Перспективы применения импульсного порохового источника для решения малоглубинных алмазопоисковых задач в Западной Якутии

Авторы:

А.Г. Ярославцев (ГИ УрО РАН)

А.И. Бабкин (ГИ УрО РАН)

Е.М. Гончаров (Вилюйская Экспедиция АК «АЛРОСА»)

В.М. Бояров (Вилюйская Экспедиция АК «АЛРОСА»)

Reference link:

Yaroslavtsev A.G., Babkin A.I., Goncharov E.M., Boyarov V.M. (2018)  Perspectives of using the impulse powder seismic source to solve shallow diamond prospecting problems in Western Yakutia / Engineering and Mining Geophysics 2018 - 14th Conference and Exhibition. Almaty, Kazakhstan. DOI: 10.3997/2214-4609.201800468

Введение

В условиях средней полосы России для решения широкого круга малоглубинных сейсморазведочных задач, возникающих на месторождениях твердых полезных ископаемых, уже более 10 лет успешно используется «Импульсный пороховой источник упругих колебаний» [5]. Например, практика его применения на Верхнекамском месторождении солей [1,2,3,4] показывает, что данный источник обеспечивает генерацию волнового поля широкого частотного диапазона с интенсивностью, достаточной для регистрации отраженных волн в интервале глубин до 500-700 метров, а совокупный объем работ с момента запуска в производство составляет уже более 50 тысяч физических точек.

Энергетические характеристики и заявленная глубинность данного вида сейсмического источника обуславливают перспективы его применения для решения малоглубинных алмазопоисковых задач на территории Западной Якутии в зонах распространения многолетнемерзлых пород. До настоящего времени сейсморазведочные работы на данной территории выполнялись силами Ботуобинской ГРЭ с использованием взрывной технологии возбуждения колебаний. Однако, несмотря на простоту и известную геологическую эффективность она имеет ряд известных недостатков связанных экономической эффективностью, экологичностью и безопасностью. Кроме этого при использовании методик наблюдений со взрывами в скважинах из-под контроля, как правило, выпадает самый верхний интервал разреза, также представляющий определенный интерес для недропользователей.

Для определения пригодности использования «Импульсного порохового источника упругих колебаний» в целях решения малоглубинных алмазопоисковых задач, а также подбора оптимальных параметров возбуждения сейсмического сигнала и оценки производительности полевых работ в пределах Накынского кимберлитового поля были проведены комплексные сейсморазведочные исследования. Эксперименты проведены в зимний период по предварительно подготовленным проездам на территории со сплошным распространением многолетнемерзлых пород с глубиной промерзания до 400-450 метров.

Характеристики источника колебаний

Импульсный источник упругих колебаний (патент РФ) выпускается серийно и прошел сертификацию (№ РОСС RU.SA02.B21543), согласно которой соответствует ТУ4314-004-04538067-2007 и удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 50529-2010 и ТУ4314-004-04538067-2007 по прочности и безопасности. Для возбуждения колебаний в устройстве используется энергия пороховых газов, выделяющихся при сгорании заряда дымного или бездымного охотничьего пороха в замкнутом объеме, образуемого между патронником устройства и дном скважины, пробуренной в грунте.

Для работы используются только специально снаряженные холостые патроны по ТУ 7272-033-03923538-2007, в прозрачной пластиковой гильзе 12 калибра с зарядом до 5,2 грамма бездымного пороха марок «Сунар-32», «Сунар-35» по ТУ 7277-119-07506808-2003 или аналогичного. Патроны серийного производства сертифицированы (№ РОСС RU.SA02.B11989) и удовлетворяют требованиям ГОСТ Р 50530-93 и ТУ 7272-033-03923538-2007 по прочности и безопасности. Патроны для импульсного источника упругих колебаний относятся к изделиям промышленного назначения (код ОКП 72 7250 – Патроны к средствам огнестрельным производственным и их составные части). Патроны для импульсного источника упругих колебаний относятся к опасным грузам и имеют классификатор 1.4S. К данному классу опасных грузов относятся «– Вещества и изделия, представляющие лишь незначительную опасность взрыва в случае воспламенения или инициирования при перевозке. Эффекты проявляются в основном внутри упаковки, при этом не ожидается выброса осколков значительных размеров или на значительные расстояния. Внешний пожар не должен служить причиной практически мгновенного взрыва почти всего содержимого упаковки». Группа совместимости S указывает на то, что это «- Вещество или изделие, упакованное или сконструированное таким образом, что любые опасные последствия случайного срабатывания не выходят за пределы упаковки, а в случае повреждения упаковки огнём все эффекты взрыва или разбрасывания ограничены настолько, что существенно не препятствуют принятию противопожарных или других аварийных мер в непосредственной близости от упаковки». Перевозка таких изделий автомобильным транспортом допускается без соблюдения большинства требований ДОПОГ.

Основные технические характеристики импульсного источника упругих колебаний представлены в таблице 1. Внешний вид источника упругих колебаний в сборе представлен на рисунке 1,а.

Таблица 1.

Рисунок 1 Импульсный источник упругих колебаний в собранном состоянии (а) и в разобранном для транспортировки (б) виде

Головка (1) состоит из ресивера, патронника с защитной скобой, переходной муфты и корпуса ударника. В ресивере и корпусе ударника расположены боек, возвратные пружины, упорные шайбы и фторопластовая направляющая втулка ударного механизма. Уплотнитель (2) предназначен для уплотнения устья скважины. Предотвращает выброс газов и грунта из скважины и увеличивает мощность сейсмического импульса. Защитный диск (3) резиновый или пластиковый. Защитный диск свободно перемещается по штанге (4). Штанга (4) предназначена для погружения устройства в скважину. Внутри штанги находится шток ударного механизма. Крестовина (5) с двумя резиновыми рукоятками обеспечивает удобное удержание устройства во время работы. Для транспортировки устройство может быть разобрано на 5 частей (рис.1,б) и компактно уложено в транспортную тару. Сборка в рабочее положение занимает не более 5 минут.

Методика полевых наблюдений

Опытные полевые работы с «Импульсным источником упругих колебаний» проведены в объёме 2-х погонных километров на одном из участков профиля отработанного также традиционным для Ботуобинской ГРЭ взрывным способом. Основные технические характеристики регистрирующей аппаратуры и параметры применяемой системы наблюдений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

В целях обеспечения оперативности эксперимента, скважины под пороховой источник глубиной до 1 м были пробурены теми же средствами (УРБ-2Д2), что и для стандартных взрывных работ. Это привело к несоответствие фактического диаметра скважин (118 мм) требуемому значению (60 мм), рекомендованному для конструкции порохового источника. Что в свою очередь не позволило получить от порохового источника максимальной заявленной энергии сейсмического импульса, необходимой для прохождения на заданные глубины геологического разреза (рис.2,б). Заполнение скважин водой обеспечило приемлемое увеличение передаваемой в грунт сейсмической энергии (рис.2,а).

Оценка оптимального количества накоплений на одном пикете проведена визуально по амплитудному уровню исходных полевых сейсмограмм (рис.2,в – рис.2,е). Для анализа взят интервал начала записи, в пределах которого исходный сейсмический сигнал без амплитудной регулировки имеет максимальную интенсивность. Уровень сигналов в области первых вступлений и отражённой волны на времени 75-100 мс существенно возрастает уже при двух накоплениях. В дальнейшем динамическая выразительность сигналов увеличивается без значимого улучшения общей информативности регистрируемого волнового поля. На основании чего, для продолжения опытных работ с более высокой производительностью выбраны 2 накапливания.

Рисунок 2 Сравнение сейсмической записи, полученной от порохового источника в скважине с водной укупоркой (а) и в сухой (б), с различным количеством накоплений (в, г, д, е)

Для оценки производительности работ с импульсными источниками упругих колебаний проведён хронометраж выполнения отстрелов на одном пункте возбуждения и в течении рабочего дня. При работе одним источником с четырьмя накоплениями время отработки одного физического наблюдения составляет порядка 4-х минут. Десять пикетов или 50 погонных метров линии ПВ с учётом перестрелов и осечек отрабатывается за 1 час. При переходе на одновременную работу двумя источниками и уменьшению накоплений до двух время отработки одного физического наблюдения сокращается до 1 минуты. На отработку 200 физических наблюдений (1 пог. км) по два выстрела на каждом пикете ПВ затрачено 5 часов. В это время вошли вынужденные перестрелы и получасовой обед. Таким образом, оптимальной нормой отработки 1 км профиля при заявленной системе наблюдений является 1 рабочая бригадосмена.

Результаты

Оценка пригодности получаемых с использованием порохового источника полевых сейсморазведочных данных для решения малоглубинных алмазопоисковых задач проведена на основе сравнительного анализа с данными традиционных работ со взрывами. Для сравнения выбран гарантировано информативный для порохового источника интервал сейсмической записи, соответствующий глубинам порядка 500 м.

По энергетическим показателям сейсмическая запись от взрыва в скважине ожидаемо выше (рис.3). В волновом поле, зарегистрированном от порохового источника, отражённые сигналы на времени больше 100 мс перекрыты интенсивными поверхностными волнами. Выделение целевых отражений в этом случае возможно при дальнейшей цифровой обработке процедурами пространственной и полосовой фильтрации.

Рисунок.3 Сопоставление амплитудных спектров исходных сейсмограмм, полученных с пороховым источником (а) и от взрыва (б)

Ширина амплитудного спектра от порохового источника для всего интервала удалений близко к полученному при взрывах и находится в пределах 80 – 200 Гц. За счёт большей энергии поверхностных волн спектр от порохового источника имеет более выраженный максимум в районе 100 Гц.

Для сравнительного анализа итоговых результатов обработки (рис.4, рис.5) в одноименных временных интервалах (25-300 мс) выполнен расчет двух характеристик волновых полей – частоты максимума спектра и отношения сигнал-помеха. Из представленных на рисунке 6,а графиков видно, что конечные временные разрезы имеют сравнимый частотный диапазон. Значения преобладающих частот вдоль профиля колеблются в диапазон 90-160 Гц при среднем значении порядка 125 Гц. Волновое поле от взрывов отличается более высокими оценками отношения сигнал-помеха (Рис.6,б). Его средние значения по профилю отличаются в 2 и более раза. Это представляется вполне логичным, т.к. энергия волн, генерируемых взрывами, объективно значительно выше, чем энергия порохового источника.

Таким образом, можно сказать, что по результатам цифровой обработки удалось получить сопоставимые по частотному содержанию волновые поля. Анализ результирующих временных разрезов ОГТ показал, что до времени 300 мс, т.е. до глубин 500-700 м, использование порохового импульсного источника является оправданным. Волновое поле характеризуется достаточной динамической выразительностью, а до времени 100 мс (150-200 м) - более высоким вертикальным разрешением по сравнению с работой взрывами. Результат достигается за счет более высокой кратности наблюдений, реализованной при опробовании порохового источника колебаний. В сложных геологических условиях, характерных для предполагаемых участков наличия рудных тел, предпочтительно увеличение отношения сигнал-помеха за счет повышения числа накоплений записей при регистрации.

Можно предположить, что в условиях вечномерзлых пород сопоставимые по качеству результаты могут быть получены с использованием современных механизированных ударных импульсных источников (типа AWD-40), которые в настоящее время появились на рынке. Кроме этого на сегодняшний день имеются наработки в области усиления энергии единичного воздействия за счет использования компрессионо-вакуумных установок [6].

Рисунок 4 Конечный временной разрез ОГТ (пороховой источник)

Рисунок 5 Конечный временной разрез ОГТ (взрывы в скважинах)

Рисунок 6 Сравнение характеристик результирующих волновых полей в интервале 25-300 мс: а) частота максимума спектра, б) отношение сигнал-помеха

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 16-17-00101)

Библиография

1.    Baryakh A.A., Sanfirov I.A., Yaroslavtsev A.G., Fedoseev A.K., Tsayukov A.A. [2016] Engineering seismic application in geomechanical calculations of complex mine technical objects. Proceedings of the 12th Conference and Exhibition Engineering Geophysics 2016, Anapa, Russia. Doi: 10.3997/2214-4609.201600306.

2.    Sanfirov I.A., Babkin A.I., Yaroslavtsev A.G., Priyma G.Y., Fatkin K.B. [2011] Seismic measurements of exploitation conditions of the potash deposit. Geofizika [Russian Geophysics], no.5.

3.    Sanfirov, I.A., Stepanov, Y.I., Fatkin, K.B., Gerasimova, I.Y., Nikiforova, A.I. [2013] Shallow geophysical exploration of the Upper Kama potash salt deposit Journal of Mining Science, 49 (6), pp. 902-907. DOI: 10.1134/S1062739149060087

4.    Sanfirov I.A., Yaroslavcev A.G., Zhikin A.A., Glebov S.V., Gerasimova I.U. [2015] About shallow 3D seismic prospects for Upper Kama potash deposit. Geofizika [Russian Geophysics], no.5.

5.    Patent RF № 2439620 PULSED POWDER ELASTIC WAVE SOURCE / Authors: Sanfirov I.A. et al., Date of publication: 10.01.2012.

6.    Repin A.A., Tkachuk A.K., Karpov V.N., Beloborodov A.G., Yaroslavtsev A.G., Zhikin A.A. [2016] Engineering and analysis of independent movable compression–vacuum percussion source of P-waves in seismic survey. Journal of Mining Science, Vol.52 (1). doi:10.1134/S1062739116010236