3. Анализ сейсмических данных

Кузнецкий угольный бассейн расположен на площади около 27 тыс. км² и характеризуется широким диапазоном геолого-тектонических условий: степень дизъюнктивной нарушенности шахтных полей варьируется от 0 до 30 км/км², что во многих случаях соответствует II-III группам сложности залегания угольных пластов. Именно наличие мелкоамплитудных разрывных нарушений с амплитудой смещений от 3 до 10 м - при типичной плотности разведочной сети в несколько сотен метров между скважинами - остаётся основным источником геологической неопределённости при планировании горных работ.

Сейсмический метод позволяет уверенно картировать угольные пласты среди вмещающих пород благодаря значительному различию их скоростных параметров. По данным комплексных геофизических исследований углепородного массива в условиях Кузбасса скорости продольных волн составляют: для аргиллита - 3,3-4,1 км/с, алевролита - 3,7-5,0 км/с, песчаника - 3,1-5,1 км/с, тогда как для угля - существенно ниже, 2,3-3,5 км/с [5]. Скорости поперечных волн для тех же пород: аргиллит - 2,2-2,4 км/с, алевролит - 2,3-2,4 км/с, песчаник - 1,9-2,6 км/с, уголь - 1,7-1,9 км/с [5]. Различие акустических жёсткостей породных слоёв и угольного пласта обеспечивает достаточный контраст для надёжного отражения сейсмических волн на границах, что подтверждает целесообразность применения сейсморазведки в задачах структурного картирования шахтных полей.

На основе данных скважины МС-183 для участка, расположенного в зоне влияния выработанных лав угольного пласта h10в, построена физико-геологическая модель углепородного массива [2]. В разрезе выделены семь литологических пачек с глубины 0 до 437 м: верхняя аргиллитовая (0-42 м), песчаниковая (42-73 м), аргиллитовая (73-130 м), смешанная (130-161 м), песчаниковая (161-243 м), аргиллитовая (243-296 м) и нижняя песчаниковая (296-437 м). Угольный пласт мощностью 1,1 м залегает в нижней песчаниковой пачке на глубине 424,2-425,3 м при угле падения 9°.

Для каждой пачки определены характерные скорости P-волн: в песчаниковых пачках - 4800 м/с, в смешанной - 4600 м/с, в аргиллитовых - 3940 м/с. Скорости S-волн в расчётной модели приняты равными 60% от скоростей P-волн - как практическое приближение, используемое при конечно-разностном моделировании для данного литологического комплекса.

Диагностическим признаком зоны разуплотнения на спектрах скоростей служит смещение характерных максимумов относительно их положения в базовой модели (рис. 1) [2]. В базовом варианте максимумы приурочены к глубинам, соответствующим границам литологических пачек; при введении зоны разуплотнения в диапазоне 350-400 м на спектре появляется дополнительная группа максимумов в диапазоне скоростей 2000-2600 м/с, выделенная на рис. 1 белым контуром.

Рисунок 1 - Вертикальные спектры скоростей для моделей с горизонтальным залеганием пород: базовая модель (вверху) и модель с зоной разуплотнения (внизу) (по: Глухов и др., 2025)

Моделирование волновых полей выполнялось для системы наблюдений с 47 сейсмоприёмниками с шагом 10 м; протяжённость профиля составила 660 м, максимальный вынос источника - 100 м [2]. По результатам численного моделирования получены суммарные временны́е разрезы ОГТ для двух вариантов: горизонтального залегания пород (а) и залегания с учётом угла падения 9° (б), представленные на рис. 2 [2].

На разрезе (а) для горизонтального залегания зона разуплотнения проявляется двояко: протяжённый центральный участок зоны формирует отражённую волну с первым вступлением около 270 мс, а краевые части генерируют классические гиперболы дифрагированных волн - они хорошо различимы в правой половине верхней пары разрезов на рис. 2. На разрезе (б) с учётом угла падения 9° зона разуплотнения проявляется иначе: как дифрагированная волна с вершиной гиперболы на отметке около 250 мс, что соответствует верхнему краю зоны разуплотнения над угольным пластом. Таким образом, тип проявления зоны на разрезе - отражённая волна или гипербола дифракции - определяется углом падения пород: при пологом залегании преобладает первый тип, при наклонном - второй.

Рисунок 2 - Временны́е сейсмические разрезы ОГТ для моделей: при горизонтальном залегании пород (а); с учётом угла падения (б) (по: Глухов и др., 2025)

Наряду со стандартным ОГТ для анализа данных применялся метод дифрагированных волн (МДВ) [2]. Сопоставление рис. 2 и рис. 3 наглядно показывает принципиальное различие в характере проявления зоны разуплотнения: на разрезах ОГТ она выражена протяжёнными гиперболическими «хвостами», тогда как на изображениях МДВ та же зона локализуется в компактную зону синфазности.

При горизонтальном залегании (рис. 3а) зона разуплотнения отображается как локальная область синфазных колебаний от отражённых волн в центральной части профиля, в диапазоне глубин, соответствующих положению зоны разуплотнения над угольным пластом; при наклонном залегании (рис. 3б) - как ярко выраженная локализованная зона дифракции, пространственно чётко ограниченная по глубине. Граница зоны разуплотнения в обоих случаях локализуется с точностью, определяемой длиной волны доминирующей частоты, что обеспечивает более надёжную интерпретацию по сравнению с классическим ОГТ.

Рисунок 3 - Сейсмические изображения, полученные методом дифрагированных волн: при горизонтальном залегании пород (а); с учётом угла падения (б) (по: Глухов и др., 2025)

Для повышения оперативности структурной интерпретации была разработана и апробирована методика, основанная на совместном применении быстрого преобразования Фурье (БПФ) и каскадной нейронной сети [4]. На первом этапе на суммарном сейсмическом разрезе выявляются трассы с аномальными значениями видимой частоты, максимальной амплитуды и отношения сигнал/шум; изменение этих параметров в диапазоне 24-89% относительно фоновых значений является диагностическим признаком дизъюнктивного нарушения. На втором этапе нейросеть уточняет положение нарушения и оценивает амплитуду смещения.

Графический результат применения БПФ-алгоритма представлен на рис. 4: при наличии дизъюнктивного нарушения (рис. 4а) спектральная плотность демонстрирует характерный двугорбый профиль с выраженным минимумом в области средних частот и вторичным максимумом в высокочастотной части диапазона; при отсутствии нарушения (рис. 4б) кривая монотонно убывает от максимального значения при низких частотах [4]. Именно это качественное различие формы спектра лежит в основе диагностического критерия: информативный признак , вычисляемый в диапазоне 10-70 Гц, принимает пороговое значение 14,72, разделяющее трассы с нарушением и без него.

Рисунок 4 - Графический результат применения алгоритма на основе быстрого преобразования Фурье при наличии (а) и отсутствии (б) дизъюнктивного нарушения (по: Сок А.В., 2022)

Метод апробирован на более чем 3000 физических наблюдениях в Кузнецком, Раздольненском и Буреинском угольных бассейнах. Погрешность определения положения дизъюнктивного нарушения составила не более 8%, а время камеральной обработки данных сократилось на 69% по сравнению со стандартной процедурой интерпретации [4]. Методика внедрена на предприятиях АО «СУЭК-Кузбасс» (шахтоуправления «Комсомолец» и им. А.Д. Рубана), ООО «Шахта Усковская» и АО «Угольная компания Кузбассразрезуголь» (Моховский угольный разрез) [4].

По совокупности полученных результатов сформулированы следующие выводы.

Во-первых, сейсмические данные уверенно выявляют угольные пласты Кузбасса благодаря значительному контрасту акустических жёсткостей: разница скоростей между углём (2,3-3,5 км/с) и песчаником (3,1-5,1 км/с) обеспечивает коэффициент отражения, достаточный для надёжной регистрации отражённых волн [5].

Во-вторых, зоны разуплотнения над отработанным пространством диагностируются на разрезах ОГТ по характерному признаку - гиперболе дифрагированной волны или отражённой волне в зависимости от угла падения пород: при горизонтальном залегании вершина гиперболы фиксировалась на отметке 270 мс, при наклонном (9°) - 250 мс [2].

В-третьих, метод дифрагированных волн превосходит стандартный ОГТ по наглядности выделения границ зон разуплотнения: дифракционные аномалии на изображениях МДВ проявляются как компактные локализованные зоны, тогда как на разрезах ОГТ те же аномалии выражены протяжёнными гиперболическими фигурами.

В-четвёртых, нейросетевой анализ динамических характеристик сейсмического сигнала совместно с БПФ обеспечивает выявление дизъюнктивных нарушений с точностью до 8% и сокращает время камеральной обработки на 69%, что принципиально важно при необходимости оперативной корректировки планов горных работ [4].