Способ определения ширины и релаксационных характеристик зоны тектонического нарушения

 

Использование: при инженерно-геологическом изучении строения массива горных пород, при изысканиях под строительство наземных и подземных сооружений, при построении моделей и схем блочного строения и разрывных тектонических нарушений, а также при диагностике механического состояния массива горных пород в процессе эксплуатации сооружений и добычи полезных ископаемых. Сущность изобретения: регистрируют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ) сейсмоприемниками, размещенными на профиле, расположенном вкрест простирания зоны тектонического нарушения, с шагом, обеспечивающим размещение по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения, определяют скорость распространения колебаний на каждом участке между двумя соседними пунктами регистрации и спектральную плотность мощности ИКВТ для каждого пункта, а ширину зоны тектонического нарушения отождествляют с шириной зоны, в которой скорость распространения упругих колебаний (С) уменьшается на величину а≥3, по сравнению со скоростью распространения упругих колебаний, определенной вне зоны тектонического нарушения, где а - среднеквадратичная ошибка определения С. Определяют релаксационные характеристики Т1 - время релаксации напряжения при постоянной деформации, Т2 - время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т3 -время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации, Т4 - время релаксации деформации при постоянном среднем давлении по спектральной плотности мощности ИКВТ, определенной для зоны тектонического нарушения и вне нее путем моделирования, аппроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса. 3 ил.

Изобретение относится к области инженерной геологии и может быть использовано при инженерно -геологическом изучении строения массива горных пород при изысканиях под строительство наземных и подземных сооружений, при построении моделей и схем блочного строения и разрывных тектонических нарушений, а также при диагностики механического состояния массива горных пород в процессе эксплуатации сооружений и добычи полезных ископаемых.

Известен способ определения границы напряженного массива вокруг горных выработок [1] в котором о местоположении границы судят по кинематическим и динамическим характеристикам регистрируемых сейсмических колебаний. Однако данный способ не позволяет в полной мере достоверно определить ширину указанной границы.

Известен также способ выявления и оконтуривания малоамплитудных нарушений в пластовых месторождениях [2] выбранный в качестве прототипа, в котором для определения местоположения границ нарушения по скорости распространения упругих колебаний проводят регистрацию упругих колебаний сейсмоприемниками, расположенными по профилю в горной выработке. Недостатком прототипа является низкая достоверность способа и невозможность определения ширины тектонического нарушения и его релаксационных параметров в условиях естественного залегания.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предложенного способа, является повышение достоверности и точности в определении ширины зоны тектонического нарушения и определение в ней комплекса релаксационных параметров горных пород, что позволяет существенно уточнить характеристику инженерно-геологического строения массива, повысить безопасность сооружаемых объектов, а также выполнять прогноз механической устойчивости массива в процессе эксплуатации сооружений и добыче твердых и жидких полезных ископаемых.

Технический результат достигается за счет того, что согласно предлагаемому способу регистрируют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ) сейсмоприемниками, размещенными на профиле, расположенном вкрест простирания зоны тектонического нарушения, с шагом, обеспечивающим размещение по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения, определяют скорость распространения колебаний на каждом участке между двумя соседними пунктами регистрации и спектральную плотность мощности ИКВТ для каждого пункта, а ширину зоны тектонического нарушения отождествляют с шириной зоны, в которой скорость распространения упругих колебаний (С) уменьшается на величину а≥3, по сравнению со скоростью распространения упругих колебаний, определенной вне зоны тектонического нарушения, где а - среднеквадратичная ошибка определения С. Определяют релаксационные характеристики Т1 время релаксации напряжения при постоянной деформации, Т2 время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т3 -время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации, Т4 время релаксации деформации при постоянном среднем давлении по спектральной плотности мощности ИКВТ, определенной для зоны тектонического нарушения и вне нее путем моделирования, аппроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

1. На профиле, проходящем ортогонально плоскости зоны тектонического нарушения, размещают сейсмоприемники, для чего используют естественные обнажения либо горные выработки и скважины. Выбирают при этом шаг размещения сейсмоприемников из условия размещения по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения.

2. Регистрируют сейсмические колебания, в качестве которых используют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ) любой природы: искусственно созданные (например, инициированные ударом или взрывом) а также естественные (местного тектонического происхождения и удаленные микросейсмы); 3. Определяют скорость распространения ИКВТ между каждыми двумя соседними пунктами и спектральную плотность мощности ИКВТ на каждом пункте регистрации.

4. Определяют ширину зоны тектонического нарушения по величине изменения скорости распространения ИКВТ в зоне нарушения (С). При этом к зоне нарушения относят участки, в которых величина (С) уменьшается на величину а≥3, где а среднеквадратическая ошибка определения (С).

5. Путем моделирования решают задачу о распространении ИКВТ через плоский слой вещества со свойствами, отличными от свойств вмещающей среды, аппроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса. При этом спектр мощности сигнала задается равным среднему спектру мощности ИКВТ, зарегистрированного на участке, расположенном вне зоны тектонического нарушения. В этом случае уравнение состояния материала тела нарушения представимо в виде: (1) где p = -σ_ii сумма диагональных компонент тензора напряжений; K = λ+2/3μ модуль всестороннего сжатия; l и μ постоянные Ламэ; q = ε_ii сумма диагональных компонент тензора деформаций; ε_ik компоненты тензора деформаций.

Для определения конкретных значений параметров, описывающих релаксационные свойства исследуемого тектонического нарушения, а именно: Т1 - времени релаксации напряжения при постоянной деформации; Т2 времени релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т3 - времени релаксации напряжения сжатия при постоянной объемной деформации, Т4 - времени релаксации деформации объема при постоянном давлении, решают волновое уравнение в области, содержащей слой со свойствами, описывающимися соотношениями (1).

Пример реализации способа.

В качестве примера приведены результаты исследования тектонического нарушения, пересекающего подземную горную выработку в гранитном массиве (Дегелен, Восточный Казахстан). Регистрация сигналов проводилась с помощью сейсмоприемников, расположенных на профиле на расстояниях от 0,25 до 1 м друг от друга. Схема расположения сейсмоприемников приведена на фиг. 1, где 1 стенка выработки, 2 структурное нарушение, 3 датчики, 4 регистрирующая аппаратура, 5 место ударного возбуждения колебаний. Сейсмическая волна возбуждалась ударным способом на расстояниях до 10 15 м от нарушения. Регистрация ИКВТ проводилась с помощью сейсмостанции ИСН 01 24, а также измерительных 7-канальных магнитофонов НR-30E. Характерная запись ИКВТ по одному из сейсмоприемников приведена на фиг. 2. По данным регистрации ИКВТ были построены годографы преломленных волн и способом первых вступлений определены скорости распространения упругих колебаний между каждой парой сейсмоприемников. По результатам этих определений была установлена ширина зоны нарушения, равная 0,6 м. На фиг. 3 представлена амплитудно-частотная характеристика сигнала до (а) и после (b) прохождения тектонического нарушения. Одновременно на фиг. 3 пунктиром показаны теоретические спектры сигнала, полученные с помощью подбора при моделировании тектонического нарушения и решении волнового уравнения. При сравнении теоретических и зарегистрированных спектров ИКВТ, были определены значения релаксационных характеристик, соответствующие исследуемому тектоническому нарушению и равные Т1 7,5 10 с, Т2 2,5 10 с, Т3 10 с, Т4 10 с.

Формула изобретения

1 Способ определения ширины и релаксационных характеристик зоны тектонического нарушения, включающий регистрацию упругих колебаний сейсмоприемниками, размещенными на профиле, определение скорости распространения упругих колебаний и суждение по полученным данным о местоположении границ тектонического нарушения, отличающийся тем, что в качестве упругих колебаний регистрируют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ), сейсмоприемники располагают с шагом, обеспечивающим размещение по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения, на профиле, расположенном вкрест простирания зоны тектонического нарушения, скорость распространения ИКВТ определяют на каждом участке между двумя соседними пунктами регистрации, дополнительно определяют спектральную плотность мощности ИКВТ для каждого пункта, а о ширине зоны тектонического нарушения судят по величине ширины зоны, в которой скорость распространения упругих колебаний (С) уменьшается на величину а ≧ 3 по сравнению со скоростью распространения упругих колебаний, определенной вне зоны тектонического нарушения, где а - среднеквадратичная ошибка определения С, при этом релаксационные характеристики Т1 время релаксации напряжения при постоянной деформации, Т2 время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т3 время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации, Т4 время релаксации деформации при постоянном среднем давлении определяют по спектральной плотности мощности ИКВТ, определенной для зоны тектонического нарушения и вне нее путем моделирования, апроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3