Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Малоглубинная сейморазведка МОГТ для прогноза техногенных изменений напряженного состояния соляного массива

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Малоглубинная сейморазведка МОГТ для прогноза техногенных изменений напряженного состояния соляного массива"

'••Лч

#

NN

«V

На правах рукописи•

СЕМЕРИКОВА Ирина Ивановна

МАЛОГЛУБИННАЯ СЕЙСМОРАЗВЕДКА МОГТ ДЛЯ ПРОГНОЗА ТЕХНОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СОЛЯНОГО МАССИВА

Специальность 04.00.12 - Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 1997

Работа выполнена в Горном институте Уральского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук И. А. Санфиров.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. А. Силаев (г. Пермь, Кам НИИКИГС);

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Б. А. Спасский

(г. Пермь, государственный университет).

Ведущая организация: ОАО "Удмуртгеофизика", г. Ижевск

Защита состоится" дв/СЛ^/М 1997 в '^часов

на заседании диссертационногсг совета Д 063.59.02 при Пермском государственном университете по адресу 614600, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан " 6 " //¿Р^фд 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд.геол.-мин.наук, доце:

А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основным условием безопасного и эффективного ведения горных работ является сбалансированный учет факторов, комплексно влияющих на устойчивость выработок: конкретные геологические условия района, горно-технические параметры системы разработки. Контроль их соответствия и взаимодействия осуществляется прежде всего по данным об изменении напряженно-деформированного состояния (НДС) пород.

Сложные горно-геологические условия подземной добычи полезных ископаемых при значительных площадях выработанного пространства определяют необходимость и актуальность применения геофизических методов для решения этой важной задачи.

Возможность изучения НДС массива в натурных условиях на различных масштабных уровнях, что имеет исключительно важное значение в геомеханике, - главное преимущество геофизических методов. Из всего многообразия геофизических методов наиболее точную информацию о НДС дают сейсмоакустические ( Ю. В. Ризниченко, В. И. Мячкин, А. И. Савич, 3. Г. Ященко, 0. И. Силаева, И. С. Ямщиков, В. Н. Никитин, Ф. М. Ляховиц-кий и др). Однако практическое распространение пока получили лишь шахтные и скважинные варианты сейсмоакустических исследований. Эти методы имеют ограниченное применение на месторождениях водорастворимых руд, где бурение специальных скважин и шпуров затруднено в связи с мерами по охране рудников от затопления.

В подобной ситуации совершенствование системы обеспечения безопасных условий горных работ непосредственно связано с созданием и внедрением новых геофизических технологий, позволяющих получать необходимую информацию независимо от горно-технических условий. Такими возможностями обладает поверхностная невзрывная малоглубинная сейсморазведка высокого разрешения по методике общей глубинной точки (НМСВР МОГТ) (Санфиров И. А. ,1996). Геологическая эффективность НМСВР МОГТ подтверждается многочисленными практическими результатами. В то же время задача извлечения информации о НДС из волновых полей, зарегистрированных та поверхности, требует новых подходов и методов интерпретации.

Целью работы является разработка методов интерпретации данных ма-гсоглубинной сейсморазведки для создания систем контроля техногенных изменений напряженного состояния соляного массива.

Для достижения цели поставлены задачи:

1. Обоснование применения наземной сейсморазведки в условиях Верх-^екамского месторождения калийных солей (ВКМКС) при изучении техногенных полей напряжений.

2. Сравнительный анализ влияний техногенного и природного факторе на формирование сейсмического волнового поля.

3. Определение наиболее информативных параметров сейсмического воj нового поля, связанных с техногенными изменениями напряженного состоя ния массива.

4. Разработка методик исследований и контроля состояния разрабать ваемого соляного массива по данным наземной сейсморазведки.

Основные защищаемые положения:

1. Диагностические признаки локальных неоднородностей соляного мае сива в высокочастотном сейсмическом волновом поле, установленные г результатам решения прямых задач.

2. Методика картирования зон, ослабленных по механическим свойс твам, в соляной и надсоляной толщах, основанная на комплексной интерг ретации геолого-геофизических данных для подсолевых отложений.

3. Способ разделения эффектов геологического и техногенного факте ров в сейсмическом волновом поле, основанный на многовариантном итерг тивном решении прямой задачи сейсморазведки в комплексе с численш моделированием состояния подработанного массива.

4. Методика контроля состояния подработанного горного массива i данным режимных исследований наземной сейсморазведки МОГТ на сейсмоп омеханических полигонах.

Научная новизна работы :

1. Установлена возможность разделения влияний особенностей геолог] ческого строения и техногенных полей напряжений на формирование сей! мического волнового поля в условиях подработанного массива с помощ] сейсмо- и математического моделирования его НДС.

2. Определена форма связи между скоростью распространения сейсм! ческих волн и вертикальными напряжениями в разрабатываемом соля» массиве.

3. Установлены закономерности формирования сейсмических волнов] аномалий, связанных с комплексным взаимодействием геологических оо бенностей и параметров горных работ, применительно к разработке кали: ных рудников.

4. Получена принципиально новая информация о строении природных техногенных объектов, позволившая решить задачу локализации в масси: зон концентрации и разгрузки напряжений.

Реализация работы.

Методики и система сейсмогеомеханического мониторинга состоян

водозащитной толщи внедрены в практику разработки ВКМКС на шахтных полях ОАО "Уралкалий" и ОАО "Сильвинит". На основе методики контроля состояния массива организованы и действуют 5 полигонов режимных наблюдений на потенциально опасных участках рудников. Результаты исследований по геологической и геомеханической оценкам безопасных условий разработки используются при составлении и корректировке планов горных работ и горно-технических мероприятий по предотвращению аварийных ситуаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались с 1989 г. на различного уровня конференциях и семинарах. В их числе - региональные научно-технические совещания "Проблемы комплексного изучения водозащитной толщи на месторождениях калийных солей" (Пермь,1989; Соликамск, 1992), "Новые прогрессивные способы изучения недр Урала-путь ускоренного развития народного хозяйства региона"(Пермь, 1989); Всероссийская научно-техническая конференция "Построение физико-геологической модели и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований"(Пермь, 1993); VI Международный семинар "Горная геофизика"(Пермь, 1993), I Международный семинар "Напряжения в литосфере (глобальные, региональные, локальные) "(Москва, 1994), Всероссийская конференция " Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных работ при открытой и подземной разработке"(Екатеринбург,1994), Международный симпозиум "Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций" (Москва-Пермь,1995), Международная конференция "Геомеханика в горном деле-96" (Екатеринбург, 1996).

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений (документы о внедрении), изложена на 192 е., включая 122 с. текста, 51 иллюстрацию, 5 таблиц и список использованных источников из 144 наименований.

Диссертация отражает результаты исследований автора, проводившихся в период 1988-1996 гг. по госбюджетной и договорной тематике в Горном интитуте Уральского отделения Российской Академии наук (ГИ УрО РАН). Постановка теоретических и экспериментальных исследований по созданию и развитию новых подходов и методов интерпретации данных малоглубинной сейсморазведки МОГТ и их применение для решения ряда прикладных задач осуществлялись при непосредственном участии автора.

' Я глубоко благодарна своему руководителю д.т.н. Санфирову И. А.,

инициировавшему мой интерес к работе, за постоянное внимание к не Сердечно благодарю д.т.н. Баряха А. А. и д.г.-м.н. Кудряшева А. И. помощь при решении отдельных вопросов. Рада выразить признательное д.г.-м.н., профессору. Засл. деят. науки РФ В. М. Новоселицкому д.т.н. А. А. Маловичко за творческое общение и дискуссии. Успешной р боте над диссертацией способствовала доброжелательная обстановка поддержка моих коллег по лаборатории АСА ГИ УрО РАН Приймы Г. Ю., Ба кина А. И., Голуба Д. Г., Кузнецова А. В., а также Шумихиной А. Ю

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу современного состояния теории практики применения сейсмоакустических методов для оценки напряженно состояния массивов горных пород и обоснованию использования НМСВР МО для данной задачи в условиях вкмке.

Известно большое количество работ, посвященных теоретическим, лаб раторным и полевым исследованиям связи параметров упругих волн с на ряжениями, являющейся основой сейсмоакустических измерений для оцен НДС массива. Это работы Лява, Ю.В.Ризниченко, В.И.Мячкина, А.И.Савич

B.И.Коптева, В.Н.Никитина, З.Г.Ященко, О.И.Силаевой, H.H.Горяинов Б.Д.Куюнджича, М.П.Воларовича, А.А.Глушко, В.С.Ямщикова, Ф.М.Ляхови кого, А. А. Яланского, А. А. Огильви, П. Ф. Кочеткова, И. А. Турчанинова, И.Панина, М.М.Ильина, В.И.Павловского,Г.А.Иванова, Б.И.Берман

C.И.Рубинраута, Л.В.Шаумян, А.Нура, Л.В.Былино, В.Б.Вагина, Г.С.Вахр меева, А.Г.Дмитриева и др. Прямое теоретическое решение данной зада для горных пород затруднено в связи с многообразием реальных модел среды. Известны результаты, согласующиеся с экспериментом, лишь д частных случаев. Однако их использование, как правило, сопряжено ли с проведением специальных технически сложных экспериментов, либо введением дополнительных упругих констант, которые для горных пор практически не изучены. Чаще задачу сводят к поиску корреляционн связей эмпирическим путем для конкретных типов пород. Однако, резул таты, полученные на образцах, ни по масштабности, ни по схеме нагруж ния не отражают процесса деформации природного массива. Опыты на пол вых штампах трудоемки и охватывают лишь локальные участки массива.

В главе выполнен обзор применяемых разночастотных сейсмоакустиче ких методов. Современный уровень их развития на практике позволяет п лучать результаты лишь при проведении наблюдений во внутренних точк среды: в горных выработках, скважинах. В этой связи важны работы, которых предприняты попытки использования наземных методов.

В угольной сейсморазведке качественные изменения горизонтальных и ертикальных спектров скоростей рассматриваются в качестве признака вменения НДС в области малоамплитудных тектонических нарушений уголь-:ых пластов (И.Т.Козельский, 1990). Выбор этих характеристик волнового ¡оля представляется неудачным. Известно об их крайней неустойчивости А.К.Урупов, 1985; А. А. Маловичко, 1990). Накопленного материала назем-юго применения высокоразрешающего сейсмоэлектрического метода Е.Н.Волкова,А.Н.Камшилин,1996) явно недостаточно для разработки мето-(ов интерпретации и выявления механизмов влияния вибрационного поля на )лектрические параметры среды. В экспериментах зарубежных исследовате-юй (AL-Rawahy S.Y.S..Goutly N.R.,1995) по наблюдениям в течение 1.5 ют отмечается увеличение времени приема волны, отраженной от опорного горизонта над выработанным пространством, на 6 мс . Вместе с тем достоверная интерпретация сейсмических данных с точки зрения оценки изме-гения напряженного состояния отсутствует.

В главе выполнен анализ геологического строения осадочного чехла на территории ВКМКС. Дана его характеристика с точки зрения литологии, морфологии и физических свойств, что является основой для модельных представлений и оценки потенциальных возможностей использования НМСВР |ЮГТ для изучения НДС соляного массива. Основное внимание уделено тек-гоно-седиментационным особенностям разреза, определяющим особенности волнового поля и влияющим на характер естественного поля напряжений: эазломы регионального характера, рифы позднедевонско-турнейского воз-эаста, складки, разрывные нарушения, "зоны замещения" внутри соляной голщи. Сведения о соляной и надсоляной толщах заимствованы из известных работ Л.К.Преображенского, А.А.Иванова, С. П. Гольберт-Захаровой, Ш.Фивега, А.Е.Ходькова, П.А.Софроницкого, В.И.Копнина, Б.М.Голубева, А.И.Кудряшова, Н.М.Джиноридзе, А.И.Белоликова, Б.И.Сапегина, С.А.Филиппова и др.. Основные источники информации о строении подсоляных отложений - исследования ОАО "Пермнефтегеофизика" (В.Макаловский, Е.С.Килейко, 1982).

Геологический разрез осадочного чехла на территории ВКМКС для высокочастотной (F>60 Гц) сейсморазведки можно аппроксимировать вертикально- неоднородной слоистой средой с субгоризонтальными границами, осложненной внутренними локальными лито-фациальными неоднородностями различных форм. Данная априорная модель положена в основу геомеханической интерпретации данных НМСВР МОГТ. По результатам работ, выполненных с участием автора, получены новые, развивающие существующие,

представления о сейсмогеологической модели (И.А.Мушин,1990) соляной надсоляной толщ и ее отражении в сейсмических параметрах [2, 3. 4, 5 7, 14, 16].

Во второй главе рассмотрены вопросы геологической интерпретации вы сокочастотного сейсмического волнового поля и оценки горно-геологичес кой ситуации на этапе ее предварительного изучения.

Оценка напряженного состояния подработанного массива по сейсмичес ким данным (геомеханическая интерпретация) во многом определяется ус пешностью разделения одновременных влияний геологического строени (природная составляющая) и техногенных напряжений (техногенная состав ляющая) на регистрируемое волновое поле. На первом этапе задача сво дится к выделению и идентификации аномалий волнового поля, обусловлен ных неоднородностями геологического строения.

С целью определения диагностических признаков локальных неоднород ностей использован способ расчета синтетических сейсмограмм во времен ной области путем свертки импульсной модели среды и исходного сейсми ческого импульса. Достоинства этого способа, его эффективность и уни версальность при решении широкого класса задач сейсморазведки МОГ подтверждается целым рядом исследований (Ю. А.Бяков,1967;Г.Н.Гогонен ков, 1972; А. Г. Авербух, 1982; Мак-Куинли Р., 1984; Р. П. Савелов, 1986 В. В.Корягин,1993). Применяемая при НМСВР МОГТ методика наблюдени: (максимальная длина расстановки 200 м), глубина целевых горизонтов (д 500 м) и качество получаемого сейсмического материала позволяют н учитывать влияние поглощения, .геометрического расхождения, анизотро пии, кратных волн и использовать данный алгоритм в условиях ВКМЮ (В. А. Силаев, 1973; Л. А. Емшанов, Р. П. Савелов, Б. А. Спасский, 1972; л. А. Ем шанов, Б.А.Спасский, 1974; А.К.Урупов, 1965;С.И.Лапин, 1983; А.В.Михаль-цев, И. А. Мушин, В. М. Погожев, 1990; И. А. Санфиров, 1996).

Синтетические волновые поля получены автором [6] для сейсмогеологи-ческих моделей неоднородностей соляной толщи, представленных в работа: Н.М.Джиноридзе.

Анализ результатов показал, что отображения пликативных структур н< сейсмических разрезах существенно различаются в зависимости от угло! наклона осевых плоскостей складок, обусловливающих изменение структур! пачек пород вдоль центрального луча. В случаях почти вертикальных малоамплитудных перегибов почти не нарушается регулярность отражений, оси синфазности повторяют геометрию пластов, изменения динамичесш выразительности отражений могут быть вызваны изменениями мощносте1

олоев (В.А.Силаев,1966; А.Г.Авербух 1982) вдоль центрального луча. Для наклонных складок наблюдаются группы коротких параллельных наклонных (секущих) осей синфазности под углом к осевой поверхности складки, соответствующим углу наклона крыльев складки. Отчетливо выражены угловые несогласия этих осей с выше- и нижезалегающими горизонтами. Близкое к горизонтальному положение осевой плоскости складки обусловливает особенности волновой картины, подобные случаям литологической неоднородности: ухудшение прослеживания вплоть до полного исчезновения отражений.

С учетом достигаемого в НМСВР МОГТ частотного диапазона и особенностей проявления дизъюнктивных нарушений в пластичных породах автором составлена сейсмогеологическая модель надвига, описанного в работах Н.М.Джиноридзе. Плоскость надвига полагается гладкой в предположении того, что "зона дробления" в солях очень быстро восстанавливается в плотное состояние. В пластичных породах может происходить изгиб слоев.

Для определения общих особенностей волновых полей в используемом диапазоне частот сейсмогеологическая модель представлена толстослоистой для случая, когда амплитуда смещения соизмерима с половиной длины волны. В качестве толстых слоев приняты литологические комплексы пород, на контактах которых происходят контрастные изменения упругих свойств. Вследствие тонкослоистого строения на границе разрывного нарушения в пределах однокомплексных пород не происходит существенного изменения структуры слоя и упругих свойств. Эти особенности геологического строения приводят к слабому изменению интерференционной картины внутри слоя по обе стороны от плоскости надвига. На сейсмической записи наблюдаются скачкообразные вертикальные смещения опорных отражающих горизонтов без изменения их динамической выразительности. Локальные изменения волновой картины и динамических характеристик происходят в областях данных смещений. Горизонтальные размеры данных аномалий определяются произведением амплитуды смещения и тангенса угла наклона сместителя, вертикальные соответствуют амплитуде смещения.

Анализ формирования сейсмических образов рассматриваемых локальных геологических неоднородностей закладывает информационную базу для прогноза зон их распространения, которые могут быть ослаблены по механическим свойствам.

Нами разработана методика картирования ослабленных по механическим свойствам зон, опробованная на Новосоликамском участке [3]. Методика основана на интерпретации комплекса геофизических методов, основным из

которых является сейсморазведка, несущая информацию о подсоляны; структурных этажах ниже подошвы подстилающей каменной соли. Составлен] пространственные модели аномалий волновых полей по набору сейсмически: профилей. Анализ изменчивости волновой картины включает оценку динамики отражений, геометрии осей синфазности. Такой прием облегчает трехмерное представление сложнопостроенных структур и трассирование предполагаемых тектонических нарушений. Вероятность их наличия оцениваете: с привлечением дополнительных геолого-геофизических материалов.

На основании представленной методики на Новосоликамском участке нами выявлен блоковый характер строения подсоляного ложа и составлен, схема его вероятных тектонических нарушений . Два блока классифицированы как грабенообразные прогибы и семь - как горстовидные поднятия, выделены также два отдельных нарушения типа сброса. По данным буреню и в горных выработках в соляных пластах отмечается: совпадение в плат зоны замещения с предполагаемой тектонической формой типа горста; приуроченность зон трещиноватости к границам тектонических элементов, I основном к узлам сопряжения - областям пересечения меридиональных I широтных границ блоков ; коррелируемость областей повышенной газодинамической активности, очевидно указывающих на наличие каналов миграцш газов (пустоты, трещины), так же с узлами сопряжения.

На данной площади применен геоструктурный анализ, позволяющий получить предположительную информацию о времени образования тектонических нарушений. Исследовались изменения мощности различных соляных I надсоляных лито-фациальных комплексов, удовлетворяющих условию компенсированного прогибания, в зависимости от глубины реперного горизонта. При изменении тектонического режима происходит закономерное изменение мощности с глубиной, причем интенсивность вертикальных движений мота в первом приближении оценить по градиенту. Неравномерное блоковое опускание дна установлено для периодов отложения покровной каменно$ соли и надсоляной толщи, наиболее активен последний этап. Эти закономерности отражают тектоническую активность в районе Предуральскогс краевого прогиба при завершении, герцинского тектонического этапг (В.М.Новоселицкий, В.М.Проворов,1985).

Прослеживаемость ряда нарушений вглубь по отражающим горизонта* вплоть до кыновских отложений и наличие рифов позднедевонского возраста подтверждают возможность движений по ранее образованным плоскостяь скольжения (М.Ф.Мирчинк, 1976; Г.А.Максимович, В.Н.Быков,1978).

Учитывая нестабильность тектонического режима в позднепермское вре-

ия и унаследованность тектонических элементов, нами выдвинуто предположение, что области вероятных нарушений отражающего горизонта в по-зошве подстилающей каменной соли могут являться индикаторами ослаблении по механическим свойствам зон в соляной и надсоляной толщах. Считаем возможным, на основе представленной методики, уточнение геологи-геского строения соляных и надсоляных толщ на этапе предварительного лучения горно-геологической ситуации. Подобный подход позволяет полу-•шть схему распределения ослабленных зон и в пределах всего месторождения [12].

Существенное влияние на структуру, кинематические и динамические особенности волнового поля оказывает строение осадочных толщ выше целевых горизонтов (В. А. Силаев, 1981; С. А. Шихов, 1982; Б. А. Спасский, 1990; 1.Ю.Митюнина,1995). Надсоляной комплекс характеризуется резкой литофа-дальяой изменчивостью тонкослоистого разреза. Для подобных ситуаций втором реализован подход, базирующийся на применении анализа динами-4еских характеристик сейсмических волн (амплитуды, частоты) для построения модели в первом приближении и корректировки интерпретационных зыводов на базе итеративного сейсмомоделирования. Например, на Унь-зинском участке в надсоляной толще выделена неоднородность в виде линзы глин протяженностью до 600 м и мощностью до 8 м [1]..

В третьей главе построены априорные сейсмические модели зон влияния г'орных выработок; выполнен анализ волновых полей в подобных условиях; показано, что они отражают техногенные изменения напряженного еостоя-шя пород; предложен способ разделения воздействий геологических и техногенных факторов на сейсмическое волновое поле; установлено, что 1аиболее чувствительны к изменению напряженного состояния массива являются скоростные параметры; проведены исследования зависимости между шми и геомеханическими параметрами.

Размеры зоны влияния одиночной выработки (области измененных напря-кений по сравнению с действовавшими в нетронутом массиве) по данным "еомеханических исследований составляют 5-6 ее.радиусов. Влияние системы выработок распространяется на значительно большие области масси-за. Нередко процессы деформирования и разрушения охватывают всю толщу зышелекащих пород вплоть до дневной поверхности. На рудниках ВКМКС збычно используется камерная система разработки на 2-3 уровнях с шириной камеры 5- 15 м, вынимаемой мощностью 4- 8 м.

Для оценки потенциальных возможностей малоглубинной сейсморазведки эассчитаны предельные размеры зон, в которых измененные напряжения

должны оказывать значительное воздействие на параметры сейсмически волн, определяемые разрешенностью записи. Учитывая лабораторные данны об изменении скорости продольных волн в солях под нагрузкой (Воларо вич, 1986), для преобладающей частоты сейсмических наблюдений в 60-10 Гц, достигаемой в НМСВР МОГТ, эти размеры зон составляют 43-140 м Вместе с тем, вполне вероятны большие изменения скорости, вследстви слоистой структуры соляных пород в условиях естественного залегания Следовательно, детальность изучения НДС становится выше.

При одном и том же изменении давления упругие характеристики в раз ных породах меняются по-разному. В связи с этим, в реальных тонкосло истых пачках, можно ожидать изменений акустической контрастности прос лоев в зонах концентрации и разгрузки напряжений, и, как следствие изменения интерференционной волновой картины. Таким образом, аномали волнового поля, обусловленные особенностями характера поля техногенны напряжений, можно отождествлять с аномальными телами во вмещающих по родах. В отличие от литологических неодкородностей, внутри которых ве щество принято считать однородным, в таких телах вследствие ослаблени техногенных изменений напряжений с удалением от выработки могут при сутствовать вертикальный и горизонтальный градиенты упругих парамет ров. В краевой зоне вероятно их совместное проявление, что может слу жить одним из признаков техногенного происхождения аномалии волновог поля. Учитывая локальные граничные размеры техногенных неоднородное тей, возможно лучевое приближение при их изучении.

Исходя из данных предпосылок, автором выполнено разделение влияни особенностей геологического строения и поля техногенных напряжений н формирование волнового поля с помощью сейсмомоделирования [8].

Нашими практическими исследованиями [7, 8, 17] установлено, чт наблюдающиеся резкие аномалии волнового поля в соляной толще над крае вой зоной и зоной полной подработки в окрестностях- целиков, соизмери мых с 1/3-1/5 диаметра зоны Френеля (Б.Р.Завалишин,1975), обусловлен особенностями распределения компонент поля техногенных напряжений Аномалии выражаются в изменении как динамических, так и кинематически параметров. Над краевой зоной отмечается повышение частотного состава Над зоной полной подработки снижается интенсивность сейсмических коле баний. Здесь же установлено наличие коррелируемых локальных отрица тельных аномалий интегральных динамических характеристик: когерентное ти, отношения сигнал/помеха, стабильности волновой формы.

Наиболее чувствительными к техногенным изменениям напряженного сос

ояния являются кинематические параметры и производные от них величи-ы. В соляной толще пород над неотработанными участками промышленных ластов отмечаются области уменьшения времен отражающих горизонтов, а ад отработанными участками - увеличения. Изменения времен отражающих оризонтов достигает 25 мс при видимом периоде 10-17 мс. По результа-ам скоростного анализа материалов ОГТ в краевой зоне над выработанным ространством выявлены локальные отрицательные аномалии интервальных коростей, а над невыработанным - положительные. Изменение интерваль-ых скоростей, обусловленное пространственной изменчивостью компонент оля напряжений, по результатам сейсмомоделирования для краевой зоны и оны полной подработки достигает 25-40%. Это превышает фактическую реднеквадратическую ошибку их определения (А.А.Маловичко, 1990) в .5-2 раза.

Для построения согласованной эффективной физико-геологической моде-и (Г.С.Вахромеев,1989) массива автором предлагается комплексная ин-ерпретация сейсмических данных и-результатов крупномасштабного мате-атического моделирования (А.Б.Барях, 1993) геомеханических процессов 15].

Совместное использование сейсмомоделирования и математического мо-елирования НДС массива можно рассматривать как способ, позволяющий ценить роль природного и техногенного факторов в формировании волно-ого поля. Данный подход положен в основу геомеханической интерпрета-ии сейсмических данных.

В качестве теоретического обоснования этого способа служат резуль-аты наших исследований связи между сейсмическими и геомеханическими араметрами [9, И]. Оптимальной рабочей зависимостью "сейсмическая арактеристика - параметр напряженного состояния" является " интер-альный скоростной параметр (РУ) - вертикальная компонента тензора апряжений (бу)". Параметр РУ определяется как нормированное значение-нтервальной скорости распространения продольных волн Уи к среднему на частках нетронутого массива Уи0: РУ=Уи/Уи0. Величину бу, нормирован-ую на геостатическую составляющую уН ('¡[-удельный вес пород, Н-глуби-а). получают в результате геомеханических расчетов, зависимость У=Г(бу) не требует предварительного проведения тарировочных измерений а образцах, тем самым исключаются ошибки за некорректный перенос ре-ультатов измерений в натурные условия. Для соляного интервала данную ависимость на всех рассмотренных объектах можно аппроксимировать с омощью уравнений линейной регрессии: РУ=а+Ь'бу. Линейный характер

связи в отличие от известных нелинейных, очевидно, обусловлен часто' ным диапазоном исследований и малым изменением напряжений.

Для оценки интенсивности изменения упругих характеристик в отдел1 ных интервалах разреза используется параметр РУ. Скоростные аномалш разделяются на природные и техногенные путем сопоставления с геомехг ническими расчетами вертикальной компоненты тензора напряжений (бу). отдельных интервалах разреза оценивается соответствие характеров рас1 ределений РУ и бу вдоль профиля установленной между ними прямой зав! симости . Для участков профиля, где очевидна корреляция кривых распре деления данных параметров, справедлив вывод о техногенной природе скс ростных аномалий. Вывод о чистом влиянии геологической неоднородное] на РУ делается для участков, где значения бу соответствуют естестве} ным. О смешенном влиянии можно говорить там, где корреляция нарушенг Пространственный анализ распределения скоростного параметра на эта участках позволяет выявить и локализовать геологические и техногеннь неоднородности, пропущенные при интерпретации сейсмических данных геомеханических расчетах. Результаты пространственного анализа испол! зуются при итерационном процессе построения эффективной согласование физико-геологической.модели.

Кроме того, по тесноте связи РУ-бу в общем случае выделяются облас ти массива, пространственно приуроченные к краевой зоне и зоне полне подработки. . Они различаются не только диапазоном изменения бу, но модулем горизонтального grad бу. Нами получено уравнение, обобщающе зависимость интервального скоростного параметра от вертикального наг ряжения с учетом его градиента:

РУ= а+Ь-И , (1)

где к = - /(61 + б!+1)2 + к (б! - 61+1)2 , (2)

2

61-значение вертикального напряжения, соответствующее 1-му* сейсмичес кому пикету, к-эмпирический коэффициент. При к=80 значение коэффициек та корреляции достигает 0.85. На основании (1) возможен прямой прогне распределения напряжений в массиве. По результатам сейсмических рабе определяется скорость в нетронутом массиве Уи0 на пикете 1=1. Напряже ние, соответствующее ей, принимается равным геостатической составляю щей Далее на основании (1) по измеренным Уи в подработанном масси ве прогнозируются значения б1+1.

В четвертой главе изложены основные принципы системы сейсмогеомеха

нического мониторинга состояния пород, методика режимных комплексных сейсмических и геомеханических исследований и результаты ее применения.

Согласованность закономерностей изменения скоростей сейсмических волн и вертикальных напряжений служит теоретической основой разработанной нами системы сейсмогеомеханического мониторинга [13, 14, 15].

Целью мониторинга является геомеханическая оценка состояния соляных отложений выше промышленных пластов - водозащитной толщи, на потенциально опасных участках шахтного поля в процессе ведения горных работ и после их завершения. При его реализации выполняется поэтапный, соответствующий динамике очистных работ, анализ техногенных изменений состояния разрабатываемого массива [10, 13].

На первом этапе по сети контрольных профилей проводятся наземные сейсмические исследования для уточнения геологического строения массива. Для полученной сейсмогеологической модели выполняется математическое моделирование НДС массива, которое позволяет количественно определить изменение уровня действующих напряжений и провести критериальную оценку процесса трещинообразования в слоях пород.

Для построения согласованной физико-геологической модели массива проводится совместная интерпретация результатов сейсморазведки и геомеханических расчетов, базирующаяся на предложенном способе разделения эффектов геологического и техногенного факторов. Данная модель отражает пространственное распределение особенностей геологического строения, сейсмических и геомеханических параметров среды, которые в совокупности формируют представления о процессах, происходящих в разрабатываемом массиве. При ее построении учитывается, что уменьшение скоростей в пределах рассчитанных зон опорного горного давления, является одним из "индикаторов" процесса разрушения массива под воздействием его разработки. На основе данной модели выполняется прогнозное математическое моделирование состояния массива на следующий этап горных работ.

На последующих этапах проводятся сейсмические наблюдения с целью фактической оценки изменения распределения горного давления. Данная информация позволяет скорректировать математическую модель деформирования массива. Кроме того, результаты прогнозных геомеханических расчетов позволяют выявить наиболее опасные, с точки зрения трещинообразования. зоны, требующие дополнительных сейсмических исследований.

По разновременным наблюдениям с большей достоверностью определяется

воздействие горных работ на выявленные геологические неоднородное^ При сопоставлении временных разрезов выделяются участки различий дин< мических и кинематических характеристик. На основании структурш построений, выполняемых по результатам периодических сейсмических на( людений, оценивается влияние горных работ на сейсмические характер» тики. Этим фактором вызваны те изменения кинематических параметро! которые остаются после согласования разновременных построений. Знач! мость данных изменений определяется на основе количественных оцен< параметров ДРУ=РУ3-РУ3-1 и Абу=бу3- бу(Л-1) (¿"-порядковый номер эта! сейсмических наблюдений) в отдельных интервалах разреза, в котор! разность вертикальных напряжений усредняется [13]. Участки увеличен! и уменьшения РУ(х) соответствуют зонам увеличения и ослабления напрз жений за период между наблюдениями. Области либо несовпадения граш этих зон, выделенных сейсморазведкой и геомеханическими расчетами, Л1 бо несоответствия интенсивностей изменений РУ(х) и бу(х) на участке резких различий волновых картин временных разрезов подвергаются де тальному анализу. На основе полученных результатов составляются реке мендации по обеспечению безопасности горных работ.

На основе данной методики режимные сейсмогеомеханические исследовЕ ния проводятся нами в пределах ВКМКС на 5 полигонах. Один из них рас положен в районе крупной зоны замещения, с которой связаны существе{ ные изменения параметров горных работ. В связи с этим потребовалас уточненная геомеханическая оценка условий водонепроницаемости перекр! вающих выработки отложений. На рис.1 представлены результаты сейсмоге омеханических исследований за период 1993-1995 гг.. Положения зон ш центрации (разгрузки) напряжений, закартированных по данным сейсмора; ведки, практически совпадают с расчетными по всем интервалам разре; для периода 1993-94 гг.. Расхождение на востоке профиля связано с нез четом в геомеханических расчетах зоны замещения на пласте В. Трехлет ние мониторинговые исследования не обнаружили аномальных техногеннь изменений в состоянии вышележащих'толщ, связанных с разрушением их пс род. В тоже время следует отметить, что область максимального увеличс ния скоростей на участке 180-340 м, как и максимальная пригрузка бу 1994 г., коррелируется в плане с зоной аварийного обрушения поро; происшедшего 5 января 1995 г. в 400 м севернее (1-2 СВП СКРУ-2). С} щественное увеличение скоростей к лету 1995 г на участке незначител! ной пригрузки бу возникло вследствие влияния данной зоны аварийно1 обрушения, которая в расчетной геомеханической схеме не учитывалась.

Рис. 1. Сопоставление геомеханических расчетов и сейсмических измерений изменения состояния массива за периоды 1993-94 (а), 1994-95 (б) гг..

I-1 I 1 И I 1 III ЬУ - I !V v

кривые разности напряжений, полученные по геомеханическим расчетам: I- Д<гу = Oy 1994 - ov 1993, II- Доу=ау1995-а„1994; зоны по данным сейсморазведки: III -пригрузки: IV - разгрузки: V - незначимых изменений; для интервалов разреза: 1 - Е - ПлКС., 2 - Е - В, 3 - ПКС - В.

На другом полигоне отличие горно-технических условий от предыдущего ¡вязано с применением системы разработки, обеспечивающей поддержание юдозащитной толщи на податливых целиках, что определило повышенные 1еформации ее слоев. Мониторинговыми исследованиями зафиксировано раз-¡итие зон техногенной нарушенности в кровле и почве отрабатываемых шастов, разрушение междукамерных целиков и перераспределение нагрузок ia целики в краевой зоне. Зарегистрированы техногенные изменения сос-:ояния пород карналлитовой зоны, связанные с процессом их разрушения юд воздействием горных работ. Отмечается увеличение нарушенности в гределах выявленной природной ослабленной зоны в надсоляной толще и ее )асширение по латерали под влиянием очистных работ.

На основе полученных результатов выполнена прогнозная геомеханичес-сая оценка условий подработки, показавшая, что при сохранении прежних :емпов ведения и параметров системы разработки ситуация в пределах 1анной площади шахтного поля будет ухудшаться. Для обеспечения гаран-'ий безопасности рекомендовано: на участке развития ослабленных зон в юляной толще, изменить параметры системы разработки и увеличить опе-южение очистных работ по пласту АБ до 100-120 метров; для уточнения

границ природных ослабленных зон в надсоляной толще выполнить допо. нительные сейсмические работы в пределах полигона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Получены признаки локальных неоднородностей соляных отложений высокочастотном сейсмическом волновом поле, позволяющие идентифицир< вать тип неоднородности. Для выявления особенностей строения надсол ной толщи предложена методика, основанная на применении динамическо] анализа волнового поля с корректировкой интерпретационных выводов i базе итеративного сейсмомоделирования.

2. На территории Новосоликамского участка на основе методики карт! рования ослабленных по механическим свойствам зон в соляной толще Bt явлен блоковый характер строения подсоляного ложа и составлена exet его вероятных тектонических нарушений.

3. На основе способа разделения воздействий техногенного и приро; ного факторов на параметры сейсмического волнового поля разработа* методика геомеханической интерпретации. Она позволяет получить эффе{ тивную согласованную физико-геологическую модель разрабатываемого мае сива, отражающую особенности геологического строения, сейсмических геомеханических характеристик среды.

4. Установлена обобщенная линейная регрессионная зависимость et ростного параметра от величины и характера распределения вертикальш напряжений. Выявлено влияние модуля горизонтального grad бу на тесно1; связи. Построено уравнение, учитывающее это влияние и позволяющее оце нить действующие напряжения по данным сейсморазведки МОГТ.

5. Закономерности изменения упругих параметров, измеряемых в сейс мическом диапазоне частот, обусловленные особенностями напряженно-де формированного состояния подработанного массива, являются необходимо информацией для изучения основных -закономерностей формирования разнс масштабных полей напряжений в пространстве и во времени.

6. На основе разработанной методики контроля состояния массива со< дан сейсмогеомеханический мониторинговый комплекс, организованы действует полигоны режимных наблюдений на потенциально опасных учас! ках рудников СКРУ-2 и БКРУ-2. Включение данного комплекса в cncTet защиты калийных рудников от затопления открывает перспективу nepexoz на качественно новый уровень геомеханического обеспечения безопасное горных работ.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Расчленение соляной и надсоляной толщ Верхнекамского месторожде-ия на основе динамического анализа и итеративного моделирования сейс-ических полей// Новые прогрессивные способы изучения недр Урала -уть ускоренного развития народного хозяйства региона: ез.докл.Per.совещания. Пермь, 1989. С.95 (соавтор Маловичко А. А.)

2. Особенности изучения сейсмического волнового поля на Верхнекамс-ом месторождении калийных солей//Геология и полезные ископаемые Ура-а: Тез.докл. X Уральской конф. молодых геологов и геофизиков. Сверд-овск, 1989. С.22(соавторы Санфиров И.А., Казаченко А.В.,Сапожников Л. В.)

3. Изучение особенностей геологического строения Верхнекамского эсторождения калийных солей по данным сейсморазведки МОГТ// Проблемы омплексного изучения водозащитной толщи на месторождениях калийных элей: Тез. докл. per. сов., Пермь, 1989. С. 17-18.(соавторы Маловичко .А.. Санфиров И.А.. Казаченко А.В., Сапожников Л.В., Кузнецов А.В.)

4. Прогноз особенностей строения соленосного разреза на основе эйсмомоделирования // Комплексное освоение недр Западного Урала, зердловск, 1989. С. 42-50. (соавторы Санфиров И.А., Щербинина Г.П.)

5. Выявление связей петрофизических параметров соленосной части 1зреза в целях сейсмомоделирования// Совершенствование методов поис-зв, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений: Тез. зкл. науч.-техн. конф. Пермь, 1989. С. 40. (соавтор Санфиров И. А.)

6. Отображение в сейсмических волновых полях геологических моделей 1зрывно-складчатых зон на Верхнекамском месторождении калийных со-Ш// Построение физико-геологической модели и системный подход при ^толковании результатов геофизических исследований: Тез. докл. Все-эс. науч.-техн. конф. Пермь, 1993. С. 13-14(соавтор Санфиров И. А.)

7. Возможности сейсмических методов исследований в условиях Верх-жамского месторождения калийных солей// Горная геофизика. VI Между-ip.семинар, 7-9 июля 1993. Пермь, 1993. С. 98-99.(соавторы Санфиров А., Кузнецов А. В., Голуб Д. г., Сальников А. П).

8. Возможности малоглубинной сейсморазведки МОГТ для контроля сос-)яния горного массива в зонах интенсивного техногенного воздействия 1 геологическую среду.// Экологическая безопасность зон градопромыш-;нных агломераций Западного Урала: Тез.докл. семинара/ Перм. ун-т. ;рмь, 1993. С. 66-67. (соавтор Санфиров И. А.).

9. Взаимосвязь сейсмических и геомеханических параметров в услови-[ интенсивного извлечения минерального сырья// Прогнозирование и мешка геолого-геофизических исследований месторождений полезных иско-

паемых на Западном Урале:* Тез. докл. научн. конф. Перм. ун-т. Пер! 1994. С. 71-72. (соавтор Санфиров И. А.).

10. Сейсмогеомеханический мониторинг напряженно-деформированш состояния соляного массива//Управление напряженно-деформированным et тоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке м( торождений полезных ископаемых: Тез. докл. Всерос. конф. Екатеринбу! 1994. С. 115-116. (соавторы Барях A.A., Санфиров И.А., Шумихина А.Ю.).

И. Связь техногенной, изменчивости напряженно-деформированного сс тояния с кинематическими характеристиками упругих волн, зарегистрщ ванных на поверхности//Напряжения в литосфере (глобальные, peraoHaj ные, локальные). Тез. докл: I Мевдуна. семинара. М., издание ИГиРГ 1994. С. 164-165.( соавторы Санфиров И. А.. Шумихина А. Ю.) .

12. Прогноз изменения напряженно-деформированного состояния осадс ного чехла над рифогенными поднятиями//Напряжения в литосфере (г; бальные, региональные, локальные).Тез.докл.I Междун. семинара. К 1994. С. 14-15. (соавторы Барях А. А., Еремина Н. А., Санфиров И. А.).

13. Режимные наземные сейсморазведочные и геомеханические исслед вания напряженно-деформированного состояния подработанного массива Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископа мых в зонах градопромышленных агломераций: Тез. докл. Междунар. симп зиума SPM-95. Пермь, 1995. С. 120-121. (соавторы Санфиров И. А., Бар А. А., Шумихина А. Ю.).

14. Решение горно-технических задач обеспечения безопасной эксплу тации рудных месторождений методами наземной сейсморазведки// Пробле безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в з нах градопромышленных агломераций: Тез. докл. Мевдунар. симпозиу SPM-95, Пермь, 1995. С. 118-119.(соавторы Санфиров И. А., Бабкин И., Прийма Г. Ю., Голуб Д. Г.).

15. Геомеханическая интерпретация данных малоглубинной сейсморазве, ки МОГТ//Тез. докл. междунар. конф. Геомеханика в горном деле-9б.Екатери: бург, 1996.С.209-21а(соавторы Санфиров И.А.,Барях А.А.,Шумихина А.Ю.)

16. Связи скоростей распространения упругих волн и геолого промысл вых характеристик на Верхнекамском месторождении калийных солей/Про' лемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых зонах градопромышленных агломераций. Екатеринбург. 1997. С.361-365.

17.Изменение напряженно-деформированного состояния подработанно: соляного массива согласно методу сейсмического моделиров; ния./Физ.-тех. пробл. разраб. полезн. ископаемых. 1997.N4. С. 33-37.

Сдано в печать 24.10.97 г. Формат 60x84/16. Объем 1,25 л.л. Тирад 100. Заказ 1180. Ротапринт ПГТУ.