметра согласуются с наличием разрывного нарушения (рис. 3, б). Наблюдается выделение дополнительного участка понижения прочностных свойств, пространственно тяготеющего к разрыву. Узкая и вытянутая вкрест залегания про-пластков форма аномалии комплексного параметра указывает на его приуроченность именно к разрывному нарушению. Взаимное расположение нарушения с выделенным на основе анализа характери-

Рис. 3. Распределение комплексного параметра при физическом моделировании по цельному блоку (а) и с разрывом (б): 1 - положение разрыва

стик волнового поля ослабленным участком укладывается в пределы горизонтальной и вертикальной разрешающей способности.

Представленные результаты физического моделирования позволяют сформулировать набор дополнительных признаков для картирования единичного разрывного нарушения, на основании которых возможна интерпретация практических исследований горного массива в рамках стандартных шахтных сейсморазведочных работ по методике ОГТ.

В этой связи проведены опытнометодические работы в одной из горных выработок. Изучалось строение ВЗТ с целью выявления потенциально опасных геологических неоднородностей, которые в дальнейшем могут повлиять на ее целостность.

Объект исследований расположен в сложном в геологическом отношении участке шахтного поля. В непосредственной близости от него по данным наземной сейсморазведки предполагается тектоническое нарушение в продуктивной толще, а в 100 метрах к юго-западу проходит граница региональной выбросоопасной зоны. С подобными участками могут быть связаны различные ослабленные зоны и происходить трещинообразование.

При проведении полевых работ применялась центральная 64х канальная система наблюдений со следующими параметрами: с1Хпв = dXпп = 2 м; минимальное удаление ПВ-ПП = 2 м; максимальное удаление ПВ-ПП = 62 м; кратность - 32. Возбуждение производилось в кровлю ударами кувалды. Число накапливаний составляло 6 ударов. Регистрация сейсмической запи-

ПК, м

ІІІІІІ я

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4

си осуществлялась цифровой компьютеризированной станцией - “18-32” (Латвия). Параметры регистрации: & = 100 мкс; ФВЧ - 500 Гц; ФНЧ - 2500 кГц.

Процесс цифровой обработки сводился к стандартным процедурам полосовой, обратной и веерной фильтрации, коррекции формы сигнала, фазовых сдвигов и уточнению скоростей ОГТ. Результатом обработки является временной разрез, который представляет собой исходный материал для интерпретации.

На окончательном временном разрезе (рис. 4) выделен ряд отражающих горизонтов (ОГ). Они, в соответствии с результатами скоростного анализа, приурочены к кровле пластов «Г» (ОГ Гк), «Д» (ОГ Д*), «Е» (ОГ Ек), а так же к подошве и кровле покровной каменной соли (ОГ ПКСп и ОГ ПКСк соответственно).

В пределах верхней части продуктивной толщи (ОГ Гк - Ек) наблюдается значительная складчатость. В интервале пикетов 120-180 в районе одной из наиболее выраженных синклинальных складок нарушается корреляция отражающих горизонтов, вплоть до ПКСп. Потеря корреляции для данного интервала временного разреза связана с деструктивной интерфернецией сигнала в условиях резкого изменения гипсометрии ОГ и, возможно, наложения влияния перпендикулярной профилю выра-ботки.

Рис. 4. Временной разрез МОГТ: 1

- отражающие горизонты; 2 - область предполагаемой трещины

Наибольший интерес в рамках представленной

ты имеет второй аномальный участок (ПК.260-320, ОГ Гк-Дк), который по виду волновой картины соответствует разрывному нарушению

на модели. Наблюдается аналогичное

усложнение сейсмической записи в виде непродолжительных отражающих элементов с дифракционными проявлениями, секущих под углом интервал пластов от ОГ Гк до ОГ Дк.

Оба аномальных участка временного разреза нашли свое проявление в динамических и кинематических атрибутах волнового поля, которые представлены в виде комплексного параметра (рис. 5). Распространение крупной складки по разрезу отчетливо картируется повышенными значениями комплексного параметра. Область возможного трещинообразования проявляется аналогично разрыву при физическом моделировании и пространственно совпадает с выделенной на временном разрезе. Взаимное расположение нарушения с выделенным на основе анализа характеристик волнового поля ослабленным участком также укладывается в пределы горизонтальной и вертикальной разрешающей способности.

Результаты представленной работы позволяют на основе физического моделирования сформулировать набор дополнительных признаков для картирования разрывного нарушения и участков развития трещин при проведении сейсморазведочных исследований МОГТ во внутренних точках среды.

1. Берзон И.С., Епинатьева А.М., Парий-ская Г.Н., Стародубровская С.П. Динамические характеристики сейсмических волн в реальных средах. Москва, изд.-во АН СССР - 1962. 511 с.

2. Гурвич И.И., Боганик Г.Н. Сейсмическая разведка: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. -М.: Недра, 1980, 551 с.

3. Пригара А.М., Санфиров И.А. Использование динамических характеристик сейсмических записей для уточнения прочностных характеристик массивов горных пород // Горное эхо, №3 (9). 2002, с. 31-33.

4. Санфиров. И.А. Рудничные задачи сейсморазведки МОГТ. Екатеринбург:

Рис. 5. Распределение комплексного параметра по профилю МОГТ

УрО РАН, 1996.

5. Шериф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка: В 2-х т. Т.1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987, 448 с.

6. Ralpf W. Knapp and Don W. Steeples. High-resolution common-depth-point reflection profiling: Field acquisition parameter design. Geophysics, Vol. 51, No. 2 (February 1986); P. 283-294.

7. Richard D. Miller, Victor Saenz and Robert J. Huggins. Feasibility of CDP seismic reflection to image structures in a 220-m deep, 3-m thick coal zone near Palau, Coahuila, Mexico. Geophysics, Vol. 57, No. 10 (October 1992); P. 1373-1380.

— Коротко об авторах

Бабкин А.И., Ахматов А.Е. - Горный институт УрО РАН, Пермь.

------^

^-------

-------------------------------------------- © В. Д. Борисов, 2005

УДК 622.02:531

В.Д. Борисов

О НЕКОТОРЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД ПО РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ*

Семинар № 2

ри разрушении горной породы часть потенциальной энергии, приложенной извне, преобразуется в упругую энергию, которая рассеивается в виде поверхностных волн, акустической эмиссии (АЭ) и электромагнитного излучения (ЭМИ). В ИГД СО РАН в лаборатории механики горных пород ведутся исследования процесса разрушения образцов

горных пород на лабораторном стенде. Возникающие при этом сигналы ЭМИ оцифровываются и вводятся в память компьютера с целью последующего анализа. Для этого используются датчики электрического поля емкостного типа, а так же автоматизированная измерительная система АСИ - 2 [1].