Изучение строения приконтурной части породного массива по особенностям распространения поверхностных волн, регистрируемых в рамках методики многократных перекрытий

На правах рукописи

ЧУГАЕВ

Александр Валентинович

ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ ПРИКОНТУРНОЙ ЧАСТИ ПОРОДНОГО МАССИВА ПО ОСОБЕННОСТЯМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН, РЕГИСТРИРУЕМЫХ В РАМКАХ

МЕТОДИКИ МНОГОКРАТНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ

Специальность 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат

диссертации на соискание степени

кандидата технических наук

Пермь – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Горном институте Уральского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Санфиров Игорь Александрович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Спасский Борис Алексеевич

кандидат технических наук

Глебов Сергей Валерьевич

Ведущая организация: ОАО «Пермнефтегеофизика»

Защита состоится «24» июня 2011 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при Горном институте УрО РАН по адресу 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан “_____”_______________ 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Б.А. Бачурин

Актуальность темы диссертации.

Геофизическое обеспечение подземной разработки месторождений водорастворимых полезных ископаемых направлено на выявление и физическую оценку природно-техногенных неоднородностей, влияющих как на сохранность водозащитной толщи, так и на устойчивость подрабатываемой территории. К наиболее информативным геофизическим методам исследований подобных объектов относятся сейсмоакустические. Современные технологии реализации сейсмоакустических исследований базируются на применении многоканальных систем регистрации различных классов и типов упругих волн. Выбор класса и типа волн, а также соответствующих им методик наблюдений, ограничен содержанием решаемых задач, которое в свою очередь строго определяется интервалом исследований и структурно-физическими параметрами объекта поиска. Соответственно, решение задач по картированию локальных неоднородностей в водозащитной толще и в приконтурной части массива, обычно требует применения различных сейсмоакустических методик регистрации. Объединение их в рамках одной методики возможно только на основе специфических процедур обработки и интерпретации, позволяющих извлекать информацию о закономерностях распространения нецелевых классов и типов волн.

За последнее десятилетие отмечается интенсивное развитие методического обеспечения по применению поверхностных волн для решения задач инженерной геофизики. Изучение особенностей распространения поверхностных волн позволяет получать информацию в области, так называемых «слепых» зон, недоступных для исследования отраженными и преломленными волнами.

Увеличение извлекаемой информации без постановки дополнительных измерений расширяет интерпретационные возможности методики многократных перекрытий, являющейся на сегодня основной при сейсмоакустических исследованиях водозащитной толщи с целью обеспечения безопасности ведения горных работ.

Целью работы является разработка сейсморазведочной технологии изучения приконтурной части породного массива с применением нецелевых классов и типов волн в рамках методики многократных перекрытий.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. Анализ влияния горных работ на строение и свойства верхней части разреза.
2. Сравнение информативности геофизических методов при изучении приконтурной части массива.
3. Оценка возможностей дисперсионного анализа поверхностных волн в рамках систем регистрации малоглубинной сейсморазведки
4. Разработка графа цифровой обработки сейсморазведочных данных, регистрируемых в рамках методики многократных перекрытий (ММП) с целью выделения поверхностных волн.
5. Учет возможностей ММП в процедуре построения модели среды по поверхностным волнам.
6. Практическое опробование технологии изучения поверхностных волн для выявления геологических и техногенных неоднородностей приконтурной части массива.

Основные защищаемые положения:

1. Синхронная сейсморазведочная оценка свойств водозащитной толщи и устойчивости подрабатываемой территории обеспечивается совместным изучением поверхностных и отраженных волн, зарегистрированных в рамках единой интерференционной системы методики многократных перекрытий.
2. Согласованные процедуры пространственной и полосовой фильтраций полного волнового поля обеспечивают возможность интерпретационных заключений о строении и свойствах приконтурной части массива по закономерностям распространения волн Релея.
3. Технология изучения волн Релея, основанная на возможностях ММП с использованием отраженных волн, заключающихся в кратности наблюдений и наличии информации об особенностях распространения преломленных волн.

Научная новизна работы:

1. Для горнотехнических и инженерных объектов, аппроксимируемых моделями неслоистых сред, установлена возможность и условия изучения волн Релея.
2. Показано, что неоднозначность подбора модели среды по дисперсионным кривым преодолевается за счет кратности наблюдений и задания нулевого приближения скоростной модели среды по результатам изучения преломленных волн.
3. Выявлен механизм получения ложных скоростных моделей среды, за счет появления «псевдо-гармоник» волны Релея, вследствие применения преобразования Радона, искажающего амплитудный спектр сигнала.

Практическая значимость результатов исследований.

Технология изучения волн Релея в рамках методики многократных перекрытий применяется при выполнении наземных и шахтных сейсморазведочных исследований водозащитной толщи, при оценке структуры и свойств горнотехнических и инженерных объектов. В частности, предлагается за счет совместного изучения в рамках единой системы регистрации отраженных, преломленных и релеевских волн строить сводный сейсмогеологический разрез, отражающий результаты количественной интерпретации от поверхности наблюдений до последней целевой геологической границы. Подобные подходы реализованы при выполнении хоздоговорной тематики с ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит».

Изучение поверхностных волн возможно совместно с различными модификациями ММП: в шахтной сейсмоакустике – для контроля состояния вмещающего массива (междукамерные целики, затюбинговое пространство шахтных стволов); в инженерной сейсморазведке – для изучения приповерхностного слоя, играющего ключевую роль в обеспечении устойчивости зданий и сооружений, что особенно важно на территориях подверженных влиянию горных работ; в малоглубинной сейсморазведке – для определения скоростных характеристик приповерхностного слоя изучаемого массива, что позволяет проводить оценку устойчивости подрабатываемой территории, а так же получать параметрическое обеспечение необходимое для обработки и интерпретации отраженных волн.

Публикация и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные результаты докладывались с 2004 года на различного уровня конференциях и семинарах: «Уральская молодежная научная школа по геофизике» (г. Пермь, 2005), международная научно-практическая конференция «Инженерная и рудная геофизика-2007», международный научный симпозиум «Неделя горняка - 2008» (Москва, 2008), научные сессии Горного института УрО РАН с 2004 по 2010 год (Пермь 2004-2010).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения; изложена на 123 страницах, включая 45 рисунков, 8 таблиц и список использованной литературы (132 наименования).

Исходные материалы и личный вклад автора.

Диссертация отражает результаты исследований, проводившихся с 2004 по 2011 гг. по госбюджетной и договорной тематике в Горном институте УрО РАН. Личный вклад автора в настоящую работу состоит в постановке задач, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов.

Успешной работе над диссертацией способствовала творческая, доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег: к.т.н. Бабкина А.И., к.т.н. Ярославцева А.Г, к.т.н. Семериковой И.И., к.т.н. Фатькина К.Б., Приймы Г.Ю., к.г-м.н. Герасимовой И.Ю., Калашниковой М.М., Байбаковой Т.В., Никифоровой А.И.

Автор признателен полевому отряду лаборатории АСА и персонально Старкову В.В., Тюрину Д.В., Голдобину А.А., Чиркову А.В. за помощь в проведении полевых экспериментов; Елесеву А.С. за помощь в поиске иностранных библиографических материалов.

Содержание работы

Глава 1. Геолого-геофизическое обеспечение освоения месторождения водорастворимых полезных ископаемых

При подземной разработке месторождений водорастворимых полезных ископаемых, необходимо учитывать большое количество факторов, связанных с обеспечением безопасности ведения горных работ. Основным условием обеспечения безопасной эксплуатации является сохранение полной водонепроницаемости пород, перекрывающих продуктивные отложения. Данные породы формируют водозащитную толщу (ВЗТ).

Многолетний опыт геофизических исследований отечественных и зарубежных научных коллективов, производственных геофизических служб оценивает сейсмоакустические методы как наиболее информативные при решении задач по обеспечению безопасности освоения месторождений водорастворимых полезных ископаемых.

В перечень подобных задач входят следующие:

1. Выявление разрывных дислокаций (зон трещиноватости) в ВЗТ
2. Выявление полостей в закрепном пространстве шахтных стволов в интервале ВЗТ
3. Контроль состояния охранных и предохранительных целиков
4. Выявление ослабленных зон (зон трещиноватости) в надсоляной толще
5. Изучение состояния элементов строительных объектов

При решении данных задач традиционно применяется комплекс геолого-геофизических методов. Рассмотрены основные виды инженерно-геологических изысканий: бурение, испытания грунтов, опытные методы, лабораторные работы. Специфика инженерно-геологического опробования не позволяет оценить состояние и свойства массива в размерах, соизмеримых с масштабами инженерных сооружений, что возможно только с помощью геофизических методов.

До последнего времени наиболее широко применялись различные электроразведочные модификации (Колесников, 1998, Огильви, 1990, Поносов, Степанов, 1984, Хмелевской, 1988, Шувалов, 1983). В условиях градопромышленных агломераций они характеризуются значительными ограничениями: малый аномальный эффект целевых геологических тел (по сравнению с эффектом вмещающих отложений); наличие электрических экранов; отсутствие сведений об электрических сопротивлениях промежуточных горизонтов; асфальтированность профильных площадок; помехи от индустри­альных электрических токов.

Все большую популярность приобретает георадиолокационное зондирование (Alan, 1999, Daniels et al., 1992, Peters et al., 1995, Zeng, McMechan, 1997). Данный метод основан на явлении отражения электромагнитной волны от поверхностей, на которых скачкообразно изменяются электрические свойства. При благоприятных условиях результаты наблюдений характеризуются высокой разрешенностью, и нет необходимости в углубленной цифровой обработке для составления интерпретационных заключений. При этом для георадара характерно резкое снижение глубины исследований до единиц метров при увеличении проводимости изучаемой среды. Кинематические и динамические характеристики регистрируемых сигналов сложным образом зависят от спектрального состава возбуждаемых колебаний, диэлектрической проницаемости и проводимости.

В условиях загруженности территорий различного рода сооружениями и промышленными помехами на первое место выходят сейсмические методы исследований. Примеры изучения верхней части разреза (ВЧР) сейсморазведкой известны по работам Г.Н. Боганика, В.И. Бондарева, В.М. Бондаренко, Г.Г. Викторова, Н.Н. Горяинова, Н.В. Дёмина, А.Г. Лыгошина, И.Г. Миндель, В.Н. Никитина, В.П. Номоконова, А.А. Огильви, В.В. Палагина, А.И. Савича, Б.А. Спасского.

В настоящей работе подробно рассмотрены возможности и ограничения методов преломленных (МПВ) и отраженных волн (МОВ) при изучении ВЧР.

Непремен­ным условием применения МПВ является резкая скоростная диф­ференциация разреза. Однако точные результаты могут быть получены только в тех случаях, когда преломляющая граница почти горизонтальная и нахо­дится ниже или, по крайней мере, совпадает с подошвой зоны малых скоростей (ЗМС). В реальных условиях, когда ВЧР характеризуется тонкослоистым строением, значительными вертикальными и горизонтальными градиентами скоростей, сложным рельефом преломляющих границ, инверсией скоростного разреза, возможности МПВ резко снижаются. Когда число годографов меньше, чем число слоев, наблюдается эффект «выпадения» слоя, и ошибка в определении глубины может достигать 60%. Тем не менее, работы МПВ широко используются в сейсморазведке с целью расчета статических поправок (Спасский, 1990).

Метод отраженных волн (МОВ), который является основным методом при исследо­ваниях в нефтегазовой сейсморазведке, в последнее время все шире применяется для изучения ВЧР. Это связано с разработкой и усовершенствованием методических и технических средств, обеспечивающих стабильную регистрацию отраженных неглубоко залегающих границ раздела.

Основным достоинством МОВ, по сравнению с МПВ, является то, что отра­жающими границами могут быть и те, на которых скорость уменьшается. Кроме того, разрешающая способность и точность МОВ в определении глубин залега­ния сейсмических границ в целом выше, чем МПВ.

Работы на различных масштабных уровнях показали, что на практике наиболее эффективна методика общей глубин­ной точки (ОГТ), разработанная на основе методики многократных перекрытий (Мешебей, 1985). Основными ее преимуществами являются: кратность наблюдений, возможность скоростного анализа, высокое отношение сигнал-помеха. Накопление сейсмических сигналов по ОГТ особенно необходимо при проведении сейсморазведочных работ в условиях градопромышленных агломераций, где уровень случайных помех сравним с полезным сигналом.

Расширению возможностей МОГТ при изучении ВЧР способствует применение различных типов волн. МОВ на поперечных волнах обладает большей разрешающей способностью и точностью по сравнению с использованием продольных волн, что связано с меньшими значениями скоростей распространения поперечных волн VS относительно скоростей продольных волн VP. Особенно заметно это прояв­ляется при изучении водонасыщенных рыхлых толщ. Кроме того, отраженные поперечные волны регистрируются на больших временах, что облегчает их выделение и последующую обработку.

В зависимости от целевого интервала на Верхнекамском месторождении калийных солей (ВКМКС) выделяются три основные модификации ММП: малоглубинная сейсморазведка, инженерная сейсморазведка и сейсмоакустика. Основные значения параметров систем наблюдения указаны в табл. 1.

Таблица 1

Параметры систем наблюдений различных модификаций ММП

	Соляная сейсморазведка	Инженерная сейсморазведка	Сейсмоакустика
Шаг ПП	8 м	1-2 м	0.5 м
Шаг ПВ	4-8 м	1-2 м	0.5 м
MAX удаление	632 м	24-80 м	11.5 м
MIN удаление	8 м	1-2 м	0.5 м
Кол-во каналов	до 80	24-48	24
Длина записи	до 1024 мс	до 150 мс	до 67 мс
Дискретизация	0.5 мс	0.125 мс	0.033 мкс
Частотный диапазон	до 500 Гц	до 2000 Гц	до 7500 Гц

Принципиальная возможность оценки скорости в покрывающей толще по наблюдениям МОВ вытекает из следующего. Уравнение годографа отраженной волны, для случая плоской отражающей границы и однородной среды, определяется тремя параметрами – h,, V:

(1)

Поэтому в принципе, достаточно взять на годографе любые три точки и подставить их координаты (ti, xi) в это уравнение, чтобы получить систему из трех уравнений, решение которой дает оценки скорости Vэф, наряду с оценками двух других параметров hэф и эф. Сама эта вычислительная схема мало пригодна для практического использования, так как времена наблюденного годографа всегда содержат чрезмерно большие погрешности получаемых оценок (Гурвич, 1980), однако она дает нам возможность оценить минимальное количество трасс, на которых должна быть зарегистрирована отраженная волна для определения эффективной скорости.

Анализируя синтетическую сейсмограмму (рис. 1), мы видим, что отраженые волны от неглубоких границ на малых временах интерферируют с интенсивными поверхностными и звуковыми волнами. К тому же большую роль здесь приобретает дискретность системы наблюдений, поскольку глубина отражающих границ сравнима с минимальным удалением Lmin. Поэтому скоростной анализ на этих временах не дает результатов.

Глава 2. Сейсмогеологические объекты горнодобывающего

предприятия и применение волн Релея для их изучения

Сейсмогеологические модели среды на горнодобывающем предприятии

Объекты исследований при решении задач по обеспечению безопасности освоения месторождений водорастворимых полезных ископаемых можно объединить в три группы. К первой группе относятся надсоляная и водозащитная толща, то есть вся толща пород от поверхности до кровли верхних выработок. Вторая группа объединяет объекты, изучение которых возможно только из внутренних точек среды: охранные и предохранительные целики, кровли выработок, закрепное пространство шахтных стволов. Третья группа представлена объектами, относящимися к наземной инфраструктуре рудника: фундаменты сооружений, сваи, бетонные конструкции.

В общем виде объектом изучения волнами Релея может служить слоистое полупространство, ограниченное свободной поверхностью и обладающее скоростной дифференциацией. Рассмотрим, насколько предложенные модели удовлетворяют этим условиям.

Рис. 1. Синтетическая сейсмограмма

Надсоляная и водозащитная толща

Изучение этого интервала крайне важно для обеспечения безопасности ведения горных работ, а также для сохранности зданий и сооружений, расположенных на поверхности, поскольку зачастую шахтные поля расположены в пределах городских агломераций и промышленных территорий.

Показательным примером территории с повышенной техногенной нагрузкой на недра может служить активно эксплуатируемое в настоящее время ВКМКС. По сейсмогеологическим условиям месторождение относится к пластовому типу со сложной слоистой структурой и значительной латеральной изменчивостью физических свойств целевых интервалов.

Геологическая модель обладает ярко выраженной слоистой структурой, что в полной мере соответствует условиям возможности изучения массива поверхностными волнами.

Охранные и предохранительные целики, закрепное пространство шахтных стволов

Область массива, не попадающая под влияние горных работ, находится в состоянии упругого напряженного равновесия. По направлению к границам выработки ее сменяют зона пригрузки с повышенными напряжениями, далее у стенок выработки зона разгрузки с низкими напряжениями и ослабленными породами и зона максимальной нарушенности массива. Границы зон определяются свойствами пород массива, размерами и возрастом выработки, величиной естественных напряжений.

Связь кинематических параметров упругих волн и давления доказано теоретически и подтверждено многочисленными экспериментами на образцах для широкого класса горных пород. Увеличение скоростей при повышении давления возникает за счет увеличения эффективной упругости среды.

Таким образом, на границе горной выработки образуется дифференциация скоростей упругих волн, что создает предпосылки для изучения этой зоны сейсмоакустическими методами. Успешные работы методом сейсмического просвечивания на отраженных волнах доказывают возможность формирования устойчивых отражений на границах зоны влияния выработки.

В рассматриваемой скоростной модели поверхностные волны обладают дисперсией скоростей, которая позволяет определять скоростную характеристику ослабленного слоя. Численные характеристики скоростей упругих волн позволяют перейти к уточнению несущей способности целика и более эффективному извлечению запасов полезного ископаемого.

Элементы строительных конструкций

Высокая информативность, а также повышение разрешающей способности за счет расширения регистрируемого частотного диапазона позволяет применять сейсморазведочные методики в качестве дефектоскопии для изучения оснований и фундаментов зданий и сооружений, бетонных конструкций.

Сейсмоакустические методы позволяют локализовать предполагаемые дефекты, выполнять количественную оценку изменчивости упругих свойств. Дефектами могут быть отдельные трещины, зоны трещиноватости, полости. В сейсмических полях эти зоны будут выделяться пониженными скоростями, повышенными коэффициентами поглощения.

Как правило, подобные объекты обладают слоистым строением. Расслоение может быть вызвано технологическими причинами (наличие армирующих конструкций, разные марки бетона и т.д.), внешними деструктивными факторами (эрозия внешнего слоя), либо в случаях нарушения технологий строительства.

В качестве примера слоистой структуры на рисунке 2 представлен разрез фундаментной плиты.

Рис. 2. Разрез фундаментной плиты и подстилающих технологических материалов

Вследствие объективных причин, на практике сложилась ситуация, при которой преимущественную роль в сейсмостратиграфическом расчленении разреза играют продольные волны. Это связано, в первую очередь, с более простой реализацией процессов сбора и обработки информации для этого класса волн.

Очевидно, что использование дополнительных параметров расчленения разреза позволит повысить возможности сейсмических методов в сейсмостратиграфии. В качестве такого параметра могут выступать скорости поперечных волн, которые напрямую связаны со скоростями поверхностных волн.

Поперечные волны, помимо собственной информативности, дают возможность комбинации с продольными волнами, что позволяет определять физико-механические свойства пород.

Связь сейсмических свойств горных пород верхней части разреза с инженерно-геологическими характеристиками

Основной задачей сейсмоакустических исследований в инженерной геологии является изучение распределения сейсмических свойств пород в массиве с последующим переходом к признакам, характеризующим его гидрогеологические и инженерно-геологические условия и состояние горного массива. Поэтому эффективность применения сейсмоакустических методов зависит от того, насколько тесно сейсмические свойства пород связаны с их объективными характеристиками, определяющими гидрогеологические и инженерно-геологические особенности изучаемого объекта. К основным из таких характеристик пород относятся: их вещественный и фазовый состав, характер связей между отдельными элементами твердой фазы и величина действующих напряжений. При этом для пород ВЧР главную роль играют прочность структурных связей и то, в каком состоянии - неводонасыщенном, водонасыщенном или мерзлом - находится порода.

Характер распространения поверхностных волн

В бесконечной изотропной среде существуют только продольные и поперечные волны. Однако на границе двух сред с различными упругими свойствами могут возникать поверхностные волны. Главной их особенностью является то, что они распространяются вдоль поверхности, на которой происходит их возникновение. Для сейсморазведки наиболее важными являются волны Релея.

Существование поверхностных волн Релея теоретически выведено Дж. У. Релеем в 1885 г. В нашей стране изучением теории распространения поверхностных волн и их применением в геофизических исследованиях занимались А.Л. Левшин, Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Т.Б. Яновская, А.В. Ландер, В.И. Бондарев, И.И. Гурвич, Н.Н. Пузырев.

С удалением от поверхности распространения, амплитуды колебаний волны Релея уменьшаются. Уменьшение амплитуд происходит по экспоненциальному закону, причем показатель степени обратно пропорционален длине волны. Таким образом, чем больше длина волны, тем глубже она проникает вглубь среды. Практически поверхностные волны можно наблюдать в некотором приповерхностном слое глубиной hп, Обычно берут hп равным длине волны R.

hR=R (2)

При изучении поверхностных волн различают два вида скорости – фазовую и групповую. Фазовой называют скорость распространения монохроматической волны, а групповой – скорость движения огибающей цуга волн. Групповая и фазовая скорости могут быть не равны друг другу из-за перераспределения энергии в составляющей волны.

В однородном изотропном полупространстве волны Релея не обладают дисперсией, т. е. фазовые и групповые скорости не зависят от частоты и равны друг другу. Скорость распространения волны Релея (VR) всегда меньше, чем скорость распространения поперечной волны (VS). Их отношение VR/VS =q зависит только от величины = VS/VP согласно уравнению:

(2 – q2)4 - 16(1 –2q2)(1 – q2)= 0. (3)

Анализ этой зависимости показывает, что чем меньше значение (больше коэффициент Пуассона), тем меньше VR отличается от VS. При среднем значении для земной коры, равном 1/ (=0,25), q=0,92. Для граничных значений = 0 и 1/ величина q изменяется в незначительных пределах от 0,955 до 0,874.

Дисперсия является главным свойством поверхностных волн, позволяющим использовать их в сейсморазведке для оценки количественных характеристик приповерхностной части среды. Среда действует на поверхностные волны как частотный фильтр, и скорость распространения волны с разными частотами по-разному зависит от строения среды. В результате регистрируется сигнал несущий информацию о приповерхностном слое среды. Расшифровка этого сигнала – главная задача при изучении поверхностных волн.

Для фазовой скорости волн Релея типична нормальная дисперсия, т. е. рост скорости с убыванием частоты. Это вызвано тем, что на высоких частотах энергия колебаний концентрируется в областях с пониженными скоростями и вблизи свободной поверхности, а по мере убывания частоты колебания за­хватывают все больший объем среды.

При решении обратной задачи по поверхностным волнам, можно выделить три основных этапа:

1. Получение данных. Этап проектирования и проведения полевых работ. Ключевыми параметрами являются: тип источника (ударный, вибрационный), его энергия и частотный состав, характеристики приемной линии (Xпп, Xпв, вынос, длина расстановки, частотные характеристики сейсмоприемников).
2. Расчет кривых дисперсии. Переход из пространственно-временной области к зависимости скорости от частоты и снятию дисперсионных кривых различается для фазовых и групповых скоростей.
3. Инверсия. После расчета дисперсионных кривых, в результате сравнения с теоретическими кривыми производится подбор скоростной модели среды для поперечных волн в определенном интервале глубин, который зависит от частоты сигнала и удаленности источника.

Теория и алгоритмы расчета дисперсии поверхностных волн

Сигнал поверхностных волн, регистрируемый на поверхности, является комбинацией сигнала источника и фильтрующего воздействия среды. Для того чтобы разделить влияние среды и источника, необходимо определить характеристики поверхностных волн, инвариантные относительно источника. Для волн Релея такой характеристикой является функция дисперсионной кривой jR(), где j – номер гармоники.

Задача разделения гармоник и определения их индивидуальных спектральных характеристик решается с помощью двумерного спектрального распределения, в котором амплитудные и фазовые характеристики процесса рассматриваются как функции двух переменных: частоты и времени.

Существующие алгоритмы спектрально-временного анализа можно разделить на две основные группы: спектральный анализ поверхностных волн (SASW – spectral analysis of surface waves) и многоканальный анализ поверхностных волн. (MASW - multichannel analysis of surface waves).

При сейсморазведочных работах, когда есть возможность сконфигурировать направление приемной линии и датчики стоят с регулярным шагом, целесообразнее применение MASW, поскольку эта методика обеспечивает уверенное и стабильное определение характеристик изучаемого грунта.

При выборе алгоритма расчета частотно-временного распределения необходимо руководствоваться следующими критериями:

• Разрешение не должно быть меньше минимально допустимого – дискретизация по осям должна составлять не менее 3% от максимальных значений:

k<= 0.03kmax, (4)

<=0.03max,

• Алгоритм должен обеспечивать максимальное быстродействие

Глава 3. Применение анализа дисперсии поверхностных волн для изучения приповерхностных неоднородностей в рамках методики многократных перекрытий

Поверхностные волны являются неотъемлемой частью волнового поля, регистрируемого при проведении малоглубинной сейсморазведки, вследствие использования наземных невзрывных источников возбуждения упругих колебаний. Поэтому возможности применения поверхностных волн связаны с основными направлениями применения малоглубинной и инженерной сейсморазведки по методике многократных перекрытий.

Разработка и эксплуатация месторождений полезных ископаемых предполагает непрерывный контроль состояния вышележащего породного массива, от продуктивного интервала до земной поверхности. Такой подход продиктован необходимостью обеспечения безопасности разработки месторождения и определения оптимальных параметров ведения горных работ.

Малоглубинная соляная сейсморазведка по методике многократных перекрытий в настоящее время является одним из ведущих методов геофизического контроля. Помимо многочисленных преимуществ, ММП имеет ряд ограничений, вытекающих из условий проектировки систем регистрации. ММП направлена на изучение целевого интервала глубин, при этом ВЧР остается неохваченной и ее изучение необходимо проводить отдельно. ВЧР оказывает искажающее, фильтрующее влияние на регистрируемые на поверхности упругие волны, которое соизмеримо с динамическими и кинематическими аномалиями, вызываемыми локальными неоднородностями исследуемого интервала.

Волновое поле, регистрируемое в рамках методики многократных перекрытий, содержит дополнительную информацию в виде поверхностных волн Релея, изучение которых может дать сведения о строении приконтурной части массива без постановки дополнительных измерений.

Изучение волн Релея в рамках ММП открывает возможности повышения достоверности подбора модели среды за счет следующих факторов: увеличения кратности моделей, применения цифровой обработки, комплексирования с методом преломленных волн.

Инженерная сейсморазведка имеет большой потенциал применения на объектах связанных со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений в градопромышленных агломерациях. По аналогии с малоглубинной сейсморазведкой применение поверхностных волн в инженерной сейсморазведке может повысить информативность метода за счет детализации приповерхностной части разреза.

Применение поверхностных волн при шахтных сейсмоакустических исследованиях, а также при детальном изучении наземных сооружений сейсмоакустическими методами возможно для определения скоростных характеристик приконтурной части изучаемых объектов.

Технология изучения поверхностных волн, регистрируемых при малоглубинной сейсморазведке

Процесс решения обратной задачи делится на 4 этапа:

1. Получение данных
2. Препроцессинг данных
3. Расчет кривых дисперсии
4. Подбор модели среды

Возбуждения колебаний в малоглубинной сейсморазведке, главным образом производится импульсными ударными источниками различной мощности.

Под действием сосредоточенной вертикальной силы, действующей на поверхность упругопластического полупространства в нем возбуждаются объемные (продольные и поперечные) и поверхностные, релеевские волны.

Энергия, передаваемая поверхностным источником среде, распределяется между волнами не в равной мере. По результатам ряда исследований, наибольшая часть энергии – до 70% идет на образование поверхностных волн, и только порядка 10 % - на образование продольных.

Глубина исследования волнами Релея зависит от длины волны согласно (2). Длина волны Релея, в свою очередь зависит от скорости поперечных волн VS в среде и спектрального состава волн Релея. VS – объективная характеристика среды, в то время как частотный спектр – динамическая характеристика волны, которая зависит от двух факторов: частотного состава источника возбуждения колебаний и фильтрующего воздействия среды, через которую проходит сигнал. Для оценки влияния типа источников упругих колебаний, применяемых на ВКМКС, и поверхностей, на которых эти колебания возбуждаются, проведено изучение спектров поверхностных волн. В таблице 2 приведены верхние границы спектра для различных источников и поверхностей.

Таблица 2

Верхняя граница спектра поверхностных волн, Гц
Источник / Тип поверхности	Стенка целика	Шахта	Бетон	Асфальт	Грунтовая дорога	Лес, поле
Молоток	3600	-	800	-	-	-
Кувалда	-	2000	600	150	130	100
Падающий груз	-	-	-	60	54	45
Механический молот	-	-	-	56	58	56
Пороховой заряд	-	-	-	-	-	60

Для сравнения некоторых типов источников проведен анализ амплитудных спектров по полевым сейсмограммам.

В результате анализа (рис. 3,4) выяснено, что падающий груз и механический молот обладают практически идентичными спектрами. Поверхностные волны от порохового источника выделяются более высокими частотами: 7-35 Гц для падающего груза и 10-45 Гц для порохового источника. При этом скорости не меняются. Значит, длина волны, а, следовательно, и глубина исследования уменьшаются на 30%.

В малоглубинной и инженерной сейсморазведке используются сейсмоприемники GS-20DX. Собственная частота приемника – 10 Гц. В работе (Park, 2002) показано, что датчики с собственной частотой 10 Гц показывают практически одинаковые результаты в полосе 5-10 Гц по сравнению с геофонами 5 Гц. С учетом этого исследования нижний порог пропускания определен как 5 Гц.

Рис. 3. Амплитудные спектры полевых сейсмограмм на одном пикете

разными источниками (а – падающий груз, б – механический молот)

Рис. 4. Амплитудные спектры полевых сейсмограмм на одном пикете разными источниками (а - падающий груз, б - пороховой источник)

Методика ММП рассматривает поверхностные волны в качестве волн-помех, и для их подавления может применяться группирование датчиков. Для соляной сейсморазведки группирование имеет характеристики подавления частот в пределах 25-40 Гц и скоростей 200-500 м/с. Для оценки степени ослабления и искажения сигнала проведена обработка двух записей, сделанных по одному профилю в разные периоды наблюдений: с группированием, и без него. На рисунке 5 представлены пространственно-временные распределения для одного пикета. Как видно из рисунка, группирование значительно снижает разрешение и уменьшает количество выделяемых гармоник. Нулевая гармоника прослеживается на обоих распределениях. Благодаря этому, применение метода поверхностных волн остается возможным даже при группировании.

Рис. 5. Частотно-временные распределения

(а – без группирования, б – с группированием)

Вместе с тем, возможность избыточного накопления сейсморазведочной информации для локальных участков породного массива позволяет существенно повысить детальность и достоверность построения результирующего скоростного разреза.

В регистрируемом по методике ММП волновом поле сохраняется область первых вступлений преломленных волн, необходимая для расчета статических поправок при цифровой обработке отраженных волн. Данную информацию следует использовать для построения нулевого приближения при подборе детальной скоростной модели по дисперсионным кривым поверхностных волн.

Предварительная обработка материалов

Исходя из волнового поля, граф обработки выглядит следующим образом:

1. Полосовая фильтрация. Как видно из описания волнового поля, поверхностные волны имеют более низкую частоту, чем волны-помехи, поэтому, с целью повышения их интенсивности применяется полосовой фильтр частотной области с пропускным диапазоном частот 1-60 Гц.
2. Режекторные фильтры. Звуковая волна имеет известную постоянную скорость 330 м/c, и поэтому легко идентифицируется и удаляется с помощью режекторного фильтра, действующего в пространственно-временной области.
3. Веерная фильтрация. Преломленные и отраженные волны с относительно высокими скоростями и частотами могут быть вырезаны с помощью фильтрации в f-k области.

Вся обработка проводится и интерактивном режиме, с постоянным контролем качества материала.

При этом необходимо учитывать возможность появления ложных дисперсионных кривых. Их появление может быть обусловлено некорректной обработкой в пространственно-временной области, в частности, этому может способствовать применение преобразования Радона.

При инженерных и сейсмоакустических исследованиях, задача упрощается вследствие отсутствия группирования, поскольку волны Релея в этом случае более интенсивны относительно других волн.

Обработка сейсмограмм с целью выделения поверхностных волн способствует повышению качества дальнейшей их обработки в специализированных пакетах, а также повышает количество информации получаемой этим методом. В частности, увеличивается соотношение выделенных дисперсионных кривых к количеству входных сейсмотрасс, и повышается соотношение построенных моделей среды к количеству дисперсионных кривых. Таким образом, в целом увеличивается детальность и достоверность получаемого скоростного разреза.

Интерференционные системы давно и успешно применяются для решения широкого круга геологоразведочных и геомеханических задач. Предлагается максимально полно использовать всю сейсмическую информацию, получаемую в рамках данных систем. Так, в процессе проведения исследований на отраженных волнах, регистрируются также преломленные и поверхностные волны, которые рассматриваются в качестве волн-помех, и, как правило, подавляются при обработке отраженных волн. Их совместное изучение в рамках единой системы регистрации позволит добывать информацию о разноуровенных интервалах геологического разреза.

Согласно общему принципу выбора параметров системы наблюдений в методе отраженных волн, минимальная глубина определения отражающей границы Hmin равна минимальному удалению Lmin, а максимальная (Hmax) – зависит от мощности источника возбуждения и сравнима с максимальной длинной расстановки (Lmax), разрешающая способность по вертикали ограничена 1/4 ОВ, где ОВ – длина отраженной волны.

В методе преломленных волн наименьшее значение глубины преломляющей границы Hmin составляет 1/3 минимального удаления Lmin, максимальная глубина исследования (Hmax) – 1/3 от максимальной длины расстановки Lmax, разрешающая способность метода равна 3*Xпп.

Метод поверхностных волн ориентирован на приповерхностную часть разреза. Максимальная и минимальная глубины исследования, а также разрешающая способность по вертикали зависят от длины поверхностной волны. На рисунке 6 представлена схема распределения интервалов исследования для малоглубинной соляной сейсморазведки.

Глава 4. Горнотехнические и инженерно-геологические приложения технологии изучения поверхностных волн

Основные направления практического применения поверхностных волн, представленные в работе, связаны с изучением поверхностных волн в рамках методики многократных перекрытий с целью детализации приповерхностной части изучаемого массива.

Рис. 6. Интервалы применения различных методов

В качестве основного результата полномасштабного изучения волнового поля строится суммарный сейсмогеологический разрез, который может учитывать данные по отраженным, поверхностным и преломленным волнам.

Технология позволяет решать различные типы задач: инженерно-геологические, горнотехнические, дефектоскопические.

Малоглубинная соляная сейсморазведка. Конечный результат обработки всех типов волн – сводный сейсмогеологический разрез (рис. 7). Он представляет собой комбинацию двух массивов данных: глубинного разреза построенного по отраженным волнам (интервал 200 м – +130 м), и разреза приповерхностной части массива по данным поверхностных и преломленных волн (интервал выше +130).

Рис. 7. Глубинный скоростной разрез, по данным отраженных и поверхностных волн

Шахтная сейсмоакустика. В результате изучения междукамерных целиков поверхностными волнами построена скоростная характеристика приконтурной части (рис. 8), позволяющая уточнять оценки несущей способности целика.

Изучение фундамента строящегося сооружения. При наличии сети профилей возможно построение карты распределения скоростей на отдельных глубинах. На рисунке 9 представлена карта распределения поперечных скоростей в фундаментной плите. Аномальная зона, выделенная по отраженным волнам, попадает в область пониженных скоростей, построенную по результатам изучения поверхностных волн.

Рис. 8. Скоростной разрез приконтурной части целика по поверхностным волнам

Рис. 9. Распределение скоростей поперечных волн в плите фундамента

Заключение

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы сводятся к следующему:

1. На основе анализа сейсмогеологических моделей объектов, влияющих на безопасность подземной разработки месторождения водорастворимого полезного ископаемого, а так же связей сейсмических свойств горных пород с инженерно-геологическими характеристиками доказана возможность применения поверхностных волн для изучения подобного рода объектов.
2. Разработана технология изучения поверхностных волн в рамках методики многократных перекрытий (ММП) на отраженных волнах, учитывающая ее информационные возможности. Сформирован граф цифровой обработки данных, позволяющий определять скоростную характеристику приповерхностной части разреза с шагом, предусмотренным системой наблюдений для отраженных волн.
3. Внедрены в практику исследования поверхностных волн в рамках ММП при решении задач по геолого-геофизическому обеспечению безопасности горных работ:

• реализована методика построения сводного скоростного разреза, от поверхности наблюдений до подошвы продуктивных отложений по результатам совместного анализа отраженных, преломленных и поверхностных волн;
• разработан способ определения скоростной характеристики приконтурной части междукамерных целиков в целях параметрического обеспечения количественных оценок его несущей способности;
• показана возможность применения поверхностных волн для контроля состояния фундаментов зданий и сооружений в условиях интенсивной техногенной нагрузки на недра.

Опубликованные работы по теме диссертации

1. Чугаев А.В. Практические аспекты изучения поверхностных волн, регистрируемых при малоглубинных сейсморазведочных исследованиях МОГТ // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2004. – С. 172-174.
2. Чугаев А.В. Сравнительный анализ расчета статических поправок в инженерной сейсморазведке по преломленным и по поверхностным волнам // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2005. – C. 130-131.
3. Чугаев А.В. Применение поверхностных волн для расчета статических поправок // Шестая уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник науч. материалов. – Пермь, 2005. – С. 237-238.
4. Санфиров И.А., Ярославцев А.Г., Бабкин Ю.И., Прийма Г.Ю., Чугаев А.В. Применение малоглубинной сейсморазведки отраженными волнами для оценки состояния околоствольного массива // Разведка и охрана недр, № 12. – М.: Недра, 2005. – С. 32-36.
5. Чугаев А.В. Комплексирование преломленных и поверхностных волн при изучении строения верхней части разреза. // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2006. – С. 249-250.
6. Санфиров И.А., Ярославцев А.Г., Степанов Ю.И., Прийма Г.Ю., Чугаев А.В. Комплексирование инженерно-геофизических методов при исследованиях фундаментов // Разведка и охрана недр, № 12. – М: Недра, 2006. – С. 32-36.
7. Чугаев А.В. Цифровая обработка сейсморазведочных данных ММП с целью выделения поверхностных волн. // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2007. – С. 201-202.
8. Чугаев А.В. Технология изучения поверхностных волн в рамках методики многократных перекрытий // Тезисы докладов третьей международной научно–практической конференции «Инженерная и рудная геофизика–2007». – Геленджик, 2007. – С. 20-21.
9. Чугаев А.В. Практические приложения изучения поверхностных волн при сейсморазведочных исследованиях водозащитной толщи // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2008. – C. 58-59.
10. Чугаев А.В. Оценка ограничений метода поверхностных волн в рамках методики многократных перекрытий // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2009. – C. 120-122.
11. Чугаев А.В. Контроль состояния междукамерных целиков на Новомосковском месторождении гипса по данным поверхностных волн Релея // Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. № 1. – М., 2010. – С. 241-244.
12. Чугаев А.В. Примеры практического приложения технологии изучения поверхностных волн в рамках методики многократных перекрытий // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН. – Пермь, 2010. – С. 153-155.
13. Санфиров И.А., Мухамедшин А.М., Чугаев А.В. Оценка прочностных параметров габбрового массива «In situ» по результатам сейсмических исследований отраженными волнами // Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. № 12. – М., 2010. – C. 307-310.
14. Чугаев А.В. Применение поверхностных волн для повышения безопасности горных работ // Двенадцатая Уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник науч. Материалов. – Пермь, 2011. – C. 180-181.