Методика и технология 3D-3C сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей (в условиях города Большой Сочи)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Методика и технология 3D-3C сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей (в условиях города Большой Сочи)

Специальность 25.00.10 - “Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых”

Власов Сергей Викторович

Екатеринбург - 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - Писецкий Владимир Борисович, доктор геолого-минералогических наук, доцент, заслуженный геолог РФ

Официальные оппоненты:

Щапов Владислав Анатольевич доктор геолого-минералогических наук, Институт геофизики УрО РАН, старший научный сотрудник лаборатории геодинамики

Крылатков Сергей Михайлович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», профессор кафедры геофизики нефти и газа

Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 15 ноября 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 11 октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Б. Макаров

Характеристика работы

Актуальность работы

Производство горно-технологических работ является сложным процессом, неизбежно связанным с рисками неблагоприятного или опасного развития инженерно-геологических процессов в период строительства и эксплуатации транспортных тоннелей.

В настоящее время строительство 16 транспортных тоннелей с общей протяженностью проходки более 16 км в границах г. Большой Сочи осуществляется в сжатые сроки и в максимально сложных условиях, обусловленных инженерно-геологическими условиями, тектонофизической обстановкой, гидрогеологическим режимом и плотной застройкой территории с преобладанием частного сектора.

В подобных условиях безопасность и эффективность строительства транспортной системы обеспечиваются на этапе инженерно-геологического сопровождения (горный мониторинг), целями проведения которого являются инженерно-геологический и гидрогеологический прогнозы условий проходки впереди тоннеля на дистанцию не менее 50 м в процессе строительства, оценка напряженно-деформированного состояния горного массива, определение воздействия подземного строительства на окружающие здания и сооружения. Очевидно, что решение подобных задач необходимо искать на основе применения геофизических методов, которые способны обеспечить дистанционное исследование структуры, свойств и состояния в рассматриваемой динамической системе “геологическая среда - тоннель”.

Теория и практика применения поляризационных методов сейсмических исследований по схемам вертикального сейсмического профилирования в осадочных бассейнах (Гальперин Е.И., 1970; Biorn Paulsson, 2000 и др.) определяют все необходимые методические и технологические решения, которые следует положить в основу системы регистрации и обработки сейсмических данных в подземной выработке. Практическая реализация этого подхода в условиях проходки транспортного тоннеля требует разработки ряда методических и технологических оригинальных элементов, совокупность которых способна привести к созданию эффективного способа получения и обработки информации для обеспечения безопасного строительства и эксплуатации подземного сооружения.

Цель исследований. Разработка методических и технологических элементов поляризационной системы сейсмических наблюдений по принципу радарного обзора как способа опережающей оценки устойчивости горного массива с целью обеспечения безопасности и эффективности строительства транспортных тоннелей.

Объект исследований - природная и техногенно измененная геологическая среда в условиях г. Большой Сочи.

Предмет исследований - структура и параметры состояния устойчивости горного массива в процессе строительства тоннеля и возможность оперативного упреждающего прогноза развития опасных инженерно-геологических и техногенных процессов.

Задачи исследований:

· Анализ существующих методов дистанционного прогноза инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительства транспортных тоннелей с учетом конкретной технологии проходки.

· Разработка модели горного массива, целевые элементы структуры и свойства которой связаны явным образом с объектами риска и с особенностями распространения сейсмических волн.

· Анализ сейсмических волновых полей при различных интерференционных системах поляризационного приема упругих волн на груди забоя тоннеля и его стенках.

· Разработка оптимальной технологической схемы графа обработки азимутограмм с целью формирования сейсмического изображения горного массива в сигналах отраженных волн.

· Разработка оптимального алгоритма прогноза устойчивости массива по атрибутам сигналов отраженных волн на дистанцию не менее 50 м.

· Разработка непрерывной системы мониторинга состояния горного массива на основе 3D-3С сейсмолокации, обеспечивающей безопасный и эффективный технологический режим проходки тоннеля.

Идея работы. Прочность массива горных пород в динамической системе тоннель - массив определяется вполне закономерным процессом эволюции напряженно-деформированного состояния (НДС) слоистой геологической среды с блоковой структурой. Вертикальные зоны дезинтеграции массива на границах блоков (ранее сформированных современным геодинамическим состоянием и вновь образующихся в процессе проходки тоннеля) представляют собой основные объекты риска потери устойчивости горного массива при пересечении его подземной выработкой. Зоны дезинтеграции естественной и техногенной природы являются контрастными отражателями упругих волн, что определяет безальтернативный выбор сейсмических методов опережающего прогноза и оценки степени риска встречи выработки с опасным объектом.

Методика исследований. Методологическую и технологическую основы работы составляют современные методы анализа волновых полей, методы математического и статистического анализа, вычислительные схемы и алгоритмы, методы системного программирования и современные средства регистрации сигналов сейсмических волн.

Научная новизна:

1. Обоснована сейсмогеомеханическая модель горного массива в рамках природно-технической динамической системы применительно к инженерно-геологическим условиям строительства тоннелей в границах г. Большой Сочи, структура и параметры которой являются объективной основой для опережающего прогноза развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

2. Разработана интерференционная система 3D-3С регистрации сигналов отраженных волн с целью синтеза сейсмического изображения массива на дистанцию не менее 50 м от забоя тоннеля.

3. Исследован и сформирован оптимизированный граф обработки волнового поля, зарегистрированного 3С системой сейсмического приема на вертикальной стенке забоя тоннеля.

4. Разработан оригинальный алгоритм оценки характеристической устойчивости горного массива по параметрам сейсмических волн.

5. Получены уникальные материалы наблюдений за распространением сейсмических волн внутри реальной геологической среды.

Практическая значимость. Метод 3D-3С сейсмолокации в предложенном технологическом варианте может успешно применяться в процессах строительства и эксплуатации транспортных тоннелей и подземных выработок других типов (шахт, штолен и т.п.) в любых инженерно-геологических условиях.

Личный вклад соискателя. Все рассматриваемые автором положения диссертационной работы разработаны лично им и при непосредственном участии в создании и функционировании системы непрерывного мониторинга состояния устойчивости горного массива, в процессе строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи.

Реализация на производстве. Разработки автора в полной мере использованы при создании системы непрерывного мониторинга условий проходки при строительстве транспортных тоннелей в г. Большой Сочи и обеспечивают снижение экономических и социальных рисков в сфере производственной деятельности.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты исследований автора докладывались на двух конференциях. По теме диссертации опубликовано шесть работ, из которых одна в списке рецензируемых журналов, включенных в перечень ВАК РФ.

Исходные материалы. Все исходные материалы получены автором в штатном составе отдела инженерно-геологических изысканий ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» при непосредственном участии в производственных процессах инженерно-геологических изысканий, проектирования и строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи.

Защищаемые положения, выносимые на защиту

1. Сейсмогеомеханическая модель, сформированная в рамках природно-технической динамической системы применительно к инженерно-геологическим условиям строительства тоннелей в границах г. Большой Сочи, устанавливает связь кинематических и динамических параметров сейсмических волн с объектами и элементами тектонофизического состояния горного массива, что позволяет оценивать состояние его устойчивости и обеспечивает своевременный прогноз развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

2. Методика и технология оперативного сопровождения строительства тоннеля основаны на принципиально новом подходе применения принципов 3D-3C сейсмолокации и направлены на опережающий прогноз элементов геологического строения и оценку состояния устойчивости горного массива в процессе горно-технологических работ на дистанцию не менее 50 м от положения регистрирующей системы.

3. Результаты применения метода 3D-3С сейсмолокации в процессе строительства транспортных тоннелей в условиях г. Большой Сочи в полной мере свидетельствуют о возможности эффективного и достоверного опережающего прогноза устойчивости массива в дальней зоне подземной выработки.

В первой главе «Задачи изучения, оценки и прогноза изменения состояния устойчивости горного массива с целью предупреждения опасных явлений в процессе горно-технологических работ» анализируются возможности и недостатки различных геофизических технологий изучения структуры и параметров устойчивости горного массива в условиях строительства и эксплуатации подземных горнотехнических сооружений. Формулируются проблемы и задачи, требующие решения в сложных условиях проектирования и строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи.

Во второй главе «Сейсмогеомеханическая модель динамической системы “геологическая среда - тоннель”» рассмотрены геолого-геофизические параметры массива горных пород района г. Большой Сочи, выделены основные факторы, влияющие на состояние его устойчивости в процессе горно-технологических работ и обсуждается принципиальная возможность их оценки по атрибутам сейсмического волнового поля.

В третьей главе «Методика и технология 3D-3С сейсмолокации структуры, свойств и состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортного тоннеля» рассмотрены вопросы разработки оптимизированной к конкретным условиям проходки тоннелей методики и технологии регистрации упругих волн на основе интерференционной системы поляризационного приема сейсмических колебаний на вертикальной стенке забоя подземной выработки. Сформирован граф обработки полного набора векторных компонент поля сейсмических волн с целью синтеза сейсмического изображения горного массива на дистанцию не менее 50 м от забоя на основе сигналов отраженных волн.

В четвертой главе «Результаты применения методики 3D-3С сейсмолокации в системе мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе строительства транспортных тоннелей в г. Большой Сочи» приведена полная схема реализации технологии 3D-3С сейсмолокации в производственном режиме. Обсуждаются результаты опережающего прогноза характеристической устойчивости массива и приводятся выводы о степени верификации количественных оценок параметров устойчивости по фактическим данным проходки тоннелей.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю диссертации доктору геолого-минералогических наук, зав. кафедрой геоинформатики, профессору Писецкому В.Б. за оказанную помощь в написании работы; cотрудникам кафедры геоинформатики и кафедры гидрогеологии и инженерной геологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» Абатуровой И.В. Емельяновой И.А., Самсонову В.И., Зудилину А.Э., всему коллективу отдела инженерно-геологических изысканий ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» за полезные консультации и помощь при постановке и проведении исследований, оформлении работы.

Особую благодарность автор выражает главному инженеру ОАО «Тоннельный отряд №44» Алексееву А.В. за содействие при апробации и внедрении в производство предлагаемой технологии; генеральному директору ООО «СочиТрансТоннельПроект ТО-44» Векслеру С.Е. за содействие в создании условий для проведения исследований.

Работа выполнена при поддержке ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" по теме: "Мониторинг напряженно-деформированного состояния массива твердого полезного ископаемого, основанный на принципах сейсмической локации массива впереди забоя выработки", ГК от 17.10.11 г., № 07.514.11.4090.

Основные защищаемые научные положения

Первое защищаемое положение

В работе рассмотрена природно-техническая система (ПТС), образованная транспортным тоннелем и геологической средой (ПТС тоннеля). Введено понятие активной динамической системы, формирование которой начинается с момента внедрения тела тоннеля в массив и развивается в период его проходки и строительства. Структуру ПТС тоннеля предлагается представлять в виде системы из нескольких иерархических уровней, главными элементами которой являются «область взаимодействия» (ОВ) и «сооружение» (рис. 1). В соответствии со структурой определена основная логика оценки инженерно - геологических условий (ИГУ) в полосе строительства тоннеля и схема прогноза устойчивости горного массива, основанные на сопоставлении фоновых ИГУ и измененные вследствие техногенного воздействия. геологический тоннель сейсмический

По результатам обобщения результатов исследований на рассматриваемой территории сформированы основные ИГУ:

1. Трасса тоннелей проложена в пределах терригенного разреза, представленного палеогеновыми породами Хостинской, Сочинской свит и отложениями зоны Воронцовского надвига, литологически представленных однообразно: слабо литифицированными глинистыми карбонатизированными аргиллитами темно-серого, голубовато-серого и зеленовато-серого цветов плитчатой средне- и тонкослоистой текстуры, пылеватой структуры, с прослоями алевролитов и песчаников.

2. Описываемая территория характеризуется сильноразвитой системой тектонических нарушений субширотного и субмеридионального простирания. Выделяемые геодинамические блоки имеют усредненный размер 200х200 м.

3. Все тоннели сооружаются под углом 70-80⁰ по отношению к простиранию пород, и в целом проходка горных выработок осуществляется в условиях субгоризонтальных залеганий. Исключение составляет комплекс тоннелей №№8-8а, где более половины проходки осуществляется в условиях субвертикальных залеганий пород.

4. Прочностные характеристики пород преимущественно соответствуют градациям пониженной и малой прочности. Установлено, что из-за большого содержания гидрослюд в составе коренные породы размягчаемы.

5. По степени трещиноватости преобладают слаботрещиноватые и трещиноватые породы (модуль трещиноватости М_т=11-15 тр/м), с редкими зонами сильнотрещиноватых (М_т 25 - 60 тр/м) и раздробленными (М_т >60 тр/м) породами.

6. Установлено, что значимые водопритоки в выработку могут быть приурочены только к участкам дезинтеграции массива - границам геодинамических блоков.

Таким образом, при относительно однородных и благоприятных условиях проходки, в рамках базовой модели строения, основные зоны риска потери устойчивости массивом приурочены к бортам геодинамических блоков - участкам дезинтеграции, где наблюдается максимальная трещиноватость и вероятны значительные водопритоки.

С учетом приведенных выше обобщений предложено оценивать устойчивость массива по методике ВСН126-90 («Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов нормы проектирования и производства работ», Минтрансстрой, 1990) на основе интегральной характеристики массива - характеристической прочности:

S=1.07 R_cж k₁ k₂ k₃ k₄ k₅ k₆ k₇ , (1)

где 1.07 - нормирующий множитель, R_сж, k₁… k₇ - нормированные таксономические единицы (ТЕ) ПТС тоннеля (см. рис. 1).

Выделены основные критерии оценки критического уровня упруго-пластичного состояния устойчивости массива: дискретность, градиенты компонент НДС и коэффициент Пуассона в масштабном представлении. На основе численного моделирования НДС показано, что характерное распределение компонент горизонтальных напряжений вблизи вертикальных зон дезинтеграции массива приводит к появлению резких вертикальных сейсмических границ с контрастным изменением упругих модулей по обе стороны от них. Этот элемент структуры субгоризонтальной слоистой толщи является ключевым в понимании развития опасных явлений при приближении забоя тоннеля к такой зоне, что и определило суть разработки системы регистрации сигналов отраженных волн.

Особенности процессов распространения упругих волн в неоднородно-напряженных средах обсуждались в ряде фундаментальных и прикладных наук о твердой земле: механика упругих сред (Biot M.A., Schoenberg M., Козлов Е.А., Nur A. и др.); сейсмология (Введенская А. В., и др.); региональная сейсморазведка (Crampin S. и др.) и т.п. Впервые фундаментальное волновое уравнение с начальными напряжениями опубликовано в работах M.A. Biot, из которого следует, что в активной системе “геологическая среда - тоннель” сейсмические границы первого рода формируются мгновенной геодинамической моделью среды, которая состоит из двух основных компонент - статической, обусловленной материалом среды, и динамической, созданной добавочными эффективными напряжениями тектонофизической природы.

Рис. 1. Структура ПТС тоннеля

Таксономические единицы: 1 - прочность грунтов «в куске»; 2 - ориентация выработки по отношению к наиболее опасной системе трещин; 3 - расчлененность массива трещинами; 4 - интенсивность трещиноватости; 5 - сопротивление смещениям отдельностей по трещинам; 6 - ширина раскрытия трещин; 7 - характеристика заполнителя трещин

Рис. 2. Схема обзора массива в вертикальной проекции

Рис. 3. Схема обзора массива в горизонтальной проекции

Рис. 4. Типовой граф обработки наблюдений на забое горной выработки в технологии 3D-3С сейсмической локации

Рис. 5. Результаты применения методики в условиях априорно известных ИГУ

Рис. 6. Пример картирования зоны полной дезинтеграции массива

Рис. 7. Пример применения методики в условиях субвертикальных залеганий

Рис. 8. Верификация расчета R_сж по данным 3D-3С сейсмолокации

Второе защищаемое положение

Поляризационные схемы наблюдений получили широкое распространение, и основные методические приемы и технологии достаточно давно обоснованы (Гальперин, Мирзоян, Paulsson и др.), однако применение подобных схем наблюдений в процессе горно-технологических работ в производственном режиме осуществляется впервые. Основными отличиями при работе в горной выработке являются:

· размещение всей системы наблюдений на вертикальной стенке забоя выработки с ограниченной базой регистрации волнового поля;

· рабочий диапазон частот сейсмических сигналов ближе к акустическому, чем к сейсмическому (100-1000 Гц);

· сжатые сроки выполнения процесса регистрации на забое и короткий период на обработку и интерпретацию материалов.

Суть предлагаемой технологии заключается в том, что, принимая начало координат в центре забоя, представляется возможным осуществить миграцию волнового поля для организованной совокупности азимутограмм в различных вариантах “источник - приемник” в один общий расширяющийся конус обзора по типу авиационного радара.

Полевые наблюдения

В работе сформированы принципы проведения поляризационных наблюдений на вертикальных стенках горной выработки, учитывающие ограничения и специфику работ, а также конкретные местные условия. Разработаны оптимальные системы полевых наблюдений при использовании импульсных и вибрационных типов источников возбуждения сейсмического сигнала. Рассмотрены вопросы крепления датчиков на вертикальных стенках, выбора параметров системы возбуждения импульсного типа.

Технически поляризационные наблюдения осуществляются путем регистрации по нескольким линиям наблюдений трехкомпонентными геофонами и одной или несколькими линиями возбуждений.

Система непрерывного мониторинга основана на последовательных циклах локации каждые 20-30 м проходки, что обеспечивает 50 % перекрытие конусов обзора. Конус обзора, с учетом параметров анизотропии массива, имеет максимальную кратность точек отражения в кровле на расстоянии от 5.2 до 8 м, а в стенках - от 5.2 до 16 м от забоя (рис. 2, 3).

Обработка данных

Специфика в обработке сейсмических данных, полученных с использованием поляризационных схем наблюдений, по сравнению с однокомпонентными записями, заключается в применении двух типов различных векторных и скалярных преобразований волнового поля. Соответственно, одним из основных условий оперирования многокомпонентными данными становится тщательное сохранение амплитудных соотношений между компонентами.

В работе рассмотрен и предложен типизированный граф обработки сейсмических данных (рис. 4) полученных по методике 3D-3C сейсмической локации, состоящий из стандартных процедур цифровой обработки. Ключевой процедурой в предложенной системе обработки является 3D миграция Кирхгофа до суммирования на основе волнового продолжения по следящей компоненте с учетом угла подхода волны (3С-PSDM). Особенностью локации массива по направлению “вперед” забоя является отсутствие данных о скоростях распространения упругих волн, т.е. процедура миграционного преобразования реализуется по значению скорости, найденной на забое тоннеля.

Окончательным результатом преобразования всех азимутограмм становится 3D изображение сигналов отраженных волн, пришедших с различных направлений в контур установленных пространственных границ.

Обработка результатов наблюдений вибрационных воздействий

Основным отличием обработки результатов наблюдений вибрационных воздействий является необходимость трансформации виброграммы от неуправляемого кодоимпульсного источника (ротор проходческой машины или гидромолот) в импульсный формат. В работе рассмотрено несколько вариантов трансформации в зависимости от параметров вибрационного источника.

Интерпретация и анализ результатов обработки лежат в русле стандартных процедур для перевода сейсмических изображений в сигналах отраженных волн в параметрические массивы данных о свойствах и состоянии горного массива:

1. Прослеживание основных отражающих горизонтов в трехмерном пространстве, с определением их геометрии и параметров.

2. Атрибутный анализ волнового поля.

3. Сейсмическая инверсия.

На первом этапе производится пикирование 3D отражателей, оцениваются их геометрия и атрибуты сигнала. Характерные образы сейсмических сигналов, соответствующие ряду отражающих объектов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Сейсмические образы сигналов отраженных волн

Инженерно-геологические условия	Сигнал отраженной волны, полученный по результатам обработки материалов поляризационных наблюдений	Характеристики импульса
Повышение трещиноватости (без флюидонасыщения)		л0/лотр>1; Аср>0
Повышение трещиноватости (флюидонасыщение)		л0/лотр>1; Аср<0
Одиночные, протяженные трещины		л0/лотр~0.75-1; Аср<<0
Интервал полной дезинтеграции массива		л0/лотр<0.5; Аср<<0
Тонкий пласт		л0/лотр~1; Аср~0

Примечание. л₀/л_отр - отношение длины волны зондирующего импульса к длине волны отраженного сигнала; А_ср - среднее значение амплитуды в окне.

Атрибутный анализ - стандартный метод изучения геологического строения массива по сейсмическим данным. Для выделения оптимального информативного набора сейсмических параметров были проведены детальные исследования с привлечением материалов ультразвуковых опробований, лабораторных и полевых исследований свойств пород. В качестве основных, используются атрибуты Гилберт-преобразования и атрибуты декомпозиции сигнала. В работе установлены соответствующие эмпирические связи между вышеназванными параметрами и основными ТЕ ПТС тоннеля.

Сейсмическая инверсия

Для осуществления инверсии выбрано абсолютное обращение, так как исходные данные удовлетворяют приближению Шуи (1985). Осуществляя абсолютное обращение, проводят расчет комплексного сопротивления среды распространению сейсмической волны (акустический импеданс), которое является содержательной характеристикой породного массива. Нормировка получаемого параметра может осуществляться на конкретные величины прочностных и деформационных свойств пород, если выбранные параметры являются основополагающими свойствами среды с точки зрения импеданса. Наиболее корректным параметром нормировки будет являться модуль всестороннего сжатия, однако его определение на забое невозможно. С другой стороны, при оценке прочностных характеристик массива и параметров устойчивости ОВ ПТС тоннеля используются предел прочности на одноосное сжатие (R_сж) и характеристическая прочность S, учитывающие масштабный эффект в полной мере. Поэтому оптимальным будет представление данных в виде двух функций распределения:

F(R_сж)~f(АI), и F(S)~f(АI),

где АI - акустический импеданс

Третье защищаемое положение

Пример применения методики в условиях априорно известных параметров устойчивости массива

При проходке технологической штольни тоннеля №8 в связи с крайне неблагоприятными ИГУ проводились мероприятия по укреплению массива армированием фиберпластиковой арматурой (длиной до 15 м) с нагнетанием бетонной смеси по горизонтальным скважинам.

Сейсмическая локация выполнена после проведения мероприятий по укреплению массива с целью оценки параметров устойчивости впереди забоя. По результатам обработки построен куб распределения акустического импеданса, приведенного к R_сж, и далее трансформирован в характеристическую прочность. По результатам обработки отмечаются высокие значения импедансов (более 7000) в интервале 0 - 15 м от забоя, а также повышение параметров расчетной устойчивости на этом интервале, что связано с укреплением массива фиберпластиковой арматурой. По параметру водообильности за экраном обнаруживается участок повышенных значений (рис. 5), который был проинтерпретирован как скопления грунтовых вод, вследствие тампонирования бетоном естественного дренажа, что подтвердилось при проведении следующего цикла мероприятий по укреплению массива.

Приведенный пример иллюстрирует возможность точного отображения структуры массива в сейсмических атрибутах сигналов отраженных волн, полученных по обсуждаемой технологии 3D-3С сейсмической локации, а результат прогноза параметров устойчивости массива по сейсмическим данным соответствуют фактическому состоянию массива после его закрепления.

Пример картирования участка полной дезинтеграции массива

При проходке тоннеля №3, в интервале ПК73+42 - ПК73+39, была вскрыта зона тектонического нарушения (ЗТН), представленная сильнотрещиноватыми до раздробленных аргиллитами, местами перетёртыми до глин. Во время бурения горизонтальной скважины, на интервале ЗТН, был зафиксирован спонтанный выброс воды, сопровождающийся местными вывалами горных пород.

Результаты обработки приведены на рис. 6 в виде развертки сечений куба данных, соответствующих левой стенке-кровле-правой стенке калотты и отдельных сечений для кровли калотты. На представленных изображениях достаточно четко выделяется упомянутая выше ЗТН.

Оценка состояния массива в условиях субвертикальной слоистости

Применение методики 3D-3C сейсмолокации в условиях субвертикальных залеганий весьма затруднено, в связи с образованием сложной интерференционной волновой картины. Тем не менее технология поляризационных наблюдений показала себя как надежный инструмент изучения структуры, свойств и состояния массива.

В связи с использованием на комплексе тоннелей №№8-8а гидромолота полевые наблюдения выполнялись по методике наблюдений и обработки 3D-3C сейсмической локации с использованием вибрационных источников.

По результатам выполненных работ получен стандартный 3D куб сейсмических данных, построен набор интерпретационных характеристик для срезов на уровне левой стороны-кровли-правой стороны выработки (рис. 7) и составлено итоговое заключение.

В интервале ПК146+04-ПК146+08 прогнозируется участок с протяженными мощными трещинами по напластованию и повышенной водоотдачей массива. В интервалах ПК146+13-ПК146+20 и далее ПК146+25 прогнозируются зоны нарушений в виде отдельных пластов нарушенной породы.

В процессе проходки прогноз условий по материалам 3D-3C сейсмолокации был полностью подтвержден.

Оценка эффективности и достоверности качества прогноза по предлагаемой технологии

На основе полученных материалов произведен статистический анализ на предмет соответствия результатов применения методики 3D-3C сейсмической локации реальным ИГУ, по результатам которой вероятность (р) достоверного прогноза на обнаружение и идентификацию объекта риска оценивается как р?0.72 при подтверждении наличия объектов, вызывающих значимое изменение параметров сейсмического сигнала в более чем 90 % случаев.

Принятая система оценок прочностных характеристик и параметров устойчивости массива показала высокую сходимость с результатами геологического описания забоя выработки, о чем свидетельствует матрица сопоставления результатов определения R_сж по данным опробования забоя молотком Шмидта и прогноза R_сж по предложенной в настоящей работе методике (рис. 8).

Заключение

В диссертации содержится решение задачи по разработке методики и технологии 3D-3C сейсмических исследований геологического строения и мониторинга состояния устойчивости горного массива в процессе проходки транспортных тоннелей, что является принципиально новым направлением в практических геолого-геофизических исследованиях, сопровождающих строительство подземных сооружений (тоннелей, штолен, штреков и т.п.).

Основные научные и практические результаты работы, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Рассмотрены основные элементы структуры, свойства и параметры устойчивости (стационарности) горного массива в динамической системе, которая формируется в реальных геологических средах в процессах проходки транспортных тоннелей. Проведено обобщение множества материалов, характеризующих свойства и состояние пород сочинской свиты.

2. Разработана сейсмогеомеханическая модель горного массива в рамках ПТС тоннеля применительно к ИГУ строительства тоннелей в границах г. Б. Сочи, структура и параметры которой являются объективной основой для опережающего прогноза развития опасных ситуаций в процессе проходки тоннеля.

3. На основе поляризационных схем регистрации отраженных волн в заданном направлении обзора разработана методика и регламентная технология применения системы 3D-3С сейсмической локации.

4. Исследован и оптимизирован технологичный граф цифровой обработки материалов поляризационных наблюдений с использованием источников упругих волн импульсного и кодоимпульсного типов.

5. Изучены реальные параметры состояния устойчивости динамической системы “тоннель - массив” и особенности распространения сейсмических волн, непосредственно связанных с этими параметрами, что позволило сконструировать систему интерпретации сейсмических данных, целенаправленную на оперативный и своевременный прогноз риска развития аварийных ситуаций.

6. Получены уникальные сейсмические материалы высокого качества, представляющие научный и практический интерес по проблеме изучения особенностей распространения сейсмических волн в слоистых средах с известными инженерно-геологическими и геодинамическими параметрами.

7. Предложенные метод и технология 3D-3C сейсмической локации в полной мере, от полевых работ до разработки заключений по итогам интерпретации, внедрены и успешно используются в производственном режиме при строительстве 13 тоннелей, общей протяженностью более 16 км.

8. Произведена оценка эффективности применения методики для прогнозирования инженерно-геологических условий и параметров устойчивости массива по линии проходки тоннеля на дистанцию не менее 50 м с достоверностью более 70 %.

Публикации по теме диссертации

1. Опережающий прогноз устойчивости горного массива на основе метода 3D - 3C сейсмолокации в процессе проходки транспортных тоннелей в г. Сочи / В.Б. Писецкий, С.В. Власов, А.Э. Зудилин, В.И. Самсонов, В.А. Шинкарюк // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - Екатеринбург. - 2012. - №3.

Работы опубликованные в других изданиях

2. Писецкий В.Б., Власов С.В., Шинкарюк В.А. Сейсмический и геомеханический мониторинги строительства транспортных тоннелей в г. Сочи // Материалы Х Уральской горнопромышленной декады. - Екатеринбург: УГГУ, 2012.

3. Писецкий В.Б., Власов С.В., Зудилин А.Э. Опыт применения поляризационных систем сейсмических наблюдений с целью прогноза объектов риска в процессе строительства тоннелей // Материалы научно-практической конференции «Инженерная геофизика-2011», г. Геленджик, 25-29 апреля 2011 г. - М., 2011.

4. Прогноз параметров современных геодинамических и флюидодинамических процессов по сейсмическим данным в различных направлениях решения поисково-разведочных и инженерных задач / В.Б. Писецкий, С.В. Власов, В.А. Шинкарюк, Ю.В. Патрушев // Геофизика XXI века: Материалы II Международного симпозиума, посвященного 60-летию образования геофизического факультета Уральского государственного горного университета. - Екатеринбург, 2011.

5. 3D-3C сейсмическая технология (поляризационный сейсморадар) обнаружения зон развития опасных геодинамических процессов на стадиях проектирования и строительства горнотехнических сооружений / В.Б. Писецкий, С.В. Власов, А.Э. Зудилин, В.И. Самсонов, Ю.В. Патрушев, В.А. Шинкарюк // Материалы XV научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового и рудного потенциала Ханты-Мансийского автономного округа - Югры», г. Ханты-Мансийск, 14 - 18 ноября 2011 г. - Екатеринбург, 2011.

6. Оценка флюидодинамических параметров в активной системе «осадочный чехол - фундамент» по сейсмическим данным с применением поляризационных схем в скважинах и тоннелях / В.Б. Писецкий, А.Э. Зудилин, С.В. Власов, Ю.В. Патрушев // Материалы конференции: Гальперинские чтения. - М., 2010.

Патентные документы

7. Заявка на патент №2011112877. Способ мониторинга напряженно-деформированного состояния горного массива. ФИПС. 2011. - 7 с.

8. Заявка на патент №2012134020. Система непрерывного мониторинга напряженно-деформированного состояния массива твердого полезного ископаемого. - ФИПС. - 2012. - 18 с.



Подписано в печать 05.10.2012 г. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать на ризографе.

Печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ.

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники.

Изд-ва ФГБОУ ВПО “Уральский государственный горный университет”

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

Размещено на Allbest.ru

...