ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКВАЖИННЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕГИСТРАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛОКАЛЬНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

  • Д.Ю. ШУЛАКОВ Горный институт УрО РАН

Аннотация

Проведение сейсмологических наблюдений на горнодобывающих объектах, как и в любых других местах с высокой техногенной нагрузкой, сопряжено с необходимо- стью обнаружения целевого сигнала на фоне интенсивных сейсмических помех. До- полнительно осложняют ситуацию относительно небольшие размеры объектов, в связи с чем возможности выбора мест для установки сейсмических датчиков очень ограниче- ны. Частично задача подавления помех может быть решена за счет углубленной цифро- вой обработки сейсмограмм и использования различных способов фильтрации. Однако весьма перспективным направлением представляется непосредственное снижение уровня шумов в месте установки датчика. Наиболее простым и очевидным способом повышения качества сейсмических запи- сей является установка датчиков в скважины. При этом решаются сразу две задачи: снижа- ется уровень микросейсмических шумов и повышается качество целевого сигнала за счет уменьшения его поглощения в породах верхней части разреза. Понятно, что с увеличением глубины скважины отношение сигнал/помеха будет возрастать, но при этом также стреми- тельно растет стоимость бурения и возникает целый ряд технологических проблем, связан- ных с установкой и точной ориентировкой сейсмических датчиков. Целью данной работы является определение оптимальной глубины скважин, используемых для установки датчи- ков при мониторинге техногенной сейсмичности. Снижение уровня шумов Микросейсмические колебания различной интенсивности присутствуют в любой точке земной поверхности. Характерной их особенностью является то, что они состоят преимущест- венно из волн поверхностного типа. Это обусловлено тем, что амплитуда поверхностных волн при удалении от источника убывает гораздо медленнее, чем у объемных P- и S-волн. Однако амплитуда поверхностных волн достаточно быстро уменьшается с глубиной. Глубина проник- новения поверхностной волны зависит от ее длины λ: для вертикальной компоненты макси- мальная амплитуда поверхностной волны наблюдается на глубине z=0.1λ, и на глубине z>λ ее амплитуда становится пренебрежимо мала [1] (см. рис. 1). Амплитуда горизонтальной компо- ненты поверхностной волны убывает с глубиной еще быстрее, чем вертикальной. Таким образом, установка датчика в скважине позволяет значительно снизить уровень микросейсмических шумов, причем чем больше глубина установки, тем ниже минимальная частота подавляемых помех. Для количественной оценки этой зависимо- сти было проведено сопоставление спектров сейсмических шумов на земной поверхно- сти и в скважине, полученных при работах по сейсмологическому мониторингу про- цесса гидроразрыва пласта (ГРП) (см. рис. 2). Один из датчиков был установлен в скважине глубиной 10 м, второй - на земной поверхности возле ее устья. Как видно из представленного рисунка, до частоты 17 Гц спектры шумов практически совпадают, однако на более высоких частотах уровень шумов в скважине быстро снижается. Учи- тывая, что скорость поверхностных волн на глубине в единицы метров составляет око- ло 500 м/с, существенное снижение амплитуды поверхностной волны начинается уже при отношении z/λ ≥ 0.3. Этот факт вступает в противоречие с описанными выше свой- ствами поверхностных Рэлеевских волн, согласно которой их амплитуда на подобной глубине должна быть значительной. 173 ----------------------- Page 174----------------------- λ / z ы н л о в е н и л д к ы н и б у л г е и н е ш о н т О Отношение амплитуд на поверхности и на глубине Рис. 1. Зависимость амплитуды волны Релея от глубины [1] Для проверки устойчивости наблюдаемого эффекта было проведено аналогич- ное сравнение уровня шумов на земной поверхности и на глубине в двух сейсмологи- ческих обсерваториях: «Обнинск» и «Владикавказ». Для станции «Обнинск» были ис- пользованы датчики, установленные в штольне на глубине 30 м и в скважине на глуби- не 80 м, для «Владикавказа» - датчик, установленный в 70-метровой скважине. Во всех трех случаях были получены сопоставимые результаты: в обсерватории «Обнинск» для датчиков в штольне и скважине резкое снижение шумов начинается с частот 4 и 2.7 Гц соответственно, для «Владикавказа» - с частоты 3.3 Гц. С учетом скоростного строения во всех случаях эта глубина примерно соответствует 0.1 λ. Данный результат, хотя и является очень благоприятным с практической точки зрения, трудно объясним теоре- тически и требует дальнейших исследований. Рис. 2. Сопоставление спектров микросейсмических шумов в скважине и на земной поверхности 174 ----------------------- Page 175----------------------- Расширение частотного диапазона Второй проблемой, возникающей при регистрации сейсмических сигналов на земной поверхности, является интенсивное поглощение высокочастотной составляю- щей сейсмической волны в рыхлых горных породах верхней части разреза (ВЧР). По- высить качество регистрации сигналов также можно за счет установки датчиков в скважинах. Однако предварительно надо определить, какие частоты и насколько силь- но поглощаются породами в ВЧР и есть ли необходимость бороться с этим эффектом. Для решения данной задачи также были использованы сопряженные пары по- верхностных и скважинных датчиков. В первую очередь, был выполнен анализ запи- сей, полученных системой сейсмического мониторинга в районе «большого» провала на руднике БКПРУ-1. Данная система включает в себя как поверхностные датчики, так и скважинные, установленные на различной глубине. Для сравнения были выбраны за- писи «импульсных» высокочастотных событий, связанных с трещинообразованием в прочных породах, полученные тремя датчиками: поверхностным S15 и двумя, распо- ложенными в скважине, находящейся в 20 м от него - B3U (глубина 17 м) и B3D (глу- бина 39 м). Для анализа были выбраны записи 5 «импульсных» событий, имеющих от- носительно высокую энергию (более 20 Дж) и произошедших в радиусе 100 м от дат- чиков. Сопоставление нормированных спектров сейсмограмм показало, что записи, по- лученные на земной поверхности, несколько богаче низкочастотными колебаниям (5 - 20 Гц), однако начиная с частоты 50 Гц амплитуда сигнала на поверхностном датчике становится заметно ниже, чем на обоих скважинных. Данная тенденция с разной степе- нью выраженности прослеживается на всех проанализированных сейсмограммах. Однако использование сигналов условно природного происхождения оставляет открытым вопрос о частотном составе исходного сигнала и возможном влиянии на- правленности излучения сейсмической волны (механизм очага нам неизвестен). В связи с этим были дополнительно проанализированы записи взрывов, полученные в ходе ра- бот по мониторингу ГРП, а также при изучении сейсмического воздействия взрывов в гипсовой шахте. В случае взрывов, проводимых в плотных породах, мы можем быть уверены, что частотный состав сигналов достаточно широкий, а направленность излу- чения сейсмической волны практически равномерная. При мониторинге ГРП проводился подрыв торпеды ТШТ, используемой для ка- либровки скоростной модели. Для сравнения были взяты записи двух идентичных дат- чиков, один из которых был расположен на земной поверхности, второй - в скважине глубиной 10 м. Сопоставление амплитудных спектров сигналов показало, что ниже 70 Гц они практически идентичны, но в более высоких частотах амплитуда сигнала на скважинном датчике более высокая. В ходе регистрации сейсмических сигналов от взрывов в гипсовой шахте датчи- ки располагались на земной поверхности и в горных выработках, на глубине 150 м. Для анализа были выбраны 2 пространственно сопряженных датчика. Сравнение зарегист- рированных ими сейсмограмм показало, что на поверхностном датчике наблюдаются интенсивные низкочастотные колебания, ассоциируемые с поверхностными волнами. В частотном интервале 20 - 60 Гц амплитуды сигналов на земной поверхности и в шахте практически совпадают, а начиная с частоты 70 Гц интенсивность колебаний на уровне горных выработок становится значительно выше. Выводы Установка сейсмических датчиков в скважины, даже относительно неглубокие, позволяет заметно снизить уровень сейсмических шумов, особенно в высокочастотной части спектра. При этом подавляются поверхностные волны, длина которых составляет менее 10h (h - глубина установки датчика). Этот факт противоречит теоретическим расчетам и требует дальнейшего изучения. 175 ----------------------- Page 176----------------------- Установлено, что слабо консолидированные породы верхней части разреза ин- тенсивно поглощают колебания с частотой свыше 70 Гц, что необходимо учитывать при проектировании систем наблюдений.

Литература

  1. Athanasopoulos G.A. Effect of soil stiffness in the attenuation of Rayleigh-wave motions from field measurements / Athanasopoulos G.A., Pelekis P.C., Anagnostopoulos G.A. // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. - 2000. - V. 19, Iss. 4. - P. 277-288.
Опубликован
2018-10-01
Выпуск
Раздел
Статьи