Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze KWK Jaworzno techniką prześwietlania sejsmicznego

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Jerzy KŁOSIŃSKI Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN, Kraków Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze KWK Jaworzno techniką prześwietlania sejsmicznego Streszczenie W pracy dokonano analizy niejednorodności w budowie warstw przypowierzchniowych na terenie górniczym KWK Jaworzno. Wyznaczono rozkłady prędkości fali P wokół otworu pomiarowego i w strefie między otworowej, rozkłady średnich częstotliwości zarejestrowanych fal dla różnych głębokości oraz analizowano ruchy cząstek ośrodka. W rejonie badań zlokalizowano strefy o różnym stopniu konsolidacji w nadkładzie czwartorzędowym i podłożu karbońskim. Zwrócono uwagę na potrzebę stosowania odpowiedniej geometrii układu pomiarowego i poszerzonej analizy zapisu sejsmicznego w celu uzyskania wiarygodnej informacji o rozkładzie niejednorodności w ośrodku. 1. Wstęp Podziemna eksploatacja górnicza generuje niejednorodności w rozkładzie właściwości fizycznych, a wskutek tego naruszona jest równowaga mechaniczna w górotworze. Końcowym efektem tych zjawisk jest osiadanie skał stropowych nad przestrzenią wybraną, rozwój stref spękań oraz tworzenie się pustek poeksploatacyjnych. Najbardziej niekorzystne dla rozwoju infrastruktury na powierzchni są nieciągłe deformacje górotworu sięgające aż do powierzchni terenu. Aby móc je zlokalizować wskazane jest wykonanie odpowiednich pomiarów geofizycznych (Ślusarczyk 1999; Pilecki i Popiołek 2000; Dec 2001). Najczęściej wykorzystywanymi w tym celu są: grawimetria, geoelektryka, sejsmika, metoda georadarowa i metody geofizyki otworowej. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie przykładu oceny zmian właściwości górotworu spowodowanych eksploatacją górniczą za pomocą pomiarów sejsmicznych. Przeprowadzona analiza dotyczy zmian w budowie warstw przypowierzchniowych na podstawie rozkładu pola prędkości wokół otworu badawczego i pomiędzy otworami. Artykuł ten jest omówieniem wyników zamieszczonych w pracy dyplomowej (Kłosiński 2000). 2. Warunki geologiczne w rejonie badań W budowie geologicznej rejonu badań występują skały okresu karbońskiego piętro Westfal C. Należą one do krakowskiej serii piaskowcowej, grupy łękowej. Seria ta różni się znacząco wykształceniem litologicznym od niżej leżącej serii mułowcowej. W jej budowie zdecydowaną przewagę mają utwory grubo okruchowe, których udział w serii z reguły przekracza 70%, a udział utworów fytogenicznych (węgla) osiąga 6%. Seria krakowsko 335

2 J. KŁOSIŃSKI Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze... piaskowcowa dzieli się na część dolną warstwy łaziskie oraz część górną warstwy libiąskie. W rejonie badań występują warstwy łaziskie (rys. 2.1.), przykryte utworami czwartorzędowymi o zmiennej grubości do kilkunastu metrów w ich skład wchodzą gliny, gliny piaszczyste i piaski zailone. Rozciągłość tych warstw ma kierunek SW NE i upad 8 /SE. Warstwy te tworzy kompleks osadów gruboklastycznych: piaskowce, piaskowce zlepieńcowate i zlepieńce z ławicami osadów mułowcowo-iłowcowych, towarzyszącym zwykle pokładom węgla. Miąższość warstw łaziskich jest zmienna i zwiększa się ze wschodu (380 m) ku zachodowi ( m). W kierunku wschodnim liczba wkładek i pokładów węgla maleje, część z nich łączy się ze sobą w pokłady o grubości 3 6 m. Pod względem tektonicznym obszar nie jest zaburzony pomijając niewielkie nieciągłości w postaci spękań i obniżeń stropu warstw wynikające z eksploatacji węgla. Rys Mapa geologiczna odkryta z rejonu Jaworzna Fig Geological uncovered map from Jaworzno region 3. Metodyka pomiarowa Pomiary sejsmiczne zostały wykonane na terenie likwidowanej KWK Jaworzno (rys. 3.1.). Rys 3.1. Szkic rejonu badań wraz z otworami O1 i O2 na obszarze KWK Jaworzno Fig Localization of investigated area with O1 and O2 boreholes in the KWK Jaworzno area 336

3 W pierwszym etapie wykonano azymutalne prześwietlanie sejsmiczne wokół otworu O2 metodą powierzchnia-otwór według schematu przedstawionego na rysunku 3.2. Rys 3.2. Azymutalne prześwietlanie sejsmiczne wokół otworu O2 metodą powierzchnia-otwór Fig Azimuthal tomography around O2 borehole using downhole surface technique Dla ustalonego punktu wzbudzania fali sejsmicznej dokonywano pomiarów dla zmiennej głębokości położenia 3-składowej sondy geofonowej z krokiem 2 m w przedziale m. Źródło energii fal sprężystych (udar młotem) było przemieszczane po powierzchni w kierunku od otworu na odcinku od 3 m do 18 m, z 5-cio metrowym krokiem w czterech prostopadłych do siebie kierunkach (rys. 3.3.). 30 m Rys Schemat prześwietlań sejsmicznych między otworami O1 i O2 (widok w planie) Fig Seismic tomography between two boreholes O1 i O2 (bird-view) W kolejnym etapie wykonano prześwietlania pomiędzy otworami O1 i O2 metodą powierzchnia-otwór z przemieszczaniem źródła po powierzchni od otworu na odcinku od

4 J. KŁOSIŃSKI Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze... do 30 m z 10-cio metrowym krokiem. Sonda w otworach była przemieszczana z krokiem 2 m, w przedziale głębokości m. W badaniach sejsmicznych użyto 24 kanałowego sejsmicznego systemu MK3 firmy ABEM. 4. Interpretacja i uzyskane wyniki pomiarów 4.1. Azymutalne prześwietlania sejsmiczne wokół otworu O2 Początkowo dla oceny stanu ośrodka w strefie przy otworowej obliczono prędkości interwałowe dla głębokości od 10 do 30 m. Na rysunku 4.1. przestawiono przykładowe wyniki dla składowej Z przy położeniu PS = 3 m od otworu O2. Na wykresach widać, że w zależności od kierunku pomiarów występuje zróżnicowanie wartości prędkości. Zauważalny jest ogólny wzrost jej wartości od 500 m/s do około 1300 m/s wraz ze zmianą głębokości. Rys Zmiany prędkości interwałowej wraz ze wzrostem głębokości wokół otworu O2 dla różnych azymutów, odstęp 3 m (składowa Z) Fig Interval velocity versus depth around O2 borehole for different azimuths, offset 3 m (Z component) Dalsza interpretacja danych pomiarowych polegała na analizie rozkładu prędkości fal P dla wszystkich odsunięć PS w zakresie od 3 do 18 m i dla każdego położenia sondy pomiarowej. Wyniki przedstawiono na rysunku 4.2. w postaci czterech przekrojów głębokościowych dla czterech azymutów A1, A2, A3, A4. Zmiany prędkości wokół otworu z różnych kierunków wskazują na obecność stref anomalnych. Jedna z takich stref występuje w zakresie głębokości od 10 do 14 m. Charakteryzuje się ona znaczącym obniżeniem prędkości fal P do wartości około 300 m/s. Inna anomalna strefa występuje na głębokości poniżej 20 m. Uwzględniając znajomość geologii rejonu badań można założyć, że strefa zwiększonych prędkości fal sejsmicznych podłużnych związana jest bezpośrednio z obecnością stropu karbonu leżącego bezpośrednio pod utworami czwartorzędu. Potwierdzeniem tego założenia może być zauważalna ciągłość strefy większej prędkości fal P wzdłuż otworu na długości co najmniej 8 m. W najbardziej przypowierzchniowej części nadkładu zaznaczają się strefy o niskich prędkościach. 338

5 Rys Zmiany prędkości fali P wokół otworu O2 dla różnych azymutów Fig P type velocity changes around O2 borehole for different azimuths 4.2. Prześwietlanie sejsmiczne strefy nadkładu karbonu pomiędzy otworami O1 i O2 W wyniku interpretacji tych prześwietleń opracowano przekrój głębokościowy przedstawiony na rysunku 4.3. Pomiędzy otworami O1 i O2 wyróżniają się strefy wysokich prędkości w zakresie głębokości większych niż 20 m, co prawdopodobnie świadczy o wzroście gęstości ośrodka na poziomie stropu karbonu. Analizowano widma tras sejsmicznych za pomocą programu zawartego w pakiecie MK6. Na ich podstawie wyznaczono średnie częstotliwości rejestrowanych fal. Rozkład tych częstotliwości przedstawiono w postaci map powierzchniowych wokół otworu O2 dla dwóch różnych głębokości: 10 i 28 m (rys. 4.4.). Na rysunkach widać stopniową zmianę częstotliwości wraz ze wzrostem głębokości. Interesujących informacji o rejestrowanym polu falowym dostarczają analizy ruchu cząstek ośrodka skalnego. Istnieją optymalne orientacje trójskładowych czujników w polu, które najlepiej oddzielają prostopadłe ruchy cząstek fal podłużnych i poprzecznych. Niestety, nie 339

6 J. KŁOSIŃSKI Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze... znana jest orientacja przed pomiarem, ponieważ nie mamy szczegółowej wiedzy o drodze promienia, wzdłuż której będzie propagować energia sejsmiczna. Mając opis ruchu w układzie odniesienia, łatwo jest matematycznie dokonać rotacji danych dla poprawy charakteru obrazu falowego. Do rotacji danych używane są techniki analizy polaryzacji. Efektem filtru polaryzacyjnego działającego na danych pomiarowych jest oddzielenie fali podłużnej i poprzecznej na osobnych trasach. Efektywność filtrowania polaryzacyjnego zależy od tego jak stabilnie spolaryzowane są dane. W najbardziej korzystnym przypadku filtrowanie polaryzacyjne oddzieli rodzaje fal (podłużne, poprzeczne). Prześledzenie wykresów ruchów cząstek może pomóc w identyfikacji różnych typów fal obecnych w zapisie sejsmicznym. Rys Zmiany prędkości fali P pomiędzy otworami O1 i O2 dla różnych azymutów Fig P type velocity changes between O1 and O2 boreholes for different azimuths Rys Rozkład średniej częstotliwości widma tras sejsmicznych wokół otworu O2 dla dwóch różnych głębokości położenia sondy pomiarowej Fig Distribution of spectrum mean frequency of seismic traces around O2 borehole for different probe localization 340

7 Do analizy ruchów cząstek zostały wykorzystane rejestracje sejsmiczne wykonane podczas prześwietlania strefy nadkładu czwartorzędowego. Pierwszym z analizowanych zapisów była rejestracja sejsmiczna przy konfiguracji A: źródło drgań odsunięte od otworu O2 o 3 m, sonda na głębokości 10 m. Na rysunku 4.5.a przedstawiona została geometria pomiaru, na rysunku 4.5.b zaprezentowano trasy wyjściowe po rotacji układu trzech tras wejściowych natomiast na rysunku 4.5.c przedstawiono ruch cząstek w kolejnych oknach czasowych. Rys Obraz falowy dla źródła drgań odsuniętego o 3 m od otworu O2: a) geometria pomiaru oraz układy czujników, b) trasy wyjściowe x, y, z po rotacji układu, c) zestawienie zapisów drgań cząstek w kolejnych oknach czasowych w płaszczyznach XY, XZ, YZ dla konfiguracji pomiarowej A Fig Waveform for source with 3 meters offset from O2 borehole: a) survey geometry and sensor localization, b) output traces x, y, z after rotation, c) comparison of particle s vibration in the following time-windows on the XY, XZ, ZY planes for survey configuration A W tym przypadku promień sejsmiczny przebiegał w kierunku zbliżonym do pionowego od źródła do odbiornika. W płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali X Y ruch cząsteczek nie wykazuje wyraźnej polaryzacji. W płaszczyznach równoległych zaznacza się polaryzacja drgań w oknach czasowych od 75 do 200 ms powiązanej z propagacją fali Rayleigha wzdłuż otworu. Brak jest wyraźnej polaryzacji fali P. Świadczy to o silnych właściwościach tłumiących i dyfrakcyjnych ośrodka. Drugim z analizowanych zapisów była rejestracja sejsmiczna przy konfiguracji B: źródło drgań odsunięte od otworu O2 o 18 m, sonda na głębokości 10 m. Na rysunku 4.6.a przedstawiona została geometria pomiaru, na rysunku 4.6.b zaprezentowano trasy wyjściowe po rotacji układu trzech tras wejściowych natomiast na rysunku 4.6.c przedstawiono ruch cząstek w kolejnych oknach czasowych. W tym przypadku promień sejsmiczny przebiegał prawie poziomo od źródła do odbiornika. Począwszy od okna czasowego ms w płaszczyźnie X Y zaznaczają się drgania poprzeczne typu S posiada- 341

8 J. KŁOSIŃSKI Ocena przypowierzchniowych niejednorodności ośrodka na obszarze... jące dużą, zbliżoną amplitudę. W płaszczyźnie X Z i Y Z wraz ze wzrostem wychyleń cząstek w kierunku prostopadłym (składowa X, Y) słabo wzrastają wychylenia cząstek w kierunku równoległym (składowa Z). Zauważalny jest uprzywilejowany kierunek drgań cząstek w kierunku poprzecznym do kierunku propagacji fali. Rys Obraz falowy dla źródła drgań odsuniętego od otworu 18 m: a) geometria pomiaru oraz układy czujników, b) trasy wyjściowe x, y, z po rotacji układu, c) zestawienie zapisów drgań cząstek w kolejnych oknach czasowych w płaszczyznach XY, XZ, YZ dla konfiguracji pomiarowej B Fig Waveform for source with 18 meters offset: a) survey geometry and sensor localization, b) output traces x, y, z after rotation, c) comparison of the particle s vibration in the following time-windows on the XY, XZ, ZY planes for survey configuration B Analiza ta potwierdziła wpływ doboru geometrii pomiaru w ośrodku niejednorodnym na możliwość rejestrowania danego typu fali sejsmicznej. Stwierdzono, że ze wzrostem odległości występuje bardziej wyraźna polaryzacja drgań fal powierzchniowych. 5. Wnioski W pracy analizowano niejednorodności w budowie warstw przypowierzchniowych występujące na terenie górniczym. Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących spostrzeżeń: występuje zróżnicowanie wartości prędkości wzdłuż otworu w zależności od azymutu pomiarów w granicach od 500 do 1300 m/s największe prędkości występują na azymucie A1, najniższe na A2, zaznacza się ogólny wzrost wartości prędkości od około 600 m/s do około 1000 m/s wraz z głębokością od 15 m do 30 m (azymut A1, A2, A3). 342

9 Najniższe prędkości fali P wokół otworu O2 od 280 do 400 m/s występują w utworach leżących najbliżej powierzchni. Przyczyną takiego stanu mogą być lokalne rozluźnienia gruntów czwartorzędowych gleby, glin, piasków zailonych. Prędkości około m/s na głębokości od 20 do 30 m wskazują na występowanie silnie spękanych skał karbonu. Analizując strefę nadkładu wokół otworu O2 można stwierdzić stopniową zmianę prędkości fal P wraz ze wzrostem głębokości. Jest ona prawdopodobnie wynikiem zmiany konsolidacji ośrodka. Podobne zmiany wykazuje rozkład prędkości fal P zaprezentowany na przekroju głębokościowym pomiędzy otworami O1 i O2. Analiza częstotliwościowa tras sejsmicznych pokazuje szybkie zmniejszanie się średniej częstotliwości w czasie. Jest ona prawdopodobnie spowodowana silnym tłumieniem fal sejsmicznych. Inną przyczyną zmian częstotliwości wraz ze wzrostem głębokości mogą być zmiany intensywności spękań ośrodka. Analiza ruchów cząstek potwierdziła wpływ niejednorodności ośrodka na typy rejestrowanych fal. Stwierdzono, że ze wzrostem odległości występuje bardziej wyraźna polaryzacja drgań fal powierzchniowych. Wyrażam podziękowanie Pani promotor dr inż. Bożenie Jakóbiec-Kwaśnickiej oraz pracownikom Pracowni Geofizyki Inżynierskiej Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH pod kierownictwem Pana prof. dr hab. inż. Ryszarda Ślusarczyka za cenne wskazówki merytoryczne i stworzenie warunków do wykonania tej pracy. Literatura [1] Dec J. 2001: Sejsmiczne odwzorowanie stref zniszczonego górotworu w rejonie dawnej eksploatacji węgla, WUG nr 11(87) 2001, Katowice, [2] Kłosiński J. 2000: Interpretacja pomiarów sejsmicznych w celu określenia zmian własności ośrodka wywołanych niejednorodnościami z zastosowaniem specjalistycznego oprogramowania, Praca magisterska, AGH, Kraków (niepublikowana). [3] Pilecki Z., Popiołek E. 2000: Wpływ eksploatacji rud na zagrożenie powierzchni deformacjami nieciągłymi i jego badanie za pomocą metod geofizycznych, Studia Rozprawy Monografie z. 84, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków. [4] Ślusarczyk R. 1999: Ocena zagrożenia powierzchni w rejonach dawnej eksploatacji górniczej na podstawie badań sejsmicznych, Mat. V konferencji naukowo-technicznej Geofizyka w geologii, górnictwie i ochronie środowiska, Jubileusz 50-lecia nauczania geofizyki w AGH, Kraków, Analysis of inhomogeneous rock-mass using seismic method in the coal-mine Jaworzno area Inhomogeneous of subsurface rock-mass caused by underground exploitation were analyzed. Seismic surveys were carried out in the coal-mine Jaworzno area. P wave velocity distribution around the borehole, between the boreholes and distribution of spectrum mean frequency of registered wavefield for variable depth as well as analysis of particle motion were examined. Existence of zones with different degree of consolidation in Quaternary overburden and Carboniferous bed-rock were detected. Final results show that different survey geometry and seismic record analysis is required to extract maximum information about heterogeneities distribution in the rock mass. Przekazano: 10 marca