Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексная интерпретация данных малоглубинной сейсморазведки при решении горно-технических задач

ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Комплексная интерпретация данных малоглубинной сейсморазведки при решении горно-технических задач"

На правах рукописи

005061038

БАЙБАКОВА Татьяна Викторовна

КОМПЛЕКСНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ ПРИ РЕШЕНИИ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

б и:он 2013

Пермь-2013

005061038

Работа выполнена в отделе активной сейсмоакустики Федерального

государственного бюджетного учреждения науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук (ГИ УрО РАН)

Научный руководитель: Санфиров Игорь Александрович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Блинова Татьяна Сергеевна

доктор технических наук, ФГБУ ГИ УрО РАН (г. Пермь), ведущий научный сотрудник лаб. природной и техногенной сейсмичности

Березнёв Виктор Акимович кандидат геолого-минералогических наук, профессор кафедры строительного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО Пермской государственной сельскохозяйственной академии им. академика Д.Н. Прянишникова

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пермский государственный

национальный исследовательский университет»

Защита состоится "21" июня 2013 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН по адресу 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78-а.

Тел./факс +7 (342) 216-75-05. E-mail: bba@mi-perm.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан " 20 " мая 2013 г

Учёный секретарь диссертационного совета

Бачурин Б. А.

Актуальность темы диссертации.

В сложных горно-геологических условиях подземной добычи водорастворимых полезных ископаемых при значительных площадях выработанного пространства необходимо широкое применение геофизических методов исследований. Наземная и шахтная сейсморазведка является ключевым методом решения задач, связанных с обнаружением и с мониторингом объектов, влияющих на условия безопасной разработки месторождения. Из всего многообразия подобного рода объектов сейсмическим исследованиям доступны локальные неоднородности метрового диапазона.

Успешное решение задачи локализации неоднородностей обеспечивает эффективность последующего контроля за взаимодействием их с выработанным пространством. К объектам, требующим повышенного внимания, относятся природные структурно-литологические неоднородности и разного рода техногенные осложнения и, связанные с ними инициирующие процессы разрушения породного массива. Возможность прогноза подобных последствий зависит от достоверности определения природы фиксируемых осложнений волнового поля и грашгц их зон влияния.

Прямые интерпретационные заключения о природе осложнений волнового поля в интервале малых глубин по эталонным «сейсмоизображениям» затруднительны в связи с высокочастотным диапазоном регистрации и существенной «зашумленностью» данного интервала. Повышение точности локализации и идентификации картируемых неоднородностей породного массива возможно при совместном анализе определенного набора независимых характеристик волнового поля.

Для волнового поля количество рассчитываемых кинематических и динамических параметров теоретически неограниченно. Большинство из них взаимозависимо и не несет отдельной информационной составляющей. Набор информативных параметров для конкретных типов неоднородностей индивидуален и требует дополнительных исследований в каждом конкретном случае. Атрибуты волнового поля, выступающие поисковыми сейсморазведочными признаками, с различной контрастностью могут объединяться в единый комплексный параметр. В зависимости от информативности каждый атрибут должен вносить конкретный вклад в объединенное значение комплексного параметра, что формирует физическое обоснование интерпретационного заключения о природе фиксируемых осложнений волнового поля и повышает точность их картирования.

Целью работы является разработка методики идентификации локальных неоднородностей соляной толщи по комплексу независимых параметров результирующего волнового поля малоглубинной сейсморазведки.

Задачи исследований:

1. Создание детальных сейсмогеологических моделей для основных типов структурно-литологических неоднородностей, влияющих на безопасность разработки калийной залежи и связанных с ними критических техногенных осложнений строения и свойств породного массива.

2. Обоснование набора интерпретационных параметров сейсмического волнового поля для локализации природных и техногенных неоднородностей соляной толщи.

3. Обоснование процедуры распознавания конкретных типов природных и техногенных неоднородностей породного массива в рамках сформированного набора атрибутов волнового поля.

4. Разработка методики комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки.

5. Практическое опробование методики интерпретации на различных природных и техногенных объектах как в режиме локализации, так и мониторинга.

Научная новизна работы:

1. Установлена наибольшая информативность динамических параметров: амплитуды, частоты, отношения сигнал/шум для сейсмогеологических условий калийной залежи пластового типа при выявлении горно-геологических неоднородностей в высокочастотном поле упругих волн.

2. Получены идентификационные сочетания атрибутов поля отраженных волн продольного типа для конкретных типов горно-геологических неоднородностей природного и техногенного происхождения.

3. Сформирована поэтапная детальная сейсмогеологическая модель процесса формирования купольной полости при затоплении соляного рудника.

4. Разработан на основе решения прямой задачи малоглубинной сейсморазведки механизм количественной оценки информативности отдельных атрибутов волнового поля при выявлении и идентификации природных и техногенных неоднородностей соляного массива.

Практическая значимость результатов исследований.

1. Детальные сейсмогеологические модели основных типов неоднородностей соляной толщи составляют информационную базу этапа интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки.

2. Методика комплексной интерпретаций данных малоглубинной сейсморазведки с использованием количественной оценки для составляющих волнового поля позволяет формализовать процесс определения природы осложнений волнового поля.

3. Представленные интерпретационные технологии внедрены в практику наземных и шахтных сейсморазведочных исследований на Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей, реализуемых на различных стадиях производства горных работ.

Методы исследовании включали: построение сейсмогеологических моделей локальных природных и техногенных неоднородностей водозащитной толщи, решение прямых задач сейсморазведки для данных моделей, разработку методики локализации изучаемых неоднородностей, практическое опробование методики на реальных материалах наземных и шахтных сейсморазведочных исследований, оценку достоверности результатов применения методики по данным прямого геологоразведочного опробования.

Личный вклад автора заключается:

1. в разработке моделей изучаемых неоднородностей;

2. в решении прямой задачи сейсморазведки для сформированных моделей;

3. в разработке интерпретационной методики идентификации и локализации локальных природных и техногенных неоднородностей водозащитной толщи по данным малоглубинной и шахтной сейсморазведки;

4. в опробовании методики на реальных объектах.

Основные защищаемые положения:

1. Осложнения волнового поля в пределах калийной залежи максимально полно описываются конкретным комплексом следующих параметров: эффективная скорость распространения упругих волн, частота, амплитуда и отношение сигнал/шум.

2. Идентификационные сочетания атрибутов волнового поля для горно-технических неоднородностей водозащитной толщи и калийной залежи заключаются в понижении значений амплитуды, частоты, эффективной скорости, отношения сигнал/шум, а для геологических - носит знакопеременный характер, который зависит от строения изучаемых объектов.

3. Методика комплексной интерпретации волнового поля заключающаяся в: формировании априорной интерпретационной гипотезы о природе выявленного осложнения волнового поля, подборе алгоритмов идентификационных процедур, уточнении границ локальной неоднородности на основании учета информативности отдельных составляющих в процедуре распознавания, прогнозной количественной оценке по результатам скоростного анализа возможных негативных изменений физико-механических свойств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основываются на значительном объеме сейсморазведочной и геологоразведочной информации, проанализированной при интерпретации результатов обработки сейсморазведочных данных, подтверждаются результатами бурения геологоразведочных скважин и проходки горных выработок на участках локализации картируемых неоднородностей геологического разреза.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных с 2003 по 2012 гг. по госбюджетной и договорной тематике в ГИ УрО РАН.

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались на различного уровня конференциях и семинарах: «Уральская молодёжная научная школа по геофизике» (г. Пермь, 2005, 2006), международный научный симпозиум «Неделя горняка» (Москва, 2007), международная научно-практическая конференция «Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, 2007); 70 EAGE conference & Exhibition (Рим, 2008); международная Научно-Практическая конференция «Геомодель 2010» (Геленджик, 2010); научные сессии Горного института УрО РАН с 2006 по 2012 годы. В 2011 году на тему «Разработка аппарата комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки для решения горно-геологических задач» поддержан грант научных проектов (11-5-НП-414) молодых учёных и аспирантов УрО РАН. В 2012 году проект «

Информационное обеспечение полномасштабного изучения

интерференционных полей разнородных упругих волн на подрабатываемых территориях» (12-05-31102) получил финансовую поддержку в системе РФФИ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 139 страницах, включая 62 иллюстраций, 12 таблиц и список использованных литературных источников из 126 наименований. Плодотворной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Локализация неоднородностей интервала малых глубин

породного массива, влияющие на решение горно-технических задач.

Главным условием успешной разработки калийных месторождений является предупреждение образования водопроводящих каналов в горные выработки. Водоохранным целиком для подработанного пространства выступает водозащитная толща (ВЗТ), которая представляет собой безводную и водонепроницаемую часть геологического разреза, расположенную между кровлей верхнего отрабатываемого пласта и кровлей первого (сверху) пласта каменной соли. Любое нарушение, находящееся в этой толще, или неполный её состав относят к аномальным особенностям. Из анализа работ геологов, занимающихся изучением Верхнекамского месторождения (Белоликов А.И., Голубев П.М., Джиноридзе Н.М., Иванов A.A., Копнин В.И., Кудряшов А.И., Сапегин Б.И., Чайковский И.И. и др.), к основным типам неоднородностей можно отнести:

1. литологические;

2. тектонические;

3. горно-технические.

Перечисленные неоднородности характеризуются значительной изменчивостью физических свойств и строения по латерали и вертикали, тонкой слоистостью, сложной формой.

Применение моделирования с учетом разрешающих возможностей сейсмических методов исследований позволяет обосновать особенности отображения в сейсмическом волновом поле перечисленных выше геологических объектов. Для изучения сейсмических атрибутов волнового поля использован набор типовых моделей различных авторов (Бабкин А.И., Пригара A.M., Семерикова И.И.).

Литологические неоднородности. Зоны замещения или галитизации 2-х и более промышленных пластов калийно-мапшевых солей размером более 100x200 м граничат в пространстве с флексурными складками, развитием структур течения и горизонтального расслоения. Аномальные галитовые образования подразделяются на открытый, экранированный и сквозной типы (Джиноридзе Н.М., 2000г.).

Экранированный тип. К этому типу относятся зоны как мелких и средних, так и крупных размеров. Характерной особенностью данных зон является то, что пласты карналлитовых пород, относящиеся к различным

горизонтам, являются экраном для проникающих снизу растворов, преобразующих минеральный состав пород.

Сквозной тип. Характеризуется галитизацией всех пластов сильвинитовой и карналлитовой зон при полноте их разреза (присутствует покровная каменная соль и маркирующий горизонт подстилающей каменной соли). Отличие их внутреннего строения от остальных изученных зон заключается в том, что каменной солью представлены все пласты сильвинито-карналлитовой зоны.

Сейсмогеолошческая модель зоны замещения на локальном уровне характеризуется высокими скоростями упругих волн в зоне замещения (каменная соль 4200м/с) по отношению к вмещающим породам (карналлит-сильвинит 3650-3900м/с) (рис. 1).

Вблизи «контактной» поверхности по обе стороны присутствуют области

повышения скоростей

продольных и поперечных волн. Замещением каменной солью в модели сквозного типа охвачены пласты карналлитовой и

сильвинитовой зон, таким образом, в центре модели задана высокоскоростная неоднородность от кровли ПКС (покровная каменная соль) до кровли ПдКС

(подстилающая каменная соль).

Сейсмогеологическая модель зоны замещения экранированного типа отличается горизонтальными размерами неоднородности - скорость 4200м/с задана в рамках одного пласта сильвинитовой зоны.

Тектонические неоднородности. На площади ВКМКС выделяется две системы субширотных сопряжёшшх узких линейных структур - валов и прогибов, приуроченных к зонам Боровицкого и Дуринского региональных разломов (Джиноридзе Н.М., 2000). Дуринская система структур имеет сложное строение: здесь выделяются Косиковский и Ерёменский валы, Усовский и Гулинский прогибы и Северо-Быгельская синклиналь.

По кровле солей на юге Дуринской площади выделяется отрицательная структура субширотной ориентировки - Гулинский прогиб. Он прослеживается с запада на восток более чем на 25 км. В поперечном разрезе прогиб асимметричен - южный борт круче северного. В центральной части Тулинского прогиба обнаружена узкая зона полного отсутствия солей (А.И. Кудряшов, 2001г.). Сам прогиб заполнен низкоскоростными породами ТКТ и ПЦТ, а тальвег обозначен высокими скоростями в ПдКС, что создаёт повышенный градиент эффективных скоростей. По мере приближения к дну прогиба мощность СМТ и соленосной толщи значительно сокращаются. Борт прогиба

Рис. 1. Сейсмогеологическая модель сквозной зоны замещения

характеризуется пониженными скоростями по сравнению с дном, что,

возможно, связано с разуплотнением солей в результате пластического течения (Александров А. А., 1989г).

Складчатые и разрывные дислокации представляют собой те основные элементы тектоники ВКМКС, которые выявляются, изучаются и картируются в подземных горных выработках. Флексурные и флексуроподобные складчатые дислокации преимущественно развиты на склонах поднятий, продольного и поперечного изгиба - на сводах мегаантиклиналей. Флексурные складки образованы внутрислойным течением вещества или (и) скольжением вдоль поверхности напластования и кливажа (Джиноридзе Н.М., 2000г.). Признаком их отнесения к аномальным особенностям ВЗТ является наличие вязких разрывов скалывания, указывающих на принадлежность к зоне разрывных и флексурно-складчатых дислокаций (РФСД). В ядре складки задана высокая скорость, что должно отражаться в кинематической составляющей волнового поля; перегиб (замок) характеризуется пониженными скоростями, так как там предполагается ослабленная зона за счёт появления трещин.

Горно-технические неоднородности. Одним из наиболее существенных последствий аварий на калийных рудниках является образование провалов земной поверхности. Основные причины их формирования заключаются в интенсификации процессов техногенного соляного карста. При его сейсмогеологическом описании учитывается опыт аварий на рудниках БКПРУ-3 и БКПРУ-1. Применяется идея «песочных часов» - когда ослабления появляются в верхней части разреза и в районе выработок, а на границе ВЗТ происходит соединение этих зон.

На рис. 2 представлена сейсмогеологическая модель соляного карста на разных этапах развития. Формирование провала можно разбить на 4 этапа -" «-»-•-' лг' -..д-.. ^ последовательного (от

выработок к

поверхности земли) ослабления физических свойств пород ВЗТ.

На первом этапе моделирования на пикетах 200-400

«закладываем» полость - с размерами Г1 по горизонтали 200м и вертикали 26м,

о. наполненную

рассолом со

мг .

|опк, скоростью

распространения упругих волн

продольного типа

1800м/с (рис. 2а). В верхней части разреза (ТКТ - теригенно-карбонатная толща

$0 2780м/с 2560мЛ 2780м/с 50- 2780м/с 2560мЛ 2780м/с

0 2680м/с 2ШмЛ 2680м/с 0-< 2680м/с 2.190м/с :г,яскус

-50 — - - г •50-

3580м/с 35 Я В м/с 3580м/с 3580м/с 3580м/с 3580м/с

-100 -100-

3340м/с ; тшс 334»м/с 3346м/с . ШЛм/е 3340м/с

150 -150-

3980м/с 3980м/с 39ЯПм/с 3980м/с 3980м/с 3980м/с

300-

50 _ 2780м/с 2.160мА _ 2780м/с 59 2780м/с /ПШм/с 2780м/с

0 2680м/с 239Пм/с 2680м/с 0 2680м/с 1800м/с 2680м/с

•50 3580м/с ШОм/е 3580м/с •50 3580и/с ; том* 3580м/с

100 •100

_3340м/с _ 18<Ю.к* 3340м/с 3340м/с . тыл 3340м/с

150 -150-

3980м/с 3980м/с 3980м/с 3980м/с 3980м/с 3980м/с

•М0-

Рис. 2. Сейсмогеологические модели карстовой полости

и СМТ - соляно-мергельная толща) уже на первых этапах исследований наблюдается ухудшение физических свойств, поэтому в интервале 0-СМТ и СМТ-ПП скорость занижена в среднем на 350 м/с.

На втором этапе расчетов зона разуплотнения «движется» вверх по разрезу и захватывает всю карналлитовую зону. Размер полости по вертикали увеличивается до 47м (рис. 2,6).

Третья стадия - от кровли переходной пачки (ПП) до кровли сильвинитовой зоны (Сил) (97м) задана скорость 1800м/с (рис. 2,в). Четвёртая модель представляет собой провал с поверхности земли до подошвы продуктивной зоны, заполненный рассолом (рис. 2,г).

В главе рассмотрены сейсмогеологические модели основных геологических и техногенных неоднородностей породного массива, влияющих на безопасную эксплуатацию месторождения. Все представленные модели пластового типа характеризуются перепадом упругих свойств на границе слоя.

Глава 2. Интерпретация данных малоглубипнон сейсморазведки.

В современном понимании, интерпретация - это процесс обоснования модели исследуемого геологического объекта, который завершает очередной этап геофизических исследований. Решение данной задачи базируется на изучении кинематических и динамических составляющих волнового поля.

Кинематическая интерпретация. Обратная кинематическая задача заключается в том, чтобы по наблюдённым временам полезных волн восстановить положение сейсмических границ и распределение скоростей распространения упругих волн.

Массовые определения скоростей выполняют по материалам сейсмического профилирования, прежде всего по наблюдениям отражённых волн. Поскольку реальные среды обычно аппроксимируют более простыми моделями, то в соответствии с той или иной моделью вводятся различные понятия скоростей сейсмических волн: истинная V, средняя (Vcp.), кажущаяся (Vk.), эффективная Уэф, предельная эффективная скорость Уэ.

В работах (Лёвин A.M., Маловичко A.A., Мешбей В.И., Урупов А.К. и др.) представлено теоретическое обоснование математического аппарата применяемых процедур скоростного анализа, изложены критерии оценки точности определяемых величин для широкого круга моделей сред и различных систем наблюдений. В настоящее время скоростной анализ полей отраженных волн, в подавляющем большинстве случаев, производится на основании изложенных в данных работах алгоритмов:

1. определение VürT по сейсмограммам ОГТ;

2. регуляризация найденных скоростных оценок;

3. построение скоростной модели среды;

4. оценка достоверности результатов скоростного анализа.

Для определения Von в основном используют операторы регулируемого направленного анализа (РНА), смысл которых заключается в подборе таких кинематических параметров, при которых зарегистрированные сигналы после суммирования характеризуются максимальными значениями анализируемых параметров, например, интенсивности или когерентности колебаний.

Скоростной анализ в шахтной и малоглубинной сейсморазведке имеет ряд^своих особенностей (И.А. Санфиров, 1996г.). Определяющее влияние на особенности скоростного анализа оказывают параметры систем наблюдения нацеленные на изучение малых глубин. За счёт малой базы приёма значений Уэф могут рассматриваться как предельные и используются непосредственно для расчета сейсмогеологической модели.

Наиболее информативным подходом к расчету скоростей в малоглубишюй сейсморазведке является получение значений скоростей ОГТ во всем интервале полезной записи с равномерным шагом, сопоставимым с шагом дискретизации, а по линии профиля с перекрытием не менее половины базы анализа, размер которой определяется длиной расстановки. Для этого используются операторы РНА. Для расчета спектров скоростей в малоглубинной сейсморазведке наиболее подходят такие параметры: число сейсмограмм ОГТ в базе суммирования - 24 (выбирается так, чтобы база была не менее половины максимального удаления ПП-ПВ); окно расчета спеюров -30 мс; шаг расчета спектров по оси времен - 2 мс; шаг расчета спектров по оси координат - 20 м. Для интервалов разреза, содержащих отрицательные градиенты скоростей, невозможно определение интервальных скоростных характеристик по формуле Урупова-Дикса (Урупов А.К., 1966г), поэтому к полученным данным применяются операции осреднения и сглаживания.

Скорости, несомненно, являются одним из основных сейсмических атрибутов в интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки, однако ввиду наличия погрешностей в их определении, необходимо привлекать дополнительные характеристики поля. Поэтому привлекают методы динамического анализа, которые образуют целое направление в интерпретации сейсмических данных.

Динамическая интерпретация. Динамическими характеристиками сейсмических волн (А.Г. Авербух, И.С. Берзон, Т.С. Блинова, Г.Н. Гогоненков, А.М. Епинатьева) называется совокупность зависимостей, определяющих характер колебаний частиц среды во времени и в пространстве при распространении волн.

Основные динамические характеристики:

1. форма волны - зависимость величины смещения среды от времени t;

2. спектральные характеристики волны, связанные известными соотношениями Фурье с формой волны, т. е. с временными зависимостями;

3. амплитуды волн;

4. траектории движения частиц среды в пространстве или характер поляризации волны.

В современной сейсморазведке развивается большое количество способов и методов решения обратной динамической задачи. Полученные качественные и количественные характеристики волнового поля получили общий термин -сейсмический атрибут (А.К. Урупов, 2004). Динамические атрибуты обязаны своим происхождением динамическим свойствам сейсмической записи.

Атрибуты, определяемые по времени регистрации, несут в основном информацию о структурных особенностях среды; основанные на информации об амплитудах записи отражают стратиграфические особенности разреза и его

вещественный состав. Частотные атрибуты ещё недостаточно полно изучены и всесторонне осмыслены, но с ними большинство исследователей связывают надежды по изучению вещественного состава среды (Березнёв В.А., 1980г). Параметры, связанные с поглощением, используются ограниченно, но в будущем, возможно, смогут давать информацию о проницаемости коллекторов.

В качестве примера эффективного использования частотных атрибутов в отечественной практике можно назвать методику использования спектрально-временного анализа (СВАН) (Мушин И.А. и др., 1990г.) СВАН-колонка является спектрально-временным образом, характеризующим последовательность седиментационных объектов, слагающих разрез. Эта технология интерпретации сейсмических данных в последнее время начала достаточно интенсивно развиваться и широко использоваться зарубежными исследователями (Gengyi и др., 2006).

Имеются группы атрибутов, которые находятся по сейсмическим записям до суммирования - например, AVO- атрибуты. Одним из специальных видов обработки, активно развивающихся в последнее время, стал анализ зависимости изменения амплитуды отражённой волны от удаления «источник-приёмник» -так называемый, метод AVO- анализа (Amplitude Variation with Offset) (И.Я. Баллох, И.Н. Бусыгин, Ю.Н. Воскресенский, В.В. Корягин, И.Г. Медовский, Aki К., Koefen J., Shuey R.T. и др.). Возможность использования подобной технологии при интерпретации материалов малоглубшшой сейсморазведки представлена в работах Фатькина К.Б. Исследования показывают, что обнаружение основных типов геологических неоднородностей (зона замещения, складчатость, трещиноватость, карст), характерных для ВКМКС, возможно по изменениям амплитуд волн, отражённых от границ вмещающих интервалов.

Малоглубшшые исследования характеризуются незначительными расстояниями, которые преодолевают упругие волны, в этом случае амплитуда отражённых волн зависит, в основном, от перепада акустической жёсткости на отражающих границах. Сама среда, выступающая как фильтр сейсмических колебаний, определяет важность таких динамических характеристик, как — амплитуда и частота. Регулярность слоистости среды определяет когерентность волнового поля (отношение сигнал/шум). Таким образом, в малоглубинной сейсморазведке наиболее информативными динамическими атрибутами являются амплитуда, частота и отношение сигнал/шум.

Комплексная интерпретация. Существуют интерпретационные системы, где обычно совместно используются несколько атрибутов для картирования залежи. Атрибуты определяются для выбранной части сейсмического разреза как погоризонтные и/или оконные. Размер окна должен, по крайней мере, превышать полупериод записи. (В.И. Бондарев, 2007г)

В ряде отечественных систем обработки (Птецов С.Н., 1989) также широко практиковалось вычисление целого ряда динамических и кинематических параметров сейсмической записи. Основу технологии использования атрибутов составлял спектральный анализ записи в окне (по времени) определённой длительности, например 0,1с.

Наглядный пример комплексной интерпретации - сейсмостратиграфия (Вейл П.Р., Грегори А.П., Митчем P.M. мл., Шерифф P.E.). Основной целью данного интерпретационного направления является определение условий и обстановок осадконакопления по особенностям волновой картины на сейсмических разрезах отражённых волн.

Использование атрибутов сейсмических волновых полей при решении задач инженерной геологии в рамках метода МПВ рассмотрено в работах Крылатковой Н. А.

Также возможна количественная оценка парных взаимных корреляционных характеристик параметров волн. Для расчёта комплексного параметра вероятности выделения аномалии типа залежь используют способ главных компонент с определением весов для каждого из параметров. Физический смысл таких весов, рассчитанных по отношению к эталонному параметру (параметру, с наибольшей вероятностью отображающему свойства залежи), либо по отношению к независимому от геофизических параметров, означает количественную меру подобия.

Подобный подход использован и для малоглубинной соляной сейсморазведки (до 400-х м). Объектами малоглубигаюй сейсморазведки становятся не залежи углеводородов и нефтяные ловушки - а различные неоднородности соляной толщи, которые также по-разному выражаются в волновом поле. Поэтому разумно перенести и адаптировать некоторые принципы и методики комплексирования сейсмических параметров нефтяной сейсморазведки на малоглубинные объекты. Исследования последних лет на Верхнекамском месторождении калийных солей направлены, прежде всего, на поиск связей между пониженными физико-механическими свойствами среды и группой сейсмических параметров в целях картирования подобных аномалий геологического разреза для обеспечения безопасности производства горных работ. Уменьшение регулярности и частоты сейсмической записи, интенсивности и скоростей распространения упругих волн свидетельствует об ухудшении прочностных свойств пород горного массива.

В данном случае комплексирование сейсмических атрибутов следует понимать как совместный анализ определённых кинематических и динамических характеристик волнового поля, например, объединённых в один параметр. С этой целью разработана программа расчёта комплексного параметра (КТТ) (Санфиров И.А. и др., 2002г). Точность локализации аномалий повышается за счет отбора составляющих, наиболее чувствительных к определённому типу нарушения. В составе набора для расчета КП на данный момент введено 8 количественных характеристик волнового поля: амплитуда, частота, отношение сигнал\шум, эффективная скорость, градиент скоростей, интервальная скорость, ширина спектра, временной сдвиг. Формируя разные наборы этих атрибутов, рассчитывают КП.

Функции, описывающие поведение указанных характеристик вдоль профиля, преобразуют в промежуточные, принимающие значения 0 или 1. Промежуточной функции присваивают нулевое значение, если на данном пикете исходная функция не выходит за доверительный интервал, и единицу -

если выходит. Комплексный параметр представляет собой сумму промежуточных результатов, нормированную к заданному значению.

Вследствие разнообразия изменений физических характеристик разреза, возникает необходимость комплексного анализа и компактного представления совокупности параметров, найденных в результате обработки. Эта задача решается путём совместной визуализации данных об изменении кинематических и динамических особенностей отражений.

Для интерпретации совокупности параметров существенным является содержание набора характеристик для определённого объекта, используемых для последующего анализа. Первоначально проводится визуализация полного набора параметров. На этом этапе необходимо отобрать такие атрибуты, которые с минимальной взаимной зависимостью и по возможности всесторонне отображали бы изменение вдоль профиля особенностей волнового поля для каждого интервала.

Среди рассмотренных информативных динамических и кинематических атрибутов волнового поля, учитывая перечисленные особенности формирования интерпретационного набора для объектов малоглубинной сейсморазведки на Верхнекамском месторождении, определены: амплитуда, эффективная скорость, частота и отношение сигнал/шум. В связи с тем, что комплексный параметр предложен ранее для оценки изменения физико-механических свойств, в нем рассматривался только один негативный сценарий изменений сейсмических параметров. Подобный подход неправомерен при идентификации картируемых локальных неоднородностей. Изменения отобранных, как наиболее информативных характеристик волнового поля, носят разнонаправленный характер.

Глава 3. Совершенствование процедуры комплексной интерпретации.

Вопросы совершенствования этапа интерпретации возникают ввиду неоднозначного выделения аномалий в волновом поле. Определение природы аномалии возможно на основе установления сочетаний рассчитываемых динамических и кинематических параметров для конкретного тина неоднородности. Повышение точности ее локализации достигается за счет оценки информационного вклада каждого из определяемых параметров.

Оптимизация качественного состава комплекса интерпретационных параметров волнового поля. Основным диагностическим признаком неоднородностей соляных толщ на временных разрезах ОГТ является нарушение регулярности сейсмического волнового поля, прекращение прослеживаемости отражений или проявление на локальных участках других изменений (резкие смещения осей синфазности, изгибы, локальные изменения амплитуд и т.д.) Подобные особенности суммарного волнового поля вызываются изменчивостью значений эффективных скоростей, амплитуд, частот и отношения сигнал/шум. Количественная оценка перечисленных параметров позволяет прогнозировать как координаты изучаемых неоднородностей, так и их природу.

С этой целью проведено моделирование, выполнены расчеты набора теоретических волновых полей для всех рассматриваемых локальных

Рис. 3. Синтетический временной разрез ОГТ сквозной зоны замещения

неоднородностей. При расчёте теоретического волнового поля используются параметры импульса и полевой схемы наблюдений, которые соответствуют реальным сейсмическим исследованиям на профиле. Для свёртки выбран исходный сигнал в виде затухающей синусоиды: длина импульса 19 мс, частота 80 Гц. В качестве базовой для решения прямой задачи служила пластовая модель, имеющая блоковое строение в пределах отдельных

пластов.

На рис. 3 представлен синтетический временной разрез для сквозной зоны замещения. На разрезе прослежены отражающие горизонты (ОГ) сверху вниз: СМТк - кровля соляно-мергельной толщи, ПКСк - кровля покрывающей каменной соли, Ек, Гк, Бк - карналлитовые пласты, чередующиеся с каменной солью, ПдКСк — кровля подстилающей каменной соли.

Основные признаки зоны замещения сквозного типа связаны с амплитудными аномалиями (500-1100 ПК). Наблюдается увеличение амплитуд на краях аномалии и уменьшение в центре. Зона замещения располагается в центральной части временного разреза в форме «языка», протянувшегося с востока на запад. Она залегает несогласно по отношению к окружающим пластам. Приконтурная часть аномалии отличается несогласным поведением осей синфазности. В пределах ПК 1300-1600 можно отметить «псевдовыклинивание» и раздвоение горизонта во времени - это ложные структуры, которые возникают на временных разрезах в зависимости от соотношения скоростей в неоднородности и нижележащих пластах.

Всевозможные сочетания составляющих КП дают изображения аномалии с разной точностью и пространственным расположением.

В табл. №1 представлены различные варианты соотношения характеристик: «+» - выход значения характеристики относительно доверительного интервала вверх, «-» - вниз. Уэф во всех вариантах участвует со знаком «+», так как рассматриваемая зона замещения всегда отмечается повышением скоростей по отношению к окружающим пластам.

Таблица 1

варианты Амплитуда Сигнал/ шум Уэф Частота

1 - - + -

2 - - + +

3 + - + +

4 + - + -

5 + + + -

6 - + + -

7 - + + +

8 + + + +

Из всех рассчитанных вариантов выбран тот, где визуально отмечается наибольшее совпадение положения аномалии в модели и волновом поле и максимальных значений комплексного параметра.

По такой технологии рассчитаны и получены синтетические временные разрезы и разрезы комплексного параметра для экранированной и сквозной зон замещения, прогиба, флексуры и техногенной неоднородности. По результатам исследований составлена таблица сочетаний волновых атрибутов для каждого типа нарушения (табл. 2).

Таблица 2

Тип неоднородно сти Амплитуда Знак/вес Сигнал/шум Знак/вес Уэф Знак/вес Частота Знак/вес

Сквозная зона замещ. - 1 - 0.49 + 0.45 - 0.72

Экранирова нная зона замещ. 0.65 + 0.83 + 1 + 0.07

Прогиб + 1 - 0.91 + 0.86 - 0.02

Флексура + 1 + 0.8 - 0.33 + 0

Карстовая полость - 0.7 - 1 - 0.15 - 0.65

На рис. 4 представлен синтетический временной разрез и разрез КП (вариант из табл. 2) для модели прогиба. Согласно геологической модели

прогиба, его заполняют низкоскоростные породы Г1ЦТ и ТКТ. По мере приближения к дну прогиба мощность СМТ и соленосной толщи значительно сокращаются. Этими факторами можно объяснить повышенный градиент эффективных скоростей в районе прогиба. Различие в значениях акустических

жёсткостей обеспечивает

высокую контрастность границ (амплитуд). Рассеяние сигнала на наклонных границах приводит к снижению отношения

сигнал/шум.

Области повышенных значений КП на всех вариантах соответствуют «выклиниванию». При этом образуется низкоскоростная зона в месте замка складки. Свод складки должен отмечаться повышенным градиентом значений амплитуд и низкой когерентностью ввиду слабых сейсмических отражений над

Рис. 4. Временной разрез ОГТ (а) и разрез КП (б) для прогиба

складкой. Отмечается увеличение амплитуд и частот в зоне лежачего крыла складки, а также в районе перегиба - замке (табл. 2).

Очевидно, что в области формирования карстовой полости происходит падение всех сейсмических параметров. На временном разрезе первого этапа можно отметить снижение частоты в районе заданной полости, а также срыв осей синфазности по краям зоны (рис. 5). Далее на последующих этапах

развития полости нарастают негативные изменения - «проседание» осей синфазности ещё сильней, отсутствует корреляция ОГ Сил (кровля сильвинитовой зоны) в районе провала, понижение скоростей, градиент значений по краям неоднородности. Поэтому в расчётах участвовал только один вариант соотношения характеристик - снижение значений эффективных скоростей, амплитуд, отношения сигнал/шум и частот (табл. 2) относительно доверительного интервала.

Оценка количественной структуры набора параметров для задач распознавания основных типов

неоднородностей. В представленных примерах расчет значений комплексного параметра основывается на равновесном суммировании всех характеристик, что не в полной мере соответствует реальным закономерностям. Анализируемые

характеристики волнового поля имеют различную информативность для конкретных объектов, и их следует вносить в комплексный параметр с определёнными весовыми коэффициентами.

Для определения значений весовых коэффициентов рассчитан набор эталонных волновых полей, где в качестве исходного сигнала использован единичный импульс (длина 1мс). Суммарный временной разрез при таких условиях отражает физико-геологическую модель объекта изучения во временном масштабе.

Для обоих вариантов волновых полей (синтетического и эталонного) рассчитан набор характеристик: амплитуды, частоты, эффективные скорости и отношения сигнал/шум.

Определены линейные коэффициенты корреляции между оценками одноименных характеристик эталонного волнового поля и синтетического для заданных интервалов времени. Для интервалов локализации неоднородности найдено среднее арифметическое коэффициентов корреляции с учетом знака. Вес каждого параметра нормируется по отношению к максимальной величине данной оценки (табл. 2).

Для сквозной зоны замещения максимальной величиной корреляции эталонного волнового поля и синтетического характеризуются амплитуды. В

100 200 300 «О .«О 600 ПК,*

II

......... —--:—г

...........:::;:::

^ийшВШШшВШиШШШШт

I 1.05 1.1 1.15 и га К.УС.ТМ.

Рис. 5. Временной разрез ОГТ (а) и разрез комплексного параметра (б) для 1-го этапа моделирования карстовой полости

соответствии с этим определены весовые коэффициенты, с которыми необходимо рассчитывать комплексный параметр (табл. 2). Сравнение 2-х разрезов (равновесное суммирование и с весовыми коэффициентами) для модели сквозной зоны замещения представлено на рис. 6. Контур аномалии менее расплывчат, также удалось достичь более «чистой» картины без побочных эффектов. Для экранированной зоны максимум корреляции достигнут у эффективных скоростей.

При исследованиях техногенной нарушенности весовые коэффициенты рассчитывались для второй стадии (табл. 2), то есть на момент размыва сильвинитовой и карналлитовой зон. __■) >» ™ »> *» «> » й"» ■«» ■■» и» ¡» „» ■»> Сравнивая разрезы КП (рис. 7) для

неоднородности, 8 что на разрезе с " коэффициентами значения КП

---

ш

1оо гоо зоо

5М> 600 ?П0 ЯГО

- -V

техногеннои можно заметить, весовыми максимальные

сосредоточены в рамках заданного провала, а особенно ярко отличаются интервал ОГ Сил - ОГ МГ и ОГ „ ПП. Почти для всех моделей на *" разрезах КП с весовыми коэффициентами (по сравнению с равновесным суммированием) отмечается снижение интенсивности краевых эффектов, более чёткий контур неоднородности, отсутствие других повышенных значений КП, не вызванных аномальностью объекта.

Таким образом, по результатам решения прямой задачи для основных неоднородностей соляного месторождения рассчитаны разрезы КП с различными сочетаниями сейсмических атрибутов. Получены весовые коэффициенты, отражающие информативность анализируемых параметров. Их учёт в КП повышает надёжность локализации в разрезе.

К. успел

Рис. 6. Разрез комплексного параметра для зоны замещения сквозного типа: а) равновесное суммирование, б) с весовыми коэффициентами

юо 200 ;инЛк-%)

100 200 500ПК-%0 500

К, усл.ед.

Рис. 7. Разрез комплексного параметра для провала (2-я стадия): а) равновесное суммирование, б) с весовыми коэффициентами

Методика комплексной интерпретации. На основании

проведённых исследований разработана методика комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки (рис. 8), которая содержит следующий перечень основных операций:

1. Расчёт набора параметров, отражающих кинематическую и динамическую составляющую поля упругих колебаний.

гы соотношения атрибутов

\ ч>г.] Чает.

Приоритетные Априорная

Парнаиты Информация

Разрез К"11 с пеговымн коэффициентами .ТЛИ нтспгнфикицин ЖОЛНОрОЛНОСШ

Реальный ссйсмичсскт материал

Рис. 8. Обобщённая блок-схема алгоритма комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки

2. Формирование априорной интерпретационной гипотезы о природе выявленного осложнения волнового поля на основании совместного анализа закономерностей поведения рассчитываемых параметров волнового поля.

3. Выполнение идентификационных процедур по набору алгоритмов распознавания для конкретных типов локальных природных и техногенных неоднородностей по критерию максимальной контрастности согласованных закономерностей.

Вариаи

4. Уточнение границ локальной неоднородности на основании учета информативности отдельных составляющих.

5. Прогнозная количественная оценка по результатам скоростного анализа возможных негативных изменений физико-механических свойств в пределах закартированной неоднородности породного массива.

Глава 4. Опробование процедуры комплексной интерпретации в сейсмогеологических условиях ВКМКС

Теоретические предпосылки выделения и идентификации основных типов локальных неоднородностей породного массива могут корректироваться при решении конкретных горно-геологических задач. Масштабы корректировки определяются реальными особенностями сейсмогеологического строения для каждого конкретного объекта изучения.

Разработанная методика комплексной интерпретации опробована при решении таких задач как: локализация зон замещения, трассирование зон крупномасштабной литологической изменчивости, картирование флексурно-складчатых деформаций, а также мониторинг карстообразующих процессов.

Картирование зон замещения. Методика комплексной интерпретации применяется и для данных шахтных сейсморазведочных исследований. В пределах межштрекового пространства разрабатываемых пластов картирование пространственного положения границ зон замещения возможно методом сейсмического просвечивания. В пределах рассматриваемого второго восточного блока по данным малоглубинной сейсморазведки выделена аномальная зона, приуроченная к литологическому замещению продуктивных пластов. Шахтные наблюдения проведены по пласту АБ в пределах целика, а на северо-западе рассматриваемого участка разведочной выработкой вскрыта зона замещения каменной солью.

По особенностям волновой картины, скоростной

характеристики и распределению интенсивности сейсмической записи для шахтного профиля (рис. 9) спрогнозировано положение отражения от границы зоны замещения. На разрезе комплексного параметра с равновесным суммированием (для варианта экранированной зоны замещения) присутствует две

Рис.

- граиш/а зоны замещения по данным свйс.иоакустики

- граница зоны злиещсг/ия по данным подземной проходки

. 9. Результаты цифровой обработки по шахтному профилю: а) временной разрез

ОГТ; б) скоростная характеристика; в) разрез КП при равновесном суммировании (для варианта экранированной зоны замещения) г) разрез КП с весовыми коэффициентами

области повышенных значений (интервал пикетов 10-50 и 110-175).

Вторая аномальная зона связана с боковой волной от стенки штрека и почти «исчезает» на разрезе КП с весовыми коэффициентами. Последующими горными работами получены точные данные границы зоны замещения. Их положение наиболее близко к областям повышенных значений КП, рассчитанного с весовыми коэффициентами.

Локализация тектонических нарушений. В качестве примера практического опробования методики комплексной интерпретации при изучении тектонического нарушения рассматриваются результаты

сейсморазведочных исследований в пределах Дуринской площади. На основе выбранного при моделировании сочетания параметров волнового поля и весовых коэффициентов рассчитан КП для всех профилей изучаемой площади. Схема расположения профилей (рис, 10) позволяет картировать наиболее ослабленные участки в пределах Тулинского прогиба. Повышенные значения КП сосредоточены вдоль южного борта Тулинского прогиба. Необходимо отметить, что район Дуринского прогиба характеризуется значительной латеральной изменчивостью геологического строения. Таким образом, основными первичными диагностическими признаками различных структур нарушения соляных толщ при визуальном анализе временных разрезов являются нарушение регулярности сейсмического волнового поля в соответствующем временном интервале.

Выявление зон техногенной изменчивости массива. По результатам мониторинговых исследований в пределах аварийной зоны на промплощадке БКПРУ-1 появилась уникальная возможность прямой оценки информативности регистрируемых геофизических параметров. Проанализированы результаты цифровой обработки и интерпретации 11 -ти циклов сейсморазведочных наблюдений.

Весь накопленный материал оформлен в виде пространственно-временных диаграмм комплексного параметра, который рассчитан с весовыми коэффициентами для каждой даты наблюдений в интервалах СМТ, 1111, Ек, Сил. Диаграммы показывают изменение того или иного параметра от этапа к этапу, то есть по вертикали располагается время проведения работ, а по горизонтали пикеты профиля. Контрастная картина наблюдается на диаграммах отношение сигнал/шум (рис. 11). Для интервалов СМТ и ПП расширение зоны пониженных значений со временем идёт от 0-го пикета к месту провала (пунктирная линия). На диаграммах Ек пониженные значения отмечаются лишь с 3-го этапа и сохраняются в начальной части профиля (место течи) до последней даты исследований, не расширяясь до места провала. Такая же

Рис. 10. Карта комплексного параметра Дуринской площади

закономерность и на диаграмме Сил, только аномальные значения наблюдаются с первых этапов исследования. Уже в последние даты аномалия появляется по обе стороны от места провала.

Повышенные значения КП соответствуют понижению значений амплитуд, эффективной скорости и отношения сигнал/шум (рис. 11) относительно

доверительного интервала. Из диаграмм следует, что со временем область аномальных значений КП «сдвигается» вверх по разрезу.

Из первых циклов исследования стало понятно, что процессы растворения,

разрушения массива начались в продуктивной зоне. Нужно отметить, что по данным сейсмологических исследований в апреле 2007г зафиксирован скачок сейсмической активности. Это нашло отражение в поведении сейсмических

характеристик для ОГ надсоляной толщи.

Подробный анализ

аварийных ситуаций, а также момент прогноза значимых изменений, возможен при организации на участке мониторинга с определённой периодичностью, зависящей от степени опасности объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Обобщены и детализированы сейсмогеологические модели основных типов локальных неоднородностей и техногенных процессов, осложняющих ведение горных работ: зоны замещения, тектонические нарушения, карстовые процессы в ВЗТ.

2. На основе данных моделей получены решения прямых задач в рамках малоглубинных сейсморазведочных технологий, реализуемых при решении горно-технических задач на месторождениях водорастворимых полезных ископаемых.

3. По результатам расчетов теоретических волновых полей сформированы идентификационные сочетания основных атрибутов

Рис. 11. Пространственно-временные диаграммы отношения сигнал/шум

сейсмических волновых полей для основных типов локальных природных и техногенных неоднородностей.

4. Получена количественная оценка информативности основных атрибутов сейсмических волновых полей, составляющих идентификационные сочетания.

5. Разработана методика комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки, включающая:

а) формирование априорной интерпретационной гипотезы о природе выявленного осложнения волнового поля, б) подбор идентификационных процедур по набору алгоритмов распознавания для конкретных типов локальных природных и техногенных неоднородностей на основе принципа максимальной контрастности и согласованности выявленных закономерностей, в) уточнение границ локальной неоднородности на основании учета информативности отдельных составляющих, г) прогнозная количественная оценка по результатам скоростного анализа возможных негативных изменений физико-механических свойств в пределах закартированной неоднородности породного массива.

6. Внедрена в практику сейсморазведочных исследований методика комплексной интерпретации с количественной оценкой волновых характеристик при решении задач безопасного ведения горных работ для:

•картирования зон замещения каменной солью;

•локализации флексурно-складчатых деформаций и зон крупномасштабной литологической изменчивости;

•контроля развития техногенного соляного карста.

Опубликованные работы по теме диссертации:

а) издания, рекомендованные ВАК

1. Санфиров И. А. Параметрическое обеспечение шахтной многоволновой сейсмоакустики / Санфиров И.А., Бабкин А.И., Байбакова Т.В. // Разведка и охрана недр. - 2008. -№ 12. - С. 37-40.

2. Байбакова Т.В. Определение степени разрушения породного массива по сейсморазведочным данным / Байбакова Т.В.// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009. - № 12. - С. 236-240.

3. Санфиров ИА. Аппаратурно-методическое обеспечение сейсмоакустического мониторинга затюбингового пространства шахтных стволов / Санфиров И.А., Бабкин А.И., Ярославцев А.Г., Байбакова Т.В., Калашникова М.М. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2011 - №5. - С.17-21.

4. Санфиров И.А. Особенности цифровой обработки в инженерной сейсморазведке МОГТ / Санфиров И.А., Ярославцев А.Г., Жикин АА., Никифорова А.И., Байбакова Т.В. // Геофизика, - 2012. - №5,- С.35-41.

б) другие издания

5. Байбакова Т.В. Возможности комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки при изучении зоны замещения калийно-

магниевой залежи / Байбакова Т.В.// Молодёжная наука Прикамья: сборник научных трудов, №5. ПГТУ. - Пермь, 2004. - С. 138-143.

6. Пригара А.М. Формирование комплексного параметра сейсмического волнового поля для выявления различных геологических неоднородностей / А.М. Пригара, Т.В. Байбакова // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2003 г. - Пермь 2004 -С. 181-183.

7. Байбакова Т.В. Локализация зон замещения калийной залежи с помощью комплексного параметра суммарного поля отражённых волн / Байбакова Т.В. // Шестая Уральская молодёжная научная школа по геофизике: Сборник научных материалов - Пермь, 2005. - С. 20-23.

8. Байбакова Т.В. Информативность динамических и кинематических параметров отражённых волн при выделении контрастных скоростных неоднородностей / Байбакова Т.В. // Седьмая Уральская молодёжная научная школа по геофизике: Сборник научных материалов.- Екатеринбург, 2006 - С 14-17.

9. Байбакова Т.В. Изучение контрастных скоростных неоднородностей по данным малоглубшшой сейсморазведки / Байбакова Т.В.// Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2005 г. - Пермь, 2006. - С. 257-259.

10. Байбакова Т.В. Количественная оценка информативности характеристик сейсмического волнового поля при выделении погребённой горной выработки / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в

2006 г. - Пермь, 2007. - С. 199-200.

11. Байбакова Т.В. Выделение погребённой выработки по комплексному параметру сейсмического волнового поля / Байбакова Т.В. // Восьмая Уральская молодёжная научная школа по геофизике: Сборник научных материалов - Пермь, 2007. - С. 12-15.

12. Санфиров И.А. Комплексные инженерно-геофизические исследования суффозионных процессов / Санфиров И.А., Ярославцев А.Г., Степанов Ю.И., Прийма Г.Ю. Байбакова Т.В. // Инженерная и рудная геофизика - 2007: Тезисы докладов третьей международной научно-практической конференции -Геленджик, 2007. - С. 9-10.

13. Байбакова Т.В. Отображение приповерхностной горной выработки в параметрах суммарного волнового поля сейсморазведки МОГТ / Байбакова Т.В. // Четвёртая международная научно-практическая конференция «Геофизика-2007»: тезисы докладов. - С.-Петербург, 2007. - С. 172-174.

14. Байбакова Т.В. Анализ сейсмических характеристик волнового поля в зоне провала на БКПРУ-1 / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в

2007 г. - Пермь, 2008. - С. 113-115.

15. Sanfirov I. A. Time-lapse shallow seismic reflection CDP observations in the area of the water pénétration to potash mine /1. A. Sanfirov I. A., G. U. Priyma, T. V. Baibakova // Leveraging Technolog}': 70 EAGE conférence & Exhibition - Rome 2008.-P.4.

16. Байбакова T.B. Интегральная оценка пространственно-временной изменчивости сейсмических параметров в аварийной зоне / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2008 г. - Пермь, 2009. - С. 187-188.

17. Байбакова Т.В. Информативность сейсмических атрибутов при изучении зон крупномасштабной литологической изменчивости соляной толщи / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2009 г. - Пермь, 2010. -С. 156-158.

18. Байбакова Т.В. Картирование зон крупномасштабной литологической изменчивости соляной толщи с использованием атрибутов сейсмического волнового поля / Байбакова Т.В. // 12-ая Международная Научно-Практическая конференция по проблемам комплексной интерпретации геолого-геофизических данных при геологическом моделировании месторождений углеводородов «Геомодель-2010»: тезисы докладов. - 4 с. [электронный ресурс]. - Геленджик, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

19. Байбакова Т.В. Практические примеры комплексной интерпретации волновых параметров в сложных горно-геологических условиях / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2010 г.-Пермь, 2011.-С. 170-172.

20. Байбакова Т.В. Физико-геологическая модель формирования вторичных деформационных процессов в соляных / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2011 г. - Пермь, 2012. - С. 163-165.

21. Санфиров И.А. Сейсморазведочное обоснование инженерно-геологических исследований на территориях техногенных катастроф / Санфиров И. А., Ярославцев А.Г., Никифорова А.И., Байбакова Т.В., Калашникова М.М., Шумахер А.И. // Материалы восьмой научно-практической конференции и выставки «Инженерная геофизика 2012» (23 - 27 апреля 2012г). / EAGE. - Геленджик, 2012. [электронный ресурс] Режим доступа:

http:/Av\vw.earthdoc.org/publication/nub1icationdct:iils/?piib1icntion=58086

22. Байбакова Т.В. Комплексная интерпретация данных малоглубинной сейсморазведки при решении горно-геологических задач / Байбакова Т.В. // Стратегия и процессы освоения георесурсов: материалы ежегод. науч. сес. ГИ УрО РАН по результатам НИР в 2012 г. - Пермь, 2013. - С. 164-166.

Сдано в печать 20.05.2013 г. Формат 60x84/16. Тираж ЮОэкз.

Отпечатано сектором НТИ ГИ УрО РАН 614007, г. Пермь, ул.Сибирская, 78а

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Байбакова, Татьяна Викторовна, Пермь

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ

АКАДЕМИИ НАУК (ГИ УрО РАН)

КОМПЛЕКСНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ ПРИ РЕШЕНИИ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201

БАЙБАКОВА Татьяна Викторовна

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И. А. Санфиров

Пермь-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................3

1. ЛОКАЛИЗАЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИНТЕРВАЛА МАЛЫХ ГЛУБИН ПОРОДНОГО МАССИВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕШЕНИЕ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ............................................................................................................................8

1.1 Литологические неоднородности..........................................................................................................15

1.2 Тектонические неоднородности............................................................................................................18

1.3 Горно-технические неоднородности..................................................................................................22

2. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ МАЛОГЛУБИННОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ............................................................................................................................27

2.1 Кинематическая интерпретация......................................................................................28

2.2 Динамическая интерпретация..........................................................................................36

2.3 Комплексная интерпретация........................................................................................................................44

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ..........................................................................................................................................................................50

3.1 Оптимизация качественного состава комплекса интерпретационных параметров волнового поля......................................................51

3.2 Оценка количественной структуры набора интерпретационных параметров................................................................................................................................................72

3.3 Методика комплексной интерпретации..................................................................80

4. ОПРОБОВАНИЕ ПРОЦЕДУРЫ КОМПЛЕКСНОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ В СЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ВКМКС................................................................................................................................................................82

4.1 Картирование зон замещения..........................................................................................82

4.2 Локализация тектонических нарушений..............................................................93

4.3 Выявление зон техногенной изменчивости массива....................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................................125

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

В сложных горно-геологических условиях подземной добычи водорастворимых полезных ископаемых при значительных площадях выработанного пространства необходимо широкое применение геофизических методов исследований. Наземная и шахтная сейсморазведка является ключевым методом решения задач, связанных с обнаружением и с мониторингом объектов, влияющих на условия безопасной разработки месторождения. Из всего многообразия подобного рода объектов сейсмическим исследованиям доступны локальные неоднородности метрового диапазона [4, 5,18, 20,42,108 ].

Успешное решение задачи локализации неоднородностей обеспечивает эффективность последующего контроля за взаимодействием их с выработанным пространством. К объектам, требующим повышенного внимания, относятся природные структурно-литологические неоднородности и разного рода техногенные осложнения и связанные с ними инициирующие процессы разрушения породного массива [47, 35, 51, 78]. Возможность прогноза подобных последствий зависит от достоверности определения природы фиксируемых осложнений волнового поля и границ их зон влияния.

Прямые интерпретационные заключения о природе осложнений волнового поля в интервале малых глубин по эталонным «сейсмоизображениям» затруднительны в связи с высокочастотным диапазоном регистрации и существенной «зашумленностью» данного интервала. Повышение точности локализации и идентификации картируемых неоднородностей породного массива возможно при совместном анализе определенного набора независимых характеристик волнового поля [76].

Для волнового поля количество рассчитываемых кинематических и динамических параметров теоретически неограниченно. Большинство из них взаимозависимо и не несет отдельной информационной составляющей. Набор информативных параметров для конкретных типов неоднородностей индивидуален и требует дополнительных исследований в каждом конкретном случае. Атрибуты волнового поля, выступающие поисковыми

сейсморазведочными признаками, с различной контрастностью могут объединяться в единый комплексный параметр. В зависимости от информативности каждый атрибут должен вносить конкретный вклад в объединенное значение комплексного параметра, что формирует физическое обоснование интерпретационного заключения о природе фиксируемых осложнений волнового поля и повышает точность их картирования.

Цель работы является разработка методики идентификации локальных неоднородностей соляной толщи по комплексу независимых параметров результирующего волнового поля малоглубинной сейсморазведки.

Задачи исследований:

1. Создание детальных сейсмогеологических моделей для основных типов структурно-литологических неоднородностей, влияющих на безопасность разработки калийной залежи и связанных с ними критических техногенных осложнений строения и свойств породного массива.

2. Обоснование набора интерпретационных параметров сейсмического волнового поля для локализации природных и техногенных неоднородностей соляной толщи.

3. Обоснование процедуры распознавания конкретных типов природных и техногенных неоднородностей породного массива в рамках сформированного набора атрибутов волнового поля.

4. Разработка методики комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки.

5. Практическое опробование методики интерпретации на различных природных и техногенных объектах как в режиме локализации, так и мониторинга.

Научная новизна работы:

1. Установлена наибольшая информативность динамических параметров: амплитуды, частоты, отношения сигнал/шум для сейсмогеологических условий калийной залежи пластового типа при выявлении горно-геологических неоднородностей в высокочастотном поле упругих волн.

2. Получены идентификационные сочетания атрибутов поля отраженных волн продольного типа для конкретных типов горно-геологических неоднородностей природного и техногенного происхождения.

3. Сформирована поэтапная детальная сейсмогеологическая модель процесса формирования купольной полости при затоплении соляного рудника.

4. Разработан на основе решения прямой задачи малоглубинной сейсморазведки механизм количественной оценки информативности отдельных атрибутов волнового поля при выявлении и идентификации природных и техногенных неоднородностей соляного массива.

Практическая значимость результатов исследований.

1. Детальные сейсмогеологические модели основных типов неоднородностей соляной толщи составляют информационную базу этапа интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки.

2. Методика комплексной интерпретаций данных малоглубинной сейсморазведки с использованием количественной оценки для составляющих волнового поля позволяет формализовать процесс определения природы осложнений волнового поля.

3. Представленные интерпретационные технологии внедрены в практику наземных и шахтных сейсморазведочных исследований на Верхнекамском месторождении калийных и магниевых солей, реализуемых на различных стадиях производства горных работ.

Методы исследований включали: построение сейсмогеологических моделей локальных природных и техногенных неоднородностей водозащитной толщи, решение прямых задач сейсморазведки для данных моделей, разработку методики локализации изучаемых неоднородностей, практическое опробование

методики на реальных материалах наземных и шахтных сейсморазведочных исследований, оценку достоверности результатов применения методики по данным прямого геологоразведочного опробования.

Личный вклад автора заключается:

1.в разработке моделей изучаемых неоднородностей;

2.в решении прямой задачи сейсморазведки для сформированных моделей;

3.в разработке интерпретационной методики идентификации и локализации локальных природных и техногенных неоднородностей водозащитной толщи по данным малоглубинной и шахтной сейсморазведки;

4.в опробовании методики на реальных объектах.

Основные защищаемые положения:

1. Осложнения волнового поля в пределах калийной залежи максимально полно описываются конкретным комплексом следующих параметров: эффективная скорость распространения упругих волн, частота, амплитуда и отношение сигнал/шум.

2. Идентификационные сочетания атрибутов волнового поля для горнотехнических неоднородностей водозащитной толщи и калийной залежи заключаются в понижении значений амплитуды, частоты, эффективной скорости, отношения сигнал/шум, а для геологических - носит знакопеременный характер, который зависит от строения изучаемых объектов.

3. Методика комплексной интерпретации волнового поля заключающаяся в: формирован™ априорной интерпретационной гипотезы о природе выявленного осложнения волнового поля, подборе алгоритмов идентификационных процедур, уточнении границ локальной неоднородности на основании учета информативности отдельных составляющих в процедуре распознавания, прогнозной количественной оценке по результатам скоростного анализа возможных негативных изменений физико-механических свойств.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основываются на значительном объеме сейсморазведочной и геологоразведочной информации, проанализированной при интерпретации результатов обработки

сейсморазведочных данных, подтверждаются результатами бурения геологоразведочных скважин и проходки горных выработок на участках локализации картируемых неоднородностей геологического разреза.

Диссертация отражает результаты исследований, выполненных с 2003 по 2012 гг. по госбюджетной и договорной тематике в ГИ УрО РАН.

Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались на различного уровня конференциях и семинарах: «Уральская молодёжная научная школа по геофизике» (г. Пермь, 2005, 2006), международный научный симпозиум «Неделя горняка» (Москва, 2007), международная научно-практическая конференция «Геофизика-2007» (Санкт-Петербург, 2007); 70 EAGE conference & Exhibition (Рим, 2008); международная Научно-Практическая конференция «Геомодель 2010» (Геленджик, 2010); научные сессии Горного института УрО РАН с 2006 по 2012 годы. В 2011 году поддержан грант научных проектов (11-5-НП-414) молодых учёных и аспирантов УрО РАН на тему «Разработка аппарата комплексной интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки для решения горно-геологических задач». В 2012 году проект «Информационное обеспечение полномасштабного изучения интерференционных полей разнородных упругих волн на подрабатываемых территориях» (12-05-31102) получил финансовую поддержку в системе РФФИ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и изложена на 139 страницах, включая 62 иллюстраций, 12 таблиц и список использованных литературных источников из 126 наименований. Плодотворной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег.

Глава 1. ЛОКАЛИЗАЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИНТЕРВАЛА МАЛЫХ ГЛУБИН ПОРОДНОГО МАССИВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕШЕНИЕ ГОРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Верхнекамское месторождение калийных солей, открытое П.И. Преображенским в 1925 году, долгое время оставалось самым крупным калийным месторождением мира, а в настоящее время является единственным эксплуатируемым калийным месторождением России. ВКМС расположено в

центральной части Соликамской впадины Предуральского прогиба (рис. 1.1).

Разработка калийных месторождений обладает спецификой, определяемой как свойствами солей, так и свойствами перекрывающих пород, характеризуемых как породы водозащитной толщи [22, 40]. Эта специфика заключается, прежде всего, в растворимости соляных отложений, что обуславливает специальные требования к применению на этих месторождениях соответствующих систем разработки и способов управления горным давлением с целью сохранности непроницаемости водозащитной толщи. [33,35,47,108,].

Соляная толща месторождения (рис. 1.2) является составной частью отложений иренского горизонта кунгурского яруса нижней перми. Снизу она подстилается породами глинисто-доломито-ангидритовой толщи. Сверху соляная толща перекрывается соляно-мергельной толщей (СМТ). Нижняя часть (40-50м) соляно-мергельной толщи

Рис.. 1 . Структурно-тектоническое положение Соликамской впадины [11]

1 - границы Предуралъсхого краевого прогиба: 2 - границы седловин и впадин (КС -Колвкнская седловина. Сол В - Соликамская впадина. КЧС - Косьвинско- Чусовская седловина. СылВ - Сылвенская впадина): 3 - региональные разломы: Красноуфим-скии (I). Западно-Уральский (П), Предти-манский (III). Дуринский (IV). Боровицкий (V); 4 - площади распространения соляной толщи (а) и калийной залежи ВКМС (б): 5 -линия геологического разреза.

Рис. 1.1. Структурно-тектоническое положение Соликамской впадины

представлена чередованием пластов каменной соли и мергелей и носит название переходной пачки (ПП).

Соляная толща подразделяется на подстилающую каменную соль, сильвинитовую и карналлитовую зоны и покровную каменную соль.

Подстилающая каменная соль представляет (ПдКС) собой мощную (до 400м) однородную пачку с пластами глинисто-карбонатно-ангидритовых пород в ее нижней части. В верхней части подстилающей каменной соли имеется один пласт глинисто-карбонатно-ангидритовой породы

средней мощностью 2 м, в практике именуемый «маркирующей глиной» (МГ).

Сильвинитовая зона (СЗ) состоит из четырех сильвинитовых пластов (снизу-вверх): Красный III (KpIII), Красный II (КрП), Красный I (Kpl) и А. Представлены чередованием сильвинита и каменной соли.

Карналлитовая зона (КЗ) слагается пластами калийно-магниевых солей, чередующихся с пластами каменной соли. В зоне выделяется 9 основных пластов, которые индексируются буквами от Б до К (снизу вверх).

Покровная каменная соль (ПКС) венчает разрез соляной толщи и имеет среднюю мощность около 20м, но отсутствует на сводах некоторых соляных поднятий. ПКС перекрывают породы СМТ, терригенно-карбонатной толщи (ТКТ) и пестроцветной толщи (ПЦТ) [35].

Водозащитная толща (ВЗТ) представляет собой безводную и водонепроницаемую часть геологического разреза, расположенную между

кровлей верхнего отрабатываемого пласта и кровлей первого (сверху) пласта каменной соли.

ВЗТ по строению делится на три части: нижнюю (ВЗТ1), представленную чередованием пластов калийно-магниевых солей с разделяющими их каменной солью, среднюю (ВЗТ2) - покровной каменной солью и верхнюю (ВЗТз) -ритмично чередующимися между собой пластами мергелей и каменной соли. В ВЗТз количество ритмопачек (мергель + соль) варьирует в пределах 1-9. Наличие ВЗТ], ВЗТ2 и ВЗТз в геологическом разрезе определяет мощность ВЗТ и является классификационным признаком строения ВЗТ, позволяющим выделять полный (ВЗТ1+ВЗТ2+ВЗТ3), неполный (ВЗТ1+О+О) и переходный между ними (ВЗТ1+ВЗТ2+О) типы разрезов (рис. 1.3).

Переходный тип разреза ВЗТ относится к аномальным особенностям П-й группы только в том случае, если в ВЗТ1 развиты гипергенные сильвиниты в пласте Е и ниже. Аномальность состояния пород ВЗТ определяется развитием (Джиноридзе Н.М., 2002):

• динамических разновидностей каменной соли в ВЗТ2 и ВЗТ3;

• расслоения пород ВЗТ ь

• газонасыщенности пород ВЗТь

• открытых трещин;

• флексурных складок;

• разрывных дислокаций;

• зон разубоживания/замещения (Р/3);

• наличием геофизических аномалий;

• расслоения глинисто-мергелистых пород ВЗТ3.

Неполный тип разреза ВЗТ относится к аномальным особенностям. Все аномальные особенности строения и состояния пород ВЗТ образуют аномальные зоны ВЗТ, которые разделяются на четыре группы в соответствии с уровнем их значимости по степени опасности подработки ВЗТ. При этом первые три (I.11,111) группы выделяются по степени опасности возможного проникновения надсолевых вод в горные выработки (имевшего место на БКПРУ-3 ОАО "Уралкалий"),

четвертая (IV) группа - по степени опасности внезапного обрушения м