Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów

Transkrypt

1 Mat. Symp. str Jerzy DEC Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów Streszczenie W artykule omówiono wyniki doświadczalnych badań sejsmicznych przeprowadzonych na kilku poziomach w kopalni w Bełchatowie. Przedstawiono problematykę wykrywania skupisk skał twardych oraz określania morfologii stropu skał podłoża. Pokazano również problemy metodyki badań i przetwarzania danych sejsmicznych. 1. Wstęp Front eksploatacji w kopalni przesuwa się w kierunku zachodnim. W trakcie prowadzenia robót górniczych udostępniających złoże, w części południowej odkrywki na poszczególnych poziomach pojawiają się wychodnie skał podłoża mezozoicznego. Są to margle, mułowce oraz piaskowce i ze względu na technologię prowadzenia robót górniczych skały te uznać należy za trudno-urabialne. W profilach skarp w utworach trzeciorzędowych pojawiają się nagle skupiska skał twardo-urabialnych, najczęściej piaskowców o nieregularnych kształtach, miąższości i zasięgu. W tym kontekście wyprzedzające rozpoznanie geologiczne jest niezwykle cenne dla planowania i prowadzenia robót górniczych. Rozpoznanie wiertnicze jest dość kosztowne i do tego daje rozpoznanie punktowe. Stąd pojawia się konieczność szukania nowych metod badawczych dla wcześniejszego rozpoznawania budowy górotworu. W rozwiązywaniu powyższej problematyki predysponowanymi wydają się być badania sejsmiczne. Prowadzone w rejonie konińskim prace (Dec, Ślusarczyk 2001) wykazały przydatność refleksyjnych badań sejsmicznych w kartowaniu morfologii stropu skał mezozoicznych. Z kolei wyniki prac, prowadzonych wcześniej przez zespół prof. Z. Kasiny (AGH, Kraków), sugerowały możliwość stosowania profilowań sejsmicznych dla lokalizacji skupisk skał twardo-urabialnych (Kasina i in. 1996). Geologiczna weryfikacja ówczesnych badań i wyniki obecne wskazują, że ze względu na nietypowe warunki i silną zmienność geologiczną przyjęte założenia teoretyczne prędkościowej identyfikacji skał mogą być błędne. Przeprowadzone obecnie badania sejsmiczne miały na celu ocenę efektywności metody w następujących zagadnieniach: wykrywanie skał trudno-urabialnych, kartowanie przebiegu stropu mezozoicznego podłoża serii węglowej. Badania metodą profilowań refrakcyjnych i refleksyjnych wykonano wzdłuż pięciu profili o kierunku S-N i jednego o kierunku W-E. Profile zlokalizowane były na poziomie IV i V w części zachodniej wyrobiska. Szczegółową sytuację badań na tle geologicznej mapy morfologii stropu mezozoiku przedstawia rysunek 1.1. Profile 1, 2 i 3 usytuowano na poziomie IV (rzędna +96m n.p.m.) a pozostałe trzy na poziomie V (rzędna +72m n.p.m.). 79

2 J. DEC Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów Dzięki współpracy z Działem Geologii KWB Bełchatów wyniki badań dowiązane zostały do szczegółowych przekrojów geologicznych sporządzonych w odsłoniętych przez koparkę profilach skarp na poszczególnych poziomach. Przekroje te pokazują bardzo skomplikowaną, silnie i szybko zmienną budowę geologiczną wzdłuż linii profilowań geofizycznych poniżej poziomów badań. W przekrojach widoczne są silne zmiany poziome facji, wąsko-promienne struktury fałdowe z zaburzonym układem warstw, aż do występowania form warstw stojących. Na podstawie trzech wybranych pojedynczych przekrojów skarp (wg Skórzak 2003) sporządzono wzdłuż linii A-A przekrój zbiorczy, który przedstawia skomplikowaną budowę górotworu w rejonie badań pomiędzy poziomem VI a poziomem IV (rys. 1.2). Uświadamia on, że rzeczywisty model górotworu dalece odbiega od sejsmicznego modelu ośrodka warstwowego, nawet zaburzonego. Partia górotworu, która w klasycznych refleksyjnych badaniach sejsmicznych jest pomijana, a uwzględniana jedynie we wprowadzanych poprawkach, w tym przypadku stała się przedmiotem badań. Brak ciągłych i wolnozmiennych horyzontów może w istotny sposób utrudniać przetwarzanie danych (statyka, analizy prędkości). Natomiast silna zmienność pozioma litologii powodować będzie istotne zmiany prędkości na drodze fali sejsmicznej, co w konsekwencji zaburzy korelację sygnałów odbitych od wspólnego punktu (CDP) a dalej korelację fazową zapisu sejsmicznego. Rys Mapa stropu podłoża w rejonie badań (wg Skórzak 2003) i lokalizacja profili sejsmicznych w KWB Bełchatów Fig Map of the top of Mesozoic basement (Skórzak 2003) and seismic profiles location in Bełchatów mine 80

3 Natomiast w badaniach refrakcyjnych duża zmienność przebiegu granic pod powierzchnią terenu może powodować niejednoznaczności interpretacji, tzn. różne granice geologiczne interpretowane są jako jedna granica sejsmiczna. Fala czołowa rozprzestrzeniająca się w utworach o podwyższonej prędkości, w przypadku ich wychodzenia ku powierzchni lub wyklinowania, zmienia swą trajektorię, zamieniając się w falę dyfrakcyjno-refrakcyjną lub prostą, co powoduje osłabienie dynamiki propagującej fali. Pojawiają się problemy z zarejestrowaniem wyraźnych sygnałów o korzystnym stosunku sygnał/zakłócenie. Rys Zbiorczy przekrój geologiczny pomiędzy poziomem VI a poziomem IV w KWB Bełchatów Fig Geological cross section between levels VI and IV in Bełchatów mine 2. Obraz falowy w bełchatowskich warunkach geologicznych Przeprowadzone pomiary i ich analiza wykazały, że prędkości fal refrakcyjnych zawierają się w przedziale m/s, prędkości średnie dla fal odbitych w przedziale m/s. Prędkość fali powierzchniowej zmienia się zaś w zakresie od 250 do 280 m/s. Rysunek 2.1 przedstawia relacje czasowe rejestrowanych fal dla przyjętych wartości średnich prędkości. Z relacji tych wynika, że dla efektywnego śledzenia fal odbitych od podłoża optymalny zakres offsetów zawiera się odpowiednio w przedziale m dla granic leżących na głębokości m i m dla granic leżących na głębokości m. Dla offsetów większych następuje bowiem interferencja sygnałów fal odbitych z sygnałami fali refrakcyjnej. W badaniach refleksyjnych realizacja rozstawów o takich długościach jest oczywiście możliwa, ale w warunkach bełchatowskich dla offsetów większych od 100 m. Wskutek tłumiącego działania suchego górotworu pojawiają się kłopoty z energią rejestrowanego sygnału. Z kolei zawężenie rozstawu sejsmicznego do długości 60 m redukuje liczbę aktywnych odbiorników, co obniża krotność profilowania refleksyjnego a tym samym efektywność tłumienia zakłóceń w procesie przetwarzania danych polowych. Dla małego przedziału offsetów pojawiają się także problemy z poprawnym wyznaczaniem prędkości, gdyż zbyt mała krzywizna hiperbol refleksyjnych powoduje, że wyniki analiz prędkości są niejednoznaczne. Liczne próby przeprowadzone na poziomach IV i V wyrobiska w Bełchatowie potwierdziły, że stosowanie rozstawów długości większej niż 150 m powoduje dla tych odległości utratę energii sygnału, wzrost poziomu zakłóceń, a sygnał odbity interferuje z sygnałami refrakcyjnymi. Rysunek 2.2 przedstawia rekord polowy dla położeń odbiorników w zakresie offsetów 0 94 m. 81

4 J. DEC Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów Rys Relacje czasowe rejestrowanych fal w KWB Bełchatów ; 1 hodograf refrakcyjny, 2 hodograf fali odbitej od podłoża (h = 60 m), 3 hodograf fali odbitej od podłoża (h = 90 m), 4 hodograf fali powietrznej, 5 hodograf fali powierzchniowej Fig Time relationship of recorded waves in Bełchatów mine;.1 refraction hodograph, 2 reflection hodograph (depth of basement 60 m), 3 reflection hodograph (depth of basement 90 m),4 air-wave hodograph, 5 ground-roll wave hodograph Rys Rekord polowy zarejestrowany w KWB Bełchatów poziom IV; 1 fala refrakcyjna, 2 fala odbita od podłoża (h = 45 m), 3 fala powietrzna, 4 fala powierzchniowa, 5 trasa z zakłóceniem Fig Field record obtained in Bełchatów mine level IV; 1 refraction wave, 2 basement reflected wave (h = 45 m), 3 airwave, 4 ground-roll wave, 5 noisy trace 82

5 Szacowana głębokość granicy odbijającej związanej ze stropem podłoża pod tym rozstawem wynosi około 45 m. Sygnał odbity od tej granicy (2) widoczny jest pomiędzy odbiornikiem 17 a 32. Wcześniej dla odbiorników 1-16 na sygnał nakłada się fala powierzchniowa i powietrzna. Natomiast dla dalszych położeń odbiorników następuje interferencja z falą refrakcyjną. Dla tego rozstawu redukuje to ilość przebiegów do procesu składania do szesnastu, co oznacza, że przy interwale strzałowym równym 1 efektywna krotność profilowania wynosi 8. Jest to zbyt mało by uzyskać przekrój o wyraźnym sygnale odbitym od stropu podłoża, zwłaszcza, że przedstawiony rekord polowy jest jednym z jakościowo lepszych. W większości przypadków poziom zakłóceń jest znacznie większy. 3. Badania refrakcyjne Fala refrakcyjna powstaje na fizycznej granicy wzrostu prędkości pomiędzy dwoma ośrodkami. Granica ta może pokrywać się z jedną granicą geologiczną lub może wyznaczać granice wzrostu prędkości pomiędzy strefą przypowierzchniową a występującymi niżej różnymi skałami o podwyższonej prędkości. Z własności fali refrakcyjnej rozprzestrzeniającej się wzdłuż takiej granicy określić można morfologię powierzchni rozdziału (refraktora) a także zmiany parametrów fizycznych (prędkość fali) poniżej refraktora. Zmiany prędkości fali korelowane mogą być ze zmianami litologicznymi. Dlatego przyjęto założenie, że w warunkach geologicznych miejsca badań, nagły wzrost prędkości powinien oznaczać lokalne wystąpienie utworów o większej twardości lub wypiętrzenie mezozoicznego stropu podłoża serii węglowej. Wykonane na profilu 5 wzdłuż południowej skarpy parametryczne pomiary na wychodni skał podłoża (margli kredowych) wykazały, że spodziewana prędkość fal w tych skałach powinna wynosić 1400 m/s. Oznacza to, że na odcinkach pozostałych profili zlokalizowanych nad miejscami wyniesionego podłoża, prędkość fal wzdłuż refraktora powinna osiągać podobną wartość. Również ewentualne wystąpienia skał twardo-urabialnych powinny zaznaczać się wyższą prędkością fal w stosunku do otoczenia. Wzdłuż profilu 1 przekrój refrakcyjny odwzorowuje granicę o zmiennej morfologii (rys. 3.1), wzdłuż której prędkość zmienia się w przedziale od 800 do 1200 m/s, a zmiany te są płynne, bez wyraźnego kontrastu. Wartość 1200m/s na początkowym odcinku profilu (0 60 m) korelowana może być z marglami, ale wartość ta jest mniejsza od stwierdzonej na wychodni podłoża (1400 m/s). Taka wartość odpowiadać może tak samo zwartym utworom ilastym o dużej twardości. Wzdłuż profilu 2 zarejestrowano prędkości o małym m/s, a jednoznaczna identyfikacja prędkościowa skał jest tu niemożliwa. Margle podobnie jak na profilu 1 mogą mieć wartość prędkości 1200 m/s. Prędkość 1300 m/s może odpowiadać iłom, ale i także skałom twardszym. Na profilu 3 prędkość wzdłuż refraktora osiąga 1200 m/s (podłoże?) a następnie zmniejsza się do wartości około 800m/s. Refraktor na profilu 6 cechuje prędkość w przedziale m/s. Natomiast w obrazie refrakcyjnym na profilu 4 (rys. 3.2), wzdłuż refraktora obserwujemy wartość prędkości 1200 m/s, następnie wartość ta obniża się do około 900 m/s i rośnie do 1400 m/s (skały twarde?). Morfologia granicy nie została wygładzona i występowanie punktów o ostrej zmianie głębokości związane jest z błędami wynikającymi z dużej niejednorodności i zmienności własności strefy przypowierzchniowej. 83

6 J. DEC Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów Rys Wyniki badań sejsmicznych wzdłuż profilu 1. KWB Bełchatów poziom IV Fig Results of seismic surveys along proflile 1. Bełchatów mine-level IV Rys Wyniki badań sejsmicznych wzdłuż profilu 4. KWB Bełchatów poziom V Fig Results of seismic surveys along proflile 4. Bełchatów mine-level V 84

7 W świetle uzyskanych wyników na wychodniach podłoża wzdłuż profilu 5 i na pozostałych liniach badań uznać należy, że zmiany prędkości są niewielkie i płynne, a kontrasty małe i nie ostre. Zbliżone wartości odpowiadać mogą tak skałom podłoża jak i utworom trzeciorzędowej serii węglowej. Podobnie wzrost prędkości w obrębie tej serii nie musi oznaczać występowania skał twardo-urabialnych. Dlatego prędkościowa identyfikacja skał jest trudna. 4. Profilowania refleksyjne Badania te wykonywane są metodą profilowania wielokrotnego i nastawione były na rejestrację sygnałów fal odbitych od stropu podłoża mezozoicznego. Otrzymane przekroje sejsmiczne (rys. 3.1 i 3.2) dowiązano do litologii określonej w otworach 115K-1P i 1598B. W otworze 115K-1P na głębokości około 57 m od poziomu IV występują margle i piaskowce, a w otworze 1598B utwory podłoża stwierdzone zostały na głębokości około 60 m od poziomu V. Na tej podstawie wyznaczone zostały granice sejsmiczne korelowane ze stropem podłoża. Generalnie należy stwierdzić, że wyniki badań nie są w pełni zadowalające. Sygnały od granicy sejsmicznej korelowanej ze stropem skał podłoża mają małą dynamikę i zaburzoną korelację fazową. Zaznaczone na przekrojach nieciągłości zidentyfikowane zostały na podstawie anomalnych zmian zapisu i fal zakłócających, gdyż w zapisie sejsmicznym brak jest jednoznacznych i wyraźnych cech, jakie powinny towarzyszyć występowaniu uskoków, np. przesunięcia sekwencji refleksów. Na jakość uzyskanego refleksyjnego obrazu sejsmicznego ośrodka wpływ mają dwie przyczyny. Pierwsza z nich związana jest z realizacją pomiarów i tkwi w trudnościach dotyczących akwizycji. Jak już wspomniano spowodowane jest to ograniczoną możliwością doboru rozstawu pomiarowego czego konsekwencją jest obniżenie nominalnej krotności profilowania dla rozstawów krótkich lub dla dłuższych rozstawów znaczna utrata dynamiki sygnału i pogorszenie stosunku sygnał/zakłócenie. Również fala powierzchniowa i akustyczna wprowadzają duży poziom zakłóceń koherentnych trudnych do eliminacji. Liniowe grupowanie geofonów dla tłumienia tych fal jest niemożliwe z uwagi na małe odległości pomiędzy kanałami. Zastosowanie odsunięcia punktu wzbudzenia eliminuje częściowo zakłócający wpływ tych fal, ale powoduje wydłużenie rozstawu, co przy silnym tłumieniu ośrodka prowadzi prawie do zaniku sygnału w polu zakłóceń. Druga przyczyna wynikająca w pewnym sensie z powyższych ograniczeń metodycznych tkwi w przetwarzaniu danych, ale także jest konsekwencją silnej zmienności geologicznej. Pierwszym elementem nastręczającym trudności w przetwarzaniu a wynikającym z geologii są kłopoty z poprawkami statycznymi na strefę przypowierzchniową. Brak ciągłej granicy refrakcyjnej o stabilnych parametrach i znaczne zmiany własności ośrodka pod linią badań powodują, że usuwanie wpływu niejednorodności strefy przypowierzchniowej z zapisu wprowadza dodatkowe błędy. Dlatego lepsze efekty daje tu automatyczna kompensacja statyki, która częściowo eliminuje wpływ niejednorodności, a przynajmniej nie wprowadza błędów dodatkowych. Duża zmienność geologiczna a za tym też własności skał wpływa też na szybkozmienny charakter pola prędkości (rys. 4.1). Określane na bazie rozstawu ( m) optymalne prędkości składania zmieniają nawet o 20% na odcinku długości 80 m. Dlatego prędkości te, zastosowane do kinematycznej korekty zapisu, dają optymalny efekt składania dla danego wspólnego punktu głębokościowego (CMP) ale też powodują błędy przesunięć czasowych na poszczególnych składowych. Wspomniano już wcześniej, że zbyt mała krzywizna hodografów 85

8 J. DEC Problemy badań sejsmicznych w KWB Bełchatów refleksyjnych powoduje dodatkowo trudności w popranym szacowaniu prędkości składania. Powstałe na etapie szacowania prędkości błędy powodują rozciąganie sygnału i zmniejszenie korelacji wzdłuż horyzontu odbijającego. Rys Wynik analiz prędkości wzdłuż profilu 1. KWB Bełchatów poziom IV Fig Results of velocity analysis along proflile 1. Bełchatów mine-level IV Istotne zakłócenie, jakim jest fala powierzchniowa, która nie jest wstępnie tłumiona przez grupy geofonowe, nie poddaje się filtracji jedno i dwuwymiarowej. Dopiero zastosowanie mieszania tras połączonego z filtracją górno-przepustową pozwala na redukcję dynamiki tych fal. Lepszym jednak rozwiązaniem jest zastosowanie odsunięcia punktu wzbudzenia w trakcie pomiarów, co przesuwa tę falę względem refleksów w stronę większych czasów i ewentualne zastosowanie mutingu. Problem doboru metodyki pomiarów i wynikające z tego konsekwencje dla przetwarzania danych są w warunkach geologicznych złoża bełchatowskiego elementami nierozłącznymi. Głównym problemem powodującym trudności w refleksyjnym badaniu podłoża jest mały obszar zapisu, w którym rejestruje się wyraźny, nie interferujący sygnał fali odbitej. Silne, bowiem tłumienie sygnałów odbitych przez górotwór wymaga, by obszar ten był jak największy. Wtedy nawet przy małej dynamice sygnału, w wyniku wielokrotnego składania uzyskać można wzmocnienie sygnału względem licznych zakłóceń, jakie towarzyszą robotom górniczym w kopalni. 5. Wnioski Ze względu na małe kontrasty prędkości jednoznaczna identyfikacja podłoża na podstawie profilowań refrakcyjnych jest trudna. Metoda refrakcyjna może być efektywna jedynie na poziomach, gdzie podłoże wychodzi blisko powierzchni (0 10 m) i tylko przy założeniu, 86

9 że kontrast prędkości wynosi, co najmniej 200 m/s. Jednak kontrasty takie mogą być mylne, bo twarde iły mogą mieć podobne wartości prędkości jak skały podłoża. Określanie występowania skał trudno urabialnych metodą refrakcyjną, ze względu na małe kontrasty prędkości i nieregularne formy ich występowania, jest raczej niemożliwe. W badaniach strukturalnych refleksyjne odwzorowanie budowy górotworu jest mało wyraźne, dynamika sygnałów odbitych od granic podłoża jest niska, a obraz uskoków mało jednoznaczny. Wzdłuż profili, na których sygnał odbity posiadał zadowalającą dynamikę, widać dobrą korelację pomiędzy układem horyzontów sejsmicznych a morfologią stropu podłoża. Dane geologiczne wskazują na zgodność uzyskanych wyników z budową geologiczną w skali makro. Szczegóły zmian budowy nie są rozpoznawalne. Autor składa serdeczne podziękowania Działowi Geologii KWB Bełchatów za umożliwienie badań a w szczególności mgr inż. Waldemarowi Jończykowi i mgr inż. Anna Skórzak za pomoc w ich realizacji. Literatura [1] Kasina Z., Ślusarczyk R., Dec. J, Bugajski A. 1996: Ocena możliwości wykorzystania badań sejsmicznych do rozpoznawania niejednorodności nadkładu złoża węgla brunatnego w celu zapewnienia bezpiecznej eksploatacji. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geosynoptyka i Geotermia nr 5, [2] Dec J., Ślusarczyk R. 2001: Sejsmiczne badania refleksyjne dla rozpoznania płytkich złóż węgla brunatnego na przykładzie prac w rejonie złoża Piaski koło Konina. Przegląd Geologiczny, tom 49, nr 8, [3] Skórzak A. 2003: Wewnętrzna dokumentacja geologiczna KWB Bełchatów. Problems of seismic surveys applied in Bełchatów brown coal mine The results of experimental seismic investigations are in this paper discussed. The surveys was placed and conducted on several levels in Bełchatów brown coal mine. The problems of detecting hard rocks concentrations as well problems connected with recognition of the morphology of Mesozoic basement are shown. Questions of seismic surveys methodology and data processing are discussed too. Przekazano: 15 marca 2004 r. 87