Сейсмические отражательные характеристики и генезис пустот и подстилающих пластов угля

Почему скрытые полости под угольными месторождениями важны

Глубоко под многими угольными полями находятся искусственные пустоты, называемые выработанными пространствами (гоафами) — зоны, оставшиеся после добычи угля. Со временем породы над этими пустотами могут разрушаться и обрушиваться, образуя нестабильные зоны, тянущиеся вверх к поверхности. Эти скрытые полости и обрушенные участки могут вызывать проседание земли, представлять угрозу для безопасности шахтеров и усложнять геофизическое обнаружение более глубоких угольных пластов с помощью сейсмических исследований (аналогичная по принципу технология медицинскому ультразвуку, но применяемая к Земле). В этом исследовании объясняется, как такие подземные повреждения искажают сейсмические сигналы, и показано, как при этом можно «увидеть» ценные глубинные пласты угля сквозь хаос.

Ландшафт, сформированный добычей

Исследование сосредоточено на шахтном районе в восточной части Хуайбэйской равнины Китая — плоской местности с реками, прудами и деревнями. После двух десятилетий разработки верхнего угольного пласта под поверхностью образовались большие выработанные пространства и зоны обрушения, а также заметное проседание грунта. Ниже верхнего пласта залегают более глубокие пласты, которые становятся все более важными по мере истощения мелководных запасов. До проведения более масштабных сейсмических съёмок геофизики сняли два контрольных профиля, пересекавших как разработанные, так и нетронутые участки. Они быстро заметили проблему: отражения от глубоких пластов под зонами, связанными с выработками, были слабыми, прерывистыми и трудно прослеживаемыми, что указывало на то, что нарушенные породы над ними «перемешивали» сейсмические сигналы.

Чтение подземных эхо

На каждом из двух сейсмических линий команда разделила профили на зоны в зависимости от того, насколько чисто или искажённо выглядели отражения. В ненарушенных районах верхний и целевой глубокий пласты давали сильные непрерывные отражения с регулярной формой. Однако в зонах выработок картина менялась. Там, где присутствовали гофы и зоны обрушения, отражения от верхнего пласта показывали участки ослабленной энергии и разрывы, а отражения от глубокого пласта часто имели гораздо меньшую энергию, искажённые формы волн и плохую непрерывность. Наиболее сильные искажения наблюдались вблизи центров больших выработанных пространств, где перекрывающие породы были сильно разрушены и присутствовали многочисленные пустоты и трещины; к краям этих зон эффекты постепенно ослабевали, где породы были менее нарушены.

Построение лабораторной Земли под землей

Поскольку реальные породы сложны, исследователи создали упрощённую, но реалистичную компьютерную модель слоистой толщи, включающую два угольных пласта и три выработанных пространства разных размеров и состояний — одно в основном целое, одно частично обрушившееся и одно сильно обвалившееся с широкой зоной влияния. Они изменили скорость распространения волн и плотность в зонах обрушения, чтобы имитировать раздробленные породы и заполненные водой пустоты, затем смоделировали прохождение сейсмических волн через эту виртуальную Землю. С применением продвинутых алгоритмов обработки синтетических данных они получили чистый сейсмический разрез, свободный от полевых шумов, таких как изменения в приповерхностном слое или ошибки записи. Это позволило им точно выделить, как только сами выработки и зоны обрушения влияют на сейсмические отражения от нижележащих слоёв.

Что происходит с сейсмическими волнами в разрушенных породах

Моделирование подтвердило три ключевых механизма, которыми выработанные пространства и зоны обрушения деформируют сейсмическую картину: энергия, форма волны и непрерывность. Во‑первых, дно выработки действует как сильное зеркало, отражая большую часть приходящей энергии и оставляя меньше для прохождения вниз, тогда как раздробленные породы в зоне обрушения рассеивают энергию во многих направлениях. В совокупности эти эффекты значительно ослабляют отражения от глубоких угольных пластов. Во‑вторых, поскольку сейсмические волны распространяются медленнее через раздробленные, низкоскоростные породы и заполненные водой пустоты, их времена прихода замедляются, а фазы — по сути форма волн — искажаются. В‑третьих, рассеяние внутри зоны обрушения дробит то, что в противном случае были бы гладкие непрерывные линии отражений от глубоких слоёв, превращая их в пятнистые, неправильные события. В отличие от этого, выработки, которые ещё не обрушились, по‑прежнему замедляют волны, но в основном сохраняют их форму, поэтому отражения остаются более когерентными.

Прозрение сквозь повреждения

Для неспециалистов основной вывод таков: старые горные выработки могут вести себя одновременно как треснувшее зеркало и как затуманенное окно для сейсмической визуализации — они отражают и перемешивают волны, используемые для картирования того, что находится ниже. Это исследование связывает конкретные сейсмические симптомы — слабые сигналы, запутанные формы волн и прерванные линии отражений — с физическими признаками, такими как обрушение, фрагментация и сильные отражающие границы у дна выработок. Вооружившись этим пониманием, геонауки могут лучше распознавать, где прежняя добыча искажает их изображения, и при этом продолжать восстанавливать надёжную картину глубоких угольных пластов. Это, в свою очередь, способствует более безопасной и эффективной разработке глубоких угольных ресурсов и помогает управлять рисками, возникшими в результате десятилетий подземных выемок.

Цитирование: Shan, R., Nie, A., Cao, X. et al. Seismic reflection characteristics and genesis of goafs and underlying coal seams. Sci Rep 16, 6711 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37861-9

Ключевые слова: угледобыча, сейсмическая визуализация, проседание грунта, зоны выработанных участков и обрушения, глубокие угольные пласты