Теоретические исследования возможности использования туннельных волн для мониторинга состояния массива горных пород вблизи подземных сооружений

Рассмотрена проблема контроля состояния подземных сооружений, возникающая при разработке твердых полезных ископаемых. Для ее решения предлагается использовать поверхностные/туннельные волны, которые распространяются вдоль поверхностей горных выработок. С целью оценки перспективности предлагаемого подхода нами были проведены исследования на основе применения методов математического моделирования и численных экспериментов. Рассматривается процесс распространения сейсмических волн в среде, содержащей протяженную полость (горная выработка, туннель) и неоднородное включение (область со скоростными параметрами, отличными от вмещающей среды). Решение уравнений упругости проводилось на основе численного метода конечных спектральных элементов (SEM – Spectral element method). При использовании активного источника, действующего на поверхности полости, на сейсмограммах возникают рассеянные и отраженные волны. Нами разработан численный алгоритм, основанный на суммировании энергии этих волн, с помощью которого возможно обнаруживать особенности в строении среды вблизи полостей. Показано, что возможность определять аномальную зону в горной породе резко снижается с увеличением расстояния между ней и полостью. При расстоянии более 0,6 длины волны возникают сложности при обнаружении рассматриваемого включения. Дополнительно нами исследовался подход, основанный на анализе скоростных характеристик поверхностных волн. Показано, что при вычислении фазовых скоростей поверхностных волн вдоль полости в месте расположения неоднородности возникают особенности. В частности, если включение имеет более низкие скоростные параметры, чем основная вмещающая среда, то будет наблюдаться снижение фазовой скорости.

Азаров А. В., Сердюков А. С., Сказка В. В. Теоретические исследования возможности использования туннельных волн для мониторинга состояния массива горных пород вблизи подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 4. – С. 155–167. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_4_0_155.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-20126, https://rscf.ru/project/22-27-20126/, и финансовой поддержки Правительства Новосибирской области.

Азаров Антон Витальевич¹ — научный сотрудник, e-mail: antonazv@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-6967-4239,
Сердюков Александр Сергеевич¹ — канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, e-mail: aleksanderserdyukov@ya.ru, ORCID ID: 0000-0035-8563-5708,
Сказка Валерий Всеволодович¹ — д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: vskazka@gmail.com,
¹ Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН.

Азаров А.В., e-mail: antonazv@mail.ru.

1. Гладырь А. В., Курсакин Г. А., Рассказов М. И., Константинов А. В. Разработка метода выделения опасных участков в массиве горных пород по данным сейсмоакустических наблюдений // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 21—32. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-21-32.

2. Рассказов М. И., Гладырь А. В., Терешкин А. А., Цой Д. И. Сейсмоакустическая система контроля горного давления на подземном руднике «Мир» // Проблемы недропользования. — 2019. — № 2 (21). — С. 56—61. DOI: 10.25635/2313-1586.2019.02.056.

3. Zhang C., Jin G., Liu C., Li S., Xue J., Cheng R., Xinglong W., Zeng X. Prediction of rockbursts in a typical island working face of a coal mine through microseismic monitoring technology // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021, vol. 113, article 103972. DOI: 10.1016/j.tust.2021. 103972.

4. Шарапов И. Р., Феофилов С. А. Наземные пассивные микросейсмические мониторинги при изучении, разработке и эксплуатации недр в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях // Приборы и системы разведочной геофизики. — 2021. — № 3. — С. 10—19.

5. Li L., Tan J., Wood D. A., Zhao Z., Becker D., Lyu Q., Chen H. A review of the current status of induced seismicity monitoring for hydraulic fracturing in unconventional tight oil and gas reservoirs // Fuel. 2019, vol. 242, pp. 195—210. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.01.026.

6. Разумов Е. Е., Рукавишников Г. Д., Мулев С. Н., Простов С. М. Анализ сейсмической активности массива при ведении горных работ на шахте «Комсомольская» АО «Воркутауголь» // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 1. — С. 104—114. DOI: 10.2 5018/0236_1493_2022_1_0_104.

7. Азаров А. В., Сердюков А. С. Комплекс программ обработки данных микросейсмического мониторинга разработки месторождений полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 2. — С. 58—71. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2023_2_0_58.

8. Jiang Z., Li Q., Hu Q., Chen J., Li X., Wang X., Xu Y. Underground microseismic monitoring of a hydraulic fracturing operation for CBM reservoirs in a coal mine // Energy Science Engineering. 2019, vol. 7, no. 3, pp. 986—999. DOI: 10.1002/ese3.329.

9. Злобина Т. В. Влияние ширины и высоты выработки на проявления микросейсмической активности в калийных рудниках // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 8. — С. 136—145. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-08-0-136-145.

10. Tzavaras J., Buske S., Groß K., Shapiro S. Three-dimensional seismic imaging of tunnels // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2012, vol. 49, pp. 12—20. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2011.11.010.

11. Дорохин К. А. Обоснование и разработка метода оценки геодинамического состояния массива горных пород на основе дисперсионных параметров сейсмических волн. Aвтореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.20. — М.: ИПКОН РАН, 2017. — 24 с.

12. Czarny R., Malinowski M., Chamarczuk M., Ćwiękała M., Olechowski S., Isakow Z., Sierodzki P. Dispersive seismic waves in a coal seam around the roadway in the presence of excavation damaged zone // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 148, article 104937. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.104937.

13. Czarny R., Malinowski M., Ćwiękała M., Olechowski S., Isakow Z., Sierodzki P. Characterisation of the tunnel-channel wave around a coal mine roadway based on synthetic and real data // NSG2020 3rd Conference on Geophysics for Mineral Exploration and Mining. 2020, vol. 2020, no. 1, pp. 1—5. DOI: 10.3997/2214-4609.202020024.

14. Chen K., Zhang Z., Zhou Y. Application of surface wave in reinforced concrete invert detection // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 660, no. 1, article 012069. DOI: 10.1088/1755-1315/660/1/012069.

15. Bohlen T., Lorang U., Rabbel W., Müller C., Giese R., Lüth S., Jetschny S. Rayleigh-to-shear wave conversion at the tunnel face—From 3D-FD modeling to ahead-of-drill exploration // Geophysics. 2007, vol. 72, no. 6, pp. T67—T79. DOI: 10.1190/1.2785978.

16. Jetschny S., Bohlen T., De Nil D. On the propagation characteristics of tunnel surface waves for seismic prediction // Geophysical Prospecting. 2010, vol. 58, no. 2, pp. 245—256. DOI: 10.1111/j.13652478.2009.00823.x.

17. Jetschny S., Bohlen T., Kurzmann A. Seismic prediction of geological structures ahead of the tunnel using tunnel surface waves // Geophysical Prospecting. 2011, vol. 59, no. 5, pp. 934—946. DOI: 10.1111/j.1365-2478.2011.00958.x.

18. Tromp J., Komatitsch D., Liu Q. Spectral-element and adjoint methods in seismology // Communications in Computational Physics. 2008, vol. 3, no. 1, pp. 1—32.

19. Peter D., Komatitsch D., Luo Y., Martin R., Le Goff N. Forward and adjoint simulations of seismic wave propagation on fully unstructured hexahedral meshes // Geophysical Journal International. 2011, vol. 186, no. 2, pp. 721—739. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2011.05044.x.

20. Hafeez M. B., Krawczuk M. A review: Applications of the spectral finite element method // Archives of Computational Methods in Engineering. 2023, vol. 30, no. 5, pp. 3453—3465. DOI: 10. 1007/s11831-023-09911-2.

21. Курленя М. В., Сказка В. В., Азаров А. В., Сердюков А. С., Патутин А. В. Использование поверхностных волн для мониторинга состояния пород вокруг горных выработок и сооружений // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2022. — № 6. — С. 3—14. DOI: 10.15372/FTPRPI20220601.

22. Serdyukov A. S., Yablokov A. V., Duchkov A. A., Azarov A. A., Baranov V. D. Slant f-k transform of multichannel seismic surface wave data // Geophysics. 2019, vol. 84, no. 1, pp. A19—A24. DOI: 10.1190/geo2018-0430.1.

23. Long M., Trafford A., McGrath T., O'Connor P. Multichannel analysis of surface waves (MASW) for offshore geotechnical investigations // Engineering Geology. 2020, vol. 272, article 105649. DOI: 10.1016/j.enggeo.2020.105649.

24. Левин И. С., Пономаренко А. В., Половков В. В., Попов Д. А. О методе поверхностноволновой томографии и перспективах его применения в инженерной сейсморазведке // Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле. — 2022. — Т. 67. — № 2. — С. 202—226. DOI: 10.21638/spbu07.2022.201.

25. Чугаев А. В. Результаты мониторинга потенциально-опасного участка верхнекамского месторождения калийных солей методом многоканального анализа поверхностных волн // Горное эхо. — 2021. — № 3. — С. 68—73. DOI:10.7242/echo.2021.3.13.