IN- SITU MERIVE
IN- SITU MERIVE PRIPRAVA IN IZVEDBA IN-SITU MERITEV Splošno Meritve v podzemnih prostorih se izvajajo v specifičnih pogojih zato je potrebno projektno določiti pripravo, postopek in izvedbo meritev. V projektu meritev moramo predvsem dati poudarek na naslednje sklope: ¾ ¾ ¾ ¾ varnost izvedbe meritev časovna usklajenost priprav in meritev, predhodno testiranje merilnih naprav, izbira in uskladitev ekipe, ki bo pripravila in izvajala meritve. Vedno je potrebno upoštevati, da so pogoji izvedbe meritev v podzemnih razmerah zahtevnejši od meritev na površini in zato že manjše nepravilnosti v organizaciji ali improvizacija ogrozijo uspešnost posameznih meritev. Ekipa, ki pripravlja ali izvaja meritve mora izvesti pred transportom merilnega materiala v jamo testni preizkus na površini in poskrbeti za rezervni material najbolj občutljivih delov opreme. Posebno pozornost je potrebno posvetiti vrtanju v podzemnem prostoru. Če želimo izvesti širši program izbiramo tiste standardne postopke vrtanja (in dolžino vrtin), ki potekajo hitro in jih vrtalci tehnološko obvladajo. V obratnem primeru je vedno ogrožen časovni plan meritev, ki je vezan na napredovanje odkopavanja. Vgradnja instrumentov v vrtino je pogosto tehnološko zahtevna, ker je potrebno opraviti razcevitev po vstavitvi instrumenta. Postopek mora biti dobro pripravljen in izveden, drugače pride do poškodovanja kablov (cevi), ki vodijo do instrumenta ipd. Drug problem, ki se predvsem pojavlja v vplivnem delu podzemnega prostora, je "stiskanje" vrtine. Potrebno je imeti pripravljene tehnološke rešitve vrtanja in vgrajevanja v takih primerih. V programu in projektu meritev je potrebno tudi upoštevati, da del meritev zaradi različnih vzrokov ne bo uspešen. Procent uspešnosti je odvisen od zahtevnosti priprave meritev pa tudi lokalnih razmer na mestu vgradnje, katerih ni moč vedno predvideti. Preden preidemo na detajlni opis posameznih meritev in varnosti izvedbe meritev, naštejmo kaj mora tipičen projekt izvedbe in-situ meritev vsebovati: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ namen in cilj meritev, opis lokacije preiskav, časovni program izdelave, vgradnje in izvajanje meritev, pripravljalna dela za meritve (posebno raziskovalne vrtine), priprava in opis opreme za meritve, testiranje opreme za meritve, vgradnja opreme za meritve, postopek meritev, posebni varnostni ukrepi, navodila za interpretacijo meritev. IN-SITU/ 1 Varnostni ukrepi Varnostni ukrepi so večinoma vezani na metanske pogoje v premogovnikih ali drugih podzemnih prostorih, kjer se ob izkopavanju lahko pojavi metan. Poleg zaščite pred eksplozijo metana je potrebno pri in-situ raziskavah, ki segajo v področja akumulacij vdornega materiala, preprečiti, da vrtina sama ne bi postala neposreden vzrok za vdor. Kadar se uporablja za meritve eksploziv (npr. seizmične meritve) je potrebno upoštevati navodila za miniranje v jami. Ostali varnostni ukrepi so standardni veljavni ukrepi predpisani za posamezen rudnik in regulirani z Rudarskim zakonom in ustreznimi pravilniki. Že pri planiranju meritev je potrebno posebno pažnjo posvetiti prilagoditvi in-situ merjenj varnostnim jamskim predpisom. Najbolj zanesljiva pot je izdelati opremo v "S" izvedbi in jo potrditi na ustrezni komisiji za delo v metanskem režimu. Pogosto, iz različnih vzrokov, to ni mogoče, zato opremo izdelamo in meritve prilagodimo posebnim varnostnim ukrepom, ki so predpisani v pravilnikih rudnika, za dela, kjer ni mogoče uporabiti v celoti "S" aparatov. Če ugotovimo, da in-situ meritev ni možno varno izvesti v skladu s predpisi jih opustimo. Postopke varnostnih ukrepov je potrebno zajeti v projektu izvedbe in-situ meritev, ki mora biti iz strani rudnika, in rudarskega inšpektorata odobren. Rudnik mora organizirati nadzor izvajanja meritev in meritve vsebnosti metana v jamskih prostorih. Ustrezna služba za zračenje pri rudniku pred meritvami določi za jamske objekte, kjer bodo meritve, stopnjo metanske nevarnosti in po potrebi predpiše izboljšanje zračenja z dodatnimi ventilatorji ali preusmeritvijo zračnega toka. Vrtine in slepe proge so vedno uvrščene v tretjo stopnjo nevarnosti eksplozije in zato zahtevajo uporabo posebnih ukrepov. Varnostni ukrepi pri in-situ meritvah z električnimi aparati Karotažne aparature, presiometer, seizmograf ter nekateri drugi instrumenti, kadar niso izvedeni v "S" metansko varni izvedbi zahtevajo, posebne varnostne ukrepe. V splošnem so ti ukrepi predvsem naslednji: postavitev merske aparature v pretočni zračni tok, vodenje metansko-varnih kablov do mesta meritev, uporaba "S" priklopnih električnih omaric, če so sprejemne sonde v vrtini - zamenjava atmosfere vrtine z dušikom, merjenje vsebnosti metana in avtomatična izključitev aparatur ob prekoračitvi dovoljene vsebnosti (npr. 0,5 %), ¾ poskrbeti za dodatno zračenje s preusmeritvijo zračnih tokov v progah ali dodatnimi z ventilatorji, ¾ zastražiti mesto meritev, da ne pride do poškodb kablov z drugimi jamskimi deli, oziroma izvajati meritve v nedelovnih dneh, ¾ stalen nadzor pravilnosti zaščitnih postopkov pri pripravi in izvajanju meritev. ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Varnostni ukrepi pri miniranju Posebni varnostni ukrepi so potrebni, če pri seizmičnih meritvah za vzbujevanje seizmičnih valov namesto seizmičnega kladiva uporabimo eksploziv. Za delo v metanskih pogojih je potrebno uporabiti metanski eksploziv in detonatorje (npr. IN-SITU/ 2 metan kamniktit in trenutne električne protimetanske detonatorje). Kadar se miniranje izvaja v vrtini je potreben poseben postopek, ki preprečuje izpad naboja pri eksploziji in ohranja vrtino pod mestom eksplozije za vlaganje sledečih nabojev. Varnostni ukrepi pri vrtanju Kot je bilo že omenjeno so potrebni posebni varnostni ukrepi kadar vrtina, v kateri se bodo izvajale in-situ meritve, sega v bližino ali v cono potencialnega vdornega območja. V tem primeru je potrebno zagotoviti tako izvedbo vrtine, ki onemogoča vdor tekočega ali plastičnega materiala preko nje. Ukrepi so naslednji: ¾ Ob vrtalnem jašku je potrebno izvesti usedalni bazen za usedanje izvrtanine ustrezne prostornine. Deljen mora biti v dva dela. Prvi del služi za usedanje materiala, drugi za izčrpavanje vode. ¾ Na mestu vrtanja mora biti nameščena črpalka. Izdatnost črpalke mora biti projektirana večkratno, glede na pričakovane količine vode. Od črpalke mora biti zveden jarek ali cevi ustreznih dimenzij za odvod vode. ¾ Vrtanje se mora izvajati s preventorjem na glavi vrtalne garniture, ki mora biti projektiran na najvišje možne tlake, ki nastopajo v vodonosnih plasteh. Našteti postopki zagotovitve varnega izvajanja in-situ meritev (prikazani kot primer) kažejo, da je potrebno projektno za vsako in-situ meritev varnost posebej obdelati. Različne geološke razmere, pogoji rudarjenja ipd. zahtevajo tudi različne postopke, ki zagotovi varno vgradnjo in izvedbo meritev. Pri tem nam prejšnje in-situ meritve služijo le kot izkušnje, medtem ko mora projekt novih jamskih meritev glede varnosti biti narejen z ozirom na dejanske razmere meritev. Vsaka meritev, katere ni mogoče varno izvesti oziroma v skladu z veljavnimi predpisi ne sme biti vključena v program meritev. Indirektne meritve (Geofizikalne raziskave) Splošno Geofizikalne raziskave spadajo med indirektne metode raziskav. V današnjem času je na razpolago zelo širok spekter geofizikalnih preiskav. Izkušnje so pokazale, da številne med njimi niso primerne ali pa so premalo natančne za proučevanje zarušnih procesov. Poleg tega nekaterih metod razvitih za površino ni mogoče prenesti v podzemne raziskave. Izločiti moramo gravitacijske, magnetne in elektromagnetne metode, ki v jamskih pogojih niso dovolj natančne. Nasprotno seizmične preiskave dajejo, če jih prilagodimo na jamske pogoje, dobre rezultate. Predvsem so uporabne metode, vezane na preiskave v vrtinah, med vrtinami in med rovi. Naj naštejemo najbolj uporabne: ¾ ¾ ¾ ¾ refrakcijska seizmika refleksijska seizmika up-hole (down-hole) cross-hole IN-SITU/ 3 ¾ geotomografija ¾ seizmoakustične meritve K tem preiskavam je potrebno prišteti še karotaže v vrtinah. V zadnjem času se razvijajo še preiskave z georadarjem na površini in v vrtinah. Z naštetimi metodami lahko rešujemo različne geometrične probleme seizmično ločljivih sredin, omogočajo pa tudi, če uporabimo različne vire seizmičnih valov (longitudialne in transverzalne valove) sklepanje o nekaterih geomehanskih lastnostih hribin, ki jih proučujemo. V nadaljnjem tekstu opisujemo vsako izmed naštetih geofizikalnih preiskav predvsem iz vidika uporabnosti pri meritvah v podzemnih prostorih. Up-hole in down-hole meritve Opisujemo način meritev, kot eno izmed koristnih možnosti uporabe, ki se izvajajo v vrtinah izvrtane v staro delo na različnih razdaljah od zadnjega dela odkopa. Vrtanje se izvede iz proge izpod etaže v odkopavanju. Namen meritev je določiti časovno odvisnost komprimacije in konsolidacije starega dela, sklepati pa je mogoče še o heterogenosti starega dela, gostoti zarušenega materiala v starem delu in njegovih modulih deformabilnosti. Meritve se izvajajo tako, da v vrtini z eksplozivom ali posebnim seizmičnim kladivom povzročamo seizmične impulze, katere sprejemamo v več geofonih na stropu ob ustju vrtine (up-hole). Iz časov prvih prihodov določimo povprečne hitrosti seizmičnih valov v kamnini. Ker v vrtini izvajamo zaporedne meritve po odsekih, iz razlik časov prvih prehodov valovanja, lahko izračunamo tipične hitrosti vsakega odseka posebej. Down-hole izvajamo obratno s trokomponentnimi geofoni v vrtini in sprožanjem seizmičnih signalov ob ustju vrtine. Interpretacija je enaka kot pri up-hole sistemu merjenja. Meritve ponavljamo v enakih časovnih razdobjih pri stalnem oddaljevanju odkopa od vrtin. Povečanje tipičnih hitrosti v izbranih odsekih omogoča določiti funkcijsko odvisnost naraščanja gostote starega dela od časa, na različnih oddaljenostih od kote odkopa. IN-SITU/ 4 Opisano metodo je mogoče kombinirati še z metodo hitrosti penetracije vrtanja in karotažnimi gostotnimi meritvami. Uporaba up-hole in down-hole meritev zahteva zamik spodnje merske etaže, ki je v pripravi glede na etažo odkopavanja. V tem primeru je mogoče iz dovoznega ali izvoznega hodnika izvrtati vrtine v strop za odkopom, ki segajo v staro delo. Drugi omejevalni faktor je težavnost izvedbe vrtin v starem delu in njihova obstojnost. Na območju nekaj metrov za odkopom to sploh ni mogoče zaradi velikih premikov krovnine v odkopani prostor. Na nekaj večji oddaljenosti pa večkrat pride do prekinitev vrtin zato je potrebno vrtine obnavljati ali ponavljati. Refrakcijska in refleksijska seizmika Refrakcijska in refleksijska seizmika sta metodi, ki imata zelo široko uporabnost pri seizmičnih raziskavah na površini. V podzemnih pogojih je njuna uporabnost omejena, dajeta pa kot pomožni metodi, v sklopu z drugimi raziskavami, koristne podatke o položaju mej plasti (npr. meja, premog-krovnina) pred in po odkopavanju, o širjenju plastičnih con v okolici jamskih objektov in podobno. Za seizmične meritve je potrebna dovolj dolga proga, ki poteka izpod opazovane strukture. Refrakcijska seizmika temelji na predpostavki (razlago podajam na najenostavnejšem primeru določitve meje premog-krovnina, kadar je ta ravna), da seizmični val iz točke vzbuditve impulza (A) po prvem mediju potuje s tipično hitrostjo c1 in večjo karakteristično hitrostjo c2 v drugem mediju. Večja hitrost seizmičnega valovanja v mediju 2 omogoča, da na določeni razdalji od mesta impulza seizmični val A-B-C-D, ki preide iz medija 1 v medij 2 dohiti direktni val A-D. Vsi geofoni pred G-15 bodo registrirali direktni val za G-15 pa refrakcijski seizmični val. IN-SITU/ 5 Z izenačenjem časov direktnega in refrakcijskega vala pri kritični razdalji A-D ter upoštevanjem nagiba loma na meji plasti α=c1/c2 in hitrosti c1, c2 seizmičnega vala (diagram) določimo debelino z1. Enako je mogoče izpeljati enačbe tudi za bolj komplicirane večplastovne sisteme z nagnjenimi plastmi. Refrakcijska seizmika pa zahteva, kar je mogoče razvideti iz osnovnih izpeljav več omejitev, ki zmanjšujejo njeno uporabnost. To so, evidentna razlika v tipični seizmični hitrosti med sloji, zahteva po naraščanju tipičnih hitrosti slojev (c1 c2 c3 ...) z oddaljevanjem in sorazmerno ravne meje med sloji. Osnovna prednost pred drugimi meritvami pa je cenenost, ker ni potrebno nobenih dodatnih podzemnih del za njeno uporabo. Druga prednost je prostorski prikaz mej med različnimi sredinami. Na sliki je prikazan kot primer sodoben koncept dvosmernega izvajanja refrakcijskih meritev s številnimi mesti zbujanja in sprejemanja seizmičnih valov, pri določanju debeline plastične cone v okolici prog : Refleksijska plitvo prodirajoča seizmika zasleduje enake cilje kot refrakcijska. Kot je razvidno iz slike, refleksijska seizmika izkorišča seizmični zakon odboja na mejah plasti različne gostote. Skica je prikaz določitve oddaljenosti krovninskih vodonosnih peskov od jamske proge : IN-SITU/ 6 Matematične relacije refleksijske seizmike so enostavnejše od refrakcijske in s tem tudi interpretacija rezultatov, osnovni problem pa predstavlja določitev odbojnih valov, ki so prekriti z drugimi seizmičnimi valovi - direktnimi, refrakcijskimi idr. Potrebno je uporabiti specialne višjefrekvenčne geofone in posebne filtre v seizmografu, ki oslabijo moteče valove. Metoda z razvojem tehnologije in z napredkom računalniške interpretacije v zadnjih letih postaja vedno bolj uporabna tudi za raziskave v podzemnih prostorih za reševanje podobnih geometričnih problemov kot je na gornji sliki. Kot sem že omenil sta refrakcijska in refleksijska seizmika pomožni metodi, ki z omejeno natančnostjo dajeta odgovore o razporeditvi seizmično različnih medijev vzdolž merjenega profila. Metodi postaneta efektivni skupaj z nekaterimi točkovnimi meritvami (ki bodo opisane kasneje), ker omogočata točkovne rezultate povezati v širši prostor. Spodaj podajamo nekaj tipičnih lokacij v okolici odkopa, kjer sta metodi uporabni (z namenom izvedene meritve) : ¾ določitev geoloških mej v okolici odkopov, prog, predorov in v krovnini, ¾ določitev različno razrušenih con v krovnini, zaradi odkopavanja, proučevanje sestave kamnine med podzemnim prostorom in površino ¾ določitev širine plastične cone v okolici podzemnih prostorov, ¾ določitev tektonsko porušenih območij in prelomov pred odkopi, predori, podzemnimi prostori. Cross-hole meritve Dosedaj opisane geofizikalne meritve imajo omejeno uporabnost pri proučevanju vplivov odkopavanja podzemnih prostorov. Cross-hole meritve so v tej smeri korak naprej, zahtevajo pa večjo pripravo (posebne vrtine, specialno seizmično orodje) in s tem tudi večja vložena finančna sredstva. Prednost cross-hole meritve je, da proučujemo območje med dvema vrtinama, ki drugače zaradi rušnih procesov v okolici odkopnega prostora ni dosegljiv. IN-SITU/ 7 Osnovni način meritev je razviden iz spodnje slike. Določitev meje s cross-hole meritvijo je razvit za enostavni primer dveh horizontalno ležečih slojev: Rezultate meritev interpretiramo z diagrami, ki so prikazani na desni strani skice. Pomembni so prvi prehodi seizmičnih valov, poskušamo pa slediti iz seizmograma tudi druge in tretje prihode. Interpretacija za dvoplastovni sistem je enostavna, z bolj kompliciranimi večplastovnimi sistemi in nagnjenimi plasti pa se interpretacija zelo oteži. V literaturi najdemo različne postopke določevanja zgradbe med vrtinama. Poleg geološke zgradbe med vrtinama na kvaliteto rezultatov vplivajo tudi drugi faktorji. Na primer pomembna sta izbrana optimalna razdalja med vrtinama ter tip seizmičnih oddajnikov in sprejemnikov. Kljub veliki pozornosti pri izvedbi pa že pri enostavni nekajplastovni zgradbi geofoni sprejemajo poleg direktnega vala še odboje in lomljene žarke iz več plasti. Za prikaz težavnosti interpretacije so tipične npr. tanjše plasti z nižjo seizmično hitrostjo, katere seizmično valovanje popolnoma ali deloma zaobide in njihove debeline in tipične seizmične hitrosti pogosto ni mogoče določiti. Zato je klasična cross-hole metoda uporabna za podzemne prostore le na tistih mestih, kjer je enostavna razporeditev slojev, ali pa nam je razporeditev slojev v toliki meri znana iz drugih preiskav, da cross-hole služi za dodatno prostorsko interpretacijo podatkov. Geotomografija Iz opisane klasične crosshole meritve se je razvila za proučevanje vpliva odkopavanja v podzemnih prostorih mnogo bolj zanesljiva metoda - geotomografija. Tomografija je prinesena iz področij medicine, optike in nuklearne fizike na območje geofizike. Najprej opišimo osnovne matematične principe tomografije na priIN-SITU/ 8 meru izvajanja meritev med vzporednima vrtinama. Na sliki je prikazan značilen geotomografski profil med dvema vrtinama z vrisanimi premimi žarki med oddajnimi in sprejemnimi točkami. V primeru, da smo v oddajni točki vzbujali seizmično valovanje, imamo za vsak seizmični žarek izmerjen prvi čas prehoda valovanja do geofona, ki je v sprejemni točki. Mreža 12 x 12 točk da na primer 144 vhodnih podatkov o tipičnih prehodih seizmičnih valovanj. Če polje med obema vrtinama razdelimo v pravokotne celice vzdolž in pravokotno na vrtino, lahko čas prehoda posameznega žarka izrazimo kot vsoto delnih časov skozi posamezne celice: ai,j,k so značilne recipročne vrednosti hitrosti v celicah, katere moramo določiti, da poznamo distribucijo hitrosti v celotnem preiskanem polju. Najbolj enostavna pot do njihove določitve je zgraditev sistema linearnih enačb: t1 = a11 ⋅ Δs111 + a12 ⋅ Δs121 +...+ aij ⋅ Δsij1 +...+ a IJ ⋅ ΔsIJ 1 t 2 = a11 ⋅ Δ s112 + a12 ⋅ Δ s122 + ... + a ij ⋅ Δ s ij 2 + ... + a IJ ⋅ Δ s IJ 2 . . . t k = a11 ⋅ Δs11k + a12 ⋅ Δs12 k + ... + aij ⋅ Δsijk + ... + a IJ ⋅ Δs IJK . . . t n = a11 ⋅ Δs11K + a12 ⋅ Δs12 K + ... + aij ⋅ ΔsijK + ... + a IJ ⋅ Δs IJK tk...čas prehoda k-tega seizmičnega žarka od oddajne do sprejemne točke ai,j...recipročna vrednost hitrosti v celici i,j si,j,k...dolžina k-tega žarka v celici i,j IN-SITU/ 9 V gornjih enačbah smo privzeli, kot da bi posamezen žarek potekal skozi vsako celico. Če je si,j,k za tiste celice i,j, skozi katere žarek ne poteka, enak si,j,k = 0 potem je enakost obeh strani enačb ohranjena. Če razdelimo polje v število celic enako ali manjše od števila dobljenih podatkov (I * J <= K) je dobljen sistem linearnih enačb možno rešiti po običajnih postopkih (direktna, Gaussova, Gauss-Seidlova, Jacobi metoda itd). Zadovoljiva konvergenca sistema enačb pa je v praksi mogoča le kadar so dobljeni podatki brez vsakih motenj in kadar se tipične hitrosti med posameznimi celicami le malo razlikujejo torej le pri zelo enostavni geološki zgradbi med vrtinama. V mnogih primerih, med njih spada tudi rušni proces pri odkopih pod površino, pa so variacije hitrosti znatne. Tudi število podatkov pogosto ne omogoča delitev polja v zadostni gostoti. Uporabiti moramo iterativne metode reševanja, ki omogočajo reševanje velikih nepopolnih in neobstojnih sistemov. Uporabljajo se različne tehnike "popravljanja" slike oziroma iskanja najbolj optimalnih rešitev. Najbolj znane so Projekcijska iteracijska metoda, Fourierjeva rekonstrukcijska metoda, Simultana iterativna rekonstrukcijska tehnika (SIRT) in Algebraična rekonstrukcijska tehnika-ART. Med seboj so si naštete metode v precejšnji meri sorodne, razlikujejo se predvsem v izboru kriterija minimizacije napake v zaporednih iterativnih korakih. Izračun je v prvem koraku iterativnih tehnik kar rešitev sistema linearnih enačb (gornja izpeljava) po eni izmed naštetih običajnih metod, kot začetna izhodiščna ocena vrednosti spremenljivk. Nadaljnje ocene dobimo z uvedbo napake tako, da velja za l-ti korak iteracije: I J ( ) 1 t k = ∑ ∑ aij1 + Δaijk ⋅ Δsijk i =1 j =1 Pri upoštevanju, da je l-ta ocena, ki jo označimo z tk enaka: I J t$k = ∑ ∑ aij1 ⋅ Δsijk i =1 j =1 dobimo napako v dobljenih podatkih med merjenimi vrednostmi in ocenjenimi: 1 Δt k = (t k − t$k ) = ∑ ∑ Δaijk ⋅ Δsijk I J i =1 j =1 Uvedli smo I * J novih neznank aijk zato moramo, da bo sistem rešljiv izbrati t.i. kriterij minimizacije, ki je v projekcijskih iteracijskih metodah enak: I J ( Kr = ∑ ∑ Δa i =1 j =1 1 ijk ) 2p Če privzamemo, da je p=1, gornji izraz preide v obliko značilno za algebraično rekonstrukcijsko tehniko (ART) in pomeni korekcijo z minimalno energijo aijk se pri direktni minimizaciji iz zadnjih dveh enačb v splošnem izraža: IN-SITU/ 10 1 Δaijk = (Δs ) ⋅ Δt ∑ ∑ ( Δs ) ⋅ ( Δs ) ijk I k J i =1 j =1 ijk 1 2 p −1 ijk Novo oceno dobimo, če napako aijk prištejemo prejšnji recipročni vrednosti hitrosti aij: aij( l + 1) = aijl + Δaijkl Proces zaporedoma za vse žarke k=1,,2 ..., K ponavljamo tolikokrat, dokler ne dobimo zadovoljivo sliko, oziroma je nov rezultat identičen prejšnjemu. Če vrtini med katerimi izvajamo geotomografijo, izvrtamo tako, da zajamemo območje rušnega procesa lahko prostorsko opredelimo cone različnih seizmičnih hitrosti, s tem pa dobimo sliko rušnega procesa v trenutku meritve. Zato je geotomografija izredno uporabna in-situ metoda za proučevanje procesov, ki spremljajo podzemna odkopavanja. Georadarske meritve V zadnjih letih so bile izvedene prve meritve, ki uporabljajo posebno skonstruiran georadar za geofizikalne raziskave hribin. Po načinu meritev in interpretaciji je georadarska prospekcija podobna refleksijski seizmiki, čeprav temelji na drugem fizikalnem principu merjenja. Medtem ko refleksijska seizmika večinoma daje dobre rezultate za globlje strukture, vsekakor pa ne izpod 20 m razdalje, radarska penetrabilnost pri današnjem razvoju sega največ do 100 metrov. Druga razlika je v tem, da je hitrost radarskih valov v kamnini (v zraku svetlobna hitrost) mnogo večja od seizmične in se meri v nanosekundah. Hitrost je odvisna predvsem od vsebnosti vode v hribini ali zemljini, ne pa od sestave, naravne napetosti itd. Tudi globina penetracije radarskih valov je odvisna od vsebnosti vode in se drastično zmanjša v nasičenih materialih (npr. gline z visoko vsebnostjo vode). Osnovna sposobnost radarskih valov, ki se izkorišča za proučevanje neznanih struktur je refleksija na mejah sedimentov z različno vsebnostjo vode. Čim večja je ta razlika več energije se reflektira od ploskve. Postopek meritev z georadarjem se izvaja z anteno, ki na eni strani deluje kot oddajnik, na drugi pa kot sprejemnik. Meri se odgovarjajoč čas potovanja radarskega vala od in do antene. Ker je povprečen čas prihoda odvisen od srednje vrednosti hitrosti širjenja radarskega valova in od globine refleksijske ploskve lahko s postopkom znanim iz refleksijske seizmike določimo globino opazovane strukture. Izdelani so bili tudi že prvi radarji za prospekcijo v vrtinah z možnostjo obeh sond v eni vrtini ali dveh ločenih (sistem cross-hole). Na sliki je prikazana radarska prospekcija pri obeh navedenih načinih : IN-SITU/ 11 Georadarske meritve imajo pri in-situ meritvah v podzemnih prostorih predvsem namen proučevanja in reševanja naslednjih problemov: ¾ oddaljenost vodonosnih plasti od odkopa (prospekcija po dnu in stropu smernih prog odkopa) ¾ ugotavljanje tektonskih in drugih šibkih con pred odkopom (prospekcija po prednji čelni steni) ¾ proučevanje zarušnih procesov po podobni metodi kot geotomografija (radarska prospekcija med vrtinami) Seizmoakustične metode V primerjavi s seizmičnimi meritvami seizmoakustične metode temeljijo na istih teoretičnih osnovah valovne mehanike, vendar za vzbujevanje valov uporabljajo višje frekvenčne vzbujevalnike s frekvenco okoli 1000 Hz in valovno dolžino λ=0,1 do 1,0 m. Globina penetracije v hribino je manjša, približno od 1 do 20 m. IN-SITU/ 12 V spodnji tabeli je prikazana primerjava in razlika med različnimi seizmičnimi metodami. Vključene so tudi karotažne in laboratorijske meritve. Prostor. Št. Vrsta raziskave Frekvenca f (Hz) W Mer. (razm.) li Namen raziskave 6 valovna dolžina λ (m) (m) Posam. meritev (m3) 1 2 3 4 5 1. Seizmično proučevanje s profilnim postopkom na površini terena (refrakc. in refleksija) f = 30-100 50-200 104-108 in več in več 50-200 104-108 in več in več 10-100 102-105 detajlno določevanje zgradbe masiva in njegovih deformacijskih lastnosti. Določevanje deformacijskih lastnosti v izločenih strukturnih conah 10-100 102-104 detajlno določevanje zgradbe masiva in njegovih deformacijskih lastnosti. Določevanje deformacijskih lastnosti v izločenih strukturnih conah 1-20 1,0-102 detajlno proučevanje deformacijskih lastnosti. Določevanje dinamičnih karakteristik za korelacijo s podatki dobljenimi s statičnimi raziskavami. 2. 3. 4. Seizmično preiskovanje skozi hribinske mase λ = 40-100 f = 30-100 λ = 40-100 Seizmično profiliranje in preiskovanje skozi hribinske mase med podzemnimi objekti f = 70-300 Seizmična karotaža f = 70-300 λ = 10-50 λ = 10-50 5. Akustično profiliranje in preiskovanje skozi hribinske mase med podzemnimi objekti ter na golicah f = 10005000 λ = 1-5 določitev zgradbe masiva; določevanje splošnih karakteristik deformabilnosti določitev zgradbe masiva; določevanje splošnih karakteristik deformabilnosti IN-SITU/ 13 6. Akustična ultrazvočna karotaža v vrtinah fa= 10005000 fu= 2000050000 λa = 1-3 1-10 10-2-1,0 detajlno proučevanje deforma-cijskih lastnosti in stanja hribinskih mas 10-3-1,0 detajlno proučevanje strukture v conah v okolici podzemnih objektov. Določevanje vred-nosti vp in Edin za korelacijo s statičnimi karakteristikami. 10-4 detajlno proučevanje deforma-cijskih hribin s korelacijo z rezultati statičnih laboratorijskih preiskav in več 0,2-1,0 in več λu = 0,1-0,3 7. 8. Ultrazvočno preisko-vanje na stenah pod-zemskih objektov in golicah Ultrazvočno preisko-vanje na vzorcih f = 2000050000 0,2-0,1 in več λ = 0,1 - 0,3 f = 2000050000 λ = 0,1-0,3 0,2-0,1 IN-SITU/ 14 Vse doslej naštete seizmične metode se lahko izvedejo v manjšem merilu tudi s seizmoakustičnimi metodami. V največji meri pa se seizmoakustične metode (ultrazvočne) uporabljajo za določitev dinamičnih lastnosti preiskanih kamnin, v zadnjem času pa tudi za določitev napetosti v hribinah. Osnovna prednost seizmoakustičnih metod pred klasičnimi seizmičnimi meritvami je večja natančnost meritev in s tem možnost ugotavljanja manjših lokalnih sprememb ali v geometriji ali pa v lastnostih hribin. Določitev dinamičnih lastnosti hribin Seizmične meritve lahko poleg naštetih metod v preje opisanih točkah uporabimo tudi za določitev nekaterih geomehanskih lastnosti preiskovanih hribin. Tako določene geomehanske parametre imenujemo dinamične. V tem primeru moramo poleg longitudinalnih (primarnih-kompresijskih) seizmičnih valov določiti še transverzalne (sekundarne-strižne) valove. Mnogokrat zaradi številnih šumov, ki so posledica različnih motenj, refleksij ipd., transverzalnih valov, ki za primarnimi zamujajo za faktor okoli 0,6-0,7 ni mogoče zanesljivo določiti na seizmogramu. Zato so se uveljavile posebne tehnike, vzbujevanja strižnih valov s posebnimi kladivi ali vibratorji. Enako velja za geofone, ki so postavljeni pravokotno na smer potovanja seizmičnih valov in s tem ojačajo transverzalno valovanje. Hitrost seizmičnega valovanja je tesno povezana z Youngovim modulom (E) in Poissonovim količnikom (ν). Matematične relacije povezav so naslednje: E = ρ ⋅ Vs 2 ⋅ (1 + ν )(1 − 2ν ) (1 − ν ) E = 2 ⋅ ρ ⋅ Vs 2 ⋅ (1 + ν ) 2 E = ρ 3 ⋅ Vs 2 ⋅ ⎛ Vp ⎞ ⎜ ⎟ −4 ⎝ Vs ⎠ 2 ⎛ Vp ⎞ ⎜ ⎟ −1 ⎝ Vs ⎠ 2 ν= 1 ⎛ Vp ⎞ ⋅⎜ ⎟ −1 2 ⎝ Vs ⎠ 2 ⎛ Vp ⎞ ⎜ ⎟ −1 ⎝ Vs ⎠ Rezultati številnih primerjalnih študij so pokazali, da so dinamični elastični parametri večji od laboratorijsko določenih (statičnih). Poleg tega terenske seizmične meritve zajemajo ponavadi kamnino z razpokami in lokalnimi spremembami. Zato je potrebno za vsako področje posebej (npr. Velenjsko premoško kadunjo) določiti korelacijske krivulje med dinamičnimi in statičnimi parametri. IN-SITU/ 15 Korelacijsko povezavo je mogoče postaviti na osnovi statističnih obdelav seizmičnih in laboratorijskih meritev. Tip krivulj povezav med statičnim in dinamičnim modulom je večinoma najbolje opisati z enačbami oblike: log E = a ⋅ log Edin + b a E = 10 b ⋅ Edin Edin ...... modul določen s seizmoakustičnimi meritvami E ...... statični modul elastičnosti a,b .....statistično določimo koeficient z metodo najmanjših kvadratov Enake korelacijske postopke je možno izvesti tudi med seizmično-akustičnimi meritvami in presiometričnimi. Pri določevanju korelacijskih povezav je potrebno, da so tako seizmične meritve na terenu, kot laboratorijske v čim večjem soglasju glede pogojev, v katerih so meritve opravljene. Če tega ni možno zadovoljivo izvesti, so korelacijske povezave, če obstajajo, posledica slučajnih faktorjev in zato neustrezne. Na osnovi korelacijske povezave lahko nato s cenenimi seizmičnimi preiskavami določamo statične module hribin na širših območjih. Če v laboratoriju merimo na vzorcih ultrazvočno primarno hitrost, lahko iz razmerja na terenu izmerjenih transverzalnih valov in laboratorijsko izmerjenih, določimo stopnjo porušenosti in razpokanosti hribin izraženo z indeksom porušenosti: F=vpt/vpl vpt...transverzalna seizmična hitrost merjena na terenu vpl...transverzalna seizmična hitrost merjena v laboratoriju Pri proučevanju procesov v okolici odkopa so poleg poznavanja sprememb napetostnega-deformacijskega polja zelo pomembne spremembe v geomehanskih lastnostih kamnin. Največje spremembe zaradi rušnega procesa nastopajo v gostoti in elastičnih modulih kamnin. Stopnja sprememb lahko zelo dobro in edino ocenimo s seizmičnimi preiskavami. Drugi postopki zaradi velikih deformacij in velikih lokalnih razlik niso uporabni. Poznavanje spreminjanja lastnosti materialov je pomembno za interpretacijo dogajanj v okolici odkopa. Interpretacijo izvajamo ali z matematičnim postopkom, ali z modelom. IN-SITU/ 16 Direktne in-situ meritve Splošno V prejšnjem poglavju so opisane geofizikalne meritve, ki jih uvrščamo v indirektne insitu metode, ker določamo lastnosti na področju preiskave preko geofizikalnih lastnosti hribin in korelacij. Z direktno in-situ metodo določen parameter točkovno neposredno določamo na mestu meritve. Pri proučevanju pogojev odkopavanja v premoških slojih nas zanimajo predvsem naslednji parametri: ¾ spreminjanje napetosti v odvisnosti od razdalje od odkopa in v odvisnosti od časa ¾ deformacije v premogu in v krovnini v odvisnosti od razdalje od odkopa in od časa ¾ spreminjanje geomehanskih lastnosti pri rušenju materialov in ponovni komiprimaciji ter konsolidaciji Za vsakega izmed treh naštetih pomembnih parametrov obstojajo sistemi različnih in-situ meritev, ki temeljijo na različnih postopkih. Postopki posameznih meritev so bili razviti pri najrazličnejših gradbenih, rudarskih in drugih objektih. Za meritve določanja pogojev odkopavanja v premoških slojih, posebno kadar visoka vertikalna koncentracija pridobivanja povzroči velike deformacije, je potrebno merske metode ustrezno modificirati. Direktne in-situ meritve opisujem združeno po namenu meritev v treh ločenih poglavjih; ¾ metode meritev napetosti ¾ metode meritev deformacij ¾ metode meritev lastnosti hribin Metode meritev napetosti Tehnično je izvedba meritev sekundarnih napetosti, ki se pojavljajo v okolici odkopa premoga ena izmed najtežavnejših postopkov in-situ meritev, ne glede na uporabljeno metodo merjenj. Težavnost je na eni strani posledica že same izbrane metode meritve, ki je vedno tehnološko zahtevna. K temu se pridružijo težka dostopnost do izbrane točke meritve zaradi velikih deformacij v neposredni okolici odkopa v krovnini ter zahteva, da je potrebno proučevati spreminjanje napetosti, v času in položaju glede na odkop. V nadaljnjem bodo opisane vse najbolj primerne metode meritve napetosti v okolici odkopov. Izločene so tiste metode, v svetu sicer pogosto uporabljene, ki iz naših izkušenj ne dajejo ustreznih rezultatov (npr. meritve konvergenc na podporju, kompenzacijske meritve na stenah odkopa). Mnogokrat je potrebno uporabiti manj natančne metode meritev, ki pa so izvedljive z vidika vgradnje merilnih sond in varnosti (metanska izvedba). Poznavanje sekundarnega napetostnega stanja v okolici odkopa, v odvisnosti od odkopne metode, omogoča definirati optimalnost odkopavanja, pa tudi ocenitev stopnje razbremenitve napetosti nad odkopom in s tem predvidevanje nevarnosti vdorov vode ali blata na odkope. Ker napetostnega polja v okolici odkopa ni mogoče zanesljivo določiti, je potrebno meritve napetosti dopolniti z drugimi in-situ preiskavami ter izdelati modele rušnih procesov. IN-SITU/ 17 Metode sproščanja napetosti v vrtinah Metode sproščanja napetosti v vrtinah temeljijo na meritvah deformacij, ko z vrtanjem na koncu vrtine razbremenimo jedro. In-situ izmerjena napetost je točkovna. Potrebujemo najmanj dve vrtini, ki nista vzporedni za določitev ravninskega napetostnega stanja. Postopek izvedbe meritve je razviden iz skice spodaj: ¾ Izvrtamo vrtino širšega profila na globino merjenja ¾ Vrtino podaljšamo za del manjšega premera, ki služi za vgradnjo merskih transducerjev ¾ V ožji del vrtine vstavimo toge napetostne ali pa mehke deformacijske transducerje ¾ S povrtanjem ožjega dela vrtine opazujemo sprostitev napetosti v preostalem cilindru v sredini Druga pogosto uporabljena metoda je merjenje sproščenih deformacij na zglajenem dnu vrtine pri nadaljnjem vrtanju. Na srednji del zglajenega dna vrtine se nalepi upornostni listič z merilnimi trakovi v treh smereh. Pri nadaljnjem vrtanju se v jedru sproščajo napetosti, ki se odražajo v dilatacijah na površini, kjer je nalepljen upornostni listič: Iz izmerjenih vrednosti dilatacij (ε) po ravninski teoriji elastičnosti izračunamo glavne napetosti : σ1 = E ⋅ (ε + νε2 ) 1−ν2 1 σ2 = E ⋅ (ε + νε1 ) 1− ν2 2 Modul elastičnosti (E) in Poissonov količnik (ν), ki sta neznanki v gornjih enačbah IN-SITU/ 18 določimo laboratorijsko na jedru vzetem iz mesta meritve. Našteti metodi za določanje napetosti (popularno ime: overcoring) imata za določevanje napetostnega stanja v okolico premoških odkopov omejeno vrednost. Razlogi so predvsem naslednji: ¾ težka izvedba vrtine in nevarnost izgube merilnega instrumentarija zaradi strižnih premikov, ki "presekajo" vrtine, ¾ hitre lokalne spremembe napetosti v prostoru in času, zaradi česar izmerjena napetost ne odraža dejanske globalne vrednosti, ¾ neponovljivost meritve, ¾ težka zadostitev pogojev meritev v metanskem okolju zaradi elektronske opreme, ¾ težka vgradnja zaradi razpokanosti in mehkosti premoga ali prikrovnine. Kljub vsem naštetim pomanjkljivostim pa se zaradi odsotnosti ustreznih metod meritev napetosti pogosto uporabljata. Najprimernejša je za določitev primarnih napetosti v hribini in odnosa med horizontalnimi in vertikalnimi napetostmi, kot izhodišče za opazovanje sekundarnih napetosti, ki se pojavijo zaradi vpliva odkopavanja. Merilne sonde v vrtinah Za opazovanje spreminjanja napetosti v hribinah skozi daljše razdobje je bilo v svetu skonstruirano več tipov sond. Način določitve napetosti temelji na izenačevanju hidravličnega tlaka v sondi s tlakom, ki ga vrši okolica na sondo. Postopek vgradnje sonde in meritev je naslednja: 1. Izvrtamo vrtino do mesta merjenja in vgradimo sondo 2. V sondah ustvarimo delovni tlak. Pri nekaterih tipih je delovni tlak nekaj barov, pri drugih pa je tlak blizu pričakovanim v hribini; 3. Celotno vrtino zacementiramo. Cementna masa mora imeti nekoliko višje trdnostne karakteristike kot okoliška hribina in po možnosti čim bližje elastične lastnosti hribinam. Uporabijo se lahko tudi specialne smolnate mase za zalitje sonde; 4. Po končanem strjevanju injekcijske mase, opazujemo na manometru, ki je z alkatensko ali bakreno cevko povezan s sondo, spreminjanje tlaka. Ko se tlak ustali je njegova vrednost pri umerjeni in pravilno vgrajeni sondi približno enaka napetosti v hribini. Celotni postopek od 1-4 mora biti izveden pri mirujočih hribinskih tlakih; 5. Skozi daljše razdobje merimo spreminjanje hribinskih napetosti zaradi vplivov odkopavanja. V nadaljnjem tekstu opisujemo dva značilna predstavnika merilnih sond v vrtinah. Prvo je gumijasto tesnilo. Naloga tesnila je, ko je vgrajen po opisanem postopku, merjenje prostorske komponente napetosti pravokotno na tesnilo, istočasno pa še porne tlake v vodonosniku. IN-SITU/ 19 Konstrukcija tesnila je na sliki: Vsako gumijasto tesnilo je pred vgradnjo testirano in umerjeno. Drug tip sonde, ki deluje prav tako na izenačevanju tlaka v sondi z okolico je prikazan na spodnji sliki : Sestavljen je iz treh do pet ploščatih celic, katerih vsaka meri komponento prostorske hribinske napetosti pravokotno na površino celice. Iz izmerjenih komponent napetosti lahko računsko določimo prostorski napetostni elipsoid z vsemi tremimi komponentami glavnih napetosti ne glede na smer vgradnje sonde. Vsaka celica sonde je merski sistem zase. Vrednost tlaka v tekočini posamezne celice, ki je tovarniško zaprta, zato da ne pride do sekundarnih negativnih vplivov (zračni mehurčki ipd.) ugotavljamo z vzporednim sistemom, katerega tlak izenačujemo v posebnem ventilu. Na skici spodaj je prikazan način določitve tlaka: Hidravlične sonde preprostejše konstrukcije od opisanih so bile uporabljene pri določevanju napetosti pred odkopom v Rudniku lignita Velenje leta 1965. Poleg opisanih hidravličnih sond obstojajo tudi električne, ki merijo deformacije tik ob IN-SITU/ 20 obodu vrtine ali z upornostnimi lističi ali z direktnimi tipali. Njihova uporabnost je v razmerah premogišč omejena zaradi metanskega okolja, ki ne dovoljuje uporabe elektronske opreme in zaradi premajhne trdnosti premoga (tudi razpokanosti), kar otežuje vgradnjo. Poleg tega je mogoče napetosti iz deformacij izračunati le, če poznamo začetne napetosti in elastične lastnosti hribine. S konstrukcijo posebne sonde, ki je kombinacija merjenja tako tlakov v sondi, kot deformacij zunanje membrane, dobimo posebno sondo, ki ima komercialna imena presiometer, elastometer, dilatometer ipd. (nadalje uporabljamo naziv presiometer) in je namenjena za določanje elastoplastičnih lastnosti hribine Presiometer pa je mogoče uporabiti tudi za oceno napetosti na mestu izvedbe meritve. Pri koncentričnem obremenjevanju sten vrtine s povečevanjem tlakov v presiometeru in istočasnem merjenju deformacij dobimo naslednji poenostavljeni tipični diagram napetost-specifična deformacija (τ − σ ): Odseki presiometrične krivulje na sliki pomenijo : 1. 2. 3. 4. 5. 6. Začetno polnjenje sonde s tekočino - odpor gumijaste membrane Nadaljnje polnjenje sonde, ko sonda nima še stika s stenami vrtine. Naleganje gumijastega tesnila na steno vrtine. Povečevanje tlaka v sondi, ki povzroča elastične deformacije v hribini. Začetek rušenja sten vrtine (plastične deformacije) Porušitev. S predpostavko, da mora sonda, predno lahko povzroči začetne elastične deformacije, premagati naravno napetost v hribini, ki deluje pravokotno na steno vrtine je tlak v sondi enak naravni napetosti v trenutku začetka elastičnih deformacij, t.j. na meji con 3 in 4 na diagramu. Več faktorjev vpliva, da tako dobljena vrednost tlaka pomeni le oceno naravne napetosti v hribini (sekundarni razbremenilni tlaki zaradi izvrtanja vrtine, ki se v času širijo v okolico vrtine; bočni vplivi, ker je tlak izveden le na odsek vrtine, hitrost izvajanja preizkusa-zaostale napetosti, blago uklonjena krivulja na mestu čitanja-nenatančna ocena , vpliv kolača izplake). Kljub temu je z ovrednotenjem večjega števila meritev možno dobiti dobro oceno vrednosti sekundarnih napetostih v okolici odkopa v trenutku merjenja. IN-SITU/ 21 Opisane meritve s sondami so posebno uporabne, če želimo spremljati spreminjanje sekundarnega napetostnega polja skozi daljše časovno razdobje. Pri interpretaciji meritev moramo upoštevati, da vgradnja sond mnogokrat ni uspešna in sonde kažejo nižje napetosti od dejanskih. Zato je potrebno vedno vgraditi več sond, da dobimo statistično oceno, ugodna pa je tudi primerjava z drugim načinom meritev. Hidravlična frakturizacija Za določevanje in-situ napetosti v vrtinah se v zadnjem času v mehaniki hribin uveljavlja metoda hidravlične frakturizacije, ki izhaja iz naftne industrije, kjer se uporablja v globokih vrtinah. Metoda temelji na vtiskanju vode na izoliranem odseku vrtine z gumijastimi tesnili: Pritisk v merjenem odseku povečujemo toliko časa dokler hribina hidravlično tenzijsko ne razpoka (hidravlična frakturizacija). Vtiskanje vode v okolico merjenega odseka nadaljujemo, dokler poleg vrednosti pritiska loma (pl), dobimo tudi pritisk vtiskanja (pv), ki hidravlično nastale razpoke drži stalno odprte. Med izvajanjem pritiska odtisnemo mehko gumijasto cev na steno vrtine, da dobimo odtis nastalih razpok in s tem smer razpokanja. Iz dobljenih tipičnih podatkov (pritisk loma, pritisk vtiskanja in smeri razpokanja), lahko prostorsko opredelimo razporeditev napetosti. Pri tem predpostavimo (oziroma izvedemo smer vrtanja tako), da je smer vrtanja vzporedna eni izmed osi glavnih napetosti. Kot so pokazale meritve se razpoke hidravlične frakturizacije odpirajo v smeri najmanjšega odpora t.j. v ravnini pravokotno na smer najmanjših tlačnih napetosti (Hmin). IN-SITU/ 22 Ko nato z nadaljnjim včrpavanjem vode držimo odprte nastale razpoke, daje izmerjena vrednost pritiska vtiskanja kar komponento najmanjših tlačnih napetosti: pv = σ H min Največjo vrednost dobimo iz pritiska loma pl: p1 − p0 = T + 3 ⋅ σ H min − σ H max − 2 ⋅ p0 K P0 ....... porni tlak vode T ...... natezna trdnost hribine (določena laboratorijsko ali na terenu) K ..... porni-elastični parameter neodvisno določen v laboratoriju (1<K<2) Vertikalni tlak določimo po enačbi Heima pv = γ * H (H...globina poizkusa pod površino, γ...prostorninska teža hribine). V primeru, da je vertikalna napetost najmanjša (σV<σH) je rezultat frakturizacije potrebno drugače interpretirati. Takrat je prvi tlak loma pl1, ki ga dobimo, enak kar najmanjši tlačni napetosti: pl1 = σ H min Nato se razpoke lomijo dalje v horizontalni smeri in dobimo še en tlak loma pl2, ki je enak vertikalni napetosti : pl2 = σ v Če hribina ni izotropna, temveč usmerjeno močno razpokana ali skrilava potem ni mogoče prostorsko določiti napetostne razporeditve, temveč le tlak, ki deluje pravokotno na razpoke. Iz literature je razvidno, da je določitev velikosti napetosti z metodo hidravlične frakturizacije sorazmerno natančna (cca=10% razpoke, cca=25 % napaka). Za raziskovanje dogajanj v okolici odkopa bi bila zelo koristna ne samo za določitev vrednosti napetosti v prostoru, temveč tudi za proučevanje vdorov vode in blata v odkopne prostore, saj se predvideva, da mehanizem vdora temelji prav na hidravlični frakturizaciji. IN-SITU/ 23 Velike tlačne blazine Velike tlačne blazine služijo merjenju naraščanja vertikalnih napetosti zaradi komprimacije in konsolidacije materialov v starem delu, ki so bili porušeni pri odkopavanju premoga. Hidravlične blazine so ovalne, večjih dimenzij od 0,5 do 1,2 m premera. Predhodno so napolnjene z oljno-vodno disperzijsko tekočino na delovni tlak na nekaj barov. Opremljene so z odzračevalno odprtino in povezovalno bakreno cevko, ki vodi do manometra. Hidravlično blazino se vloži v posebno ležišče iz cementa na nivoju višine odkopa. Pritisk krovnine, ki po odkopu polagoma nalega, se komprimira, spremljamo preko manometra ali posebne avtomatske naprave beleženja tlakov. Ugodno je, če je vsaka sonda pred vgradnjo testirana v laboratoriju, da se določijo njene karakteristike in začetni delovni pritisk. Izkušnje kažejo, da je zaradi nehomogenosti materiala v starem delu in drugih vzrokov potrebno izvesti več meritev pod enakimi pogoji in nato podatke statistično obdelati. Rezultati meritev dajejo zelo koristne podatke o poteku komprimacije in konsolidacije starega dela in istočasnem naraščanju vertikalne obremenitve. Na njihovi osnovi lahko ocenimo širino rušne cone in časovno odmaknjenost odkopavanja naslednje nižje etaže. V Rudniku lignita Velenje se hidravlične blazine uporabljajo že od leta 1965 in dajejo dobre rezultate. Seizmoakustične meritve napetosti v hribini Napetosti v hribini lahko določimo tudi preko korelacije s hitrostmi seizmoakustičnih valovanj. Merjenja ponavadi vršimo med dvema vzporednima vrtinama od 0,5 m do nekaj m narazen. Ker je v nehomogeni anizotropni kamnini povezava med spremembami napetostnega stanja komplicirana, koreliramo dobljene in-situ seizmoakustične hitrosti, s hitrostmi dobljenimi v laboratoriju na vzorcih vzetih iz mesta terenskih meritev. Seizmoakustične laboratorijske meritve opravimo na vzorcu pri različnih napetostnih stanjih pri enoosni obremenitvi. Na osnovi tako pridobljenih primerjalnih diagramov lahko iz in-situ dobljene hitrosti določimo ustrezajočo napetost. Obstajajo pa tudi številne druge metode. Spremembe v napetosti lahko določamo tudi v kombinaciji seizmoakustičnih meritev z drugimi in situ merjenji napetosti, ki služijo kot umeritveni faktor. V posameznih primerih dobimo dobre rezultate, če namesto seizmoakustičnih valov uporabimo običajne seizmične meritve (npr. cross-hole), ki pa jih koreliramo še z drugimi meritvami. Pri seizmoakustičnih meritvah v okolici odkopov premoških slojev IN-SITU/ 24 obstoja nevarnost napačne interpretacije spremembe hitrosti valovanja, ki je pogosto posledica rahljanja hribin zaradi rušnih procesov, premikov referenčnih točk med katerima merimo spreminjanje, vlage premoga in drugih geomehanskih parametrov. Seizmoakustične meritve napetosti zato ne smemo uporabiti na območjih okolice odkopa, kjer se dogajajo največji premiki. Zaradi njihove cenenosti v primerjavi z drugimi in situ meritvam napetosti, jih izkoristimo kot dodatne spremljajoče meritve, ki točkovne in časovno kratkotrajne meritve razširijo na širši prostor in daljše časovno razdobje. Metode meritev premikov in deformacij Pri odkopavanju debelih premoških slojev, posebno pri večetažnem zaporednem odkopavanju so premiki na površini, krovnini in okolici odkopa znatni. Premike, ki nastanejo zaradi odkopavanja delimo na premike pred čelom, premike neposredno nad in za odkopom in premike, ki so posledica komprimacije in konsolidacije materiala, ki zapolni odkopne prostore. Tem premikom v okolici čela se pridruži rušenje celotne krovnine vse do površine. Premike merimo z običajnimi geodetskimi metodami na površini in v jamskih progah v okolici opazovanega odkopa. Za prostorsko razporeditev premikov, ki nastanejo pri rušenju krovnine v smeri odkopa pa moramo tem meritvam pridružiti meritve premikov v vrtinah, izvrtanih iz površine ali jamskih prog, ki segajo na področja največjih deformacij. V tekstu bom opisal tiste meritve, ki v jamskih pogojih dajejo najboljše rezultate. Osnovna razlika med običajnimi geotehničnimi meritvami premikov je namreč, da običajno potrebujemo mnogo manjšo natančnost rezultatov meritev (red velikosti v milimetrih, ne pa 1/1000 mm), vendar tako robustno opremo in kostrukcijo, ki dobro prenaša velike premike strižne deformacije. Žična sidra Na mesta pred, nad in za odkopom, ki so dosegljiva z vrtanjem vgradimo sidro konstrukcije prikazane na sliki : IN-SITU/ 25 Od sidra vodi neraztegljiv žični kabel v prostor, kjer merimo premike. Kabel mora biti zaščiten s posebno cevjo po kateri kabel drsi. V primeru, da zaščitne cevi ne uporabimo, mora vrtina ostati zacevljena. Premike sidra merimo z avtomatično napravo ali ročno v določenih časovnih razdobjih. Za dobre rezultate meritev je bistvena taka konstrukcija sidra, ki je na mestu vgradnje popolnoma nepremakljiva. Poleg mehanskih sider je možno uporabiti tudi zacementirane (ali zalite s smolnatim vezivom) siderne glave. Natančnost meritev je odvisna od izvedbe registrirne naprave. Za pojave, ki jih spremljamo pri odkopavanju premoga večinoma zadostuje natančnost z napako +/- 1 mm. Žično sidro je eno izmed najbolj preprostih naprav za merjenje deformacij. Njegova prednost je preprosta in enostavna vgradnja, ter cenenost opreme. Vgradnja je možna na območjih z zelo velikimi pomiki, ker žični kabel v zaščitni cevi še vedno drsi kljub velikim deformacijam vrtine. Slaba stran žičnega sidra je težka interpretacija rezultatov, kadar nam smer premikov ni znana in močno odstopa od smeri vrtine. V teh primerih dobimo le absolutno oceno velikosti premikov neorientirane v prostoru. Žična sidra lahko uporabimo tudi za določitev linije nad odkopnim prostorom, kjer horizontalni premiki preidejo v vertikalno rušenje. Takrat pride do zelo velikega trenutnega premika žičnega sidra in nato pretrganja žičnega kabla. Večtočkovni cevni ekstenziometri Iz jamskih prostorov, enako kot žična sidra, lahko vgradimo v vrtine cevne ekstenziometre, ki merijo premike v smeri cevi v točkah na krajših razdaljah med seboj (npr. 1 do 2 m narazen). Tako ne dobimo le posameznega točkovnega podatka temveč absolutne razlike premikov vzdolž celotne merske premice. IN-SITU/ 26 Na sliki prikazujemo večtočkovni cevni ekstenziometer, ki je bil razvit za velenjske premoške prilike. Obstajajo pa še številne drugačne konstrukcije, ki pa so bile večinoma razvite za zelo majhne pomike in temeljijo na elektromagnetnih principih merjenj. Ekstenziometer je sestavljen iz dveh cevi različnega premera, tako da notranja cev drsi v zunanji. Maksimalni možni pomiki v posamezni točki so 150 mm. Pomike merimo s posebno skonstruirano glavo, ki jo naslonimo na robove notranje cevi. Ekstenziometer pritrdimo v vrtino s cementacijo prostora med cevmi in steno vrtine. Cementacija se vrši s potiskanjem cementnega mleka za cevi toliko časa dokler se cementno mleko ne pojavi v posebni kontrolni cevki, ki vodi od cementnega čepa po notranjosti cevi. Če je ekstenziometer usmerjen navzdol, cementacijo izvedemo preko cevke in jo končamo, ko se cementna masa pojavi na ustju vrtine. Po cementaciji cevko odstranimo. Več cevni točkovni ekstenziometer je uporabenza proučevanje premikov pred odkopom in vertikalnih premikov za odkopom v starem delu pri komprimaciji in konsolidaciji starega dela. Pri vgradnji ekstenziometra izvedemo vrtine iz odvoznih, dovoznih in zračnih prog odkopa ali pa iz pripravnih prog naslednje etaže. Smer vrtanja mora biti v smeri največjih pričakovanih deformacij. Merilec uklona vrtine Premiki, ki so posledica odkopavanja, če jih vektorsko opazujemo imajo vedno težnjo gibanja proti odprtini odkopa, pri čemer je vertikalna komponenta zaradi odkopavanja močno povdarjena. Vertikalno komponento izmerimo z žičnimi sidri ali ekstenziometri, medtem ko je horizontalna komponenta premikov težko določljiva. Z merilcem uklona vrtine, katerega konstrukcija in osnovni princip delovanja je spodaj opisana, to pomanjkljivost v veliki meri odpravimo. Na spodnji sliki je prikazan eden izmed uveljavljenih načinov merjenja na tak način: IN-SITU/ 27 Postopek merjenja je naslednji: Sonda, ki meri nagib, drsi po kanalih plastične cevi, ki je orientirano zacementirana v vrtino. Na cevi so tudi razmiki z objemkami, ki omogočajo meritve manjših krčenj in raztegovanj sistema cevi. Iz merjenih nagibov v dveh pravokotnih smereh in sprememb dolžine cevi dobimo prostorske premike. Če meritve ponavljamo v zaporednih časovnih razdobjih pri napredovanju odkopa, dobimo spreminjanje prostorskih deformacij tudi v časovni odvisnosti. Izkušnje meritev kažejo, da pogosto trdnost plastičnih vodilnih cevi ni zadostna pri velikih horizontalnih premikih, ki so v bližini odkopov, zato je potrebno plastično cev dodatno zaščititi še z železno obložno kolono. V takem primeru pa izgubimo vertikalno komponento premikov in ne moremo meritev uklona kombinirati z drugimi metodami premikov. Meritev uklona, daje pri proučevanju rušnih procesov v okolici odkopa premogov najboljše rezultate za oceno pomikov neposredno pred čelom odkopa. Ekstenziometri vgrajeni iz površine Z ekstenziometri, ki so nameščeni v vrtine izvrtane iz površine na različne globine nad območjem odkopavanja, spremljamo vertikalne premike od neposredne krovnine odkopov do površine. Metoda je uporabna kadar odkopi ne leže zelo globoko pod površino. V vsako vrtino vgradimo več ekstenziometrov na različne globine. Ekstenziometri so zgrajeni podobno kot žična sidra z razliko, da so projektirani na mnogo večje natezne sile. Glava ekstenziometra je iz rebraste železne palice dolžine cca 1,5 m. Iz glave vodi jeklena pletena žica na površino, kjer poteka preko koluta do uteži, ki povzroča potrebno napetost žice. Žica je zaščitena s cevjo iz rebraste plastike. Vgradnjo ekstenziometra izvršimo s cementiranjem območij, kjer so železne palice, vmesni prostor pa zasipljemo z drobnim peskom. IN-SITU/ 28 Meritve s površinskimi ekstenziometri omogočajo zasledovati tudi zelo velike pomike (preko 10 m) medtem ko je njihova natančnost velikosti reda +/- 1 cm. Registrirajo vzdolžni premik ob vrtini, zato ni mogoče izločiti vertikalne in horizontalne komponente, kot tudi ne povijanje vrtine. Kot drugi tipi ekstenziometrov so podvrženi strigom vrtine, ki lahko ogrozijo njihovo delovanje. Natančnost merjenja je predvsem odvisna od uspešnosti vgradnje. Iz literaturnih podatkov je znano več različnih konstrukcij površinskih ekstenziometrov, ki pa vsi delujejo na opisani način. Pri manjših deformacijah je kot površinske ekstenziometre možno uspešno uporabiti tudi tip opisan v prejšnji točki. Osnovni namen merjenj s površinskimi ekstenziometri jedoločitev višine neposrednega rušenja nad odkopi premoga in spoznati razporeditev premikov v celotni krovnini pri različnih položajih odkopnega čela, glede na merilno vrtino (pred, nad, za odkopom). Meritev s površinskimi ekstenziometri moramo istočasno spremljati z geodetskimi meritvami ustja merske vrtine. Merilne naprave za določevanje geomehanskih lastnosti hribin Za določitev lastnosti hribin in premoga večinoma uporabljamo laboratorijske preiskave na vzorcih pridobljenih iz vrtin. Laboratorijske preiskave pa v celoti, razen IN-SITU/ 29 pri izotropnih homogenih in nerazpokanih kamninah ne dajejo reprezentativne slike o dejanskih lastnostih materialov, ker preiskani vzorec predstavlja homogeni točkasti izsek iz kvazihomogenega, kvazikontinualnega in razpokanega okolja. Zato so rezultati laboratorijskih analiz ponavadi višji od dejanskih na terenu. V zadnjem času se zato v inženirski praksi posveča mnogo pozornosti laboratorijskim preiskavam in terenskimanalizam razpokane hribine. Poleg tega je povdarek na in-situ geomehanskih meritvah lastnosti hribin, t.j. določanju geomehanskih lastnosti na mestu samem. Z različnimi in-situ meritvami v manjši ali večji meri odpravimo pomanjkljivost reprezentativnosti preiskave. In-situ meritve so posebej pomembne pri proučevanju procesov, ki se dogajajo v okolici odkopov v debelih premoških slojih. Intenzivni rušni procesi, ki se dogajajo na širšem prostoru namreč lokalno povzročajo zelo variabilne spremembe lastnosti hribin zajetih v rušenje. Nastopajo cone blokovnega razpokanja, cone striženja, cone plastičnih deformacij in cone popolnega porušenja hribine. Z in-situ preiskavami želimo določiti razsežnost teh con in velikost sprememb v geomehanskih lastnostih hribin glede na prvotne. Tem preiskavam moramo, za čim bolj polno sliko pridružiti tudi klasične laboratorijske preiskave, pa tudi modelne laboratorijske (ali računalniške) raziskave. Hitrost penetracije vrtalnega kladiva v hribino Merjenje hitrosti prodiranja vrtalnega dleta v hribino je sorazmerno enostavna metoda za kvantitativno ugotavljanje stopnje porušenosti ali razrahljanosti hribine zajete v rušenje. Metoda zahteva možnost vrtanja v "staro delo" ali iz dostavnih ali pripravljalnih prog in ustrezno vrtalno garnituro. Vrtalna garnitura mora omogočati vrtanje pri enakomerni hitrosti vrtanja in enakomerni sili pritiska vrtalnega dleta na koncec vrtine, kot tudi konstantnih vseh drugih vrtalnih parametrih. Istočasno spremljamo tudi sestavo hribine po drobcih izvrtanine. Vrtanje je po možnosti suho po možnosti s kotalnim dletom, da se izognemo sekundarnim vplivom črpalke ter izplake. Hitrost penetracije dobimo z dolžino premaknitve vrtalnega drogovja v določeni časovni enoti (npr. 1 minuti) ali z merjenjem časa za premik dleta za določeno dolžino (npr. 1 dm). Na sliki je prikazan tipični diagram, ki je rezultat opisane metode. Z napredkom avtomatičnega instrumentalnega spremljanja vrtanja in z vzporednimi preiskavami v vrtini je nastala možnost tudi kvalitativne interpretacije hitrosti penetracije vrtalnega kladiva. Hitrost napredovanja dleta predvsem koreliramo IN-SITU/ 30 z gostoto in strižnimi karakteristikami hribine. Karotaža vrtin Pod karotažo vrtin uvrščamo metode, ko v vrtino z določeno konstantno hitrostjo potiskamo (spuščamo) sondo, ki preiskuje določeno fizikalno lastnost stene v bližnji okolici vrtine. Skonstruirane so številne sonde, ki temeljijo na različnih fizikalnih principih. V tabeli spodaj so opisane tiste metode, ki dajo pri proučevanju tipa in lastnosti hribin najboljše rezultate. Na splošno delimo karotažne preiskave na električne, seizmoakustične in radioaktivne metode. Vrsta karotaže 1. Fizikalni princip Uporabnost določitev el. upornosti med enojno elektrodo v vrtini el. upornost na stenah vrtine med dvema elektrodama litostratigrafska določitev Električna karotaža a) Točkovna določitev el. upornosti b) Normalna upornost c) Indukcija litostratig. določitev in kvaliteta hribine, poroznost, vsebnost soli v podzemni vodi preiskava izven preiskane cone vrtin upornost preiskane cone ocena prepustnosti formacije naravna potencialna razlika na steni vrtine v povezavi z upornostjo, litološko indentifikacijo in korelacijo a) Akustična k. ali zvezno določanje hitrosti zvezno določanje (P valovi) hitrosti na steni vrtine določitev kvalitete hribine, stopnje razpokanja, poroznost b) 3-D akustična karotaža zvezno določanje P in S valov na steni vrtine poleg 2(a) tudi dinamični moduli in homogenosti materiala (z gostotno sondo skupaj) c) Akustična k. med vrtinama (glej tč. 2) določitev hitrosti med vrtinama določitev zakraselosti, kvalitete kamnine in napetosti d) Laterolog e) Mikrolaterolog f) Spontani potencial (Sp) 2. Akustična karotaža IN-SITU/ 31 3. Radioaktivna karotaža γ - karotaža hitro odčitavanje z zveznim določanjem naravne radioaktivnosti žarkov določanje vsebnosti glinaste frakcije γ - γ karotaža intenzivnost žarčenja po obsevanju z žarki določitev gostote hribine nevtronska karotaža zvezno določanje vsebnosti vodika ob okolici vrtine (t.j. vode) določanje poroznosti IN-SITU/ 32 Za preučevanje dogajanj v okolici odkopa so najbolj pomembne akustična karotaža in gama-gama karotaža, mnoge koristne podatke pa dobimo tudi z drugimi karotažami. Osnovni problem uporabe karotaž v rudniških pogojih iz jamskih vrtin, je nevarnost izgube sond zaradi striženja in zaruševanja vrtin (zelo visoke cene sond) in neprilagojenost karotažnih naprav metanskemu ozračju. Področje, ki je najbolj primerno za karotažne preiskave je področje za odkopom - "staro delo". Karotažne preiskave je potrebno vedno tudi korelirati z drugimi preiskavami v vrtinah, pa tudi z običajnimi seizmičnimi preiskavami (uphole-downhole). Na spodnji sliki je prikazan način uporabe karotažnih meritev iz jamskih prostorov: VDP (vodoprepustni) preizkusi Vodoprepustni preizkusi (kratica: VDP) imajo namen določiti prepustnosti hribine v okolici odkopa. Prepustnost hribine, ki je razpokana zaradi rušnih procesov in v sekundarnem napetostnem stanju je za določitev potencialne nevarnosti vdorov vode in blata zelo pomemben faktor. Prepustnost določamo v jamskih vrtinah po odsekih, ki jih izoliramo z gumijastimi tesnili. Na sliki je prikazana tipična razporeditev opreme za meritev VDP v jamskih prostorih: Postopek meritev je naslednji. V izbran odsek vrtine vtiskamo vodo pri določenih IN-SITU/ 33 pritiskih. Pritisk ponavadi izvajamo v petih stopnjah po 10 minut vsako, tako da pritisk povečujemo do najvišje stopnje (tretja stopnja) in nato zopet znižujemo na začetni tlak. Pri določitvi največjega tlaka (ki je standardno 10 barov) je potrebno paziti, da ta tlak ni previsok, kar povzroča sekundarne pojave (odpiranje razpok, spiranje razpok). Izračun prepustnosti izvršimo po La-Franck-ovi formuli oziroma preračunamo v lugeone. En lugeon je vrednost 1 litra/m pri 1 MN/m2 (Lugeon, k……koeficient prepustnosti Q= 2 ⋅π ⋅ m⋅ k ⋅ h ⎛ R⎞ ln⎜ ⎟ ⎝ r⎠ h……vodni tlak v metrih vodnega stolpca m……dolžina merjenega odseka R……radij vpliva r……radij merskega odseka 1933). Iz oblike diagrama količine vtiskane vode - tlak vode, določimo lahko tudi tip toka vode vtisnjene v hribino. Pri testih pri proučevanju nevarnosti vdora vode iz vodonosnikov moramo predhodno oceniti naravne tlake v hribini in tlake vode v prvih vodonosnikih. Prav tako moramo iskati prepustnost kot funkcijo položaja mesta meritve glede na odkopni prostor. Zato povečini ni možen standardni postopek in moramo merjenja prilagoditi razmeram v jami. Ugodno je, če VPD meritve kombiniramo z meritvijo napetosti v hribini kot tudi z laboratorijskimi permeameterskimi preiskavami na velikih vzorcih. Presiometrične meritve Meritve s presiometrom uporabljamo za določitev elasto-plastičnih karakteristik hribin in-situ. Osnovni princip meritve je, da z gumijasto valjasto sondo na steno vrtine izvajamo radialno tlak, ki ga postopoma povečujemo in istočasno merimo deformacije gumijaste membrane presiometra. IN-SITU/ 34 Razporeditev merske opreme je razvidna iz gornje slike. Na risalniku vzporedno s potekom preizkusa rišemo krivuljo tlak-deformacije. V linearnem delu izvedemo več obremenitev in razbremenitev stene vrtine s presiometrom (histerezne zanke). Iz dobljenega diagrama določimo presiometerski modul Ep in sekantni modul posameznih cikličnih obremenitev (E1, E2,...), poleg tega pa še ocenimo naravne napetosti na mestu meritve (točka 2.1.,...) in mejo plastičnosti. Iz oblike krivulje lahko sklepamo v koliko meri je preiskana hribina razpokana in porozna. Presiometrični modul Ep je po literaturnih podatkih večji od Youngovega elastičnega modula, medtem ko so mu sekantni moduli bližji. Večina avtorjev priporoča, da za oceno Yongovega modula vzamemo prav sekantni modul E1. Naše izkušnje meritev v Rudniku lignita Velenje kažejo, da je v Velenjski kotlini najbližji Youngovem modulu, kar presiometrični modul Ep. Dogajanja v okolici odkopov v veliki meri vplivajo na spreminjanje elastičnih lastnosti hribin. Zato je potrebno elastoplastične lastnosti določevati tako pred, nad in za čelom odkopa t.j. na vseh področjih, ki so dosegljiva z vrtanjem. Uspešna opredelitev spreminjanja elastičnih lastnosti hribin v odvisnosti od oddaljelnosti in položaja glede na odkop je pomembna za razumevanje rušnega procesa, omogoča pa tudi matematično modeliranje rušnih procesov. Drugi instrumenti za in-situ določanje geomehanskih lastnosti Poleg opisanih aparatov najdemo v literaturi še precej naprav, ki v vrtinah omogočajo določanje različnih geotehničnih lastnosti, so pa manj razširjene in njihova zanesljivost še ni verificirana. V vsakem podzemnem prostoru so razmere in pogoji za izvedbo in-situ raziskav različni, pa tudi problematika je od enega do drugega drugačna. Zato je v projektih in-situ meritev potrebno standardne postopke in naprave prilagoditi razmeram, pogosto pa razviti lastne tehnike in-situ merjenj in specialne merilne naprave. IN-SITU/ 35
© Copyright 2024