Ключевые слова: пластовая сейсморазведка, волновод, каналовые волны, волновые пакеты, частотный диапазон.
Большинство отрабатываемых угольных пластов Карагандинского угольного бассейна имеет мощность порядка 4-6 м и более. Это пласты Д6, К1, К7, К10, К12 и другие. Для предварительного прогноза горно-геологической ситуации на шахтах бассейна применяется шахтная пластовая сейсморазведка, теоретические и практические аспекты которой достаточно полно изложены в монографиях [1,2]. Однако данные исследования практически не затрагивают пласты значительной мощности. В последние годы вопросу распространения сейсмических волн в мощных пластах посвящено ряд отдельных публикаций. В работе [3] обосновано различие сейсмических полей в условиях различных каменноугольных бассейнов. Работа [4] посвящена анализу волновых полей в условиях пласта Д1-2, специфичность которого заключается в формировании мощного волновода сложного строения. В публикациях [5,6] рассмотрены теоретические [5] и методические [6] аспекты применения метода сейсмического просвечивания (МСП). Тем не менее, актуальна необходимость разработки современных прогнозных методик, основанных на понимании особенностей формирования волновых полей в данных условиях. Важность проблемы требует систематических исследований.
Целью данной работы является анализ структур и параметров сейсмических волновых полей в условиях отрабатываемых мощных пластов Карагандинского угольного бассейна.
Для установления закономерностей распространения сейсмоакустических колебаний использованы модели отрабатываемых пластов Д6 и К10, геологические данные и данные результатов сейсмических экспериментов на шахтах «Шахтинская» и им. Т. Кузембаева. Для каждой модели произведена серия расчетов для параметров угля и пород в диапазоне до ±10% от базовых значений, полученных в результате статистической обработки данных лабораторных исследований пород. Амплитудночастотные характеристики (АЧХ), скоростные спектры были получены путем усреднения результатов серии расчетов. Оси чувствительности модельных сейсмоприемников задавались таким образом, чтобы «регистрировать» P, SV и SН колебания. Ввиду единства механизма распространения [1], колебания Р и SV анализировались как единое целое (Р/SV). Поскольку на практике ориентация сейсмоприемников (СП) на прием SV компоненты применяется сравнительно редко, анализ волновых полей производился на основе сейсмограмм P волн. Они же приводятся в качестве иллюстраций. На рисунках сейсмограммы Р волн приводятся парами, для положений сейсмоприемника по центру пласта и на его верхней границе (белый и черный цвет положительных значений поля, соответственно).
Исходные данные для первой модели выбраны из информации по участку угольного пласта Д6 шахты «Шахтинская» между монтажной камерой 293 Д6-с.з. и конвейерным штреком 293 Д6-с.з. на глубине 510 – 580 м от дневной поверхности. Общая мощность пласта – 4,60 м. В непосредственной кровле пласта залегают аргиллиты мощностью 0,55 м. Основная кровля представлена алевролитом, мощностью до 24 м. В почве пласта залегают серые аргиллиты мощностью 0,6 м и алевролиты мощностью 10,8-11,4 м. Ниже по разрезу залегают песчаники мощностью 7,7-19,4 м.
На сейсмограммах Р/SV волн (сейсмограммы приведены для приемников, удаленных от источника колебаний на расстояние 80, 95 и 110 м) выделяются колебания трех волновых пакетов. Первый волновой пакет – боковая продольная волна сжатия, распространяющаяся по алевролиту. Скорость первого вступления около 3650 м/с, частота от 40 до 150 Гц, максимум модуля амплитуды (ММА) около 120 Гц. За ним следует пакет, образованный конвертацией боковых поперечных волн в продольные на границах пласта. Волна распространяется со скоростью 1910-2000 м/с и имеют частоту в диапазоне 50-200 Гц, ММА около 130 Гц. По центру пласта данная волна практически не выделяется в отдельный пакет. Третий волновой пакет – каналовая волна с ярко выраженной (особенно на первых вступлениях) эллиптической поляризацией. Распространяется со скоростями 1050-1100 м/с.
Имеет частоту в диапазоне 90-250 Гц и ММА в диапазоне 130-160 Гц.
Сейсмограммы SH волн имеют трехпакетную структуру. Первое вступление волны соответствует скорости в алевролите (Vs=2050 м/с). Частотный диапазон лежит в пределах 50-150 Гц. Второй волновой пакет образуется классической каналовой волной в фазе Эйри со скоростью около 1000м/с и частотой от 75 Гц до 250 Гц, расположением максимума модуля амплитуды (ММА) в диапазоне 100-150 Гц. Далее наблюдается третий волновой пакет со скоростью первого вступления около 700 м/с, скоростью максимума огибающей 600-650 м/с, частотой от 120 до 350 Гц, ММА на частоте от 250 до 300 Гц. Это вторая мода каналовой волны.
При проведении натурных сейсмических экспериментов в конвейерном штреке и в монтажной камере 293 Д6-с.з. на шахте «Шахтинская» были выделены информативные волновые пакеты со скоростями 1000 м/с и 650 м/с. Максимальные значения амплитудно-частотного спектра наблюдались на частотах от 120 до 150 Гц и от 220 до 300 Гц, соответственно. Как в модельных, так и в реальных сейсмограммах длины волн первого пакета лежат в пределах 6-10 м, а второго 2-3 м. По скоростному и частотному признаку данные волновые пакеты можно интерпретировать как первые моды каналовой волны.
В ходе наблюдений в конвейерном штреке были выявлены две волны со скоростями ориентировочно 2400 и 1500 слабые по амплитуде по сравнению с классическими каналовыми волнами. Первая поляризована по ходу волны, а вторая поперек. С учетом сложности определения скоростей при проведении исследований методом сейсмической локации (МСЛ) на малых базах, данные волны можно интерпретировать как Р и SH волны, образованные волноводом, состоящим из совокупности пород «угольный пласт+аргиллиты непосредственной почвы и кровли».
В 2013 году на шахте им. Т. Кузембаева проводились сейсмические исследования в зоне, опасной по внезапным выбросам угля и газа на участке угольного пласта К10 в вентиляционном штреке 41 К10-В.
Пласт содержит 8 прослоев аргиллита и углистого аргиллита мощностью от 0,01 до 0,12 м. Общая мощность пласта – 4,0 м. В непосредственной кровле пласта залегают аргиллиты, мощность которых составляет несколько метров. Основная кровля представлена песчаником мощностью до 20 м. В почве пласта залегают алевролиты, мощность которых составляет несколько метров. Ниже по разрезу залегают песчаники с мощностью до 25 м.
Первый волновой пакет на сейсмограммах P-SV волн (рис.3) – низкоамплитудная боковая продольная волна сжатия со скоростью первого вступления 3050-3200 м/с. При изменении масштаба отображения проявляется вступление на скоростях 3750 м/с, что в рамках погрешности соответствует скорости распространения Р-волн в песчанике. Частотный диапазон пакета от 30 до 230 Гц.
За ним следует волновой пакет со скоростью первого вступления 2550-2700 м/с и частотой в диапазоне 30-250 Гц. Второй пакет по скоростному принципу на основе использования (1) может быть интерпретирован как продольная прямая волна по эффективному волноводу «угольный пласт + аргиллит.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Третий пакет по скоростному признаку согласно (1) можно считать каналовой волной, образованной волноводом «угольный пласт + аргиллит», поскольку скорость ММА составляет 1350 м/с (90% рассчитанной для такого волновода скорости распространения волн сдвига). Широкий спектр пакета с участками высокоамплитудных плато на частотах в области 70-80 Гц подтверждает наличие мощного эффективного волновода.
Последний волновой пакет доминирующий – первая мода классической каналовой волны со скоростью распространения около 1000 м/с и частотой в диапазоне 100 – 450 Гц. Вторая мода визуально практически не прослеживается, однако на АЧХ четко присутствуют два пика на частотах 200-250 Гц, 370-400 Гц с соотношением амплитуд 3:1, соответствующих первым двум модам каналовой волны.
На сейсмотрассах SH волн (рис.4) наблюдаются три волновых пакета со скоростями вступлений 1650-1700, 1000 и 850 м/с соответственно. Вступление первого волнового пакета соответствует скорости распространения волн сдвига в аргиллите. Частотный диапазон лежит в пределах 50-200 Гц. Второй волновой пакет образуется классической каналовой волной в фазе Эйри со скоростью около 1000 м/с и частотой от 50 Гц до 350 Гц. Скорость ММА третьего пакета составляет 750 м/с, а частота от 100 до 450 Гц, ММА в области 350-400 Гц. Это вторая мода каналовой волны.
На реальных сейсмозаписях, полученных методом сейсмической локации, отмечено три информативных волновых пакета, распространяющихся со скоростями 1800 м/с, 1000 м/с и 850 м/с. Волна со скоростью распространения 1800 м/с представляет боковую SH волну. Второй пакет – первые моды каналовых волн P/SV и SH. Третий пакет – вторая мода каналовой волны SH. Наиболее информативным при проведении исследований оказался доминирующий 2-й пакет со скоростью распространения 1000 м/с.
На сейсмотрассах МСП прослеживаются три волновых пакета со скоростями первых вступлений приблизительно 3200-3400 м/с, 1350-1450 м/с и 1000-1100 м/с. Первый волновой пакет боковая продольная волна сжатия, распространяющаяся по вмещающим породам. Второй пакет можно считать каналовой волной, образованной волноводом «угольный пласт + аргиллит». Пакеты располагаются в области частот 50-150 Гц. Последний волновой пакет классическая каналовая волна в диапазоне частот от 100 Гц до 500 Гц. На амплитудно-частотной характеристике проявляется пиком на 75-150 Гц (скорее всего, этот пик соответствует первой моде каналовых волн P/SV и SH) и характерным платом в области между 250 и 350 Гц (предположительно, вклад второй моды).
Обобщая результаты анализа, можно отметить, что условий мощных пластов Карагандинского угольного бассейна выделены основные типы информативных волновых пакетов, а также оптимальные для их регистрации скоростные и частотные диапазоны.
На сейсмограммах волн SH на мощных угольных пластах Карагандинского бассейна могут наблюдаться следующие волновые пакеты.
Первый – боковая волна. Первое вступление соответствует скорости волн SH во вмещающих породах (но не обязательно в породах непосредственной почвы либо кровли). Частотный диапазон первого пакета может располагаться от 50 до 200 Гц.
Практически во всех случаях наблюдается и доминирует на сейсмограммах первая мода классической каналовой волны. Первое вступление имеет скорость 1000-1050 м/с. ММА распространяется со скоростью около 900-950 м/с. Частотный диапазон лежит в пределах 50-350 Гц.
Может наблюдаться визуально либо быть выделенным при обработке вторая мода каналовой волны со скоростью первого вступления 700-850 м/с, частотой от 100 до 450 Гц.
На сейсмограммах Р/SV волн могут наблюдаться следующие волновые пакеты:
- слабые боковые продольные волны, распространяющиеся по вмещающим породам с соответствующей им скоростью. Частотный диапазон располагается в пределах 50-150 Гц;
- каналовая волна, образованная волноводом «угольный пласт + аргиллит почвы и кровли+пропластки углистого аргиллита между пачками пласта», со скоростными характеристиками между Vs уголь и Vs аргиллит (оценить можно по формуле (1)). Обычно скорость распространения пакета лежит в диапазоне 1200-1500 м/с;
- доминирующая первая мода классической каналовой волны со скоростью первого вступления около 900-1000 м/с и частотой в широком диапазоне от 130 до 250 Гц. Вторая мода (850-900 м/с) визуально прослеживается реже, имеет диапазон частот 220 до 400 Гц, на АЧХ может проявляться высокочастотным пиком. Размещение СП по центру пласта благоприятно для выделения первой моды каналовой волны, тогда как размещение СП ближе к почве либо кровле способствует регистрации второй моды. ММА во втором случае может существенно (до 20-30 Гц) сместиться в область высоких частот.
Благодаря концентрации колебательной энергии внутри пласта, при одинаковой амплитуде исходного импульса в пункте возбуждения, максимальные амплитуды волн SH в дальней зоне в разы превышают амплитуды волн P/SV. Кроме того, в пользу информативности волн SH говорит тот факт, что они образуют сейсмограммы с более простой структурой, легко поддающиеся интерпретации.
Установленные в результате анализа характерные структуры и параметры волновых полей, основные типы информативных волновых пакетов, оптимальные для их регистрации скоростные и частотные диапазоны могут быть использованы для разработки современных методик опережающего сейсмического прогноза горно-геологических условий залегания мощных угольных пластов.
Список использованных источников
1. Анциферов А. В. Теория и практика шахтной сейсморазведки. – Донецк: ООО “Алан”, 2002. – 312 с.
2. Анциферов А. В. Математическое моделирование в шахтной сейсморазведке/А. В. Анциферов, А.А. Глухов. – Киев: “Наукова думка”, 2012. – 253 с.
3. Antsiferov A. Review of seismograms typical for an in-seam seismic technique in conditions of different coal basins / A. Antsiferov, O. Glukhov // Progressive Technologies of Coal, Coalbed Methane, and Ores Mining. – London: Taylor & Francis Group, 2014. – P. 61–64.
4. Глухов А. А. Об особенностях формирования волновых полей в условиях пласта Д1-2 Карагандинского угольного бассейна / А. А. Глухов, В. В. Туманов, Д. В. Сон, С. П. Оленюк // Труды РАНИМИ – Донецк, 2016. – № 1 (16). – С. 9-18.
5. Глухов А. А., Кенжин Б. М., Компанец А. И. Влияние параметров тектонических нарушений на характеристики сейсмических волновых полей при использовании метода отраженных волн в шахтной сейсморазведке // Труды университета КарМТУ. – Караганда, КарМТУ, 2010. — № 4. – С. 38 – 41.
6. Анциферов А.В., Глухов А.А., Туманов В.В., Крижановская Л.Н Алгоритм обработки данных сейсмического просвечивания при прогнозе геологических нарушений угольных пластов// Наукові праці Донецького національного технічного універсітету (Серія «Гірнично-геологічна», №3(26), 216 – С. 43 – 50.