PL212744B1 - Sposób badania i oceny wytężenia górotworu, monitoringu tego wytężenia i prognozowania zjawisk tąpaniowych wynikających z eksploatacji górniczej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania i oceny procesu deformacji górotworu naruszonego eksploatacją górniczą, lub innego rodzaju działalnością człowieka, oparty na wykorzystaniu fizyki zjawiska, jakim jest emisja przez odkształcający się ośrodek skalny drgań i fal akustycznych o częstotliwościach mniejszych od 0,5 Hz, zwanych infradrganiami i infradźwiękami.

Jednym z najważniejszych zagadnień w zakresie mechaniki górotworu, przed którym stoi górnictwo podziemne, jest zapewnienie bezpieczeństwa szeroko pojętego procesu eksploatacji ze strony dynamicznych przejawów ciśnienia górotworu - wstrząsów sejsmicznych, tąpań i zawałów.

Z dotychczasowego stanu wiedzy wynika, że w trakcie odkształcania się ośrodka skalnego generowane jest szerokie spektrum fal akustycznych odpowiadające określonym fazom zniszczenia górotworu. W praktyce górniczej, dla rejestracji tego typu zjawisk fizycznych, zastosowanie znalazły dwie metody pomiarowo-badawcze, tj. metoda mikrosejsmologiczna (zakres częstotliwości od kilku Hz do kilkuset Hz) oraz metoda sejsmoakustyczna (zakres częstotliwości od kilkunastu Hz do kilkudziesięciu kHz).

Wcześniejsze badania dowiodły, że szczególnie emisja sygnałów sejsmoakustycznych jest ściśle związana z poziomem naprężeń w materiale i rośnie wraz z rosnącym jego wytężeniem. Z początkiem lat 40-tych XX w. zaproponowano wykorzystanie tego zjawiska do oceny stanu naprężenia w górotworze, a w szczególności do prób przewidywania zjawisk tąpań w kopalniach podziemnych. Od tego czasu jednak rejestracje emisji sejsmoakustycznej z górotworu, mimo że dostarczyły wielu wartościowych informacji o procesach pękania skał, nie pozwoliły na jednoznaczną prognozę zjawisk niestateczności w górotworze (m.in. tąpań).

Dane z rejestracji zjawisk dynamicznych dokonywanych rutynowo przez kopalniane stacje sejsmiczne, a pochodzące z dołowych sieci pomiarowych wyposażonych w sejsmometry (pasmo ok. 0,5 - 100 Hz), są podstawą doraźnych ocen zagrożenia tąpaniami wykorzystujących technikę pasywnej tomografii sejsmicznej. Istotą tego podejścia jest odtworzenie, na podstawie pomierzonych charakterystyk zaistniałych wstrząsów, pola prędkości rozchodzenia się fali sejsmicznej typu podłużnego P oraz identyfikacja na tej podstawie obszarów o wyższym zagrożeniu sejsmicznym, zmieniającym się w czasie, w miarę uzyskiwania nowych informacji o zaistniałych kolejnych zjawiskach. Zakłada się przy tym, że lokalizacja ognisk wstrząsów sejsmicznych o większych energiach jest skorelowana z strefami występowania koncentracji naprężeń lub znacznych odkształceń, które to strefy z kolei są silnie skorelowane z obszarami charakteryzującymi się wysoką wartością prędkości propagacji fali podłużnej P a także ze zboczami stref anomalnych, którym towarzyszą duże gradienty zmian pola prędkości. Przykłady zastosowania w praktyce opisanej techniki, ze względu na istotną niejednoznaczność wyników obliczeń prowadzącą do subiektywnej oceny zagrożenia, jak dotychczas jednak nie pozwalają w sposób definitywny potwierdzić przydatności i skuteczności metody.

Podobnie ma się sprawa z innymi technikami wnioskowania o wytężeniu górotworu realizowanymi in-situ, np. metodami sejsmicznymi, elektrycznymi, grawimetrycznymi, jądrowymi, deformacyjnymi oraz mierniczymi, które bazują na pomiarach statycznych szeregu innych własności fizycznych ośrodka skalnego. Np. metoda pomiarów oparta na deformometrii otworowej, polega na punktowych pomiarach odkształceń w otworze wiertniczym i wnioskowaniu z ich przebiegu w czasie o poziomie zagrożenia sejsmicznego. Ponieważ baza danych uzyskana tą metodą zawiera informacje o zmianach odkształcenia tylko w ściśle określonym punkcie, efektywność takiego podejścia jest z natury rzeczy istotnie ograniczona.

U podstaw wynalazku leży założenie, że końcowe przemieszczenie mas skalnych towarzyszące wstrząsowi sejsmicznemu poprzedzone jest wcześniejszą utratą ciągłości struktury ośrodka skalnego na skutek pojawienia się dużej ilości mikrouszkodzeń w określonej strefie, odpowiadającej późniejszej lokalizacji ogniska wstrząsu. Oznacza to, że deformacje górotworu o charakterze dynamicznym są swego rodzaju końcową fazą procesu niszczenia górotworu, którą poprzedza rozłożony w czasie i przestrzeni długotrwały etap statycznego przygotowywania warunków sprzyjających pojawieniu się niestateczności rejestrowanych następnie jako wstrząsy sejsmiczne. Omawianemu zjawisku towarzyszą drgania ośrodka skalnego oraz emisja akustyczna w zakresie niskich i bardzo niskich częstotliwości (od ułamka Hz do pojedynczych Hz) określana mianem infradźwięków. Stosownie do proponowanej metody, rejestracja tych drgań i impulsów akustycznych, połączona z ich analizą czasowoprzestrzenną stanowić będzie podstawę sporządzania bieżących prognoz zagrożenia zjawiskami dynamicznymi.

PL 212 744 B1

Do realizacji dynamicznych przejawów ciśnienia górotworu rozumianych jako gwałtowne procesy niszczenia materiału skalnego, którym towarzyszą sygnały o większych gęstościach energii i wyższych częstotliwościach drgań, może dojść tylko w warunkach wcześniejszego osiągnięcia przez górotwór uogólnionej granicy wytrzymałości wyrażonej odpowiednimi zależnościami naprężeniowo-wytrzymałościowymi. Z punktu widzenia bezpieczeństwa prowadzonych operacji górniczych a także innych przejawów technicznej działalności człowieka, monitorowanie i rejestracja samego finalnego zjawiska w postaci wstrząsu ma w zasadzie znaczenie archiwalne dla celów pewnych uogólnień. Natomiast śledzenie emisji drgań ośrodka skalnego oraz fal akustycznych o bardzo niskiej częstotliwości generowanej podczas fazy przygotowawczej stanowi nieocenione narzędzie pozwalające przewidzieć miejsce, energię, a przede wszystkim czas wystąpienia wstrząsu sejsmicznego. Tego rodzaju filozofia stanowi całkowitą zmianę w podejściu do zagadnienia predykcji zjawisk, której dokonuje się już nie na podstawie analizy samych zdarzeń, lecz na badaniu procesów, które do nich prowadzą. Ponieważ generowane przez nie infradrgania skał a także infradźwięki rozchodzą się w górotworze na bardzo duże odległości (co wynika z ich małego tłumienia przez ośrodek skalny), całe zakłady górnicze lub ich oddziały mogą być objęte przestrzennymi systemami monitoringu charakterystyk czasowych tych sygnałów, które po odpowiednim przekształceniu matematycznym będą podstawą mapowania stopnia wytężenia górotworu w czasie rzeczywistym. Pomiaru emitowanego przez ośrodek skalny strumienia infrasygnałów (infradrgań i infradźwięków) należy dokonywać za pomocą bardzo czułych urządzeń do pomiaru drgań lub/i ciśnienia akustycznego, umieszczonych w wydzielonych wyrobiskach kopalnianych i/lub na powierzchni. Do realizacji pomiaru konieczna jest aparatura składająca się z rejestratora pomiarowego, czujników pomiarowych (mikrofonów, sejsmometrów) i przedwzmacniacza. Rejestrator zbudowany na bazie czytnika komputerowego ze specjalną kartą pomiarową zapewnia ciągłą rejestrację obserwowanego parametru (drgań lub ciśnienia akustycznego) w ściśle określonych granicach wartości. Czujnik pomiarowy zapewnia rejestrację parametru fizycznego w paśmie od 0 - 0,5 Hz z dynamiką pomiarową zapewniającą pomiar tła i różniących się od niego sygnałów.

Przedwzmacniacz ma za zadanie wzmocnienie obserwowanego parametru fizycznego względem szumu tła.

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania i oceny procesu deformacji górotworu naruszonego eksploatacją górniczą lub innego rodzaju działalnością człowieka, oparty na wykorzystaniu fizyki zjawiska, jakim jest emisja przez odkształcający się niesprężyście ośrodek skalny drgań oraz fal akustycznych o częstotliwości mniejszej od 0,5 Hz.

Istota wynalazku polega na tym, że w wybranych partiach górotworu dokonuje się rejestracji sygnałów emitowanych przez ośrodek skalny o częstotliwości drgań mniejszej niż 0,5 Hz. Pomiar przeprowadzany jest za pomocą detektorów drgań ośrodka skalnego oraz/lub detektorów ciśnienia akustycznego, umieszczonych najkorzystniej w otworze(ach) wiertniczym wykonanym w ośrodku skalnym np. z wyrobiska górniczego, i szczelnie akustycznie odizolowanym od atmosfery tego wyrobiska. Informacje z czujników pomiarowych wyprowadza się za pomocą przewodów sygnałowych na zewnątrz otworu do odpowiednich urządzeń rejestrujących.

Sposób według wynalazku jest bliżej objaśniony i zilustrowany rysunkiem w przykładzie zastosowania, gdzie fig. 1 przedstawia przekrój pionowy otworu wiertniczego z zainstalowanym detektorem drgań/ciśnienia akustycznego fali infradźwiękowej, a fig. 2 - schematyczne położenie punktów pomiarowych w rejonie objętym obserwacją.

Podstawowy element układu pomiarowego, który jest uwidoczniony na rysunku (fig. 1), składa się z detektora ciśnienia (lub/i drgań) 1 zastabilizowanego w otworze wiertniczym 2, i odizolowanego od otoczenia za pomocą korka uszczelniającego 4, pozwalającego rejestrować sygnały akustyczne - infradźwięki oraz drgania ośrodka skalnego, na bardzo wysokim poziomie rozdzielczości (dokładności) pomiaru.

Pomiar realizuje się za pomocą sieci pomiarowej (fig. 2) składającej się z określonej liczby detektorów sejsmometrycznych/akustycznych umieszczonych w otworach wiertniczych (lub wnękach) 5, zlokalizowanych na zewnątrz obserwowanej partii górotworu obejmującej całą kopalnię lub jej części, zwłaszcza te, które są szczególnie narażone na wystąpienie niestateczności, np. strefy oddziałów zagrożonych tąpaniami, strefy zaburzeń tektonicznych, skarpy zboczy itp.

Mierzona w układzie przestrzennym zmienność parametrów drgań oraz emisji infradźwięków w czasie, umożliwia ocenę stopnia zagrożenia tąpaniami w objętości górotworu objętej układem pomiarowym. Wyniki pomiaru przetwarza się odpowiednio w celu uzyskania prekursorów infradźwiękowych wystąpienia dynamicznych przejawów ciśnienia górotworu lub jego znacznych deformacji statycznych. Najkorzystniej gdy cała kopalnia będzie otoczona łańcuchem detektorów infradrgań/infra4

PL 212 744 B1 akustycznych, a pochodzący z nich strumień informacji służyć będzie do mapowania w czasie rzeczywistym zagrożenia wstrząsami sejsmicznymi wewnątrz sieci pomiarowej o wielokilometrowych rozmiarach.

Rozwiązanie według wynalazku ma szereg istotnych zalet, ponieważ:

a) analiza wyników pomiarów nie wymaga założeń co do własności fizyko-mechanicznych ośrodka skalnego,

b) detektory infradźwiękowe zbierają informację z bardzo dużej objętości górotworu, dzięki czemu są mało wrażliwe na położenie względem potencjalnych źródeł dynamicznych przejawów ciśnienia górotworu,

c) urządzenie informuje o realnym zagrożeniu poprzez pomiar i bieżącą analizę procesów fizycznych rozwijających się przed pojawieniem się zjawiska sejsmicznego,

d) wyniki pomiarów nie zależą od orientacji urządzenia w przestrzeni,

e) sposób umożliwia ocenę wytężenia górotworu poprzez monitoring w czasie rzeczywistym.

Zastosowanie praktyczne sposobu według wynalazku rozpoczyna się ustaleniem na mapie wyrobisk górniczych - jak na fig. 2 - lokalizacji punktów pomiarowych, w których wykonuje się otwory wiertnicze/wnęki 5. Najkorzystniej jest je wykonać w takiej konfiguracji, aby cała kopalnia lub jej określona część znajdowała się wewnątrz linii łamanej łączącej punkty ich lokalizacji (układ płaski) lub wewnątrz powierzchni zdefiniowanej przez ich przestrzenny układ. Następnie ustala się częstość próbkowania, a następnie detektory (np. mikrobarometry lub niskoczęstotliwościowe sejsmometry) zabudowuje się w otworach wiertniczych w sposób przedstawiony na fig. 1.

Detektor drgań lub ciśnienia akustycznego 1 umieszcza się najkorzystniej na końcu otworu wiertniczego 2 i zastabilizowuje spoiwem 3 lub dowolnym sposobem mechanicznym. Przewody transmisyjne wyprowadza się na zewnątrz otworu poprzez korek 4, który pełni rolę izolacji akustycznej od wpływów atmosfery otoczenia.

Wykonuje się sieć pomiarową łącząc system czujników z rejestratorem wyników prowadzi się w sposób ciągły monitoring parametrów drgań/ciśnienia w czasie rzeczywistym skorelowanym z czasem uniwersalnym (GPS) z odpowiednio dobraną częstotliwością próbkowania. Zebrane informacje przesyła się drogą radiową (7) lub satelitarną do ośrodka przetwarzania danych 8, gdzie określa się następnie korelację pomiędzy istotnymi zmianami w przebiegach rejestrowanych parametrów a dynamicznymi przejawami ciśnienia górotworu w warunkach geologiczno-górniczych, charakterystycznych dla rejonu obserwacji. Identyfikuje się i kodyfikuje charakterystyczne zmiany w przebiegach mierzonych parametrów, którym towarzyszą wstrząsy sejsmiczne, tąpnięcia lub zawały stropów (np. nagłe zmiany dotychczas ustalonych trendów, wyjście poza pasmo dopuszczalne przebiegu itp.). Typowych prekursorów zjawisk dynamicznych w górotworze szuka się wprost w przebiegach parametrów i ich kolejnych pochodnych po czasie (prędkość i przyśpieszenie zmian) i przestrzeni, dla średnich, krótko i długoterminowych przedziałów czasowych uzyskanych dla zróżnicowanych zakresów pasma pomiarowego. Prekursory zjawisk dynamicznych wprowadza się do procedur profilaktyki tąpaniowej. Uzyskane związki korelacyjne dla prekursorów wstrząsów można użyć dla innych lokalizacji w warunkach geologiczno-górniczych zbliżonych do wzorcowych. Wtedy, w przypadku pojawienia się na przebiegach charakterystyk czasowych typowej kombinacji (prekursora) wskazującej na szczególnie duże zagrożenie dynamicznym przejawem ciśnienia górotworu, uruchamia się odpowiednie procedury profilaktyki tąpaniowej.

Claims (1)

1. Sposób badania i oceny stanu wytężenia górotworu, monitoringu tego wytężenia i prognozowania zjawisk dynamicznych wynikających z eksploatacji górniczej, jak również prognozowania niestateczności obiektów inżynierskich, znamienny tym, że w otworach wiertniczych/wnękach, zlokalizowanych, najkorzystniej w obrębie wpływów robót górniczych i/lub innych monitorowanych obiektów, instaluje się detektory drgań i/lub ciśnienia akustycznego (1), pracujące w paśmie częstotliwości poniżej od 0,5 Hz, wklejając je (3) lub inaczej stabilizując najkorzystniej przy ściance czołowej otworów, następnie po wyprowadzeniu przewodów pomiarowych na zewnątrz otworu, zamyka się je korkiem (4) izolującym akustycznie środowisko otworu od środowiska zewnętrznego, po czym łącząc przewodami przesyłowymi wykonane w ten sposób punkty pomiarowe z rejestratorem wyników pomiarów, prowadzi się ciągły monitoring sygnału z optymalnie dobraną częstotliwością rejestracji, a następnie odpowiednio przetwarza w znany sposób dla uzyskania prekursorów wystąpienia dynamicznych przejawów

   PL 212 744 B1 ciśnienia górotworu, a także prekursorów znacznych deformacji objętych układem pomiarowym, kubaturowych konstrukcji inżynierskich, wykorzystując fizykę zjawiska emisji fali sprężystej/akustycznej o częstotliwości mniejszej od 0,5 Hz emitowanej w deformującym się niesprężyście ośrodku skalnym lub innym materiale konstrukcyjnym.