Способ выявления тектонических нарушений угольного пласта Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу и предназначено для выявления геологических нарушений на пластовых месторождениях твердых полезных ископаемых с помощью сейсмических измерений из горных выработок, а именно, из забоев подготовительных и добычных выработок или из любой другой .доступной точки слоистого массива для оценки и контроля состояния его нарушенное™, в том числе для предупреждения внезапных выбросов угля (пород) и газа в зонах, прилегающих к нарушениям.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости и повышение точности выявления нарушений впереди забоя горной выработки с помощью сейсмоакустиче- ских наблюдений.

, Поставленная цель достигается тем, что в способе выявления тектонических нарушений угольного пласта, включающем возбуждение сейсмических колебаний в пласте посредством источника размещенного в одном шпуре, многокомпонентную регистрацию волнового поля с помощью установленных в другом шпуре сейсмоприемников, оси чувствительностей которых ориентированы перпендикулярно друг другу в плоскости угольного пласта и зафиксированы относительно оси выработки и определение поляризационных параметров волнового поля, по которым выявляют тектонические нарушения, согласно изобретению регистрируют волновое поле отраженных колебаний, разделяют волны типа Лява и Релея и по их поляризационным параметрам определяют направление на тектоническое нару- шение, при этом сейсмоприемники устанавливают на расстоянии от источника

со

о

Ю

8

не превышающем размеров сечения горной выработки, интенсивность которого выбирают в соответствии с верхней границей динамического диапазона приемного тракта регистрирующей аппаратуры. Дополнительно определяют горизонтальную компоненту волн Релея и вычитают ее из общего волнового поля, для полученного поля определяют максимальное отношение осей эллипса горизонтальной поляризации и направление наименьшего отклонения его большей полуоси от направления перпендикулярного осям эллипса поляризации волн Релея, по которым устанавливают положение тектонического нарушения. Причем разделение волн типа Лява и Релея осуществляют путем перебора направлений прихода отраженных волн.

Существенное отличие способа от прототипа заключается в использовании более устойчивых поляризационных характеристик, посредством представления траектории движения колеблющейся частицы за конечный промежуток времени в виде материальной линии с равномерно распределенной массой вдоль траектории движения, что позволяет бурить неглубокие (1-1,5 м) шпуры. Использование поляризационных характеристик волн Релея, установленных независимыми измерениями, позволяют разделить волны типа Релея и Лява в случае их совместного прихода, что вообще не реализуется в прототипе.

Способ основан на закономерностях распространения упругих волн в слоисто- неоднородных твердых средах и, в частности, на явлении поляризации каналовых волн, обладающих устойчивой линейной (волны типа Лява) или эллиптической (волны типа Релея) поляризацией, в то время как волны-помехи имеют стохастически неустойчивую поляризацию. Кроме того волны типа Лява поляризованы в плоскости пласта-волновода, перпендикулярно направлению распространения, а главные оси эллипса поляризации волн типа Релея ори ентировэны вдоль пласта в направлении распространения и перпендикулярно плоскости пласта. Степень поляризации каналовых волн зависит от величины пройденного волной пути, что, в.частности, способствует выделению отраженных волн по сравнению С прямыми, т.к. первые проходят в среде путь значительно больший.

При двухкомпонентном приеме оси чув- ствительностей сейсмоприемников перпендикулярны друг относительно друга и ориентированы в плоскости пласта произвольным, но фиксированным образом. При этом для волн типа Релея фиксируются колебания только вдоль одной из осей поляризации, т.е. по сути фиксируется лишь проекция пространственно-эллиптической траектории колебания частиц среды на

плоскость пласта-волновода. В этом случае волны типа Релея воспринимаются регистрирующей установкой как волны линейной поляризации и отличаются от волн типа Лява ориентацией линии поляризации. В

0 случае интерференции волн типа Лява и Релея имеющих одинаковую видимую частоту колебаний результирующее колебание будет иметь эллиптическую поляризацию в плоскости пласта. Ориентация осей эллипса

5 будет зависеть от положения источников волн и начальных фаз колебаний и.может не совпадать с направлениями приходов волн. В этом случае может вноситься некоторая погрешность в определение направления

0 на источник вторичных волн (нарушение). Точность повышают установкой еще одного сейсмоприемника, ось чувствительности которого ориентируют перпендикулярно осям чувствительносТей двух предыдущих, В

5

этом случае по известным поляризационным характеристикам волн типа Релея, например, по данным сейс мического просвечивания разделяют волны обеих поляризаций и уточняют направление прихода 0 волн.

Разделяют волны пришедшие по одному направлению, при обработке перебором направлений прихода волн к установке сейсмоприемников. При этом по известной 5 вертикальной компоненте (третий сейс- морпиемник) волн типа Релея, которая не смешивается с компонентой поля волн типа Лява, осуществляют восстановление горизонтальной компоненты поля волн типа Ре- 0 лея для данного возможного направления прихода волн и осуществляют вычитание его из общего поля. Если остаточное поле обладает линейной поляризацией, ось колебания которого перпендикулярна осям по- 5 ляризационного эллипса волн типа Релея, то его отождествляют с компонентой волн типа Лява, а выбранное направление с направлением прихода волн. В противном случае продолжают перебор направлений 0 прихода волн. Т.к. точного разделения волн из-за погрешностей осуществить практически невозможно, то за направление прихода принимают то, при котором отношение осей эллипса горизонтальной поляризации оста- 5 точного поля максимально, а направление большей оси ближе всего к направлению, образующему 90° с осями поляризационного эллипса волн типа Релея.

Способ ориентирован, главным образом, на использование основной симметричной моды каналовой волны. Это связано с тем, что как показывает опыт шахтной сейсморазведки более высокие моды каналовой волны неустойчивы и практически отсутствуют на волновых картинах. Поэтому, по способу рекомендуется устанавливать пункты возбуждения и регистрации посередине угольного пласта по его высоте. Учитывая однако, что интенсивность каналовых волн в основной моде мало меняется в пределах угольного пласта, то можно эти пункты смещать от оптимального положения не выходя за границы угольного пласта, без существенного ущерба для достижения це- лей.

s Чтобы уменьшить размер мертвой зоны сейсмоприемники располагают как можно ближе к пункту возбуждения. В идеальном случае их можно было бы расположить в одной скважине. Однако на практике, особенно с применением для возбуждения волн взрывных источников, слишком близкое расположение сейсмоп- риемников. может привести к их разрушению, либо к залипанию подвижных частей, нелинейным искажениям характеристик. Поэтому пункты возбуждения и регистрации размещают в разных скважинах. Расстояние между скважинами выбирают в зависимости от величины взрываемого заряда или интенсивности ударного источника. Для источников применяемых в прототипе это расстояние равно 5-15 м и в данном способе ограничено фактически размерами забоя горной выработки с учетом суммарной глубины шпуров.

Зависимость м.ежду интенсивностью источника и глубинностью локации оценивают с помощью независимых экспериментов и подбирают опытным путем для сходных горно-геологических условий. Обладая такой зависимостью дополнительные измерения по обоснованию расстояния между скважинами можно осуществить двумя путями.

Первый путь - исходя из требуемой глубинности локации устанавливают величину взрываемого заряда или интенсивности ударного источника, подбирают расстояние до приемной скважины, при котором действие прямой волны не изменит характеристик сейсмоприемников. При этом, достаточным критерием принимают соответствие (неискажение) амплитуды прямой волны верхнему динамическому диапазону приемного тракта регистрирующей аппаратуры. Подбор осуществляют от больших расстояний к меньшим. Измеряют затем время задержки прямой волны г и ширину

волнового пакета Аг :, также расстояние между скважинами Л г, определяют величину мертвой зоны Гм.з.:

5гм.з Лг(Н ).

1/

При этом необходимо, чтобы выполнялось соотношение ггл. гм.з. Ширину разведан0 ной зоны определяют как разность .Э.ГГЛ.ГМ.З.

Второй путь - исходя из требуемого размера мертвой зоны, определяют расстояние между скважинами в пределах

5 размеров забоя горной выработки, подбирают величину интенсивности источника, начиная с малых, -при которой амплитуда прямой волны удовлетворяет достаточному критерию, описанному выше. По эмпириче0 ской зависимости оценивают глубинность локации Ггл. и ширину разведанной зоны

Гр.з.

Оба пути в одинаковой степени соответствуют сути предлагаемого решения,

5 но второй более технологичен, т.к. при проведении предварительных измерений позволяет ограничиться меньшим количеством шпуров (двумя).

Обработка сигнала основана на пред0 ставлении траектории движения колеблющейся частицы за конечный промежуток времени (временное окно) в виде материального тела, образованного материальной линией с равномерно распределенной мас5 сой вдоль траектории движения. Главные оси тензора момента инерции такого мате- . риального тела будут параллельны осям эллипса траектории движения в соответствии с поляризацией волны в данном временном

0 окне. Определение направления осей эллипса с помощью тензора момента инерции . обладает большей устойчивостью по сравнению с вычислением этих параметров через орбитальные характеристики

5 траектории движения, т.к. тензор инерции характеризуется усредненные свойства траектории движения за большой промежуток времени и не чувствителен к отдельным флюктуациям орбиты вызванных помехами,

0 На фиг.1 и фиг. 2 по разрезу пласта и в плане его, соответственно, представлена схема, поясняющая предлагаемый способ. Способ осуществляется следующим образом,

5 В забое горной выработки 1 в пласте 2 в шпуре, пробуренном на расстоянии между устьями, не превышающем поперечного диаметра забоя горной выработки от шпура источников размещают два сейсмоприем-.

ника 4, оси чувствительностей которых располагают в плоскости угольного пласта перпендикулярно друг другу произвольным, но фиксированным образом (х, у - компоненты). Определяют дополнительно требуемую интенсивность источника путем перебора, начиная с малых интенсивностей, при которой амплитуда прямых волн близка верхней границе динамического диапазона приемного тракта регистрирующей аппаратуры.

В другом таком же шпуре размещают источник сейсмических колебаний 5 и производят возбуждение сейсмических колебаний, которые распространяясь вдоль пласта падают и отражаются от тектонического нарушения 6. Поле отраженных волн регистрируют установкой сейсмоприемников и аппаратурой 7 с цифровой записью информации.

По сейсмическим записям в .скользящем окне определяют чистые и смешанные моменты инерции.

J-hK

TXJ- 2 A$i;ryj

fxyj

J-K

X

Axi Ayi;

где j - текущий дискрет сейсмозаписи,

К - число дискретов сейсмозаписи в анализируемом временном окне,

i - индекс суммирования,

Axii Ayi - отсчеты сейсмических записей х и у - компонентов.

Далее определяют собственные значения тензора момента инерции Tvj, TUJ и по ним рассчитывают функцию линейности поляризации LJ и функцию угла щ по формулам:

М-1

Tvf 12 Txvi

TT aj Т arctgr. -r .

. tuj tyl ixj

как функции времени (или номера дискрета).

Результаты расчетов функций Lj, a. представляют в виде графиков, на одной оси которого откладывают собственно функции LJ, щ, а по другой время t в миллисекундах, где t At j, At - шаг дискретизации по времени. При этом функция LJ меняется в пределах от нуля до единицы, а функция а в пределах от +90° до-90°.

Далее, с учетом направления и времени прихода отраженного сигнала к точке приема способом мнимого источника по заранее найденной скорости распространения

.волны определяют положение отражающей границы.

Дополнительно в шпуре сейсмоприемников размещают третий сейсмоприемник,

ось чувствительностей которого ориентируют перпендикулярно осям чувствительностей двух предыдущих, разделяют волны типа Лява и Релея путем перебора направлений прихода волн, при этом восстанавли0 вают горизонтальную компоненту поля волн типа Релея и вычитают ее из общего поля и по максимальному отношению осей эллипса горизонтальной поляризации остаточного поля и наименьшему отклонению направ5 ления большой полуоси эллипса от направления образующего 90°. с осями поляризационного эллипса волн типа Релея, определяют пеленг на мнимый источник., .

0 П р и м е р. На шахте Чайкино ПО Мекеевуголь был проведен эксперимент по сейсмолокации нарушения в чистом виде. Наблюдения были проведены из забоя вентиляционного ходка пласта тз по спосо5 бу, при этом шпур, в котором размещался источник колебаний, был пробурен в центре забоя горной выработки вдоль ее оси на глубину 1,5 м, а шпур, в котором разместили сейсмоприемники, был пробурен у основа0 ния забоя на боковой стенке горной выра- ботки перпендикулярно ее оси на глубину 4 м. Использовались буровые геофоны и возбуждение осуществлялось ударами по i штанге вставленной в шпур. Полученные 5 данные были обработаны по способу и на графиках функции линейности в районе 200-250 мс были выделены разрастания величины LJ. При скорости каналовых волн 900 м/с, определенной по ранее проведен0 ным работам на этой шахте, эти разрастания совпали со временем прихода отраженной волны от нарушения вскрытого дальнейшей проходкой вентиляционного ходка. Пеленг на нарушение составил при

5 этом 83-88°, что близко к истинному значе- нию равному 90°.

Технико-экономические преимущества способа заключаются в повышении производительности и оперативности за счет

0 сокращения объема буровых работ (количества шпуров и их длины) и вследствие этого, за счет упрощения технических и методических средств и приемов по установке сейс- моприемников в шпурах и процесса

5 контроля качества их крепления к массиву горных пород.

Фор м у ла изобретения 1. Способ выявления тектонических нарушений угольного пласта, включающий возбуждение сейсмических колебаний в

пласте посредством источника, размещенного в одном шпуре, многокомпонентную регистрацию волнового поля с помощью установленных в другом шпуре сейсмоприем- ников, оси чувствительности которых ориентированы перпендикулярно друг другу в плоскости угольного пласта и зафиксированы относительно оси выработки, и определение поляризационных параметров волнового поля, по которым выявляют тек- тонические нарушения, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения трудоемкости выявления тектонических нарушений впереди забоя пластовой выработки, регистрируют волновое поле отсаженных коле- баний, разделяют волны типа Лява и Релея и по их поляризационным параметрам определяют направление на тектоническое нарушение, при этом сейсмоприемники устанавливают на расстоянии от источника, не превышающем размеров сечения пластовой выработки, интенсивность которого

выбирают в соответствии с верхней границей динамического диапазона приемного тракта регистрирующей аппаратуры.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения положения тектонического нарушения, дополнительно определяют горизонтальную компоненту поля волн Ре- лея, вычитают ее из общего волнового поля, для полученного поля определяют максимальное отношение осей эллипса горизонтальной поляризации и направление наименьшего отклонения его большой полуоси от направления, перпендикулярного осям эллипса поляризации волн Релея, по которым устанавливают положение тектонического нарушения.

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, разделение волн типа Лява и Релея осуществляют путем перебора направлений прихода отраженных волн.

Использование: оценка нарушенное™ слоистого массива горных пород, преимущественно угольных пластов. Сущность изобретения: бурят шпур из забоя выработки. Размещают в нем источник сейсмических колебаний. Интенсивность источника выбирают в соответствии с верхней границей динамического диапазона приемного тракта регистрирующей аппаратуры. Возбуждают сейсмические колебания в пласте. Отраженные от тектонического нарушения колебания принимают двумя сейсмоприем- никами. Оси приемников располагают в плоскости угольного пласта перпендикулярно друг другу. Регистрируют волновое поле отраженных колебаний. Выделяют в нем волны типа Лява и Релея. Определяют их поляризационные параметры. Устанавливают направление прихода отраженных колебаний. С учетом данного направления и времени прихода отраженного сигнала определяют положение тектонического нарушения. 2 з. п. ф-лы, 2 ил. &

ipu&i