Aparatura pomiarowa oraz metodyka badań ERT

Pomiary techniką obrazowania elektrooporowego ERT realizowane były urządzeniem LUND Imaging System, szwedzkiej firmy ABEM (www.guidelinegeo.com), w skład którego wchodzi sterowany mikrokomputerem selektor elektrod, miernik geoelektryczny z cyfrową rejestracją pomiarów, komplet elektrod ze stali nierdzewnej, kable do łączenia elektrod z kablem wielożyłowym oraz bębny z kablami wielożyłowymi (Fig. 3.18).

Fig.3.18. Szwedzki system do pomiarów ERT – LUND Imaging System (www.guidelinegeo.com) Na każdym profilu pomiarowym wiercono otwory pod elektrody z zachowaniem prostoliniowości profilu pomiarowego, co było istotne z punktu widzenia dalszego przetwarzania danych pomiarowych. Odległość pomiędzy elektrodami oraz ilość elektrod, a więc w efekcie i długość profilu, dobierano odpowiednio do planowanej rozdzielczości badań oraz planowanego zasięgu głębokościowego. Każdorazowo, przed rozpoczęciem pomiarów właściwych wykonywano test kontaktu elektrod z górotworem. Pomiary właściwe wykonano w układzie symetrycznym Schlumbergera, który charakteryzuje się odpowiednią rozdzielczością i czułością, niskim stosunkiem szumu do sygnału, dobrym pokryciem punktami pomiarowymi i relatywnie dużym zasięgiem głębokościowym (Tabela 3.5, Fig. 3.16). Podczas pomiarów impuls prądowy maksymalny wynosił 200 mA, a minimalny 50 mA. Wartość wyniku pomiaru składana była z 2 lub

Strona | 43

4 powtórzeń. Jeśli różnica pomiędzy dwoma powtórzeniami była mniejsza niż 5% to jako wyniki akceptowano medianę z tych dwóch wartości. W przeciwnym wypadku aparatura wykonywała dodatkowe dwa powtórzenia i obliczała medianę już z 4 wartości.

Oprócz pomiarów wykonywanych z użyciem standardowych, krótkich elektrod, przeprowadzono dodatkowo w O/ZG „Rudna” badania testowe z wykorzystaniem kotew ekspansywnych (Fig. 3.19A), jako elektrody. Standardowo, w warunkach geologiczno-górniczych KGHM, do kotwienia stropów używa się kotew wklejanych; w wybranych, trudnych warunkach stosuje się kotwy ekspansywne. Ponieważ kotwy ekspansywne stosuje się relatywnie rzadko, dlatego badania testowe przeprowadzano tylko w jednym, wybranym miejscu, na oddziale G-24 (Rozdział 4.1.3).

Celem badań testowych, była analiza przydatności kotew ekspansywnych do badania stropów wyrobisk co, jeśli wyniki testów byłyby pozytywne, pozwoliłoby zmniejszyć czasochłonność, pracochłonność i koszty badań techniką ERT. Podczas standardowych pomiarów w kopalni, należało wykonać 5 etapów prac: (a) odwiercić kilkadziesiąt, a czasami kilkaset otworów pod elektrody, (b) wykonać kilkadziesiąt/kilkaset elektrod, (c) zamontować na stałe elektrody w stropie wyrobiska, bez możliwości ich odzyskania i wykorzystania do innych badań, (d) podpiąć kable wielożyłowe do elektrod, (e) przeprowadzić pomiary. Zastosowanie kotew ekspansywnych jako elektrod zredukowałoby badania do punktów (d) i (e).

Fig. 3.19. A) Kotwa ekspansywna stosowana w KGHM, B) Geometria długiej i krótkiej elektrody stosowanej podczas testu powierzchniowego

Zastosowanie długich elektrod w badaniach ERT jest zagadnieniem relatywnie nowym. Prace na ten temat publikowali m.in. Daily i in. (2004), Rucker i in. (2010, 2011, 2012), Rucker (2012),

Strona | 44

Ronczka i in. (2013, 2015a, 2015b). Jak pokazała analiza literatury, zastosowanie kotwi ekspansywnych jako elektrod w warunkach górniczych było jednym z pierwszych, jeśli nie pierwszym, takim rozwiązaniem na świecie.

W pracy Ronczka i in. (2013) przedstawiono m.in. analizę czułości dipolowego układu pomiarowego, zależnie od tego czy stosowane były standardowe, krótkie elektrody czy też długie elektrody, które stanowiły orurowania otworów (Fig. 3.20). Z Fig. 3.12 wynika, że zastosowanie długich elektrod przesuwa obszar czułości układu w głąb badanego ośrodka, co jest efektem pozytywnym, np. podczas badań kopalnianych, gdzie strefa okołowyrobiskowa jest silne zmieniona działalnością górniczą.

Fig.3.20. Rozkład czułości dipolowego układu pomiarowego dla: A) czterech krótkich elektrod; B) czterech 100-metrodych elektrod/otworów; C) Elektrody/otwory z rożnymi długościami;

D) kombinacji długich elektrod/otworów i krótkich elektrod (Ronczka i in., 2013)

Na podstawie pracy Ronczka i in. (2013), jak i prac innych cytowanych autorów można wyciągnąć kilka generalnych wniosków, a mianowicie: (a) rozdzielczość pozioma przy badaniach krótkimi i długimi elektrodami jest podobna, (b) długie elektrody przesuwają obszar podwyższonej czułości układu w głąb badanego ośrodka, co powoduje spadek rozdzielczości pionowej w strefie przypowierzchniowej, (c) zastosowane długich elektrod przesuwa obszar pomiarowy poniżej zakłóceń przypowierzchniowych, (d) długie elektrody pozwalają na lepszą transmisję prądu do badanego ośrodka i wygenerowanie mocniejszego sygnału.

Przed rozpoczęciem testowych badań dołowych, przeprowadzono testy powierzchniowe (Gołębiowski i in. 2018) z wykorzystaniem standardowych, krótkich elektrod, wykonanych ze stali

Strona | 45

nierdzewnej oraz długich elektrod, wykonanych ze stali węglowej (Fig.3.19B). Geometria długich elektrod oraz parametry materiałowe były prawie identyczne jak w przypadku kotwi ekspansywnych (Fig. 3.19A). Odległość pomiędzy kotwami w kopalni (oddział G-24) wynosiła ok. 1,5m; po analizie rozkładu kotwi na stropie okazało się, że dla zachowania liniowości profilu, pomiary muszą być wykonywane co drugą kotwę, czyli co 3m, dlatego też testy powierzchniowe wykonano z 3-metrową odległością pomiędzy długimi i krótkimi elektrodami.

Wyniki oporności zbliżone do rzeczywistych (Fig. 3.21) otrzymano w procesie inwersji (zastosowano algorytm inwersji gładkiej) w programie Res-2D-Inv, malezyjskiej firmy GeoTomo Software (www.geotomosoft.com). Bardziej szczegółowy opis procesu inwersji danych ERT przedstawiono w kolejnym rozdziale. Program Res-2D-Inv uwzględnia w obliczeniach punktowe źródła prądu, co było spełnione dla obu testowanych przypadków, tzn. krótkie elektrody były wbijane do gruntu na głębokość 40cm, a długie elektrody miały galwaniczny kontakt z ośrodkiem, głównie poprzez końcówkę o długości h=14cm (Fig. 3.19B).

Fig.3.21. Rozkłady oporności po inwersji dla: A) standardowych, krótkich elektrod; B) długich elektrod (Gołębiowski i in. 2018)

Wyniki testów powierzchniowych były podobnej jakości, tzn. rozkłady punktów na poziomach pomiarowych (Fig. 3.17) były prawie identyczne, odchylenia standardowe w poszczególnych cyklach pomiarowych zmieniały się w obu przypadkach w przedziale 0,01-0,1% (okazjonalnie 1%); rozkłady anomalii, wartości oporności oraz błędy RMS w obu przypadkach były prawie identyczne (Fig. 3.21).

Strona | 46

W pracy Dahlin et al. (2002) stwierdzono, iż pomiary wykonywane różnymi elektrodami są ekwiwalentne, jeśli wartości oporności zarejestrowane dwoma rodzajami elektrod, na tym samym profilu, w takich samych warunkach (geologicznych i aparaturowych) i analizowane parami oporności, układają się linowo; w analizowanym przypadku uzyskano zbliżony do liniowego rozkład, a współczynnik regresji liniowej dla tego rozkładu był bardzo wysoki, tj. R2=0,96 (Fig. 3.22A). Jeśli pomiary są ekwiwalentne, to różnice (wartości rezydualne) oporności wyznaczonych dla długich i krótkich elektrod powinny być jak najmniejsze, a rozkład wartości rezydualnych powinien być zbliżony do rozkładu Gaussa. Na (Fig. 3.22B) przedstawiono histogram uzyskany dla wartości rezydualnych, który jest zbliżony do rozkładu normalnego. Szczegółowy opis badań testowych z użyciem długich i krótkich elektrod oraz dokładniejsza analiza wyników, przedstawiona została w pracy Gołębiowski i in. (2018).

Fig.3.22. A) Wartości oporności zarejestrowane podczas testów z użyciem długich i krótkich elektrod; B) Histogram wartości rezydualnych

Analizując wyniki przedstawione na Fig. 3.21 oraz Fig. 3.22 można stwierdzić, że w analizowanych przypadkach, ani rodzaj materiału, z których wykonane były elektrody, ani głębokość ich stabilizacji, ani też średnica elektrod, nie wpływały znacząco na uzyskane wyniki. Dlatego też, można spodziewać się w warunkach kopalnianych, że wyniki pomiarów ERT z wykorzystaniem kotwi ekspansywnych (tj. długich elektrod) powinny być porównywalne w skali jakościowej z wynikami uzyskanymi na tym samym profilu wykonanymi przy użyciu standardowych, krótkich elektrod.

Strona | 47