Sejsmiczny monitoring otworowej eksploatacji z³o a siarki

GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom 24 2008 Zeszyt 2/3 JERZY DEC* Sejsmiczny monitoring otworowej eksploatacji z³o a siarki Wprowadzenie Wykonywane od 1993 roku w rejonie z³o a siarki Osiek badania sejsmiczne pozwalaj¹ w nowoczesny i nie koliduj¹cy z ruchem Zak³adu Górniczego sposób okreœliæ przestrzenn¹ budowê geologiczn¹ z³o a i jego nadk³adu oraz procesy dynamiczne zachodz¹ce w górotworze. Stosowane badania przeprowadzane s¹ okresowo, najczêœciej w odstêpach kwartalnych, a interpretacja ich wyników pozwala na prognozowanie zjawisk i okreœlanie zmian zachodz¹cych pod wp³ywem eksploatacji w z³o u i jego nadk³adzie. Wyniki badañ s¹ szeroko wykorzystywane do planowania eksploatacji przed odwiercaniem otworów, s¹ równie w du ym stopniu pomocne przy sterowaniu procesem technologicznym i jego kontroli (Dec, Œlusarczyk 1997). Badania sejsmiczne okaza³y siê efektywne dla rozwi¹zywania licznych zagadnieñ zwi¹zanych z problematyk¹ górnictwa otworowego siarki (Dec, Œlusarczyk 1994, 1994; Dec i in. 1996) a w szczególnoœci do: badania pierwotnej budowy z³o a, jego mikrotektoniki oraz struktury nadk³adu, okreœlania zmian facjalnych oraz granic z³o a, lokalizowania stref szczególnie naruszonych w wyniku eksploatacji (wskutek niszczenia struktury szkieletu warstwy z³o owej), wyznaczania w z³o u stref uprzywilejowanych przep³ywów wód, wskazywania obszarów perspektywicznych dla przysz³ej eksploatacji. Badania sejsmiczne w Kopalni Siarki Osiek prowadzone s¹ w obszarach nie eksploatowanych (na przedpolu frontu eksploatacyjnego) pod k¹tem szczegó³owego rozpoznania budowy geologicznej i planowania eksploatacji oraz w rejonach wydobycia siarki w aspek- * Dr in., Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków; e-mail: geodec@uci.agh.edu.pl

200 cie osi¹gania korzystnych wyników produkcji i prowadzenia bezpiecznej dla œrodowiska dzia³alnoœci górniczej. 1. W³aœciwoœci z³o a siarki Wystêpuj¹ce w Osieku ko³o Po³añca z³o e siarki rodzimej to koncentracje siarki krystalicznej w wapieniu porowatym. W³aœciwoœci z³o a s¹ silnie zmienne. Dotyczy to przede wszystkim g³ównych parametrów tj. zawartoœci siarki i porowatoœci. W partii zbitego z³o a wartoœæ porowatoœci to rz¹d kilku procent (4 8%) i koncentracji siarki od kilkunastu procent nawet do ponad 20%. W partiach podatnych na wytop z³o e najczêœciej ma podwy szon¹ porowatoœæ do kilkunastu procent a koncentracja siarki jest raczej mniejsza od kilku do kilkunastu procent. Analizuj¹c dane z licznych otworów mo na zaobserwowaæ jednak zale noœæ zawartoœci siarki od porowatoœci. Generalnie ze wzrostem porowatoœci maleje zawartoœæ siarki. Rysunek 1 przedstawia rozk³ad tej zale noœci w oparciu o kilkaset prób otworowych. Najbardziej prawdopodobny trend przedstawia linia ci¹g³a bêd¹ca aproksymacj¹ œredniej zawartoœci siarki jako funkcji uœrednionej porowatoœci. Dla danej zawartoœci siarki rozrzut porowatoœci wynosi ±2% dla poziomu ufnoœci 80%. Zmiennoœæ parametrów z³o a ma charakter nie tylko powierzchniowy ale i tak e pionowy. Typow¹ zmiennoœæ budowy z³o a przedstawia tabela 1 zawieraj¹ca dane wynikowe z geofizyki wiertniczej dla doœæ reprezentatywnego otworu C1001. Dlatego w rozwa aniach Rys. 1. Zale noœæ zawartoœci siarki od porowatoœci dla z³o a w Osieku Fig. 1. Sulfur concentration versus porosity for Osiek deposit

201 Litologia z³o a na podstawie danych geofizyki wiertniczej Deposit lithology on the base of well logging data TABELA 1 TABLE 1 ODWIERT: C-1001 REJON: Osiek 1. Stropz³o a 133,4m 2. Sp¹g z³o ¹ 155,8 m 3. Litologia: 133,4 i³y 134,9 i³y margliste 155,8 wg tabeli 161,2 gipsy 163,0 mu³owce Sobj.=28,6% Swag.=26,1% Zaw. i³ów objêt. = 10,3% Zaw. wap. objêt. = 52,0% Porowatoœæ ogólna Kp = 9,1% Gêstoœæ b/wody = 2308 kg/m 3 dla produktywnej mi¹ szoœci h = 15,9 m dla której zawartoœæ siarki jest > 8% g³êbokoœæ siarka i³y porowatoœæ wapieñ nazwa ska³y od do objêtoœciowo [%] obj. [%] ca³kowita [%] obj. [%] 134,9 136,3 0,0 56,4 16,15 27,4 i³ marglisty 136,3 138,5 1,4 32,3 14,91 51,4 margiel 138,5 138,8 17,9 17,3 12,89 52,0 wap. marglisty s³abo porowaty 138,8 139,2 17,7 10,2 14,16 57,9 wap. s³abo porowate 139,2 140 11,2 20,4 12,28 56,2 wap. marglisty s³abo porowaty 140,0 140,6 28,4 15,2 8,05 48,4 wap. marglisty zbity 140,6 143,4 27,4 5,3 11,31 56,0 wap. s³abo porowaty 143,4 144 21,2 37,0 8,28 33,5 margiel ilasty 144,0 146,5 31,6 5,4 10,39 52,6 wap. s³abo porowate 146,5 147,3 22,8 18,0 11,21 48,0 wap. marglisty s³abo porowaty 147,3 147,6 7,0 29,4 14,8 48,8 margiel 147,6 148,9 32,6 24,6 3,3 39,4 margiel 148,9 149,6 30,1 8,1 9,09 52,7 wap. s³abo porowaty 149,6 154,3 34,2 5,2 6,82 53,9 wapieñ zbity 154,3 154,7 14,1 6,6 14,01 65,3 wap. s³abo porowaty 154,7 155,3 4,2 10,4 18,25 67,1 wap. s³abo porowaty 155,3 155,8 0,0 23,4 27,84 48,7 margiel œrednia 17,8% œrednia 12,6%

202 dla danego punktu (otworu) nale y wzi¹æ pod uwagê wartoœci œrednie parametrów takich jak np. porowatoœæ i zawartoœæ siarki i budowaæ model ekwiwalentny. Uœrednianie prowadziæ mo na dla ca³ej warstwy z³o a lub interwa³u produktywnego. Tak uzyskane wartoœci opisuj¹ w³aœciwoœci warstwy ekwiwalentnej a te z kolei wp³ywaj¹ na wartoœci fizykomechaniczne jak i odpowiadaj¹ ze efektywnoœæ eksploatacji. W warstwie z³o a wystêpuje napiêty poziom wodonoœny, co powoduje ca³kowite nasycenie przestrzeni porowych wod¹. W trakcie procesu wytopu siarki w pierwszym etapie doœæ gwa³townie wzrasta porowatoœæ warstwy z³o owej, a p³ynna siarka i woda zastêpuje siarkê rodzim¹ w przestrzeniach porowych. W nastêpnym etapie, gdy siarka zostanie wytopiona i wypompowana, woln¹ przestrzeñ wype³nia woda. Bardzo du a porowatoœæ ca³kowita powoduje zmniejszenie wytrzyma³oœci warstwy wapienia i w konsekwencji prowadzi do pêkania szkieletu i osiadania pod wp³ywem nacisku nadk³adu. Osiadanie mo e mieæ nawet wielkoœæ kilku metrów i mo e wywo³ywaæ deformacje nieci¹g³e powierzchni stropu z³o a. Powstaj¹ce w trakcie osiadania du e przemieszczenia i naprê enia mog¹ powodowaæ w skrajnej strefie niecki osiadañ œcinanie otworów na naturalnych powierzchniach poœlizgu jakimi s¹ granice wk³adek piaszczystych w ilastym nadk³adzie z³o a. W konsekwencji prowadziæ to mo e do niepo ¹danych zjawisk erupcyjnych zagra aj¹cych powierzchni terenu. Dlatego niezmiernie istotnym zagadnieniem jest znajomoœæ zasiêgu eksploatacji. Wiedza taka pozwala na sterowanie eksploatacj¹ tak, by poprzez rozwiniêcie szerokiego frontu unikaæ eksploatacji gniazdowej powoduj¹cej du e poziome gradienty przemieszczeñ i w konsekwencji zapobiegaæ œcinaniu otworów. Drugim bardzo istotnym elementem bazuj¹cym na znajomoœci zasiêgu eksploatacji jest takie sterowanie kierunkiem przep³ywu wody w z³o u tak, by w miarê równomiernie rozgrzewaæ warstwê z³o a u³atwiaj¹c wytop siarki, a tym samym redukuj¹c koszty wydobycia. 2. Badania sejsmiczne Z uwagi na zmienne pierwotne w³aœciwoœci z³o a jak i du ¹ ich zmiennoœæ pod wp³ywem eksploatacji ciekawym zastosowaniem sejsmiki refleksyjnej jest okreœlanie parametrów z³o a i monitorowanie procesu otworowej eksploatacji z³o a siarki. Proces ten prowadzony metod¹ podziemnego wytopu powoduje w pierwszym etapie zwiêkszanie siê porowatoœci z³o a i dalej w konsekwencji ³amanie szkieletu ska³y pod wp³ywem kompresji nadk³adu. Metoda sejsmiczna pozwala na zaobserwowanie tych zmian z powierzchni. Zmieniaj¹ce siê w³aœciwoœci warstwy z³o owej, rosn¹ca porowatoœæ i wodo-nasycenie, powoduj¹ zmiany w³aœciwoœci sprê ystych warstwy. Niszczenie struktury ska³y powoduje dalsze zmiany w³aœciwoœci sprê ystych, a zw³aszcza zmniejszanie siê wartoœci prêdkoœci fali pod³u nej oraz zmiany wielkoœci liczby Poissona, co w obserwacjach sejsmicznych wywo³ywaæ mo e anomalie amplitudy rejestrowanego sygna³u sejsmicznego.

203 2.1. Wp³yw porowatoœci i eksploatacji na zmiany amplitudy sygna³u Badania z³o a prowadzone s¹ przy zastosowaniu wielokrotnych sejsmicznych profilowañ refleksyjnych. Do interpretacji badañ wykorzystywana jest relacja pomiêdzy amplitud¹ refleksu odbitego od stropu z³o a a parametrami fizykomechanicznymi warstwy z³o owej, jak i wp³yw tych parametrów na rejestrowany obraz falowy. Rysunek 2 przedstawia zmiany refleksyjnoœci stropu z³o a siarki przed eksploatacja siarki (linia ci¹g³a) oraz po wytopieniu, ale przed zniszczeniem szkieletu wapienia (linia przerywana). Najwiêksze ró nice pomiêdzy amplitud¹ sygna³u odbitego od stropu z³o a przed eksploatacj¹ a amplitud¹ po eksploatacji obserwowane s¹ dla niskich porowatoœci pierwotnych. Wynika to z wysokiej koncentracji siarki dla niskich porowatoœci. Zastêpowanie wytopionej siarki przez wodê powoduje przy du ej poeksploatacyjnej przestrzeni porowej siln¹ zmianê prêdkoœci a zatem i amplitudy odbitego sygna³u. 0.40 0.35 amplituda refleksu 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 porowatoœæ [%] po wytopieniu siarki (after sulphur melting) przed eksploatacja (before melting) Rys. 2. Zmiana amplitudy refleksu od stropu z³o a siarki w zale noœci od porowatoœci Fig. 2. Changes of reflectivity of sulfur deposit roof versus porosity Dla porowatoœci pierwotnych du ych zawartoœæ siarki jest ma³a, a zatem wp³yw wytopu jest w takich miejscach nieznaczny lub w ogóle nie ma miejsca. Dlatego w strefach tych obserwowane zmiany prêdkoœci rozchodzenia siê fali sejsmicznej oraz amplitudy sygna³u odbitego bêd¹ niewielkie. Natomiast partie z³o a o podwy szonej porowatoœci bêd¹ strefami uprzywilejowanymi dla migracji gor¹cej wody (t³oczonej do otworów pary wodnej). Znajomoœæ relacji pomiêdzy amplitud¹ refleksu od stropu z³o a a porowatoœci¹ pozwala na rozpoznawanie z³o a pod k¹tem jego podatnoœci na wytop. Na podstawie zmian amplitudy mo na wskazaæ strefy o podwy szonej porowatoœci oraz rejony zbitego z³o a, w których obserwuje siê wy sz¹ koncentracjê siarki. Rysunek 3 przedstawia czasowy przekrój sejsmiczny wraz z estymowanym w oparciu o zmiany amplitudy sygna³u rozk³adem porowatoœci z³o a wzd³u planowanej bariery eksploatacyjnej.

204 Rys. 3. Czasowy przekrój sejsmiczny i zmiany porowatoœci z³o a wzd³u otworów eksploatacyjnych Fig. 3. Time section and porosity changes along exploitation holes line Powsta³e w wyniku eksploatacji przestrzenie o podwy szonej porowatoœci wywo³uj¹ poziome zmiany prêdkoœci fali sejsmicznej w warstwie z³o a poni ej horyzontu sejsmicznego jakim jest strop. W wyniku zmieniaj¹cej siê prêdkoœci zachodz¹ zmiany relacji czasowych pomiêdzy sygna³ami odbitymi od stropu i sp¹gu warstwy. Prowadzi to do powstania interferencyjnych anomalii zapisu oraz pozornych zjawisk ugiêcia horyzontu sp¹gu tzw. time sag. Lokalne zmniejszenie prêdkoœci w miejscu strefowego wytopu wywo³uje efekt time sag dla horyzontów g³êbszych, g³ównie granicy sp¹gu z³o a. Rysunek 4 przedstawia pozorne ugiêcie g³êbszych horyzontów w strefie obni onej prêdkoœci na pocz¹tkowym etapie procesu wytapiania z³o a. Refleks od stropu jest silny i ci¹g³y, a jedynym symptomem rozwijaj¹cej siê eksploatacji jest time sag. Rys. 4. Czasowy przekrój sejsmiczny po 1-szym miesi¹cu eksploatacji Fig. 4. Time section after first month of exploitation

Przy rozwiniêtym froncie eksploatacji efekt ten mo e wystêpowaæ lokalnie, a g³ównym wskaÿnikiem wytopu bêdzie zmniejszenie dynamiki sygna³ów odbitych od stropu z³o a. Wynikaj¹ce z prowadzonej eksploatacji poziome zmiany prêdkoœci wywo³uj¹ te efekty anomalne amplitudy rejestrowanego od stropu sygna³u. Doœæ du ym zmianom (zmniejszeniu) ulega wartoœæ prêdkoœci fali pod³u nej powoduj¹c zmniejszanie siê wspó³czynnika odbicia, a tym samym energii rejestrowanych sygna³ów. Zachodz¹ce po d³u szym okresie wytopu niszczenie szkieletu z³o a powoduj¹ce za³amywanie siê stropu prowadzi do zaburzenia ci¹g³oœci horyzontu sejsmicznego jakim jest strop z³o a i os³abienia korelacji fazowej odbitych sygna³ów wywo³anej rozpraszaniem energii na spêkanej, nierówno osiadaj¹cej powierzchni. Rysunek 5 przedstawia poeksploatacyjne zaburzenie stropu z³o a po 6 miesi¹cach eksploatacji. W stosunku do 1-go miesi¹ca eksploatacji (rys. 4) widoczny jest spadek dynamiki refleksu stropowego i zaburzenia jego ci¹g³oœci. 205 Rys. 5. Czasowy przekrój sejsmiczny po 6 miesi¹cach eksploatacji Fig. 5. Time section after 6 months of exploitation Osiadanie mo e równie naruszyæ ci¹g³oœæ nadk³adu. Dla oœrodków skonsolidowanych osiadanie mo e przejawiaæ siê zmianami prêdkoœci fali sejsmicznej w górotworze (Al- -Rawahy, Goulty 1995). Mimo, e nadk³ad jest doœæ plastyczny, ilasto-piaszczysty, w strefach krawêdzi eksploatacji mo e deformowaæ siê w sposób nieci¹g³y, co wywo³uje w zapisie sejsmicznym zanik sygna³ów od granic w nadk³adzie, a zw³aszcza jednej, cienkiej ilastej warstwy, charakterystycznej dla ca³ego rejonu badañ (Dec, Gorczyca, Wojtycha 1997). Wynikaj¹ca z badañ sejsmicznych znajomoœæ stref oddzia³ywania eksploatacji pozwala na wyprzedzaj¹c¹ ocenê zagro eñ deformacjami i taki rozwój frontu eksploatacji, by wartoœci osiadañ by³y równomierne.

206 2.2. Anomalie AVA a eksploatacja z³o a Analiza AVO i AVA szeroko stosowane s¹ do analizy cech zbiornikowych ska³. Zmiany wartoœci wspó³czynnika Poissona wywo³uj¹ efekty anomalii amplitudowych z offsetem (Veeken, Rauch-Davies 2006). Atrybuty AVO znajduj¹ zastosowanie g³ównie w poszukiwaniach z³ó wêglowodorów. Generalnie dla wapieni porowatych nasyconych wod¹ zmiennoœæ wspó³czynnika Poissona ze wzrostem porowatoœci jest bardzo ma³a (Domenico 1984). Jednak model z³o a siarki jest w uogólnieniu modelem trójsk³adnikowym (wapieñ, siarka, pory), a ponadto jest silna zale noœæ zawartoœci siarki od porowatoœci (rys. 1). Dlatego te zmiana iloœciowa poszczególnych sk³adników oraz zmiany poeksploatacyjne mog¹ wp³ywaæ na zmiennoœæ wspó³czynnika Poissona. W przypadku badañ z³o a siarki w trakcie interpretacji danych, poza widocznymi zmianami amplitudy sumarycznego sygna³u odbitego, na sk³adowych zaobserwowano równie zmianê amplitudy sygna³u z narastaj¹cym offsetem. Generalnie widoczne jest zmniejszanie amplitudy a szybkoœæ zmian wynika z wartoœci gradientu. Gradient zmian amplitudy jest zwi¹zany z w³aœciwoœciami warstwy z³o a zmieniaj¹cymi siê pod wp³ywem eksploatacji. Potwierdza to, e w tym przypadku teoretyczne za³o enia zmiennoœci wspó³czynnika Poissona s¹ s³uszne. Zmienne w³aœciwoœci z³o a powoduj¹, e zmienia siê równie stosunek Vp/Vs, a zatem i wartoœæ wspó³czynnika Poissona. Œrednio jej wartoœæ dla z³o a wynosi 0,28. W du ej mierze jej wielkoœæ zale y od zawartoœci siarki. Dla wapieni zbitych o ma³ej porowatoœci i koncentracji siarki mo e przekroczyæ 0,3 a dla wapieni porowatych z podwy szon¹ zawartoœci¹ siarki 0,26 (np. porowatoœæ 13%, zawartoœæ siarki 17%). Natomiast w strefach wytopu brak obecnoœci siarki krystalicznej i niszczenie szkieletu wapiennego powoduj¹ spadek wartoœci liczby Poissona do wielkoœci poni ej 0,2 (dla Rys. 6. Wykres zmian amplitudy sygna³u w funkcji k¹ta odbicia (AVA) i regresja liniowa zmian Fig. 6. Graph of signal amplitude changes versus angle (AVA) and linear fit of changes

207 porowatoœci ca³kowitej 30% = 0,19). Pêkanie wapienia powoduje dalszy spadek jej wartoœci nawet do = 0,1 dla zniszczonej i spêkanej warstwy z³o a. Obliczone zale noœci amplituda sygna³u odbitego-k¹t padania (offset) pokazuj¹ e zmiany amplitudy s¹ znaczne, jednak przedzia³y zmiennoœci mog¹ byæ zbli one dla ró - nych kombinacji iloœciowych trójsk³adnikowego modelu. Natomiast zmienny jest gradient, a zw³aszcza jego wartoœæ wyznaczana w trakcie aproksymacji liniowej rozk³adu amplitud z offsetem. Aproksymacja liniowa zmian amplitudy w funkcji k¹ta padania (offsetu) pokazuje na istotne zmiany gradientu (rys. 6) w przypadku modelu eksploatacji z³o a zbitego. W wyniku wytopu porowatoœæ wzrasta nawet o 30%. Zast¹pienie 30% siarki przez wodê wywo³uje efekt zmian gradientu amplitudy. Jak wynika z liniowej aproksymacji rozk³adu amplitudy zmiana gradientu jest ponad czterokrotna (z 52 na 11), co jest bardzo du a zmian¹. Poza zmian¹ gradientu maleje bezwzglêdna wartoœæ amplitudy sygna³u a dla k¹tów powy ej 22 stopni nastêpuje zmiana jego polaryzacji, co w konsekwencji mo e powodowaæ wygaszenie sygna³u na sekcji czasowej, gdy wynikowa amplituda sygna³u jest sum¹ amplitud sk³adowych dla ro nych offsetów (k¹tów). Tak wiêc poeksploatacyjne zniszczenie szkieletu z³o a przy du ej porowatoœci poeksploatacyjnej siêgaj¹cej 40% prowadzi do silnego obni enia siê wartoœci prêdkoœci fali P, spadku wartoœci wspó³czynnika Poissona, a w konsekwencji do spadku wartoœci rejestrowanej amplitudy sygna³u i rotacji fazy dla wiêkszych offsetów, co prowadzi do wygaszania sumarycznego sygna³u. W przypadku z³o a porowatego (10% siarki i 20% porów) zast¹pienie 10% siarki przez wodê nie wywo³uje zmian gradientu, a tylko obni enie siê samej amplitudy. Wynik estymacji wartoœci gradientu jest zale ny od przedzia³u offsetów u ytych do aproksymacji. Ma to istotne znaczenie metodyczne dla projektowania rozstawu pomiarowego. Systemy przetwarzania danych wykorzystuj¹, liniow¹ aproksymacjê amplitudy w funkcji offsetu. Dlatego dane pomiarowe powinny byæ dostosowane do analizy tak, by system bazuj¹c na aproksymacji liniowej wychwyci³ ró nice gradientu. Generalnie metodyka badañ polowych powinna byæ tak projektowana, by k¹t padania nie przekracza³ 35. W przypadku omawianego z³o a g³êbokoœæ do stropu wynosi œrednio 130m, wiêc maksymalne offsety nie powinny przekraczaæ 170m. W przypadku stosowanej przez system interpretacji danych Vista aproksymacji liniowej zmiana wartoœci gradientu dla zakresu offsetów 0 170m wynosi 120 do 52, a wiec jest ponad dwukrotna. Ale ju dla aproksymacji w zakresie offsetów 50 170m krotnoœæ zmiany gradientu wynosi 14 do 3 czyli jest prawie piêciokrotna i jest to wartoœæ bardzo du a i zgodna z przedstawionymi powy ej zale noœciami (rys. 6). Dlatego w trakcie badañ stosowano rozstaw skrajny z odsuniêciem punktu strza- ³owego wynosz¹cego 50m przy wartoœci maksymalnego offsetu wynosz¹cej 165 m. Badania monitoruj¹ce wykonane by³y w cyklach kilkumiesiêcznych, co pozwoli³o na bie ¹ce obserwacje zmian zachodz¹cych pod wp³ywem eksploatacji. Przyk³ad obserwacji wzd³u linii otworów 200 (rys. 7 i 8) pokazuje jak zmienia siê obraz falowy w otoczeniu otworu eksploatacyjnego C-201.

208 Rys. 7. Przekrój sejsmiczny po 1 miesi¹cu eksploatacji. Pocz¹tek wytopu wokó³ otworu C201 Fig. 7. Time section after 1 month of exploitation. Beginning of melting around C201 hole Rys. 8. Przekrój sejsmiczny po 6 miesi¹cach eksploatacji. Widoczne zmiany wokó³ otworu C201 Fig. 8. Time section after 6 months of exploitation. Visible changes around C201 hole Na przekrojach czasowych widoczna jest zmiana charakteru zapisu. Po jednym miesi¹cu widoczny jest sag (od otworu C201 do C202) zwi¹zany ze zmianami prêdkoœci w warstwie z³o a (rys. 7), natomiast po szeœciu miesi¹cach wyraÿnie zmienia siê intensywnoœæ refleksów od stropu z³o a oraz ci¹g³oœæ tego horyzontu (rys. 8). Aproksymowane wartoœci gradientu mno one s¹ przez znak parametru I (I = amplituda dla zerowego offsetu), przez co znak gradientu jest taki sam dla faz dodatnich i ujemnych sygna³u. Zmiana wartoœci lub znaku gradientu wzd³u danego horyzontu oznacza anomalne zmiany wartoœci liczby Poissona, a tym samym zmianê porowatoœci zwi¹zanej z zamian¹ siarki na wodê. Widoczne na sekcji uzyskanej po oœmiu miesi¹cach zmiany gradientu potwierdzaj¹ obserwowane na sekcjach czasowych zmiany w³aœciwoœci warstwy z³o owej (zmiana amplitudy, ci¹g³oœci horyzontu) i czyni¹ interpretacjê bardziej jednoznaczn¹, wskazuj¹c ewidentnie miejsca z³o a o zmienionych parametrach fizycznych, a ocena zmian

209 Rys. 9. Sekcja gradientu amplitudy po 6 miesi¹cach eksploatacji i jego anomalia pomiêdzy C201-C202 Fig. 9. Section of amplitude gradient after 6 months of exploitation. Anomaly between C201-C202 w³aœciwoœci ma charakter iloœciowy w przeciwieñstwie do klasycznych sekcji, których interpretacja jest jakoœciowa i nawet zastosowanie atrybutów sejsmicznych nie wprowadza iloœciowych informacji. Zmiany gradientu obserwuje siê te dla z³o a przed rozpoczêciem eksploatacji. Zwi¹zane jest to z pierwotn¹ zmiennoœci¹ z³o a. Wp³ywaj¹ na ni¹ poza porowatoœci¹ i zawartoœci¹ siarki takie parametry jak zawartoœæ i³ów i obecnoœæ gipsów krystalicznych. W strefach zbitego z³o a wartoœæ gradientu mo e byæ dodatnia, natomiast w partiach z³o a o podwy - Rys. 10. Sekcja gradientu amplitudy wzd³u linii 700, A przed i B w trakcie eksploatacji Fig. 10. Section of offset slope along 700 line, A before and B during of exploitation

210 szonej porowatoœci i ma³ej koncentracji siarki ujemna. Dlatego tak jak wzd³u linii otworów 700 ju przed eksploatacj¹ mo na zaobserwowaæ zmiennoœæ w³aœciwoœci z³o a (rys. 10A). Interpretacja zmian gradientu jest najbardziej jednoznaczna dla refleksu od powierzchni stropu z³o a. W trakcie eksploatacji w strefach wytopu siarki (rys. 10B) wzd³u granicy stropu z³o a widoczne jest wyraÿne zmniejszenie wartoœci gradientu. Podsumowanie W trakcie rozwoju eksploatacji warstwa z³o a ulega przeobra eniu. Wykonane badania pokazuj¹, e towarzyszy temu zmiana zapisu uzyskiwanego od granicy stropu z³o a. Czêsto dochodzi do przerwania ci¹g³oœci refleksów od stropu, zmiany ich amplitudy a nawet do ich zaniku. Obserwuje siê równie anomalie zapisu sejsmicznego w postaci przerwania ci¹g³oœci refleksów pochodz¹cych od granic w nadk³adzie, co spowodowane jest osiadaniem górotworu. Reasumuj¹c podkreœliæ nale y, e stosowanie badañ sejsmicznych dla monitorowania poeksploatacyjnych zmian w³aœciwoœci z³o a jest w pe³ni uzasadnione, a uzyskiwane wyniki s¹ w pe³ni zadowalaj¹ce. Podstawowym kryterium identyfikacji stref wytopu s¹ obserwowane zmiany amplitudy. W przypadku zmian parametrów z³o a w czasie, jak ma to miejsce przy otworowej eksploatacji siarki, zaobserwowaæ mo na relacjê pomiêdzy wzrastaj¹c¹ porowatoœci¹ i wodo- -nasyceniem a amplitud¹ sygna³u sejsmicznego. Zaobserwowaæ mo na równie anomalie typu time sag towarzysz¹ce zmianom prêdkoœci i obni enia wartoœci amplitudy typu dim spot w ci¹g³ej strefie spêkañ lub podwy szonej porowatoœci. LITERATURA A l -R a w a h y S.Y.S., G o u l t y N.R., 1995 Effect of mining subsidence on seismic velocity monitored by a repeated reflection profile, Geophysical.Prospecting, v. 43, 191 201. D e c J., S l u s a r c z y k R., 1994 Zastosowanie badañ sejsmicznych w problematyce górnictwa otworowego siarki. Materia³y Konferencji Siarka rodzima geologia, górnictwo, ekonomika i ochrona œrodowiska, 31 42, Kraków. D e c J., S l u s a r c z y k R., 1994 Badania sejsmiczne w górnictwie otworowym siarki w aspekcie ochrony œrodowiska. Materia³y Konferencji Ekologia w górnictwie a geofizyka, 97 105, Ustroñ. D e c J., G o r c z y c a J., G u ³ a Z., Œ l u s a r c z y k R., 1996 Planowanie i prowadzenie otworowej eksploatacji siarki w oparciu o badania geofizyczne. Zeszyty naukowe AGH, Geologia t. 22, z. 1, 61 68. D e c J., Œ l u s a r c z y k R., 1997 Application of seismic surface method to the determination of uncontrolled water flow direction in underground melting of native sulphur deposits. Meeting papers, 61 70. Solution Mining Research Institute, Illinois USA. D e c J., G o r c z y c a J., W o j t y c h a Z., 1997 Sejsmiczne prognozowanie powstawania stref deformacji nadk³adu w otworowej eksploatacji siarki. Bezpieczeñstwo Pracy i Ochrona Œrodowiska w Górnictwie nr 10(38)/97, 12 16. WUG, Katowice.

211 D o m e n i c o S., 1984 Rock lithology and porosity determination from shear and compressional wave velocity. Geophysics, v. 49, 1188 1195. V e e k e n P., R a u c h -D a v i e s M., 2006 AVO attribute analysis and seismic reservoir characterization. First Break, v. 24, 41 52. SEJSMICZNY MONITORING OTWOROWEJ EKSPLOATACJI Z O A SIARKI S³owa kluczowe Eksploatacja siarki, sejsmika refleksyjna, porowatoœæ, amplituda sygna³u, anomalie sejsmiczne Streszczenie Górnictwo siarki rodzimej wydobywanej metod¹ Frascha stwarza du e zagro enie dla œrodowiska naturalnego. W trakcie eksploatacji ulegaj¹ degradacji gleba, powietrze a tak e czêsto wody podziemne. Rekultywacja powierzchni a tak e ograniczanie przep³ywów ska onych wód powierzchniowych i podziemnych s¹ bardzo czasoch³onne i wymagaj¹ du ych nak³adów finansowych. Zagro enia te mog¹ byæ minimalizowane poprzez prowadzenie bezpiecznej eksploatacji, w trakcie której wytop siarki i procesy z nim zwi¹zane s¹ pod sta³¹ kontrol¹. Informacji o zmianach zachodz¹cych w górotworze pod wp³ywem prowadzonej eksploatacji dostarczyæ mog¹ wyniki wykonywanych badañ sejsmicznych. Na ich podstawie wnioskowaæ mo na o zasiêgu eksploatacji, tempie jej rozwoju oraz o wielkoœci osiadania warstw nadk³adu. U³atwia to sterowanie eksploatacj¹ oraz podejmowanie decyzji ograniczaj¹cych powstawanie zagro eñ dla œrodowiska. Wysokorozdzielcze badania sejsmiczne realizowane metod¹ fal odbitych umo liwiaj¹ rozpoznanie struktury z³o a i jego nadk³adu z du ¹ dok³adnoœci¹ w pionie i w poziomie, a tak e pozwalaj¹ na œledzenie deformacji górotworu. Wytapiana z wapienia siarka zostaje zast¹piona przez wody z³o owe a nastêpnie os³abiony, porowaty wapieñ ulega zgnieceniu przez warstwy nadk³adu. Strefy wytopu siarki i towarzysz¹ce im osiadanie nadk³adu, w wyniku zachodz¹cych w tych strefach zmian w³asnoœci sprê ystych ska³, mog¹ byæ doœæ skutecznie monitorowane poprzez stosowanie badañ sejsmicznych. Informacje jakich dostarczaj¹ badania sejsmiczne u³atwiaj¹ sterowanie frontem eksploatacji i kszta³towanie niecki osiadañ. Podejmowanie w oparciu o wyniki badañ geofizycznych odpowiednich decyzji technologicznych w trakcie procesu formowania siê niecki osiadania minimalizuje ewentualne zagro enia. Musi mieæ to miejsce na etapie znacznie wczeœniejszym ni wyst¹pienie skutków osiadania na powierzchni terenu. W ten sposób mo liwie jest takie sterowanie zasiêgiem eksploatacji i tempem rozwoju jej frontu, e poprzez zmianê intensywnoœci i kierunku przep³ywu wód z³o owych strefê osiadañ mo na formowaæ tak by unikn¹æ œcinania otworów s¹siednich (le ¹cych na obrze u). W prezentowanym artykule przedstawiono zastosowanie refleksyjnych badañ sejsmicznych do monitorowania procesu otworowej eksploatacji siarki. Badania z³o a prowadzone s¹ przy zastosowaniu wielokrotnych sejsmicznych profilowañ refleksyjnych. Do interpretacji badañ wykorzystywana jest relacja pomiêdzy amplitud¹ refleksu odbitego od stropu z³o a a zmieniaj¹cymi siê w wyniku eksploatacji parametrami fizykomechanicznymi warstwy z³o owej. Omówiono te wp³yw zmian tych parametrów na rejestrowany obraz falowy tj. jego dynamikê, stopieñ interferencji i korelacjê fazow¹ sygna³u odbitego od stropu z³o a siarki. W trakcie rozwoju eksploatacji warstwa z³o a ulega przeobra eniu. Wykonane badania pokazuj¹, e towarzyszy temu zmiana zapisu uzyskiwanego od granicy stropu z³o a. Czêsto dochodzi do przerwania ci¹g³oœci refleksów od stropu, zmiany ich amplitudy, a nawet do ich zaniku. Obserwuje siê równie anomalie zapisu sejsmicznego w postaci przerwania ci¹g³oœci refleksów pochodz¹cych od granic w nadk³adzie, co spowodowane jest osiadaniem górotworu. W zapisie uzyskanym od warstwy z³o a zaobserwowaæ mo na równie anomalie typu time sag towarzysz¹ce zmianom prêdkoœci i obni enia wartoœci amplitudy typu dim spot w ci¹g³ej strefie spêkañ lub podwy - szonej porowatoœci. Podstawowym kryterium identyfikacji stref wytopu s¹ obserwowane zmiany amplitudy.

212 W przypadku zmian parametrów z³o a w czasie, jak ma to miejsce przy otworowej eksploatacji siarki, zaobserwowaæ mo na relacjê pomiêdzy wzrastaj¹c¹ porowatoœci¹ i wodo-nasyceniem a amplitud¹ sygna³u sejsmicznego. Innym przedstawionym zagadnieniem jest wykorzystanie badañ do rozpoznania pierwotnych w³aœciwoœci z³o a tj. porowatoœci i zawartoœci siarki. Istnieje doœæ dobrze skorelowana zale noœæ pomiêdzy porowatoœci¹ a zawartoœci¹ siarki. Na tej podstawie koreluj¹c amplitudê sygna³u sejsmicznego z porowatoœci¹ z³o a mo na wskazaæ: strefy zbitego z³o a o podwy szonej zawartoœci siarki, strefy uprzywilejowane dla przep³ywów technologicznych, strefy perspektywiczne dla efektywnej eksploatacji. Zaprezentowane w artykule badania sejsmiczne prowadzone s¹ w Kopalni Siarki Osiek w obszarach nie eksploatowanych (na przedpolu frontu eksploatacyjnego) pod k¹tem szczegó³owego rozpoznania budowy geologicznej i planowania eksploatacji oraz w rejonach wydobycia siarki w aspekcie osi¹gania korzystnych wyników produkcji i prowadzenia bezpiecznej dla œrodowiska dzia³alnoœci górniczej. SEISMIC MONITORING OF HOLE EXPLOITATION OF SULFUR DEPOSIT Key words Sulfur exploitation, reflection seismic, porosity, wavelet amplitude, sulfur melting, amplitude anomaly Abstract Exploitation of native sulphur deposits with the underground melting (Frash) method is a source of significant environmental hazards. Degradation affects soils, atmosphere and, commonly, also groundwaters. Land reclamation as well as control of the migration of polluted surficial and groundwaters are both time-consuming and expensive. Therefore, safe mining operations during which the melting itself and the accompanying processes are under continuous control are of vital importance as they enable to minimize the hazards. Information on changes which proceed within the rock formation during exploitation can be provided by seismic surveying. The data obtained allow to measure the range of melting zone, its rate of expansion and subsidence of the overburden. This, in turn, facilitates both the operation control and the decision making on reduction of hazards. High-resolution seismics based upon the reflected waves permits to recognize with high accuracy the structure of deposit and its overburden and enables the observations of rocks deformation. The sulphur extracted from the limestone is replaced by technological waters. Then the porous limestone of decreased mechanical strength is crushed by the overburden pressure. Both the melting zones and the accompanying subsidence zones caused by changes in elastic properties of rocks can be quite efficiently monitored by seismic methods. Information provided by seismic surveying facilitates the control of both the melting front and the geometry of subsidence trough. Technological decisions based on geophysical data and made during the formation of the trough minimize the possible hazards. However, these decisions must be made much earlier than subsidence becomes recognizable on the surface. Consequently, both the melting range and the expansion rate of the melting front can be controlled in such a way that changes in both the intensity and direction of the flow of formation waters allow to shape the subsidence trough and to prevents the destruction of adjacent wells located at the trough margins. The paper presents the application of reflection seismics into monitoring of borehole extraction of sulphur. The investigations of the sulphur deposit are made by using multiple reflection seismic profiling. A relationship between the amplitude of a reflex from the top of the deposit and parameters of the sulphur layer, which change during the exploitation, is used in interpretation. The effects of physical-and-mechanical parameter changes on the recorded wave pattern is also discussed including the dynamics of the wave pattern, interferention degree and phase correlation of the reflected signal. The sulphur layer undergoes an alteration during the exploitation. The investigations showed that this is accompanied by changes in the seismic record form the deposit top boundary. The continuity of reflections from

213 the top is often broken and the amplitudes change or even decay. As a result of rockmass subsidence, anomalies of seismic record are also observed as the discontinuity of reflexes from boundaries in the overlying rocks. Anomalies in the form of time sags accompanying velocity changes and dim spots at zones with continuous fracturing or bigger porosity are observed in seismic record. A basic criterion for identification of melting zones is the observed changes in anomalies. A dependence between increasing porosity and water-saturation and seismic signal amplitude can be observed for time changes of sulphur deposit parameters as is the case of borehole exploitation. The other problem presented in this paper is the use of seismic investigations into identification of primary deposit features including porosity and sulphur content. There is a fairly correlated dependence between porosity and sulphur content. Based on it, when correlating the amplitude of a seismic signal with porosity of the deposit one can identify: zones of compact deposit with increased sulphur content, zones advantageous for technological flows, prospective zones for effective exploration. Seismic investigations presented in this paper were carried out at the Osiek sulphur mine, both in its non-exploited parts at the foreland of the exploitation front to recognize the geology and design the exploitation, as well as in zones of sulphur exploitation with a view to obtain the maximum output and ensure environmentally safe mining activity.