авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |

«М ИНИ СТЕРСТВО ЭН ЕРГЕТИ КИ РО ССИ ЙСКОЙ Ф ЕДЕРАЦИИ РОССИ ЙСКАЯ АКАДЕМ ИЯ НАУК Н А У Ч Н О -И С С Л Е Д О В А Т Е Л Ь С К И Й И Н С Т И Т У Т Г О РН О Й Г Е О М Е ...»

-- [ Страница 2 ] --

После периода спада начался стабильно нарастающий объем добычи угля, рез­ кая интенсификация технологий открытой и подземной добычи, увеличение глуби­ ны разработки, освоение новых площадей угледобычи. Это обстоятельство, а также осуществленное в последние годы массовое затопление угольных шахт бассейна, дало резкое увеличение уровня техногенной нагрузки на недра, и заметно отрази­ лось в повышении природной сейсмической активности недр региона [1].

К роме того, в сентябре 2003 г. Кузбасс испытал воздействие крупнейш его за последние тридцать лет транзитного горноалтайского зем летрясения, надолго наруш ивш его равн овесн ое состояние его недр. Его воздействие на прилегаю ­ щие к очагу территории оказалось гораздо выше, чем воздействие ранее проис­ ходивших на тер р и тори и Горного А лтая зем летрясений аналогичного класса.

Н еобы чайн о вы сокий энергети чески й эф ф ек т п оследн его Г орн о-алтай ского землетрясения специалисты связывают с особенностями физики его очага, в ко­ торой преобладали не вертикальные (как обычно), а горизонтальны е смещ ения земной коры.

Н егативны е последствия Горно-алтайского зем летрясения проявляю тся до настоящего времени в развитии вторичных форм сейсмической и геодинамичес­ кой активности:

- в затянувш ейся ф азе сейсмической активизации недр;

- в развитии новых форм сейсмической активизации, получивших в настоя­ щее время распространение, преимущественно, вблизи крупных промышленных центров;

- в инициации процессов газодинамической и гидродинамической природы.

В прошедший после Горно-алтайского землетрясения период времени в Куз­ бассе произошли качественные изменения в режиме сейсмической активности недр региона:

• Н а смену преобладавш его ранее «рассеянного» распределения сейсмичес­ ких событий пришли локально сгруппированные очаги землетрясений.

• Произош ло продвижение фронта сейсмической активности на север.

• А ктивизировалась сейсмика Ерунаковского геолого-промышленного райо­ на в створе направления, проходящего через угольные разрезы - «Ерунаковский» «Сартаки».

• Эпицентры землетрясений приблизились к границам шахтных полей и ра­ бочих поселков.

В озникли новы е ф орм ы п роявл ен и я сейсм ических п роцессов в рай он ах крупных промышленных центров - это «роевые» проявления малоэнергетических сейсмических событий на локальных территориях, происходящих в основном на глубинах до 3-5 км.

П ервы е явления подобного типа были зарегистрированы в начале 1988 г.

в районе поселка К очура, (вблизи г. Таш тагола). Н ачало этой серии полож ило произош едш ее в окрестностях поселка 5.02.1988 г. зем летрясение с магнитудой 4.0, после которого возник целый поток сейсмических событий, сотрясавших зем­ ную поверхность в течение нескольких месяцев. С максимальной магнитудой до 3.0. Постепенно на протяжении 3-4 лет сейсмическая активность территории по­ селка снизилась до энергетического класса 4-5, при этом ежегодно снижалось и количество зем летрясений. В настоящ ее время (1.10.2009 г.) в районе поселка -41 Кочура регистрируются ежегодно не более 5-10 событий в год. Энергетический класс этих событий низкий - (к = 2-4).

В сентябре 2005 г. подобные явления возникли в районе г. Осинники в окрес­ тностях поля шахты «Осинниковская». В отличие от ранее происходивших в ука­ занном районе слабых активизаций сейсмических процессов с периодичностью 6-8 лет, последняя серия сейсмических событий оказалась беспрецедентно про­ должительной и активной. Только за один месяц их инструментальной регистра­ ции в конце 2005 г. (не в самую активную их фазу) число зарегистрированных здесь, с помощью передвижной сейсмостанции Алтае-Саянского филиала геофизической службы СО РА Н, сейсмических толчков составило более 200. Серии толчков про­ должаются и в настоящее время.

При этом, практически все зарегистрированные события тяготели к району пересечения двух геодинамически активных разломов (рис. 1).

Признаки развития подобных явлений со временем проявились и вблизи дру­ гих промы ш ленны х зон Кузбасса: в окрестностях П рокоп ьевска, Киселевска, Мысков, Полысаево, М еждуреченска (2007, 2008, 2009 гг.). Очевидно, подобные проявления локальных потоковых сейсмических процессов представляю т собой новые реалии современного состояния недр региона и требуют учета их в практи­ ке поиска решения связанных с ними проблем.

Серьезную социальную озабоченность с 2007 г. и по настоящ ее время созда­ ют сейсмические роевые события в г. Полысаево.

Наблюдаемые в последнее время тенденции развития сейсмической обстанов­ ки в Кузбассе указывают на возможность ее дальнейшего обострения.

Вопрос о влиянии происходящих в недрах Кузбасса землетрясений на состоя­ ние подземных горных работ является слабо изученным. Имеются многочислен­ ные свидетельства провоцирую щей роли сейсмических событий на проявление крупных самообрушений кровли и раскрытия суфлярных газовыделений в горных выработках. В то же время имеются свидетельства ослабляю щ его влияния под­ земной горной среды на разрушительный потенциал сейсмических волн.

Проведение на разрезах Кузбасса промышленных взрывов представляет са­ мостоятельный фактор сейсмического риска.

Многие из происходящих в Кузбассе в последние годы крупных аварий име­ ют геодинамическую природу и происходят при косвенном или прямом участии процессов сейсмической или геодинамической природы. Для квалификационной оценки провоцирующей роли этих факторов в проявлении аварий часто бывают недостаточны описательные характеристики «с места аварии» и даж е полученные после аварии инструментальные оценки состояния недр.

Т рактовка природы происходящих аварий различными экспертны ми груп­ пами во многих случаях оказы вается неоднозначной, при этом практически все эксперты отм ечаю т деф и ци т инф орм ации о состоянии недр. Т ради ци он ной п рактикой ком иссионны х расследований крупных аварий в п оследние годы стала организация запросов на ближайш ие к месту событий сейсмостанции (Ан жеро-С удж енскую, Кемеровскую, Таш тагольскую, сейсмостанции А лтае-С аян ской сейсмологической сети) о наличии предшествующ их или сопутствующих этим авариям сейсмических событий. В ряду наиболее важных, обычно рассмат­ риваю тся вопросы о возможной провоцирующей роли сейсмических событий, влиянии процессов сейсмического и геодинамического характера на проявле­ ние аварий.

42 Рис. 1. П олож ение зоны сейсмической активизации н сопряж ении геодинамически активных структур в г. О синники. Круж ками обозначены эпицентры сейсмических событий. Сплошными и штриховыми линиями - геодинамически активные структуры на поле шахты Осинниковская.

Т онированны м и областями - жилые кварталы г. О синники 43 Серьезные опасения вызывает развитие негативных экологических и геодина­ мических процессов в районах ликвидированных в ходе реструктуризации уголь­ ной отрасли Кузбасса с затоплением 43 угольных шахт.

Кроме вышеизложенных проблем, Кузбасс абсолютно не подготовлен к реа­ лиям новых условий ведения горных работ:

- высоких скоростей подвигания очистных и подготовительных забоев;

- увеличившихся глубин разработки до 900-1000 м;

- значительной длины лав по падению пласта - до 300 м;

- полного отсутствия нормативных документов на базе новых знаний о пове­ дении геологической среды при интенсивной эксплуатации недр.

Все указанные проблемы требуют повышения уровня научного сопровожде­ ния, расширения исследований на основе мониторинговых наблюдений.

В Кузбассе накоплен значительный опыт различных видов мониторинговых наблюдений по контролю и прогнозу геодинамического состояния горных масси­ вов, позволивших получить некоторые качественно новые знания о недрах [2]. Это создает определенные предпосылки для решения проблем адаптации технологий добычи к условиям активной геодинамики недр и их безаварийной эксплуатации.

Так, на рис. 2 представлены результаты мониторинговых наблюдений на од­ ном из проблемных участков угледобычи в Кузбассе - на пласте ХХУП шахты «Пер­ вомайская» при длине лавы по падению 300 м на глубине 600 м от поверхности.

После проявления в лаве № 33, отрабатываемой по этому пласту, серии динамичес­ ких и газодинамических явлений, ВНИМ И были организованы продолжительные серии мониторинговых геофизических наблюдений, продолж авш ихся практи­ чески до выхода забоя лавы из зоны повышенной геодинамической опасности.

М и гри р ую щ и е доим и о п ы те н пой Рис. 2. Результаты геофизического мониторинга напряженного состояния забоя лавы № 33 по пласту XXVII шахты «Первомайская» в период активизации динамических и газодинамических явлений в отрабатываемой лаве. Зоны концентрации напряж ений обозначены темными тонированными областями 44 М ониторинг осуществлялся по схеме циклических замеров на протяжении 14 ме­ сяцев (с июля 2006 г. по август 2007 г.), с общим объемом произведенных наблюде­ ний порядка 60 циклов. Все циклы наблюдений выполнены по единой схеме, од­ ной и той же аппаратурой, в одних и тех же створных направлениях (по номерам секций), что обеспечивало их полную сопоставимость.

Н а графиках рис. 2 отображена лишь небольшая выборка из пяти последова­ тельных циклов наблюдений, выполненных при «пошаговом» уходе забоя лавы в период наиболее активного развития динамических явлений. Как видно из пред­ ставленных на рис. 2 графиков, результаты геофизического мониторинга достаточ­ но наглядно отражали наблюдавшийся в тот период опасный характер миграции зон повышенной концентрации напряжений (темные тонированны е области на графиках) и постепенное смещение эпицентральных областей этих зон от верхней части лавы (где они проявлялись в первую очередь) к её нижней части.

По результатам проводивш егося геофизического мониторинга принимались решения, позволившие безаварийно отработать лаву в сложнейших условиях.

Есть определенны е положительные итоги ф ункционирования инж енерной сейсмологической сети Кузбасса, такие как:

• Безусловное подтверждение статуса сейсмоопасности территории области.

• Обеспеченная в ходе сейсмологических наблюдений существенная детали­ зация картины строения сейсмоопасных зон.

• Возможность ответа на ряд практически важных для нашей территории и её горно-добывающей отрасли вопросов.

За три года сейсмологических наблюдений на территории Кемеровской области выделены 4 сейсмически активные зоны, в основном опоясывающие крупнейшие промышленные мегаполисы Кузбасса. Все они входят в ареолы промышленных зон Междуреченской, Новокузнецкой, Белово-Ленинск-Кузнецкой, Кедровско-Черни говской. В окрестностях указанных зон сосредоточены не только очаги промыш ­ ленных взрывов но и более 90% очагов всех зарегистрированных сейсмических событий «невзрывной» природы (рис. 3).

Комплексный мониторинг маркш ейдерско-геодезических, гидрогеологичес­ ких и сейсмологических наблюдений в районе затопленных шахт, выполняемый ВНИМ И на специально оборудованном Анжеро-Судженском полигоне в минув­ шем 2008 г. (а также по нарастающему итогу - за весь десятилетний период эксплуа­ тации полигона) позволил установить продолжающееся активное развитие различ­ ных форм геодинамических процессов после окончания затопления, в том числе:

- Активные воздымаю щ ие движения земной поверхности на ю го-западной окраине г. А нж еро-Судженск (в районе эпицентров ранее произош едших здесь в 1997 г. двух землетрясений), достигшие на отдельных участках за весь период наблюдений 250-350 мм, в том числе 30-80 мм - в 2008 г.;

- Развитие контрастных знакопеременных деформаций на западной и северо западной окраинах города, где, несмотря на умеренные по абсолютной величине вертикальные смещения (120-130 мм), проявляется наиболее опасная для эксплу­ атации зданий и сооружений дискретная форма этих деформаций. Только за 2008 г.

размах амплитуд вертикальных движений земной поверхности на городской ок­ раине (профильные линии Тяж инская, Лебедянская) достигал 30-50 мм;

- Дальнейш ее развитие получили направленные горизонтальны е смещения земной поверхности в форме «надвигания» подстилающей геологической толщи со стороны Томского надвига и горных отводов затопленных шахт в сторону ж и­ лых застроек г. Анжеро-Судженска;

45 о. С З ? А -С у д ж в н с к сс Анжерская j\Z С Ш' ' \ V \ / / _ 4 Кем еров о-Березовская / к, ^ С ^ -' юна к о н т р у я I/ / /• * '' 'у \ У сс "Берчикуль" / /• г А - W e Л * \ \ / ‘ ko^KeyepoAo \ 4V \\ ь ' У /,// / ic 3 ?

г Кемлрово ^ ^ V \ Ч /Ч Л -К у з н е ц к й Ъ ^ • -о о jfc *. * J r ^ j ^ t n a контроля I \• Лк-Ос(Дник^ йрокопь4бск-1 елеескЬ ] к-К& *зорз* контроля - \ •• ц ж ^ / г * ^ * / О Iflc^RAVpe че hcjj I пр°,о " Ъ т ? " т “ Z, i, - ^ ° ^ : ни7 /с a / ’. / / с / ’ Цужба" / ! / ;

/./• //,/ • /А /Г / / / сс "Ельцовка" / J ^ ^аштаДэльская'" f‘ /ссчТ & ш т а го л " ё &" I/ v о н а контроля, л 7 'ц.ч, :/» ] / о У \/ & а,Т)а шI;

i гоп и • / У-' у/ »_ «О I \ lit-' Рис. 3. П редполагаемые зоны ответственности интегрированны х систем горного мониторинга в основных промышленных центрах Кузбасса.

Круж ками обозначены эпицентры сейсмических событий, происходивш их на территории Кемеровской области. Квадратами - сейсмические станции -46 - Установлено господствующее направление горизонтального сжатия терри­ тории полигона в C3-IOB направлении до 5 мм в год, совпадающее с направлением действия сжимающих нагрузок в Алтае-Саянском регионе (на основе режимных GPS-наблюдений). У казанное обстоятельство подтверждает общую природу гео­ динамических нагрузок в недрах Кузбасса, и подчиненность их единому сцена­ рию развития геодинамических процессов, рождающихся в Алтае-Саянской зоне складчатости;

- Установлены сопутствующие деформационным процессам эффекты эм ана­ ции газов в подвальные помещ ения и жилые строения из подстилающей геологи­ ческой среды на территории полигона, в которой преобладали газы С О, и С Н 4;

- Н а территории полигона продолжалось развитие провалообразования;

- О тмечена неустойчивость режима подземных и грунтовых вод после затоп­ ления шахт и наличие гидравлической связи между основными водоносными го­ ризонтами;

- Зафиксированы достаточно резкие скачки напоров подземных вод вблизи выходов отработанных пластов под наносы, очевидно связанны е с продолж аю ­ щимся на этом участке недр активным развитием деформационны х процессов.

Зарегистри рованн ы е на А нж еро-С удж енском геодинам ическом полигоне процессы, скорее всего, являю тся общими и для других территорий Кузбасса, в первую очередь на горных отводах действующих и затопленны х угольных шахт.

Для получения научных выводов по итогам проведенны х наблю дений требуется проведение системного научного анализа полученных результатов и увязка всех слагаемых выполненных работ с режимом сейсмической активности недр всего Кузбасса.

П рактика развития мировой горной индустрии привела к пониманию необхо­ димости и практической реализации задачи создания локальных систем непре­ рывного горного сейсмологического мониторинга угольных шахт, разрезов и руд­ ников во всех мировых центрах горнодобывающей отрасли. В настоящ ее время наличие этих систем рассматривается как неотъемлемый стандарт безопасного ос­ воения недр.

Данные системы мониторинга реально используются в угольных бассейнах СШ А, Канады, Польши, Ю АР Великобритании, Ш веции, Ф инляндии, Австралии Бразилии, Чили и др. В СССР и России такие системы, разработанны е институтом ВНИМ И, созданы и успеш но функционируют, преимущественно, на предприяти­ ях горнорудной п ром ы ш ленности (Н орильск, А патит, С У БРа, Х инган и др.).

В Кемеровской области на протяжении 30 лет такая система успеш но действует в г. Таштаголе, обеспечивая контроль геомеханического состояния недр и своев­ ременного вывода работаю щ его персонала из опасных зон.

В настоящ ее время В НИМ И завершила запуск системы горного сейсмологи­ ческого мониторинга шахтных полей Воркуты. К сожалению, ни на одной из дей­ ствующих шахтах К узнецкого бассейна данный мониторинг не ведется, не смотря на то, что требование строительства сейсмостанций и осуществления сейсмомо­ ниторинга недр на горных предприятиях включено в качестве обязательной нор­ мы в действующую нормативную базу угольной отрасли.

Таким образом, при высоком научном потенциале К емеровской области ве­ дущий угольный бассейн страны - Кузбасс оказался аутсайдером в вопросах со­ здания систем горного мониторинга безопасного освоения недр. В то же время, создаваемая в рамках программы «Сейсмобезопасность территории Кемеровской 47 области» сеть сейсмостанций, объективно ориентирована на иной круг задач и принципиально не в состоянии, учитывая предусмотренный уровень разреш аю ­ щей способности сети по выявлению местоположений сейсмических явлений (по­ рядка 2000 м), реш ать задачи горного сейсмологического мониторинга глубоких опасных действующих шахт и осваиваемых участков недр.

М ировая практика, подтвержденная в Кузбассе многолетним опытом мони­ торинговых наблюдений на действующих шахтах, а такж е опытом сейсмологичес­ ких наблю дений за состоянием горных отводов закрыты х шахт «А нж ерская» и «Судженская» (А нжерский геодинамический полигон Кемеровского Представи­ тельства В Н И М И ) показывает, что для обеспечения разреш аю щ ей способности порядка 50 м, подобная сеть долж на включать в себя одну центральную и распо­ ложенные в районе горных отводов шахт специальные периферийны е станции.

Причем последние могут осуществлять контроль состояния нескольких шахтных полей одного района Сконструированная подобным образом система горного мониторинга в вы­ деленных зонах риска (см. рис. 2) должна обеспечить:

- оценку безопасного состояния недр на участках развития горных работ:

- предупреждение персонала шахт о необходимости покинуть опасную зону в связи с надвигающимся явлением;

- выявление участков повышенного геодинамического риска;

- уточнение природы возникающих аварийных ситуаций;

- оценку и учет влияния сейсмических воздействий внешних (транзитных) зем­ летрясений и промышленных взрывов.

Выводы 1. Сейсмичность территорий угледобычи в Кузбассе в перспективе будет рас­ ти. Даже при магнитуде по Рихтеру этих событий 2-3 бала, сотрясаемость земной поверхности может оказаться достаточно ощутимой (до 4-5 баллов по шкале М СК) в виду малой глубины гипоцентров;

2. Возникшие в Кузбассе роевые сейсмические проявления с низкой энерге­ тикой и малыми глубинами, - безусловно имеют связь с длительной эксплуатаци­ ей недр Кузбасса. Однако, порождаются они не только техногенными, а прежде всего природными нагрузками, связанными с современными геодинамическими процессами. Деятельность горных предприятий оказывает лиш ь провоцирующую роль (своего рода роль спускового крючка);

3. Развитие роевых сейсмических явлений при всем их негативном воздействии на земную поверхность и недра не следует рассматривать как процессы кризисно­ го характера. Это естественная разрядка накопившихся в недрах напряжений, ко­ торые в иных, более неблагоприятных условиях могли бы реализоваться в более крупные землетрясения с той же суммарной энергией.

4. Н аблю даемая активизация сейсмических процессов в ареолах действую­ щих шахт ставит на повестку дня вопросы организации непреры вного горного (в первую очередь сейсмологического) мониторинга недр и научного сопровож ­ дения процесса угледобычи и геодинамики недр в крупнейш их угледобывающих центрах Кузбасса. И меется богатый опыт реш ения этих задач (вклю чая вопросы их законодательного регулирования) на шахтах Воркуты, Субра, Н орильска, Тки були. В К емеровской области многие годы действует отлаж енная система сейс­ мологического мониторинга на Таш тагольском руднике.

5. Считаем актуальной постановку вопроса о регламентном и законодатель­ ном закреплении требований проведения горного сейсмологического мониторинга недр в пяти крупнейш их территориальных центрах угледобычи - М еждуречен ском, Н овокузнецком, Прокопьевск-К иселевском, Белово-Л енинск-К узнецком, К ем ерово-Березовском.

Литература 1. Яковлев Д.В., Лазаревич Т.И. Техногенная сейсмичность Кузбасса. СПб.: ВН И М И, 1999.

2. Лазаревич Т.И., Мулев С.Н. О пыт мониторинговых наблюдений геодинамических процессов в Кузбассе. СПб.: ВН И М И, 1997.

49 Д-р. техн. наук С.В. ЦИРЕЛЬ, инж. С.Н. М У ЛЕВ, инж. В.Ф. П ЕТРУ Ш И Н А* ВН И М И *ЗФ «ГМ К « Н орильский никель»

ВАРИАЦИИ И АНИЗОТРОПИЯ СКОРОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В НАПРЯЖЕННЫХ МАССИВАХ НА ГЛУБОКИХ РУДНИКАХ В ариации типов горных пород, их минерального состава, строения и свойств, а такж е содерж ания различны х флюидов вызывают анизотропию и сложные из­ менения скоростей распространения сейсмических волн в горных массивах. Как показали измерения на К ольской сверхглубокой скваж ине, сущ ественный вклад в вариации скоростей вносят и распределения тектонических н апряж ений и де­ формаций.

Ведение горных работ ещ е более усложняет эту картину. Д виж ение забоев, проходка выработок, замена извлеченной породы на закладочный материал или разрыхленную массу существенно искажают сейсмические разрезы отрабатывае­ мых массивов. К пространственным вариациям добавляю тся ещ е и временные, связанные как с самими изменениями геометрии массива, так и с изменениями его напряж енного состояния. И сследования техногенных временных вариаций сейс­ мических разрезов имеют двоякий смысл. Во-первых, знание скоростей распрост­ ранения волн необходимо для ведения сейсмического мониторинга на рудниках и шахтах и повы ш ения точности локации геодинамических событий. Во-вторых, повыш ения или снижения скоростей сейсмических волн сами указывают на сте­ пень напряж енности различны х участков горного массива и являю тся одним из признаков готовящихся динамических событий.

Измерения, проведенны е на глубоких рудниках ГМ К «Н орильский никель», что одновременно наблюдаю тся два типа временных изменений скоростей:

1. Вариации скоростей, при которых (как и следует из физических законов и просто здравого смысла) скорость распространения одинакова при пробеге вол­ ны в обе стороны.

2. Второе явление носит парадоксальный характер и заклю чается в сущ ествен­ ных различиях скоростей при пробеге волны из точки А в точку Б и, наоборот, из точки Б в точку А. Н а первы й взгляд, такое поведение волн противоречит и физическим законам, и здравому смыслу, но тем не менее, оно многократно ф ик­ 50 сировалось при сейсмомониторинге. П ричем различия скоростей составляют не 1-2%, которые мож но было бы отнести к погреш ностям регистрации и выделения вступления волны, а достигаю т 10-15%, от которых уже нельзя так легко отмах­ нуться.

I. К ак показал анализ, за несколькими исключениями (которые прежде всег объясняются расположением гипоцентров взрывов далеко от лучей, соединяющих сейсмопавильоны) наблюдается четкая закономерность. П ри распространении волн из напряженной области массива скорость выше, чем при распространении волн из разгруженной области, и чем больше разница в уровне напряженности в области формирования волн, тем больше разница в скоростях распространения волн.

Суть явления, известного в сейсморазведке, заклю чается в условиях форми­ рования волны. О днако в сейсморазведке эти различия приводят к различиям ско­ ростей на уровней 1-2 % и ниже, а на глубоких рудниках они достигают 10-15%.

Механизм задержки в разгруженных областях массива состоит в большом затухании волн, медленной «раскачке» массива и соответственно формирования источника ко­ лебаний. П ервы е колебания очень слабы (рис. 1) и соответственно не доходят до приемника колебаний. В напряж енной области волна формируется быстрее, и до приемника доходят волны, относящ иеся к более ранним стадиям формирования источника сигнала. П р и использовании в качестве источника сигнала промы ш ­ ленных взрывов важную роль такж е распределение ВВ по ступеням замедления.

Если на первых ступенях замедления масса ВВ была мала (например, вруб при проходке вы работок), то различие в скоростях волн дополнительно меняется приемник фиксирует как вступление волну не от первой ступени замедления. Если, наоборот, в первой ступени замедления взрывалась больш ая масса ВВ, то «раскач­ ка» происходит интенсивнее, и разность скоростей при пробеге волны в разные стороны сокращ ается.

Рис. 1. Схема различий формирования волн в напряженных и разгруженных областях массива.

На рисунке условно принято, что до приемника из разгруженной области доходит только пятое колебание, а из нагруженной - второе, соответственно к общему времени прохождения волны из разгруженной области прибавляется задержка величиной At.

51 Вполне очевидно, что основная причина снижения скоростей волн в разгру­ женных участках массива - это раскрытие трещ ин и ухудшение условий прохож­ дения волн. Н екоторое влияние имеет изменение состояния самой породы, но по сути это тож е самое явление, только проявленное на микроуровне - раскрытие/ сжатие микротрещин. Отметим, что при дальнейшем нагружении массива, когда напряж ения превыш аю т предел прочности, происходит прорастание трещ ин, и скорость может уже не расти, а падать, однако эти явления относятся к таким уровням напряженности, которые отчетливо проявлены в резком увеличении сей смоактивносги и удароопасности. В то же время сжатие природных и вновь обра­ зованных трещ ин может, наоборот, вести к росту скоростей. П оэтому изучение временных вариаций скоростей распространения волн в особо напряженных уча­ стках массива является темой отдельных исследований.

П. Второе явление - снижение (рост) скоростей распространения волн по от­ дельным направлениям (анизотропия скоростного разреза) основан на том же яв­ лении. Н а естественную анизотропию, определяемую различиями породного со­ става и тектонических напряжений, накладывается дополнительная анизотропия, вы званная р азн ой техногенной напряж енностью различны х участков массива, вызывающая дополнительное раскрытие (закрытие) трещ ин. Таким образом, на самом деле оба типа изменений скоростей очень близки между собой. Различие между ними состоят в том, что первый охватывает лиш ь участок расположения источника и проявляется при формировании волны, а второй - проявляется при прохождении волны и охватывает весь ее путь до сейсмоприемника.

Теоретические исследования механизмов распространения в сухих и обвод­ ненных трещ иноватых массивах были проведены авторами в работе [1]. Исследо­ вания показали, что существует три механизма распространения волн через тре­ щины - прохождения через стационарные и образовавшиеся под действием волны точки (области) смыкания, многократные отраж ения в заполнителях трещ ин и диф­ ракция. В больш инстве случав наиболее сущ ественна роль многократны х отра­ жений. Н а процесс распространения волн через трещ ины важ нейш ее влияние оказываю т количество трещ ин, суммарное толщ ина трещ ин, ее распределение по отдельным трещ инам, свойства материала - заполнителя трещ ин, а такж е статис­ тические характеристики системы трещ ин - прежде всего, дисперсия расстояний между трещ инами.

Рассмотрим примеры влияния многократных отраж ений на скорость распро­ странения сейсмических волн. Наиболее сильно это влияние проявляется в мелко­ блочных породах. К мелко- и среднеблочным породам мы будем условно относить те массивы, где велика суммарная толщ ина трещ ин и где возможно при примене­ ние полученных формул в [1] для большого количества трещ ин (р - » да). П о оценке [1] задерж ка волны составляет (1 ) где св - скорость волны в трещиноватом массиве;

с - скорость волны в монолитном массиве;

А - суммарная толщ ина трещ ин на пути волны, © = рс / рзп зп - отношение с акустических жесткостей основной породы и заполнителя трещ ин;

р - плотность породы;

рзп и сзп - плотность и скорость волны в заполнителе трещ ин.

52 В породах с малой акустической жесткостью (9 = 0,25-0,3), эти зависимости выполняются уже при р ~ 10-15, в породах со средней акустической жесткостью (0 = 0,12-0,25), п р и р =20-30, в крепких породах с высокой акустической жестко­ стью (0 = 0,08-0,14) при р = 30-50. Таким образом, по фактору распространения волн определение уровня мелкоблочности массивов зависит от акустической жес­ ткости породы. Вид этой зависимости сходится с интуитивными представлениями о трещ иноватости массивов: если для пород невысокой крепости при расстоянии между трещ инами 0,4-0,6 м массив представляется слабым и трещ иноватым, то для крепких пород требуется почти полное отсутствие крупных отдельностей в целике. Для примера рассмотрим четыре группы пород (табл. 1) и три различных заполнителя трещ ин (табл. 2). В качестве твердого компонента примем частички основной породы. Ввиду различия минерального состава и разности уровня н а­ пряжений в породах с разной акустической жесткостью плотность р.п и скорость волны сзп в заполнителях зависят от свойств основной породы (табл. 3).

П ри больших значениях А и 0 расчетное время опоздания достигается при только при большом количестве трещин. В слабых породах (0 = 0,25-0,5) уже при р = 20-30 полученная формула выполняется с большой точностью. Исходя из нее, можно рассчитать скорость волны в мелкоблочном массиве (близкую к известной формуле Ю.В. Ризниченко [2]):

с 1+ в 2 А 1+ (2) +w в W Таблица Акустические характеристики пород различной крепости Скорость звука Плотность р, Акустическая жесткость Крепость пород г/см в образце, с, км/с р*с Слабые 3,3-3,9 2,3-2,7 Средние 2,4-2,8 4,3-5, К репкие 5,3-5,9 2,7-3,0 2,9-3, Особо крепкие 6,2-6,9 Таблица Примеры заполнителей трещин С одерж ание компонентов, % Заполнитель а, а2 аз - Вода (сзп = 1 г/см3, сзп = 1,5 км/с) Заполнитель типа водонасыщ енного грунта с малым содержанием воздуха 0,3 39,7 Заполнитель типа водонасыщ енного грунта с большим содержанием воздуха 3 37 53 Таблица Акустические характеристики заполнителей трещин ст, км/с О сновная порода г/см Рз„ 1,45 / 0, 1,95 / 1, Слабая 1,9 /1,85 1,55 / 0, Средняя 2,1 /2,0 5 1,5 5 /0,9 К репкая / 1. 1, 2,2 5 /2, Особо крепкая Примечание: в числителя указаны данны е для среды с содерж анием воздуха 0,3%, а в знам енате­ ле - для среды с содерж анием воздуха 3%.

Формула показывает что чем больше разница в акустических жесткостях по­ роды и заполнителя трещ ин, тем меньше скорость волн (рис. 2, табл. 4 и 5). П о ­ этому возможна ситуация, когда при большой относительной толщ ине трещ ин и малом расстоянии между ними, волна в массивах одинакового строения будет иметь большую скорость в той породе, где меньше скорость звука (в образцах пород).

Уменьшение скорости волны в крупноблочных массивах меньше, чем в мел­ коблочных. Время прохож дения волны через трещ ины в таких массивах опреде­ ляется как суммарное врем я прохож дения через треш ины и основной массив.

Следовательно, скорость волны может бьггь оценена как (см. табл. 5) (3) 0 1 2 3 4 Д/W, % Рис. 2. Скорость волны в трещ иноватом массиве:

1 и 2 - в крупноблочном массиве;

3 и 4 - в мелкоблочном массиве;

1 и 3 - при рс = 2,107 кг/(м2.с);

2 и 4 - при рс = 1,2.107 кг/(м2.с) 54 Таблица Расчетные скорости сейсмических волн в мелкоблочных породах при разной суммарной толщине трещин Д, мм Заполнитель Тип породы с, км/с трещин 10 30 90 Слабая 3,6 Вода 3,57 3,51 3,35 2, Грунт 3.58 3.55 3,46 3. 3,52 3,38 3,00 2, Средняя 4.8 Вода 4,73 4,59 4,22 3, Грунт 4,77 4,70 4,52 4, 4,68 4,47 3,92 2, К реп кая 5,6 Вода 5,56 5,30 4,65 3, Грунт 5,63 5,51 5,17 4, 5,52 5,20 4,44 3, О собо крепкая 6,4 Вода 6,18 5,78 4,85 3, Грунт 6,31 6,13 5,65 4. 5, 6,16 4,76 3, Примечание: для трехкомпонентных сред («грунтов») сверху указаны данные для среды с содер­ жанием воздуха 0,3%, а внизу - для среды с содержанием воздуха 3%.

Таблица Расчетные скорости сейсмических волн в крупноблочных породах при разной суммарной толщине трещин Д (Др), мм Плотность, р, Скорость звука ся, км/с Р,„, Г/см г/см3 в образце, с, км/с 30 (10) 270 (90) 2.5 1, 3,6 3,58 3, 1, 1,85 1,45 3,58 3, 1,82 3, 0,7 3, 2,5 4,8 4,78 4, 1,0 1, 2,0 1,55 4,76 4, 1,97 0,85 4,71. 4, 2,8 1, 5,7 5,64 5, 1, 2,0 1,55 5,64 5, 1,97 0,95 5,59 4, 6,4 6,32 5, 1,0 1, ЗД 6,33 5, 2,1 1, 2,07 1,00 6,27 5, 55 Как легко видеть, в сильнотрещиноватых породах скорость волн много мень­ ше скорости звука в образцах пород. Особенно существенно это различие для мел­ коблочных крепких пород с высокой акустической жесткостью. Поэтому при боль­ шом раскрытии трещин и малых расстояниях между ними скорости волны напря­ жений близки по значению в самых различных породах.

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что сжатие/раскрытие тре­ щин сильно влияет на скорость прохождения волн. По анизотропии и вариациям скоростей прохождения волн мы можем отслеживать изменения напряженности массива. Естественно, на общее время прохождения волны оказывает влияние напряженность всех участков, находящихся на пути волны, поэтому по одному измерению нельзя оценить скорость на отдельном участке. Общее решение об­ ратной задачи о нахождении скоростей по времени прохождения волн представ­ ляет большие сложности. Наилучшее приближение мы получаем при использова­ нии ряда взрывов с большой массой ВВ в первой ступени замедления, проведенных примерно в одно и то же время. На рисунке 3 показан пример скоростного разре­ за, построенного на руднике «Октябрьский», на рисунке явно выделяются наибо­ лее напряженности, в которых фиксируется множество сейсмических событий, а также области, в которых растет напряженность, еще не проявившая себя в виде выраженной геодинамической активности.

Рис. 3. Пример результатов расчета карты скоростей Весьма информативным параметром оказывается также дисперсия скоростей сейсмических волн. Значения наибольшей дисперсии сейсмических скоростей (ри­ сунок 4) практически точно совпадали с зонами повышенных значений комп­ лексного параметра F, характеризующего сейсмической активность массива. При более детальном анализе значений скоростей по данным направлениям можно выделить пульсации - скорости как бы колеблются относительно среднего значе­ ния. Наиболее вероятное объяснение такого поведения связано с вариациями на­ пряженного состояния массива (пригрузка - разгрузка) при ведении горных работ и геодинамических процессах в массиве.

Рис. 4. Роза скоростей по 23 взрывам, проведенным в районе сейсмопавильона № Литература 1. Цирель С.В. О распространении волн сжатия при взрыве заряда ВВ в трещиноватых горных породах // Физические проблемы разрушения горных пород. М.: ИПКОН РАН, 2005.

2. Ризниченко Ю.В. Сейсморазведка слоистых сред. М.: Недра, 1985.

ВНИМИ 4,. ) / I;

Ш ШШ Y X I Г Д-р техн. наук, проф. А.В. КОРЧАК, член-корр. Р А Н А Д. РУБАН*, д-р техн. наук, проф. В.Л. Ш КУРАТНИК М ГГУ *ИПКОН Р А Н СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ГЕОСРЕДЫ ПРИ ОСВОЕНИИ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА Введение. Эффективное и безопасное освоение подземного пространства, в ча­ стности мегаполисов, предполагает наличие надежной информации о структурной неоднородности геологи-ческой среды в зоне строительства. В силу экономических и тех-нологических ограничений получение указанной информации путем бурения скважин и последующего кернового анализа или каротаж а сопряж ены с низким пространственным разрешением. Указанный недостаток характерен и для сейсми­ ческих и сейсмоакустических исследований массива методом проходящих волн.

В тоже время сочетание этого метода с томограф ической обработкой принятых сигналов позволяет перейти от традиционно получаемы х при прозвучивании интегральных характеристик контролируемой области к диф ф еренциации после­ дней на ло-кальные участки, отличающиеся по своим акустическим свойствам. При этом в случае использования сейсмического диапазона частот оказывается возмож­ ным реализовать реконструкцию неоднородностей со средней (до 30-50% ) и высо­ кой (более 50% ) контрастностью на малоконтрастном (до 10%) фоне. Именно тако­ го рода неоднородности характерны для верхней части геологического разреза и, в частности культурного слоя, глубина которого может достигать нескольких десят­ ков метров. Отметим, что под контрастностью здесь понимаются относительные (по сравнению со средним фоновым) изменения восстанавливаемого параметра.

Для реализации сейсмической реконструктивной вычислительной томографии (РВТ) в городских условиях характерны следующие особенности: размещ ение ис­ точников и приемников акустических сигналов на противоположных сторонах кон­ тролируемой области в виде четырехугольника, стороны которого, как правило, непараллельны, в результате чего регистрируются ограниченные по углу обзора про­ странственно усеченные проекции;

ограниченное число излучателей и приемни­ ков, не позволяю щ ее получить полный набор необходимых для реконструкции данных;

ограниченная точность измеряемых информативных параметров (времен распространения сигналов или их амплитуд) в том числе и из-за влияния неизбеж­ ных помех;

искривление траекторий распространения упругих волн (например, за 58 счет рефракционны х явлений), что приводит к потере точности восстановления.

Указанные особенности обуславливают необходимость оптимизации выбора кон­ кретных алгоритмов РВТ с учетом области, цели и задач их применения.

О бщ ая характеристика алгоритмов реконструктивной сейсмической томог­ рафии. Для дискретной модели реконструкции основное уравнение томографии, записанное для всех используемых в РВТ лучей (проекций) представляется систе­ мой линейных алгебраических уравнений [1] N или А Х = у, 0) п=I где п = 1,2 - индекс элементов разбиения участка пласта, а т = 1,2,..., М N - индекс лучей, используемых в реконструкции;

А = (а,ш) - матрица проек­ ций, размером М x N. Применительно к использованию в качестве информативного параметра времени в (1)у„, - время распространения волны по т -му лучу (направ­ лению между излучателем и приемником);

аит - протяженность m -го луча в «-ом элементе разбиения (элизе), в котором скорость волны постоянна и равна сп = Мхп\ X и У - соответственно N- и М-мерные векторы восстанавливаемых параметров (скоростей) и проекций (времён распространения).

Реш ение системы (1) позволяет определить значение парам етра хп, т. е. сп, в каждом элементе по величинам измеренных проекций у т. П рактическая реали­ зация метода РВТ для дискретной модели при необходимости учета искривления траекторий лучей имеет две существенные особенности:

1) неустойчивость реш ения системы (1) при малом изменении исходных дан­ ных (вектора У);

2) возможность того, что число проекций меньше числа элементов разбиения N М или число уравнений в (1) меньше числа неизвестных (недоопределенность системы).

П ервая из отмеченных особенностей требует регуляризации реш ения, то есть введения оп ределен н ы х ограничений, связанны х с погреш ностью измерений, а вторая - использования алгоритмов реконструкции, работающих по числу про­ екций т N.

Алгоритмы восстановления распределения информативных параметров в масси­ ве, в общем случае, должны быть рассчитаны на достаточно общую схему излучения и приема упругих волн. Этому условию отвечаю т алгебраические итерационны е алгоритмы, характеризую щ иеся большой гибкостью, и позволяю щ ие вводить по­ правки на искривление траекторий лучей.

В их основе леж ит разложение искомой функции в ряд при выборе набора базисных изображ ений, линейная комбинация которых приводит к адекватной аппроксимации искомого изображения. М одификации итерационных алгоритмов весьма разнообразны: A R T2 - ART4, M ART, SIRT и др. [1, 2].

Все они сводятся к следующей схеме реш ения: выбирается некоторое началь­ ное приближ ение /i-мерного вектора элементов изображ ения;

вы деляется при фиксированном индексе некоторый столбец в матрице преобразования искомой величины в проекционны е данные, считая ее вектором в /г-мерном пространстве;

производится коррекция вектора по формуле к -й итерации (в зависимости от ме­ тода). Таким образом, рассматривается только выбранный l-й луч, а корректиру­ ются лиш ь те компоненты искомого вектора, которым соответствуют элементы изображения, пересекаемы е данным лучом.

59 С учетом погреш ности в определении проекций система (1) записы вается в виде Y = АХ + Е, (2) где Е = (ет), (1 т М) - вектор-столбец погрешностей;

X = ( x j - вектор-столбец распределения реконструируемых параметров при разбиении области на N элемен­ тов У = (уш - вектор проекций, применяемых при реконструкции. П риближенно ) система (2) может быть записана в виде N = Z °пт Хп (3) п= В алгебраических алгоритмах реконструкции (A R T - Algebraic Reconstruction Technique) строится последовательность векторов Л'(П Х ()..., сходящаяся к предель­ ), ному оценочному значению изображения [1,3]. Величина ЛЧ*+|) на (к + 1)-м шаге итерации определяется через Х {к) с использованием приближенных соотношений.

Для наиболее простого варианта итераций (ART1) х “ "] = Х,‘ ) + [ у -1 -(a,„i.X U])]/{a.,i.a,„j ) а „. при ( р...о., ) * О яЛГ( М = АК*)_ п ри (ami, a m () = 0, (4) где скалярные произведения векторов размерности N определены как / \ N Ik) / \ \а ш j., Х ^ Ч = V а Xп ;

(а Hi /.,а in f. / а а ;

(5) \ f,и т /.,п ш /., n \ " v / /7 = 1 /7 = т п = \, т } = 2, m N_i = N, m N = 1,..., m 1N_x = N, m 2N = 1 и т.д.

В формулах (4), (5) ат - N -мерный вектор-столбец, состоящ ий из элементов аш],..., amN, и представляющ ий собой транспонированную т -ю строку матрицы А= элемент ат которой при дискретизации является частью га-го луча, и лежащей в n-ом элизе. Соответственно а ш - вектор-столбец, применимый для по­ лучения (к + 1)-й итерации А'№+| при пересечении области т к-м лучом, для которого, проекция (интегральное влияние обобщенного параметра) равна У ш. Данному алгоритму присущи следующие особенности [1]: лишь те элементы разбиения, ко­ торые пересекаю тся лучом т к, изменяют значения искомого парам етра;

измене­ ние зн ачен ия парам етра в элем енте п ропорц и ональн о «ош ибке» выполнения т к-то приближенного равенства в (5), то есть разности [ у — (зт;

,Х ^ к ])];

измене­ ние параметра в n -ом элементе пропорционально величине „.

Из работы [3] следует, что последовательность значений X ik) при возрастании индекса к сходится к предельному значению, являю щ емуся точны м реш ением;

вычисления заверш аю тся после конечного числа итераций, и некоторое прибли­ жение рассматривается как аппроксимация искомого предельного вектора, при­ чем значения проекций У т определяю тся с некоторой ошибкой е.

60 абсолютные погреш ности измерений проекций у.

И спользование при реш ении этой системы релаксационного метода [1,4] при­ водит к расчетному алгоритму A R T2 [4]:

где Х Ш начальное приближение (произвольное) и параметры релаксации X. обычно ) находятся в интервале 0 Хк 2, а тк = к( mod 2М) +1, т.е. используется цикли­ ческая последовательность индексов. При d m( ^ (с. X ^ ' j параметр Sk = 0, то есть коррекции вектора реш ений нет, поскольку соответствующее неравенство вы­ полняется.

Параметры релаксации (Хк) позволяют увеличить или уменьшить величины ор­ тогональных проекций в методах ART, что важно для их практической реализации.

Алгоритм A R T 2 характеризуется неопределенностью в выборе парам етра релаксации. Для получения единственного реш ения вводятся дополнительны е правила отбора. Н апример, искомое X - решение следующей вариационной задачи [1]: in f 0,5 ||Х ||2 Е м, где Е м - M-мерное евклидово пространство.

Алгоритм A R T 3 [4] использует конкретные значения этих параметров в зави­ симости от отклонений вычисленных и экспериментальных значений проекций с учетом инф орм ац ии о допускаем ой погреш ности измерений. В этом алгоритме нулевое приближ ение реш ения - Х (0) в общем случае является произвольны м, а к -я итерация:

(8) где ПРИ |л „ 2 ет _;

при Ут, + етt (ап t,X {k)) у т( + 2 ет (;

2 ( - y, „ t - ( a miX {k)) + emt), при У,П - 2 е„к (ami, X ik}) y m - е т.

к i % -61 Аддитивный алгоритм A R T4 позволяет получить итерационную последова­ тельность оценок Аг||), сходящуюся к решению с минимальной нормой и двусторонней оценкой уш (а ш,Х) 8 т. В этом алгоритме вводится вспомога­ тельный вектор Z;

для нулевой итерации Z ((,) и Х т - соответственно М и N размерные нулевые век-торы. Для к -й итерации [1] А-......

где y t [ - K kx(k)f ( 10) e,„ ( - М -размерный вектор-столбец, т ;

-й элемент которого равен 1, а все осталь­ ные - нулю;

mid - означает среднее значение (медиану) трех величин, стоящих в скобках.

Следует отметить, что стратегия выбора текущего элемента обрабатываемой строки матрицы или неравенства на k-vi итерации является важной особенностью алгоритмов A RT3 и ART4. М омент останова (номер итерации к) выбирается на основании критериев, используемых, например, при реш ении задач нелинейного программирования [5]. Другой особенностью указанных алгоритмов является воз­ можность использования дополнительной информации, уменьшающ ей диапазон выбора допустимых реш ений за счет введения максимально и минимально воз­ можных значений реконструируемого параметра.

Недостатками алгоритмов является наличие артефактов в виде полос, совпа­ дающих по направлению с углами съема проекционных данных, в случаях весьма малого числа учитываемых ракурсов и луч-сумм в проекциях.

При использовании различных вариантов обычного релаксационного метода решения систем алгебраических уравнений с параметром релаксации равным 1 удов­ летворение одного из уравнений может приводить к возникновению помех в виде полос вдоль луча, соответствующего данному уравнению. Эта особенность преодо­ левается различными способами, в том числе путем оптимизации параметра "к.

В альтернативном подходе это достигается использованием коррекции изображе­ ния по всем лучам одновременно. Соответствующие алгоритмы называются алго­ ритмами реконструкции с одновременными итерациями SIRT (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique) [1, 6, 8]. В этом случае итерационная процедура имеет вид:

\ (/) X j**'] = X } ч) + к w /yj 01) У ~ Ъ ачх ч 2-aJ где У] ~ S Ы, 0 _ Х К *I,0а 2,А.№- параметр релаксации, выбираемый в / * области 0 X(q) 2. При Xlq 1 (а = 0) получаем обычный вариант метода SIRT (1) = [1], а при а = 1 и A = l - вариант, предложенный в работе [6] (SIRT(2)).

,lq) 62 М етод LSQR (П ейдж а и Саундерса) [6] может использоваться при реш ении систем уравнений реконструкции с разреж енной несимметричной матрицей А.

Этот метод дает наименьш ую невязку 11А Х - У| | среди всех итерационны х ме­ тодов за одно и тож е число итераций;

обеспечивает более быструю сходимость, чем методы SIRT, обладая при этом теми же регуляризирую щ ими свойствами.

Существенным недостатком этого метода, резко ограничиваю щ им возможности его практического применения для акустической томографии геосреды, является невозможность в итеративном процессе коррекции реконструируемого параметра по минимально и максимально возможным его значениям. П одобная коррекция может быть сделана всего один раз после выполнения всех итераций, вследствие чего ее применение неэф ф ективно и приводит к больш им погреш ностям в ре­ конструкции.

Анализ алгебраических алгоритмов свидетельствует об эффективности их при­ менения в случаях относительно небольшого числа проекций (до —102 —103) и при наличии априорной информации о реконструируемом параметре.

Результаты численного моделирования сейсмической томографии с исполь­ зованием алгебраических алгоритмов реконструкции. Исследование работы алго­ ритмов РВТ на численных моделях связано с решением прямой и обратной задач реконструкции. Под прямой задачей подразумевается расчет некоторой и нф ор­ мативной характеристики (например, времени распространения упругой волны) на путях (лучах) между излучателями и приемниками, проходящих через область с заданным полож ением фантома. Последний представляет собой один или не­ сколько участков с отличными от остальной области значениями реконструируемо­ го параметра. Для дискретной расчетной модели проводится разбиение исследуе­ мой области на конечное число элементов, в каждом из которых значение этого параметра считается постоянным. П рямая задача может решаться путем генера­ ции дискретной модели, т.е. расчета элементарных отрезков пути для заданного луча, пересекаю щ его элизы, после чего по значениям распределения плотности параметра по элизам определяется величина требуемой интегральной характери­ стики. Последняя мож ет быть рассчитана и непосредственно при задании в неко­ торой системе координат положения излучателей, приемников и аналитического описания границ фантомной области.

Под обратной задачей реконструкции подразумевается определение в иссле­ дуемой области интересующего распределения плотности физического парамет­ ра, выражаемого через измеряемую характеристику. В рассматривавшейся модели (N х ДГ) реконструкции пути распространения лучей считались прямолинейными, а реконструируемым информативным параметром являлась скорость распростра­ нения упругой продольной волны.

Численное моделирование работы алгоритмов реконструкции по некоторому эталонному образу имеет ряд следующих особенностей.


1. При реконструкции даже по «идеальным» данным изображение не опреде­ ляется однозначно интегралами вдоль конечного числа прямых, поэтому алгоритм реконструкции позволяет лишь оценить изображение по его проекционным дан­ ным, хотя в ряде случаев реконструкция по модели может быть точной.

2. А лгебраические алгоритмы обеспечивают сходимость последовательности векторов Х,к1 распределения плотности требуемого физического параметра к пре­ дельному при бесконечном количестве итераций, тогда как на практике их число выбирается ограниченным.

63 3. Из-за разброса исходных данных оценка X может вообщ е не существоват или быть непригодной в качестве реконструкции изображ ения, т.е. соответствую­ щий предел lim Х,к при к — со существует, но предельный вектор сильно отлича­ ется от использованного в фантоме.

В проводивш емся моделировании реконструкции границы фантома выбира­ лись точно совпадающими с границами участков разбиения в дискретной модели, то есть фантом занимал целое число элизов, поэтому влияние первой из отмечен­ ных особенностей было минимальным. Для интегральной оценки соответствия реконструированного изображения и фантома использовались следующие меры различия [1,4]:

1) относительная среднеквадратичная мера различия, осно-вы ваю щ аяся на сопоставлении длин векторов изображения Х (“ = ( х “ ) и ф антома Х,ф - ( x'j )./ !

= j =I Эта мера фиксирует малое число значительных ошибок, вызванных большим различием значений парам етра в элементах векторов и зображ ения и фантома в относительно небольшой области;

2) относительная средняя мера различия по абсолютной величине N- N (, V y=i у= фиксирую щ ая наличие большого числа малых ошибок. П ри тождественной ре­ конструкции фантома обе эти меры равны нулю.

Исследования проводились для алгоритмов A R T 2 - A R T4, различных вари­ антов SIRT(1,2) И LSQR.

При реконструкции вычислялись среднее значении невязки [7] на одну проек­ цию A NE = I А Х - 5 ||" / М, изменение между циклами итераций дисперсии (С ТО) J (хЛ v' D ~ z l ( x j ~ х)~ энтропии (СТЕ) E =Г=Г ln ' X = (х ), j = 1, 2,..., J;

И = 7 lW - среднее значение реконструируемого параметра;

оценивалось и про изведение изменений дисперсии и энтропии: C D E = V C T D • С Т Е.

П ри приближении к точному решению (в отсутствии шумов) значения A Nr, CTD, СТЕ, CDE - 0. В реальных условиях эти параметры могут использоваться для выбора критерия останова (по достижению некоторого значения одного из них или некоторой комбинации, по абсолютному минимуму на заданном числе итераций и т.п.).

64 При исследовании влияния погрешности в задании проекций (шумов) на ра­ боту программы реконструкции значения проекций считывались из файлов, где они были записаны в виде матриц 8x8 по 3 значащ ие цифры, при этом шумовое возмущение, обеспеченное генератором случайных чисел RND, представляло со­ бой равномерное изменение значения проекции с максимальной относительной погрешностью E PS = 0, 2,5, 5 и 10%.

В рамках численного моделирования были получены зависимости средней не­ вязки от числа циклов итераций для различных алгоритмов обработки при EPS = 0.

В частности было установлено, что увеличение числа итераций N приводит к не­ прерывному уменьшению невязки, причем для алгоритмов ART3 и A R T4 ее зна­ чения при 1 50 достаточно близки (при для A RT3 и для A RT4);

для алгоритма V.

A RT2 (A L A M = 1,8) для того же N h = 50 - A NE = 3,48 • 10~5. Реконструкции по алгоритмам SIRT показали, что сходимость (по невязке) для них более медленная, чем для алгоритмов A R T, при-чем коррекция приводит к значительному замедле­ нию сходимости, хотя получаемая реконструкция все же заметно лучше, чем без нее. Результат может быть улучшен увеличением параметра релаксации \, одна­ ч ко, он все же заметно уступает (в отсутствии шумов) получаемым по алгоритмам ART2-4.

При использовании алгоритма LSQR наблюдалась сходимость последователь­ ности итерации {X'1} к предельному вектору распределения параметров с весьма малой невязкой {ANFa 4,5 104’), причем результат лучше, чем в случаях использо­ вания алгоритмов A R T и SIR T без учета коррекции по min и шах значениям восстанавливаемого параметра;

однако в случае алгоритма LSQR подобную кор­ рекцию можно провести лиш ь один раз после выполнения всех циклов итераций и получаемый результат значительно уступает (образ «размыт») аналогичным для алгоритмов A RT2-4 (для LSQ R меры различия, 8 = 0,0748, R = 0,0534, тогда как, например, для A R T4 - 8 * 3,23 10"\ R = 1,3 • 10“3).

Обобщ енные характеристики изображений для различных алгоритмов обра­ ботки при ESP = 0,05 приведены в табл. 1. Из результатов этой таблицы видно, что выбор уровня погреш ности ЕР при реконструкции довольно заметно влияет на результат, причем лучш ая реконструкция получается при ЕР = 0,25 ESP. Измене­ ние числа итераций N jt от 20 до 40 повлияло на результат незначительно. При использовании алгоритмов типа SIRT процесс сходимости к предельной реконст­ рукции в несколько раз медленнее, чем для ART, а получаемый результат в целом, не лучше, чем при использовании, например ART4. Однако, предельное значение невязки для алгоритмов SIRT, примерно, вдвое меньше, чем для A RT. Поэтому сравнение работоспособности различных алгоритмов только по конечной невязке реконструкции мож ет дать неадекватный результат.

И сследования влияния числа используемых проекций на качество реконст­ рукции проводились с исклю чением одного (I = 2), двух (I = 2, 4) и четырех (I = 2, 4, 6, 7) излучателей, т.е. с нулевыми значениями проекций по соответству­ ющим строкам. У меньш ение числа проекций, как и следует ожидать, приводит к возрастанию предельного значения невязки, которое, например для A R T4 в от­ сутствии шумов при числе проекций N = 32 прим ерно в 20 раз выше, чем при N Р =64.

О бобщ енны е характеристики изображ ений для различны х алгоритмов об­ работки и м еняю щ ем ся числе проекций приведены в табл. 2 (уровень шумов ESP = 0,025).

-65 Таблица Обобщенные характеристики реконструируемых изображений при уровне шумов ESP = 0, 5 R СО Е Алгоритм обработки N. ЕР ^м :

0,0998 0,0519 0,064 0, A RT4 0,0919 0,0485 0, 0, A RT4 40 6,25- 0,0899 0,0484 0,0708 0, A RT4 1,25- 0,0926 0,0506 0, 0, A RT4 40 1,875-10- 0,0986 0,0539 0,0898 0, 0, ART4 0,062 0, 0,103 0, A RT4 40 3,75-Ю" 0,0905 0, 0,0488 0, A RT4 10 1,25-10' 0,0898 0,0485 0, 0, ART4 20 1,25-10’ 0,102 0,0537 0,0341 6,75-10- S IR T (l) 0,0981 0,0467 0,0328 1,43-10’ S IR T (l) 0,0994 0,0494 0,0499 0, A RT2 (X. = 0,6) 0, 0,0986 0,0481 6,07-10' A RT2 (А = 0,4). 0,0998 0,064 0, 0, A RT3 20 0,0975 0,0561 0, 0, 20 1,25-10" ART 0,107 0, 0,0748 0, 0, A RT3 0,229 0,154 0,007 1,75-10’ LSQ R Таблица Обобщенные характеристики реконструируемых изображений при различном числе проекций (уровень шумов E SP = 0,025) R 5 CO E EP Алгоритм обработки ЛЛ, N, 0,0563 0,0306 0,022 5,59-10-’ 64 40 0, A RT 0,119 0,0576 0,020 0, 0, A RT4 56 0,0874 0,0419 0,0159 0, 0, A RT4 48 0,132 0,0684 0,0157 0, 32 0, ART4 0,126 0,0618 0,011 5,81-10-’ 0, ART4 32 0,129 0, 0,0645 0, ART4 32 40 0, 0,140 0,726 0,0217 0, ART4 32 0, 0,094 0,046 0,0135 3,11-10-’ ART4 48 5,36- 0,0935 0,045 0, A RT4 48 40 0, 0,102 0,046 0,0242 0, 0, 48 A RT 0,114 0,0509 8,42-10-’ 7,55-10-’ A RT3 80 0,104 0,0476 9,96 1 0 3 9,05 lO 32 0, A RT3 0,104 0,0558 0,0195 0, 32 0, A RT3 0,0963 0,048 7,74-10-’ 3,5610-’ S IR T (l) 80 0,112 1,67-10-’ - 0,056 8,27-10-’ S IR T (l) 0,141 1,38-10-’ - 0,075 9,0-10-’ 32 S IR T (l) 0,134 0,068 7,68-10--’ 5,35-10- 32 S IR T (l) -66 Выводы 1. Подход с использованием методов алгебраических реконструкций облада­ ет достаточной адаптируемостью к изменению физических принципов работы и схем возбуждения воздействий и регистрации данных в РВТ.

2. Эти методы могут использоваться в случае высококонтрастных неоднород­ ностей (объектов), там, где другие методы (свертки, обратных интегральных пре­ образований) не дают результатов.

3. П ри малом числе наблюдений итеративные методы, как правило, имеют луч­ шие характеристики, чем два других применяемых метода - обращ ения функций в частной области (преобразования Фурье) и метод обратного проецирования при помощи свертки (на основе формулы обращения Радона), хотя очень малое число наблюдений может давать артефакты.

4. Ввиду своей гибкости алгоритмы типа A R T могут использоваться и для истинно трехмерной реконструкции изображений в противоположность обычно применяемой реконструкци в виде последовательных сечений.

5.При наличии шумов для алгоритмов ART2-4 является характерным дости­ жение некоторого предельного уровня средней невязки за несколько десятков циклов итераций с последую щ ими небольшими периодическими изменениями относительно этого уровня.

6. Для алгоритмов типа SIRT с ростом N. наблюдается монотонное уменьшен невязки и параметра CDE, однако процесс сходимости к предельной реконструк­ ции происходит в 2-3 раза медленнее, чем в случае алгоритмов типа ART.

7. Для алгоритмов ART2-4 с ростом /V. наблюдается монотонное уменьшение невязки и параметров СТО и СТЕ (изменений дисперсии и энтропии между после­ довательными циклами итераций), а также параметра CDE, поэтому указанные параметры при выборе критерия останова могут использоваться лишь как вспо­ могательные.

8. Алгоритм LSQR обеспечивает минимальную невязку из всех рассмотренных алгоритмов за заданное число циклов итераций, если не используется коррекция (после каждой итерации или цикла (для SIRT)) восстанавливаемых характерис­ тик по min и max значениям. В противном случае результаты реконструкции по алгоритму LSQR значительно хуже, чем для A R T и SIRT.

9.0тсутстви е коррекц ии восстанавливаемой характеристики (по min и max ^значениям) приводит к существенному ухудшению качества результирующей ре­ конструкции, хотя невязка при этом может быть меньшей, чем при наличии по­ добной коррекции.


10. Выбор парам етра ЕР, определяю щ его допустимую область поиска значе­ ний реконструируемых параметров, позволяет в целом улучшить качество рекон­ струкции, при этом EP/EPS » 0,25— где EPS - максимальная относительная п о­ 0,5, грешность в задании проекций.

11. Уменьшение числа используемых проекций приводит к непрерывному воз­ растанию ошибок реконструкций. Некоторое улучшение изображений может быть достигнуто за счет увеличения числа циклов итераций.

12. При малом числе проекций (0,5 от максимального) наименьшую погрешность за одно и тоже число циклов итераций дает алгоритм ART3, большую - ART4, алго­ ритмы типа S1RT даю т реконструкции с погрешностью, приближающейся к полу­ чаемой с использованием ART4, но за число циклов итераций в 2-3 раза больше.

-67 Литература 1.Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. О сновы реконструктивной томографии. М.: Мир, 1983. 350 с.

2. Сейсмическая томография. С приложениями в глобальной сейсмологии и развед ной геофизике. М.: Мир, 1900. 416 с. \ 3. Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Вычислительная том ограф и я и физический эксперимент. УФН, 1983. Т. 141. № 3. С. 469-498.

4.Ц енсор Н. Метод реконструкции изображения, основанный на разлож ении в конеч­ ные ряды. ТИ И Э Р, 1983, Т. 71. № 3. С. 148-160.

5.Вазара М., Шетти К. Нелинейное программирование. М.: М ир, 1982. 583 с.

6. Хорн В.К.П. Восстановление внутренней структуры объектов с помощ ью раз ных схем многолучевого просвечивания. ТИ И Э Р, 1978. Т. 66. № 5. С. 27-40.

7. Бакушинский А.Б., Гончарский А.В. Итеративные методы реш ения некорректных задач. М.: Наука, 1989. 128 с.

-68 Д -р техн: наук А.В. АНЦИФ ЕРОВ, канд. техн. наук М.Г. ТИРКЕЛЬ УкрН И М И Н А Н Украины ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ В УКРНИМИ НАН УКРАИНЫ О дним из п р иори тетн ы х н аправлений н аучной деятел ьн ости У крН И М И НАНУ, начиная с семидесятых годов прошлого столетия, являются геофизичес­ кие исследования, в развитии которых можно выделить следующие этапы.

Первый этап (7(Ь80-е годы) знаменателен становлением шахтной геофизики, когда институт (тогда Украинский филиал В Н И М И ) будучи головным в стране в области шахтной геофизики выполнял огромные объемы шахтных геофизических исследований во всех основных угольных бассейнах СССР, разрабатывая шахтные сейсморазведочные и электроразведочны е методики прогноза самых разнообраз­ ных горно-геологических осложнений, сопровождающих отработку угольных плас­ тов. Параллельно в институте разрабатывались различные модификации шахтной сейсморазведочной и электроразведочной аппаратуры в искро- и взрывобезопас­ ном исполнении. В этот же период доказана несомненная весьма значительная экономи-ческая эффективность опережающих геофизических прогнозов, что под­ тверждалось официальными актами внедрения шахтных геофизических методик и аппаратуры.

На втором этапе (конец 80-х - 90-е годы) помимо шахтных геофизических ис­ следований были ш ироко развернуты комплексные инж енерны е геолого-геофи зические работы, направленны е на прогноз сложных горно-геологических усло­ вий строительства на подрабатываемых шахтами территориях для разработки мер защиты и обеспечения сохранности зданий и сооружений. В этот же период были разработаны и утверждены методические документы по шахтной геофизике, вклю­ чающие самые различные методы, например, такие эффективные, как сейсмическая локация впереди забоя и т.п.

Н аконец, н а третьем этапе (с конца 90-х годов и по настоящ ее время) направ­ ления геофизических исследований были существенно расширены. Помимо усовер­ ш енствования методик прогноза для угольных месторождений, исследованиями охвачены месторож дения других полезных ископаемых, значительно расш ирен круг реш аемых инж енерны х задач. Больш ие объемы исследований проведены в России совместно с российскими организациями.

Больш ое внимание уделяется сейсмогеологическому и математическому мо­ делированию, методикам компьютерной обработки геофизической информации, разработкам новых поколений геофизической аппаратуры.

Там, одним из актуальных направлений деятельности института является раз­ работка теоретических и методо-логических основ математического моделирова­ ния процессов распространения сейсмических волн для реш ения практических задач шахтной сейсморазведки, позволяющих проводить анализ процессов фор­ мирования, распространения и взаимодействия пакетов колебаний различной при­ роды, слагающих рассеянный и отраженный сигналы, формируемые в результате взаимодействия волнового поля с геологическими нарушениями.

В результате многолетних исследований в У крН И М И Н А Н У были разрабо­ таны эф ф ективны е физико-математические модели и методы математического м оделирования процесса распространения сейсмических колебаний в углепо­ родном массиве с учетом влияния физико-механических характеристик угля и пород на кинематические и динамические характеристики волновых пакетов. Они позволили выделить применительно к различным горно-геологическим условиям и типам геоло-гических нарушений информативные волновые пакеты, сформу­ лировать системы прогнозны х критериев и апробировать их на практике. Спе­ циалистам института уд алось осущ ествить систем ны й ан ал и з сейсм ических параметров характерны х сейсмогеологических разрезов угольных пластов Ук­ раины, описать типичные структуры волновых полей, характеристики информа­ тивных волновых пакетов различной природы. Впервые дан анализ процессам ф ормирования сейсмических волновых полей на угольных пластах сложного стро­ ения и на сближенных пластах, а также при возбуждении колебаний во вмещающих породах. П римененная методика впервые позволила в динам ике исследовать про­ цессы распространения сейсмических колебаний через утонения и пликативные нарушения, учесть влияние их характеристик на параметры формируемого вол­ нового поля. Впервые был проведен анализ влиянию свойств сместителя тектони­ ческих нарушений (в том числе его наклона по отношению к угольному пласту, влияния зоны дробления пород в непосредственной близости от него) на пара­ метры ф орм ируем ого волнового поля. В целом, и сп ользован и е соврем енны х методов математического моделирования позволило впервые в практике ш ахт­ ной сейсм оразведки осущ ествить систем атизацию структур и характеристик сейсмоакустических полей в зависимости от строения углепородного массива с учетом стадии эпигенеза углевмещающей толщи, а такж е наличия геологичес­ ких нарушений разных типов. Это послужило основой для выработки методологии многоволновых шахтных сейсмических исследований, реализованной в целом ряде практических методов.

Разработан целый ряд новых методов и методик шахтной сейсморазведки, де­ тально описанных в методических документах и публикациях специалистов Укр­ НИМ И НАНУ.

Помимо методических вопросов в институте большое внимание уделяется раз­ работке геофизической аппаратуры.

Так, разработан и изготовлен опытный образец шахтной взрывозащ ищ енной двенадцати канальной сейсмостанции СШ 12К. Ф ункционально аппаратура состо­ ит из пульта оператора, двух блоков измерительных, двух блоков синхронизации и связи, линии связи, зарядного устройства и комплекта соединителей. Основные технические характеристики аппаратуры СШ 12К приведены в таблице 1.

Внешний вид аппаратуры СШ 12К отображен на рисунке 1.

В М акН И И проведены техническая экспертиза и испы тание аппаратуры СШ12К на соответствие требованиям нормативно-правовых актов по охране труда -70 и промышленной безопасности Украины для возможности применения в шахтах опасных по газу (метану) и/или (угольной) пыли.

Согласно с выводами экспертизы аппаратура СШ12К отнесена к рудничному взрывозащищенному электро-оборудованию с уровнем взрывозащиты «Рудничное особо-взрывозащищенное электрооборудование» РО и видом взрыво-защиты «Искробезопасная электрическая цепь» ИаХ.

Таблица Основные технические характеристики аппаратуры СШ12К Наименование показателя Значение показателя Число сейсмических каналов Разрядность АЦП Диапазон частот, Гц от 5 до Масса составных частей аппаратуры:

- блок измерительный, кг, 3, - пульт оператора, кг 3, Габариты составных частей аппаратуры:

- блок измерительный, мм 246x128x - пульт оператора, мм, 280x130x Рис. 1. Внешний вид аппаратуры СШ12К (впереди - пульт оператора, в центре - блоки измерительные, справа - зарядное устройство, позади - сейсмическая магистраль) В настоящее время в У крН И М И разработан и готовится к испытаниям для возможности применения в шахтах опасных по газу (метану) и/или (угольной) пыли опытный образец двадцати четырех канальной сейсмостанции СШ24К. Аппарату­ ра СШ 24К обладает улучшенными масса-габаритными характеристиками, повышен­ ной разрядностью АЦП, сниженным уровнем собственных шумов, приведенных к входу. А п п аратура С Ш 24К соответствует уровню взры возащ иты «Рудничное особо-взрывозащ ищ енное электрооборудование» РО и виду взрыво-защиты «Ис­ кробезопасная электрическая цепь» Иа.

Основные технические характеристики аппаратуры СШ 24К приведены в таб­ лице 2.

Таблица Основные технические характеристики аппаратуры СШ 24К Значение показателя Наименование показателя Число сейсмических каналов Разрядность А ЦП Диапазон частот, Гц от 5 до М асса составных частей аппаратуры:

- блок измерительный, кг, 1, - пульт оператора, кг 1, Габариты составных частей аппаратуры:

- блок измерительный, мм 183x111x - пульт оператора, мм 268x138x Ведутся аппаратурные разработки шахтного анализатора импульсов с восми разрядным аналого-цифровым преобразователем (Ш АИ-8) во взрывобезопасном исполнении. А ппаратура предназначена для изучения структурно-тектоническо го строения шахтных полей, разрывных нарушений, участков напряженно-дефор­ мированного состояния, обводненности, различных неоднородностей углепород­ ного массива горных пород на основе изучения пространственного распределения амплитудной плотности импульсов естественного электромагнитного поля Земли.

Метод основан на явлении изменения показателей естественного импульсного электромагнитного поля Земли ЕИ Э М П З при изменении напряженно-деформи­ рованного состояния массива горных пород.

Реализация метода заключается в измерении амплитудного значения каждо­ го зафиксированного импульса в течение установленного интервала измерения при помощи высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя, сохранении каждой величины амплитуды в оперативном запоминающем устройстве (емкость запоминающего устройства - более 500 О О значений), сортировки величин амп­ О литуд по рангу и предоставлении оператору полученных значений.

Н а сегодняшний день выполнено математическое моделирование ответствен­ ных узлов и блоков регистрации и накопления информации о входных импульсах аппаратуры шахтного анализатора импульсов Ш АИ-8 и разработана структурная схема взрывобезопасной аппаратуры и узлов на современной основе.

С использованием разработанных в У крНИМ И Н А Н У методик и аппарату­ ры проводятся шахтные и полевые исследования.

-72 Таблица Основные технические характеристики аппаратуры Ш А И - Наименование показателя Значение показателя Режимы работы О днократный и циклично непрерывный Время измерения, с 10, 20, 40, 60, 120 и Число уровней регулировки усиления Средство оперативного контроля Графический Ж К -индикатор Тип носителя информации SD-карта объемом до 2 Гб Число сохраненных файлов До 2 000 Исполнение М оноблок Масса 1,8 кг Габаритные размеры, мм 80x170x На угольных шахтах решаются задачи прогноза горно-геологических условий отработки угольных пластов:

- прогноз мелкоамплитудной тектонической нарушенности угольных плас­ тов (рис. 2);

[ ш 0, j ПВ 18-й коне, штрек, ш То-й к эн в. fim p e jk г 4) ГяЗ аI I*.г..

/ 8в * :i /;

/ V, :

п i| I a Лава № 1 \\ / Ж л - 1i f V 1 / J /h б ) \ И,.

/ // Ш \Ь з) i / Iff f/m :

а r •!

, 4,/...

V/ U / 7 ?/ Щш Лава № 1 7 J j Jj тщ Ш ?

Пн, Ш 1-й вен т. ходок ^ im д - зон' • тек тонической нарушенности по даннь гм сейсморазведки 1-й вент. ходок W*7’ Рис. 2. Сейсмические исследования на пласте Ы шахты «Моспинская»:

а - результаты сейсмических сследований;

б - план горных работ с результатами отработки лавы после проведения шахтных сейсмических исследований -73 - прогноз морфологических нарушений угольного пласта (размывов, замеще­ ний, утонений) (рис. 3);

- поиск потерянных скважин из горных выработок;

- выявление участков повышенной газоносности углепородного массива.

Полевые исследования позволяют решать геологические задачи для строи­ тельства и обеспечения сохранности зданий и сооружений:

- прогноз строения и состояния горного массива, в т. ч. изучение опасных физи ко-геологических процессов (оползни, геодинамическая активность и др.) (рис. 4);

- картирование зон влияния (повышенной трещ иноватости пород) тектони­ ческих нарушений, выходящих под покровные отложения;

- комплексный прогноз условий строительства тоннелей (рис. 5);

- оценка гидрогеологических условий, в т.ч. определение уровней подземных вод, изучение строения и состояния гидротехнических сооружений, прогноз пу­ тей фильтрации.

В целом, геофизические исследования УкрНИМ И Н А Н Украины характери­ зуются высокими показателями достоверности, надежности прогнозов, геологичес­ кой и экономической эффективности, составляющей десятки тысяч долларов.

Рис. 3. Результаты сейсмических исследований в 113-й лаве шахты «Д олж анская-К апитальная»:

1 - частичный размыв угольного пласта;

2 - зона ослабленных трещ иноватых пород и угля верхней пачки при максимальном расщ еплении пласта;

3 - расщепление пласта - 74 УСЛОШIUE ORCHI1ЛЧЕГ1ИЯ:

.]- преломляю щ ие границы продольных сейсм ических волн:

- подошва коры интенсивного выветривания;

L • и - аномальная зона ослабленны х нарушенных пород;

r ;

_р 811 - приращ ение сейсмичности в баллах 200 «0 600 800 ПК, м сейсмического профиля Рис. 4. Результаты сейсмических исследований на участке газопровода Россия - Т урция (морской вариант). Спуск газопроводов от компрессорной станции «Береговая» к морю _JTiTvUWrr Рис. S. Прогнозный разрез горнотехнических условий по проектируемой трассе тоннеля для строительства автомагистрали по данным геофизических исследований (К раснодарский край):

1 - зоны трещ иноватых пород;

2 - участки повышенной трещ иноватости и обводненности пород;

3 - зоны ослабленны х пород;

4 - геодинамически активны е зоны по данны м ЕЭМ И;

5 - суглинок коричнево-серый с включением щебня аргиллитов - 75 Канд. техн. наук А.С. Я ГУ Н О В Сибирский филиал ВН И М И СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В СИБИРСКОМ ФИЛИАЛЕ ВНИМИ ЗА 75 ЛЕТ ЕГО ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ОСНОВНЫМ ПРОБЛЕМАМ ГЕОМЕХАНИКИ Со времени орган и зац ии систематических наблю дений за сдвиж ением гор­ ных пород при подземных разработках угольных месторождений (по сути со време­ ни организации института В Н И М И ) проделана колоссальная работа в регионах и центре по организации исследований в части оценки поведения напряж енно-де­ форм ированного состояния горного массива и зем ной поверхности в различных горно-геологических условиях. Учитывая, что институт В Н И М И всегда был ориен­ тирован на практическое использование результатов проводимых исследований, то естественно больш инство их наш ло отраж ение в основных методических и норма­ тивных документах по отрасли.

Н ет необходимости перечислять все достиж ения института в этой области, достаточно отметить, что по прош ествии 80 лет трудами преимущ ественно голов­ ного ВНИМ И, его филиалов и отдельных энтузиастов-исследователей создана к на­ стоящему времени нормативная база охраны подрабатывающ их объектов: зданий, сооружений, промы ш ленны х и водных объектов, горных вы работок, вклю чая оцен­ ку их эксплуатационного состояния.

В области горного давления подготовлен ряд основополагаю щ их методичес­ ких докум ентов (указан и й, реком ендаций, руководств и т.д.), обеспечиваю щ их обоснованность нормативных параметров безопасного ведения горных работ. Су­ щественное развитие в условиях Кузбасса получила в этот период откры тая добы ча угля, естествен н о одним из основны х встал вопрос об есп еч ен и я устойчивости откосов бортов разр езов и отвалов, которы й реш ался преим ущ ественно силами головного В Н И М И и его Сибирского филиала.

В области охраны капитальных и подготовительных вы работок ш ирокое рас­ пространение в К узбассе получила бесцеликовая выемка запасов в механизиро­ ванных лавах, где роль филиала в организации наблю дений и обобщ ении экспе­ риментального материала была определяю щ ей. П равда этот способ поддерж ания выработок достаточно редко прим еняется в настоящ ее врем я в связи с переходом горных работ на большие глубины с использованием высокоскоростных технологий выемки. Требуется новый подход и новы е м атериалы для сохран ен и я вы работок в отработанном пространстве высокопроизводительны х лав.

В области сдвиж ения горных пород и охраны поверхностных сооруж ений за­ метную роль в развитии отраслевой науки сыграло издание современны х «П равил охраны сооруж ений и природных объектов...», 1998 г. В последних изданиях «П ра­ вил...» использован достаточно прогрессивный принцип сравнения допустимых и предельных деф ормаций подрабатываемых объектов с ожидаемыми и вероятными деф орм ациям и поверхности на базе которого выбираю тся допустим ы е парам ет­ ры выемки и технология управления кровлей. Из этого следует, что весь спектр подрабатываемых объектов разбивается на группы, для каждой из которых имеется своя обоснованная методика расчёта допустимых деф орм аций, а методика расчё­ та (прогноза) деф орм аций поверхности по сути едина для всех групп. Т акой под­ ход к проблеме предусматривает возможность участия инж енерны х служб шахт и проектных институтов в обосновании проектных реш ений по охране объектов без участия специализированны х институтов. П редставляется, что так ая постановка вопроса вполне ж изнеспособна и подтверж дается больш ими масш табами внедре­ ния исследований при расконсервации запасов из разного рода целиков.

Ведущ ая роль в р азработке стратегии вы бора мер охраны объектов на базе сравнения допустимых и ожидаем ы х д еф орм аций безусловно п рин адлеж и т школе видных отечественны х учёных, из которы х особо следует отметить Р.А. М улле ра, И.А. П етухова и В.Н. Земисева. Роль ф и лиала п реи м ущ ествен но связан а с н акоплением эксп ер и м ен тал ьн ого м атери ала, п роведен и ем опы тны х п о д р аб о ­ ток объектов.

Впечатляю щ их успехов головной институт совместно с ф илиалом добился в области охраны разли чн ого род а водных объектов на поверхности и в массиве пород и разработки средств наблюдений за подрабатываемой толщей пород. Гидро геологические и геофизические методы наблюдений, разработанны е во ВН И М И, находят ш ирокое прим енение в отечественной и зарубеж ной практике. М ож но достаточно долго перечислять все достиж ения института В Н И М И и его С ибир­ ского ф илиала за прош едш ие 75-80 лет (кстати, С ибирскому филиалу в 2009 г. ис­ полнилось 75 лет). О днако следует заметить, что процесс развития отечественной экспериментальной геомеханики сущ ественно снизился в перестроечны й период нашего государства. Поголовная приватизация отраслевой науки безусловно сыгра­ ла свою отрицательную роль - современное развитие горной технологии, вопросы безопасности по большинству параметров явно не обеспечиваю тся геомеханичес кими исследованиями и базирую тся на накопленном научно-исследовательском запасе прош лых лет.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.