Index of /rozprawy2/11458

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie. WYDZIAŁ GEOLOGII, GEOFIZYKI I OCHRONY ŚRODOWISKA. PRA CA DOKTORSKA. TYTUŁ: ZASTOSOWANIE METODY GEORADAROWEJ I TOMOGRAFII ELEKTROOPOROWEJ DO ROZWIĄZYWANIA WYBRANYCH PROBLEMÓW GEOLOGICZNO-GÓRNICZYCH W KOPALNIACH KGHM POLSKA MIEDŹ S.A.. Autor:. Promotor:. Mgr Tomasz Małysa. Dr hab. inż. Tomisław Gołębiowski, prof. PK. Kraków, 2018.

(2) SPIS TREŚCI. Spis oznaczeń ……………………………………………………….………..………………………………………………….….… 4 1.. Wprowadzenie …..…….……………………………………….………………..……………………………………………. 5. 2.. Studium literaturowe ……………...………………………….……………..…………………………………………….. 9. 3.. Podstawy zastosowanych metod geofizycznych …….…………..………….…………..…….….…………. 14 3.1. Podstawy teoretyczne metody georadarowej (GPR) ………..…………….………….…………… 14 3.2. Aparatura pomiarowa oraz metodyka badań GPR ………………….….….………..……………… 23 3.3. Cyfrowe przetwarzanie danych GPR ……………….………………….………………………….………. 29 3.4. Podstawy teoretyczne tomografii elektrooporowej (ERT) …………….………….…………….. 33 3.5. Aparatura pomiarowa oraz metodyka badań ERT ……………...............………..……………… 42 3.6. Inwersja danych ERT ………………….………………………………………………………….……………….. 47 3.7. Profilowanie elektromagnetyczne ………………………………………….……………………….……… 50. 4.. Badania dołowe ……….………………………………………….………………………………………………………….. 53 4.1. Zastosowanie metod GPR i ERT do detekcji stref podwyższonej porowatości i stref spękań w OZ/G „Polkowice-Sieroszowice” oraz w OZ/G „Rudna” …….………..… 53 4.1.1. Badania geofizyczne na oddziale G-12 w OZ/G „Polkowice-Sieroszowice” …… 53 4.1.2. Badania geofizyczne na oddziale G-12 w OZ/G „Rudna” …………………..………….. 64 4.1.3. Badania geofizyczne na oddziale G-24 w OZ/G „Rudna” …………………………..….. 74 4.2. Zastosowanie metod GPR i ERT do okonturowania stref podwyższonej mineralizacji polimetalicznej w OZ/G „Polkowice-Sieroszowice” …...……………………………….……...….. 77 4.2.1. Badania petrofizyczne ………………………….…………………………………………………..… 77.

(3) 4.2.2. Badania geofizyczne w pochylni A5F - rejon SR14 …………………...………………….. 92 4.2.3. Badania geofizyczne w upadowej D2 - rejon Jm21 ………..…….…………..……….. 106 4.3. Zastosowanie metody GPR do detekcji brekcji i porwaków anhydrytowych w złożu soli kamiennej w OZ/G „Polkowice-Sieroszowice” …………………………………... 114 4.3.1. Badania. georadarem. otworowym. w. osiach. planowanych. wyrobisk. SG-2 i SG-2A …………………………………………………………….………………………………. 114 4.3.2. Georadarowe badania spągów w wyrobiskach 12g i Ps-0 ………….……………….. 144 5.. Wnioski końcowe ……….………………………………………………………………………….……………………... 151. Spis tabel ……………………………………………………………………………………………………………………………… 158 Spis figur ……….……………………………………………………………………………………………………………………… 159 Bibliografia …………………….………….………………………………………………………………………….…..………… 166. Załącznik nr 1. Prośba Promotora o zezwolenie na niekomercyjne wykorzystanie wyników badań geofizycznych dla celów publikacji naukowych i przygotowania rozprawy doktorskiej.. Załącznik nr 2. Wniosek Doktoranta o zezwolenie na niekomercyjne wykorzystanie wyników badań geofizycznych w celu przygotowania rozprawy doktorskiej.. Załącznik nr 3. Zgoda KGHM Polska Miedź S.A. na niekomercyjne wykorzystanie wyników badań geofizycznych dla celów publikacji naukowych i przygotowania rozprawy doktorskiej..

(4) Spis oznaczeń Oznaczenia zestawiono w kolejności ich pojawiania się w tekście..  0 r. [F/m]. odpowiednio, przenikalność elektryczna ośrodka, przenikalność elektryczna próżni, względna przenikalność elektryczna ośrodka (względna stała dielektryczna skały).  0 r. [H/m]. odpowiednio, przenikalność magnetyczna ośrodka, przenikalność magnetyczna próżni, względna przenikalność magnetyczna ośrodka.  a. [S/m]. Odpowiednio, przewodność elektryczna właściwa i pozorna. E. [V/m]. Wektor natężenia pola elektrycznego. H. [A/m]. Wektor natężenia pola magnetycznego. t. [s]. Czas. . [-]. Wektor propagacji fali. i. [-]. Jednostka urojona. . [Hz]. Pulsacja. f. [Hz]. Częstotliwość. . [dB/m]. Współczynnik tłumienia fali. v. [cm/ns] Prędkość propagacji fali. Q. [-]. Współczynniki dobroci. r. [-]. Współczynnik odbicia. R. [m]. Rozdzielczość pionowa. L. [m]. Rozdzielczość pozioma. W. [s]. Szerokość połówkowa sygnału. l, s, r. [m]. Odległość, promień. h. [m]. Głębokość. . [m]. Długość fali. 2a, 2b. [m]. Rozmiar strefy odbicia fali. Tx. [-]. Antena nadawcza, cewka nadawcza. Rx. [-]. Antena odbiorcza, cewka odbiorcza.  a. [m]. Odpowiednio, oporność elektryczna właściwa i pozorna. V, dV. [V]. Potencjał, różnica potencjałów. I. [A]. natężenie prądu elektrycznego. j. [Am-2]. gęstość prądu elektrycznego. K. [m]. Współczynnik geometryczny geoelektrycznego układu pomiarowego. x y z. [m]. Współrzędne układu kartezjańskiego, zorientowanego w taki sposób, aby profil pomiarowy przebiegał wzdłuż osi „x”, a głębokość wzdłuż osi „z”.

(5) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 1. Wprowadzenie Obecnie, rozpoznanie otworowe jest standardową techniką stosowaną w KGHM Polska Miedź S.A. do gromadzenia informacji o górotworze wokół wyrobisk górniczych oraz przed frontem eksploatacyjnym. Technika ta jest czasochłonna, pracochłonna, bardzo droga, a co najważniejsze, dostarcza jedynie ubogich informacji punktowych o badanym ośrodku geologicznym. Prowadzone obecnie wiercenia z poziomu wyrobisk, co 2030m, a czasami i rzadziej, dostarczają co prawda wystarczających informacji, dotyczących przebiegu głównych granic geologicznych, natomiast nie dają żadnej możliwości detekcji małych obiektów. Obiektami takimi mogą być np. kawerny wypełnione wodą złożową lub zakolmatowane materiałem ilastym bądź kurzawką. Na podstawie informacji uzyskanych z rzadkiej sieci. otworów,. nie. ma. również. możliwości. dokładnego. zobrazowania. zmienności. w porowatości i szczelinowatości górotworu, a to właśnie strefy lokalnego podwyższenia porowatości/szczelinowatości kumulują gazy i płyny złożowe. Wyrobiska w złożu miedzi, drążone są techniką strzałową, co powoduje, że wokół wyrobisk powstaje relatywnie duża strefa spękań, która może jeszcze powiększać się w wyniku działania naprężeń powstających wokół wyrobisk. W efekcie może pojawić się połączenie hydrauliczne pomiędzy wyrobiskiem, strefą spękań antropogenicznych i strefą szczelinową zawierającą gaz/wodę, co w efekcie spowoduje dopływ do wyrobiska mediów złożowych i powstanie zagrożenia dla ludzi oraz dla procesu eksploatacyjnego. Rozwiązaniem problemu niedoboru informacji gromadzonych na podstawie rozpoznania otworowego może być zastosowanie technik geofizycznych, które są znacznie tańsze od wierceń, mniej czasochłonne i pracochłonne, nieinwazyjne oraz dostarczają informacji quasi-ciągłej o badanym ośrodku. Rozpoznanie okołowyrobiskowych stref spękań z wysoką rozdzielczością, rzędu centymetrów oraz detekcja z mniejszą rozdzielczością, lecz do 2030m od wyrobisk, większych stref podwyższonej porowatości i szczelinowatości była pierwszym zagadnieniem analizowanym w pracy doktorskiej. Badania geofizyczne prowadzono w wytypowanych przez kopalnie wyrobiskach, w O/ZG „Polkowice-Sieroszowie” i w O/ZG „Rudna”. Drugim zagadnieniem, które zdefiniowano w doktoracie, była analiza możliwości zastosowania wybranych metod geofizycznych, do okonturowania stref podwyższonej. Strona | 5.

(6) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. mineralizacji polimetalicznej w złożu miedzi. Obecnie opróbowanie złoża miedzi prowadzi się poprzez pobór próbek z ociosów, wzdłuż profili pionowych, oddalonych od siebie o ok. 10m; pobór próbek na każdym profilu odbywa się z interwałem 1020cm. W efekcie uzyskuje się bardzo dokładne rozpoznanie złoża w kierunku pionowym, znacznie gorsze w kierunku poziomym, natomiast brak jest informacji w kierunku głębokościowym. Dlatego podjęto próbę oszacowania możliwości zastosowania wybranych metod geofizycznych do okonturowania stref okruszcowanych Cu, Fe, Pb do głębokości kilku metrów od płaszczyzn ociosów/przodków. Testowe. badania. geofizyczne. prowadzono. w. wyrobiskach. wytypowanych. przez. O/ZG „Polkowice-Sieroszowie”. Trzecie zagadnienie analizowane w doktoracie, związane było z eksploatacją złoża soli kamiennej w kopalni O/ZG „Polkowice-Sieroszowice”. Wyrobiska w soli drążone są kombajnem, który ma głowicę przystosowaną do miękkiej soli. Z rozpoznania otworowego wynikało, że złoże soli w wielu miejscach przewarstwione jest brekcją anhydrytową, a czasami w złożu zalegają duże (rzędu kilku, kilkunastu metrów) porwaki anhydrytowe. Obecność porwaka w świetle drążonego wyrobiska może uszkodzić głowicę kombajnu, ze względu na dwukrotnie większą twardość (w skali Mosha) anhydrytu w stosunku do halitu. Porwaki i brekcja anhydrytowa cechują się większą porowatością i szczelinowatością aniżeli plastyczna sól i w efekcie mogą kumulować w sobie gazy i płyny złożowe. Z praktyki górniczej wynikało, że często spotykanym gazem, występującym w porwakach jest siarkowodór, który może po nacięciu porwaka kombajnem przedostać się do wyrobiska. Dlatego też, trzecim zagadnieniem analizowanym w doktoracie była analiza możliwości detekcji w złożu soli porwaków i brekcji anhydrytowej z poziomu otworów wyprzedzających. Podstawowym założeniem przy wyborze metod geofizycznych, które mogłyby rozwiązać zdefiniowane zagadnienia, było założenie wysokiej rozdzielczości badań. Dlatego też, badania geofizyczne musiały być prowadzone z poziomu wyrobisk, a nie z powierzchni ziemi, ponieważ wyrobiska ulokowane były na głębokościach 7001000m, a na takich głębokościach nie ma możliwości prowadzenia badań z wysoką rozdzielczością z powierzchni terenu. Kolejnym kryterium przy wyborze metod geofizycznych były kontrasty (różnice) parametrów petrofizycznych pomiędzy: (a) górotworem litym i spękanym, (b) ośrodkiem okruszcowanym i nieokruszcowanym oraz (c) solą i anhydrytem.. Strona | 6.

(7) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Powyższe kryteria spełniały trzy, wzajemnie uzupełniające się metody geofizyczne, tzn. metoda georadarowa (GPR), tomografia elektrooporowa (ERT) oraz konduktometria – profilowanie elektromagnetyczne (EMP). Badania geofizyczne prowadzono w układzie dwuwymiarowym (2D), dlatego podstawowymi technikami były metody GPR i ERT, natomiast konduktometria stosowana była tylko uzupełniająco, podczas detekcji stref podwyższonej mineralizacji polimetalicznej. Znając zagadnienia zdefiniowane w doktoracie oraz używane metody geofizyczne, można przedstawić tezy rozprawy doktorskiej: . Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej pozwoli na detekcję stref spękań pochodzenia naturalnego i indukowanych działalnością górniczą, zagrażających dopływem gazu lub wody do wyrobisk.. . Zastosowanie proponowanych metod geofizycznych pozwoli na okonturowanie stref podwyższonej mineralizacji polimetalicznej, co w efekcie wpłynie na optymalizację procesu eksploatacji.. . Zastosowanie metody georadarowej pozwoli na detekcję brekcji anhydrytowej i porwaków anhydrytowych występujących w złożu soli kamiennej, które mogą być potencjalnymi źródłami występowania siarkowodoru.. Ze względu na szeroki zakres prac prowadzonych w doktoracie oraz wykonywanie badań w trudnych warunkach kopalnianych, potrzebna była pomoc dodatkowych osób. W ten sposób powstał zespół prowadzący badania dołowe, tzn.: dr hab. inż. Tomisław Gołębiowski, prof. PK (promotor rozprawy doktorskiej), mgr Tomasz Małysa (doktorant), dr hab. Bogdan Żogała, dr Maciej Mendecki, mgr inż. Wioletta Antonik. W tym miejscu należy podziękować wymienionym osoba za ich pomoc i zaangażowanie w badaniach geofizycznych. Badania prowadzone w ramach realizacji pracy doktorskiej, zostały w całości sfinansowane przez KGHM Polska Miedź S.A., a poszczególne etapy prac realizowane były w ramach umów: 1.. Umowa nr KGHM-KP-U-0352-2011, pt.: „Określenie możliwości zastosowania metod geofizycznych do wyznaczenia zalegania stropu i spągu pokładu soli oraz występowania w tym pokładzie wkładek brył anhydrytowych”.. 2.. Umowa nr KGHM-KP-U-0340-2011, pt.: „Określenie możliwości zastosowania geofizycznych technik elektrycznych i elektromagnetycznych do lokalizacji stref okruszcowanych w ZG Polkowice-Sieroszowice – KGHM Polska Miedź S.A.”. Strona | 7.

(8) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 3.. Umowa nr KGHM-KP-U-0553-2011, pt.: „Geometryzacja kawerny nad stropem wyrobisk, w rejonie skrzyżowania wyrobisk K-17/P-26, na oddziale G-12, metodą georadarową”.. 4.. Umowa. nr. JGKR/GGE/000144/12,. pt.:. „Analiza. możliwości. lokalizacji. stref. o podwyższonej porowatości i szczelinowatości oraz wyznaczania przebiegu granicy dolomit – anhydryt, za pomocą wybranych technik geofizycznych w O/ZG Rudna, na oddziałach G-12 i G-24”. 5.. Umowy nr KGHM-KP-U-0181-2015, pt.: „Identyfikacja metodami radarowymi porwaków anhydrytowych w złożu soli kamiennej jako potencjalnych źródeł występowania siarkowodoru”.. W tym miejscu należy serdecznie podziękować firmie KGHM Polska Miedź S.A. za zapewnienie finansowania, bez którego nie byłoby możliwości zrealizowania pracy doktorskiej. Podziękowania. należą. się. również. geologom. z. O/ZG. „Polkowice-Sieroszowie”. i w O/ZG „Rudna”, którzy pomagali w pracach dołowych i przygotowywali materiały geologiczne. W. szczególności,. głównym. geologom. kopalnianym,. którzy. nadzorowali. całość prac, tzn. mgr inż. Jerzemu Kubiakowi, mgr inż. Romanowi Jedleckiemu oraz mgr inż. Robertowi Rożkowi. Wyniki badań testowych, przeprowadzonych w ramach realizacji doktoratu, były na tyle obiecujące, że dyrekcja KGHM Polska Miedź S.A. podjęła decyzję o kontynuowania badań geofizycznych. Obecnie (tj. w 2018 roku), w ramach umowy nr KGHM-BZ-U-0273-2018, prowadzone są kolejne testy dołowe nad zastosowaniem niestandardowych technik georadarowych oraz badań ERT i sejsmicznych, do wysokorozdzielczej detekcji spękań kumulujących gazy, które mogą przedostawać się do wyrobisk i stwarzać zagrożenie dla ludzi.. Strona | 8.

(9) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 2. Studium literaturowe Pod pojęciem geofizyki górniczej (Marcak i Zuberek 1994) rozumie się badania i obserwacje zespołu zjawisk oraz procesów fizycznych zachodzących w górotworze, a także wykorzystanie metod geofizycznych w celu efektywnego i bezpiecznego prowadzenia eksploatacji górniczej. Taka definicja ma bardzo szerokie spektrum, ponieważ obejmuje zarówno analizę wszystkich zjawisk i procesów fizycznych zachodzących w górotworze w czasie eksploatacji oraz po jej zakończeniu, jak również odnosi się do większości metod geofizycznych wykorzystywanych od fazy rozpoznania i dokumentacji (w tym zakresie obejmuje geofizykę poszukiwawczą), poprzez cały okres eksploatacji (tj. implementacja metod geofizyki inżynierskiej dla celów górniczych), a kończąc na etapie likwidacji kopalń i skutków, jakie ich istnienie przyniosło dla środowiska. Należy zaznaczyć, iż warunkiem efektywnej oraz bezpiecznej eksploatacji górniczej jest (Zuberek 2001): . rozpoznanie złoża i wszystkich zmian w jego wykształceniu, ważnych dla prowadzenia robót górniczych, np. okruszcowania żył rudnych, zmiany miąższości złóż pokładowych,. . wczesne wykrywanie i minimalizacja zagrożeń wodnych, tąpaniami lub nagłymi wyrzutami skał i gazu, pożarowych,. . wykrywanie oraz lokalizowanie uskoków, a także innych nieciągłości istotnych z punktu widzenia technologii wybierania kopaliny,. . ochrona środowiska przyrodniczego oraz minimalizowanie ujemnych skutków eksploatacji górniczej.. Zastosowanie geofizyki górniczej ma miejsce zarówno w górnictwie odkrywkowym, jak również podziemnym. Badania geofizyczne z powodzeniem stosuje się w górnictwie węgla kamiennego i brunatnego, górnictwa rud metali oraz surowców skalnych. Ze względu na szeroki zakres stosowanych metod geofizycznych w górnictwie (Parasnis 1973), z punktu widzenia celu rozprawy doktorskiej, poniżej przedstawiono przegląd dostępnej literatury, dotyczący aplikacji technik elektrycznych i elektromagnetycznych w górnictwie podziemnym. Współczesne górnictwo oczekuje od nauki pomocy w rozwiązywaniu problemów dotyczących warunków prowadzenia eksploatacji, jak i możliwości predykcji występowania zagrożeń. Literatura geofizyczna zawiera przykłady skutecznego stosowania geofizycznych badań elektrycznych oraz elektromagnetycznych w warunkach górnictwa podziemnego. Strona | 9.

(10) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Jedne z najwcześniejszych prób zastosowania metody georadarowej (GPR) w górnictwie podziemnym miały miejsce w kopalniach soli i węgla kamiennego (Cook 1969, 1975; Unterberger 1978; Stewart i Unterberger 1976; Coon i in. 1981). Molinda i in. (1996) zaprezentowali wyniki zastosowania metody GPR w celu identyfikacji potencjalnych zagrożeń ze strony stropu wyrobisk górniczych. Skupiono się na identyfikacji rozwarstwień złoża oraz detekcji granic pomiędzy warstwami geologicznymi np. łupek - węgiel, piaskowiec - łupek oraz rozpoznaniu stref spękań, szczelin, uskoków. Zastosowano anteny o częstotliwości 300 MHz i 500 MHz. Skuteczność wykonanych badań potwierdzono wierceniami. Zrealizowane prace pozwoliły m.in. na wykrycie spękań o wielkości 1,27cm w odległości 1,52,4m powyżej stropu wyrobiska. Autorzy stwierdzają, iż jakość otrzymanych danych zależy od rodzaju aparatury, parametrów akwizycji oraz sposobu przetwarzania danych pomiarowych. Annan (2003) zwraca uwagę na możliwość zastosowania techniki GPR w kopalniach węgla kamiennego, jako użytecznego narzędzia w lokalizowaniu miejsc niebezpiecznych pod względem nagromadzeń gazu oraz potencjalnych stref osłabienia stropu. Autor pokazuje różnice w uzyskiwanych wynikach, w zależności od zastosowanej polaryzacji układu antenowego i zwraca uwagę na dobór odpowiedniej metodyki. Technika GPR była wykorzystywana z powodzeniem do określenia stratygrafii, lokalizowania spękań i szczelin oraz do szacowania miąższości warstw i stabilności stropu w kopalniach soli (Kelly i in. 2005; Kovin 2002; Thoma i in. 2003; Gregoire i Halleux 2002). Kovin (2011) przedstawia możliwości zastosowania metody GPR w warunkach górnictwa podziemnego soli potasowej, w złożu Upper Kama. Zastosował rosyjski georadar OKO, z antenami ekranowanymi o częstotliwościach 150 MHz oraz 400 MHz. Ponadto wykonane zostały profilowania prędkościowe CMP i WARR oraz badania laboratoryjne próbek. Właściwe pomiary wykonano zarówno po spągach i ociosach, jak również po stropach wyrobisk. Celem badań była próba wykrycia m.in. spękań i szczelin o rozmiarach rzędu milimetrów. Wykonane modelowanie potwierdzało możliwość wykrycia pęknięć o tych rozmiarach, stosując antenę o częstotliwości 400 MHz. Teoretycznie, rozdzielczość metody wynosi ¼ długości fali, a więc stosując antenę o częstotliwości 400 MHz można rozpoznać pęknięcie wypełnione powietrzem, o rozwarciu powyżej ok. 0,2 m. Autorowi nie udało się zlokalizować w warunkach dołowych tak niewielkich pęknięć i rozwarstwień.. Strona | 10.

(11) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Jednakże należy podkreślić, iż możliwość detekcji spękań i szczelin jest zależna od medium wypełniającego wolne przestrzenie (Lane i in. 2005). Pęknięcia wypełnione powietrzem lub węglowodorami generują refleksy o niskiej amplitudzie; natomiast wypełnione wodą, powodują rejestracje na radargramach refleksów o większej amplitudzie oraz przeciwnej polaryzacji. Apel i Dezelic (2005) przeprowadzili badania testowe, z użyciem anteny GPR o częstotliwości 1,5 GHz, po stropach w wyrobiskach kopalni dolomitu i wapieni. Z przeprowadzonych prac wysunęli istotny wniosek, a mianowicie udowodnili, iż badany ośrodek (strop) powinien być zawilgocony. Wilgoć, która zwiększa różnice (kontrast) przenikalności elektrycznych pomiędzy suchym i wilgotnym/zawodnionym ośrodkiem, poprawia wydajność GPR. W większości przypadków, w zależności od charakterystyki obszaru badań, wysoka wilgotność ogranicza głębokość penetracji fal elektromagnetycznych. Wykonanie badań w utworach suchych pozwoli co prawda uzyskać większy zasięg głębokościowy, ale podczas interpretacji wyników można pominąć małe pustki lub przewarstwienia. W górnictwie podziemnym znajduje także swoje zastosowanie metoda elektrooporowa w wersji tomografii elektrooporowej (ERT). Eso i Oldenburg (2006) przedstawili wyniki swoich badań, które wykonali w podziemnej kopalni potasu w Saskatchewan w Kanadzie. Celem badań było wyznaczenie i monitorowanie strefy solanki oraz wykrycie pustych przestrzeni. Autorzy zaprojektowali oraz wykonali badania metodą ERT w wersji 3D. Działająca kopalnia podziemna stwarza trudne warunki do akwizycji danych pomiarowych o wysokiej jakości. Trzeba mieć na uwadze, iż podczas pomiarów, aktywne są różne źródła zakłóceń takie jak sprzęt górniczy, pompy, infrastruktura elektryczna, odwierty, kotwy, system wentylacji i wiele inne. Pomimo to otrzymane wyniki pozwoliły na zaplanowanie i realizację działań prewencyjnych mających na celu uszczelnienie dopływu wody do wyrobisk górniczych. Li i in. (2015). opisują. możliwości. oraz. ograniczenia. wykorzystania. techniki. ERT. w podziemnych badaniach (tj. kopalnie, tunele). Zwracają uwagę na zakłócające akwizycję elementy metalowe oraz infrastrukturę towarzyszącą, a także na skomplikowaną budowę geologiczną w porównaniu do badań realizowanych na powierzchni. Wyniki badań dały satysfakcjonujący rezultat, a autorzy podkreślają, iż możliwe jest wykonywanie standardowych pomiarów ERT oraz międzyotworowych badań ERT oraz monitoring 4D górotworu. Z kolei Yaramanci (2000) przedstawia w swojej pracy możliwości zastosowania metody ERT do badań utworów solnych, które są predysponowane do wykorzystywania jako mogilniki dla Strona | 11.

(12) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. odpadów nuklearnych oraz toksycznych odpadów chemicznych i przemysłowych. Badania wykonano w kopalni soli Asse w północnych Niemczech, w celu lokalizacji strefy zawilgoconej oraz zmian w budowie geologicznej. Według autora metody elektryczne są wartościowe i prawdopodobnie najbardziej odpowiednie do badań zmian budowy geologicznej oraz monitorowania migracji wody. Nawet niewielkie zmiany składu wody mogą powodować duże zmiany w mierzonej oporności elektrycznej. Murphy (2014) zestawił tabelarycznie możliwości zastosowania różnych technik geofizycznych, w zależności od celu oraz sposobu akwizycji danych, również w warunkach górniczych. Wykazał możliwości detekcyjne poszczególnych metod. Literatura przedmiotu stricte dotycząca zastosowania techniki GPR oraz ERT w podziemnym górnictwie rudnym jest bardzo skromna, zarówno w zakresie dostępnych publikacji, jak również informacji zamieszczanych na stronach WWW. Może to wynikać zarówno ze stopnia skomplikowania zagadnienia, jak również z faktu, iż stosowanie nowoczesnych technik badawczych w strategicznym sektorze górnictwa jest unikalnym know–how i zleceniodawcy tego typu pomiarów traktują efekty tych prac jako poufne, bez możliwości ich udostępniania. Van Schoor (2005) przedstawił, jego zdaniem nowatorskie podejście, stosując technikę ERT w południowoafrykańskim kompleksie kopalń platyny Bushveld. Wykonano badania w wyrobiskach kopalni Western Platinum Mine oraz Two Rivers Platinum Mine. Celem było wykrycie i lokalizacja zaburzeń geologicznych, które zostaną napotkane w trakcie przyszłej eksploatacji. W obu przypadkach otrzymane wyniki dały dobre rezultaty, które korelowały ze znanymi z wierceń strukturami geologicznymi. Autor stwierdza, że technika ta ma potencjał w zastosowaniu w tego typu kopalniach, aby stać się standardowym narzędziem badawczym. Jednakże metoda ERT w takich warunkach jest stosunkowo nowatorska i wymaga dalszych prac. Van Schoor i in. (2006) stosując badania geofizyczne w kopalniach platyny i złota podkreśla fakt, iż pomyślne zastosowanie tego typu technik badawczych w kopalni, stanowi o wiele większe wyzwanie niż na powierzchni. Kluczowymi przeszkodami związanymi ze stosowaniem badań geofizycznych w kopalni są: warunki środowiskowe (wysoka temperatura oraz wilgotność i wysoka korozyjność), ograniczony dostęp do obszaru badań, ograniczenia pomiarowe związane z ciągłością procesu produkcyjnego, wpływ infrastruktury górniczej, trójwymiarowy charakter celów badań i wiele innych czynników charakterystycznych dla konkretnej kopalni oraz konkretnego wyrobiska. Strona | 12.

(13) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. W pracy Butra i in. (2017) podano przykłady wykorzystania techniki GPR z zastosowaniem anten ekranowanych, nieekranowanych oraz otworowych skierowanych zarówno do stropu, ociosu, jak również w stronę spągu wyrobisk. Autorzy opisują wykorzystanie metody GPR w złożu soli kamiennej kopalni „Polkowice–Sieroszowice” oraz złożu miedzi kopalni „Rudna’. Autorzy wskazują, iż bardzo ważnym czynnikiem umożliwiającym wykonanie pomiarów do rozpoznania budowy i oceny stanu górotworu skał stropowych jest wykorzystywanie przez LGOM kotew jako obudowy podstawowej. Dzięki temu możliwe jest realizowanie profilowań bezpośrednio po odsłoniętej caliźnie. Ponadto wykonano testy mające na celu ocenę możliwości aplikacji metody GPR do rozpoznania charakterystycznych elementów konstrukcji obudowy szybu L-III w kopalni „Lubin”. W przeprowadzonych badaniach wykorzystywano aparaturę georadarową produkcji firmy IDS oraz MALA. Według Autorów zastosowanie techniki georadarowej umożliwia nie tylko lokalizowanie szczelin i rozwarstwień w górotworze, ale i kontrolę ich rozwoju, a więc stanu górotworu w otoczeniu wyrobisk górniczych. Tego rodzaju prace prewencyjne wymagają systematycznego wykonywania badań georadarowych. Zarówno Autor rozprawy doktorskiej jak również zespół, z którym współpracował, wykonali szereg badań testowych w warunkach geologiczno-górniczych KGHM, z wykorzystaniem metody GPR, ERT oraz profilowania elektromagnetycznego (EMP). Wybrane wyniki tych prac przedstawiono w publikacjach: Gołębiowski i in. (2013a, 2013b, 2017, 2018), Mendecki i in. (2013), Żogała i in. (2013), Antonik (2013). Odniesienia do wspomnianych publikacji zamieszczone zostały w kolejnych rozdziałach rozprawy doktorskiej. Przegląd dostępnej literatury pozwala stwierdzić, iż współczesne górnictwo oczekuje od geofizyki prognoz dotyczących zarówno warunków prowadzenia eksploatacji, jak i możliwości występowania zagrożeń, a także wpływu eksploatacji na środowisko naturalne. Aplikacja techniki GPR i ERT do zastosowań w górnictwie podziemnym, a w szczególności rudnym jest w początkowej fazie rozwoju. Geofizyczne prace badawcze przeprowadzone z użyciem metody ERT i GPR w górnictwie podziemnym są stosunkowo nowatorskie i niosą ze sobą wysoki potencjał.. Strona | 13.

(14) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 3. Podstawy zastosowanych metod geofizycznych 3.1. Podstawy teoretyczne metody georadarowej (GPR) Metoda georadarowa, w skrócie GPR (Ground Penetrating Radar lub Ground Probing Radar), to technika geofizyczna wykorzystująca fale elektromagnetyczne (e-m) w zakresie częstotliwości od 10 MHz do kilku GHz. Ze względu na bezinwazyjność (tzn. metoda nie powoduje zniszczenia badanego terenu/obiektu) zaliczana jest do badań typu NDT (Non Destructive Testing). Metoda GPR służy do rozpoznania budowy geologicznej, poszukiwaniu różnego rodzaju podziemnych obiektów naturalnych i antropogenicznych. Technika ta posiada bardzo szerokie spektrum zastosowań w różnych dziedzinach np. geologia, geotechnika, górnictwo, hydrogeologia, budownictwo, lokalizacja oraz inwentaryzacja podziemnej infrastruktury technicznej, archeologia, poszukiwania dla służb mundurowych (policja, wojsko, straż graniczna) i in. W badaniach georadarowych wyróżnia się kilka technik pomiarowych, tzn.: . powierzchniowe profilowanie refleksyjne (zero-offsetowe, krótko-offsetowe, szerokooffsetowe),. . otworowe profilowanie refleksyjne (najczęściej krótko-offsetowe),. . powierzchniowe badania refrakcyjne,. . powierzchniowe badania prędkościowe w opcjach WARR (Wide Angle Reflection Refraction) lub CMP (Common Mid Point),. . tomografia prędkościowa i tłumieniowa w opcjach: otwór-otwór i otwór-powierzchnia.. Szczegółowy opis poszczególnych wariantów realizacji pomiarów GPR można znaleźć w literaturze geofizycznej, m.in. Karczewski i in. (2011), Gołębiowski (2012), Jol (2009), Pasternak (2015), Annan (2001), Gołębiowski i Małysa (2018a). W ramach realizacji doktoratu, pomiary georadarowe wykonywane były w wyrobiskach i w otworach wyprzedzających techniką krótko-offsetowego profilowania refleksyjnego, w układzie dwuwymiarowym (2D) - Fig. 3.1, dlatego tylko ta technika pomiarowa została opisana w dalszej części rozdziału. Badania kopalniane prowadzone były georadarem jednokanałowym, który składał się z (Fig. 3.1): jednostki centralnej, laptopa, anteny nadawczej z nadajnikiem (oznaczanej symbolem Tx) oraz anteny odbiorczej z odbiornikiem (oznaczanej symbolem Rx). Podczas krótko-offsetowego profilowania refleksyjnego, antena Tx i Rx przesuwają się. Strona | 14.

(15) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. jednocześnie wzdłuż profilu pomiarowego ze stałym offsetem pomiędzy antenami, wynoszącym zwykle od kilkunastu do kilkudziesięciu centymetrów, rzadko kilka metrów (zależnie od anteny).. Fig.3.1. Technika powierzchniowego profilowania refleksyjnego (MALA 2003) Antena nadawcza emituje w głąb badanego ośrodka impulsy, które propagują w postaci fali elektromagnetycznej w ośrodku i ulegają tłumieniu, odbiciu, załamaniu, refrakcji. Antena odbiorcza rejestruje fale bezpośrednie, odbite i refrakcyjne; badania prowadzone były w technice krótko-offsetowego profilowania refleksyjnego, dlatego też tylko fale odbite (Fig. 3.1) były Strona | 15.

(16) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. analizowane w doktoracie. Wyniki pomiarów przedstawiane są w postaci zapisu (przekroju) zwanego radargramem lub echogramem, na którym zarejestrowane są refleksy (odbicia) fali od obiektów geologicznych i antropogenicznych (Fig. 3.1). Pozioma oś na radargramie zapisywana jest w skali odległości w metrach, natomiast oś pionowa zapisywana jest w skali czasu w nanosekundach. W procesie przetwarzania danych pomiarowych dokonuje się konwersji osi czasowej na głębokościową z uwzględnieniem informacji o prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w badanym ośrodku. W georadarze używanym podczas badań dołowych antena nadawcza i odbiorcza były antenami dipolowymi. Radiacja fali elektromagnetycznej z anteny dipolowej i w efekcie rozkład pola falowego przedstawiono na Fig. 3.2 A,B. W analizach teoretycznych prowadzonych w doktoracie przyjęto uproszczenie pola falowego, w formie obwiedni pola elektrycznego i magnetycznego, którą przestawiono na Fig. 3.2 C.. Fig.3.2. Pole magnetyczne (A) i elektryczne (B) generowane przez antenę dipolową (Annan 2001); C) Obwiednia pola elektrycznego i magnetycznego (MALA 2003) Do opisu parametrów materiałowych ośrodka, w którym propaguje fala elektromagnetyczna używane są trzy wielkości: . przenikalność elektryczna ośrodka -  [F/m],. . przenikalność magnetyczna ośrodka -  [H/m],. . przewodność elektryczna właściwa ośrodka -  [S/m]. Strona | 16.

(17) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Bardzo często przy opisie ośrodków geologicznych, stosuje się wartości względnej przenikalności elektrycznej r [-] oraz magnetycznej r [-] definiowane zależnościami: 𝜀 𝜇 𝜀𝑟 = 𝜇𝑟 = 𝜀0 𝜇0 gdzie: 0 – przenikalność elektryczna próżni, równa 8,8510-12 F/m,. (3.1, 3.2). 0 - przenikalność. magnetyczna próżni, równa 410-7 H/m. Badania georadarowe prowadzi się w ośrodkach niemagnetycznych i słabo magnetycznych (tj. grunty, skały), dlatego przyjmuje się dla ośrodków geologicznych wartość stałą r równą 1; obiekty anomalne poszukiwane techniką GPR mogą oczywiście posiadać cechy magnetyczne. W efekcie, parametrami materiałowymi istotnymi z punktu widzenia propagacji fali elektromagnetycznej i zjawisk falowych zachodzących w ośrodku geologicznym jest przenikalność elektryczna  (lub względna przenikalność magnetyczna r) i elektryczna przewodność właściwa . Ośrodki geologiczne są często ośrodkami (Różański 2003): . niejednorodnymi, gdzie  i  są funkcjami miejsca,. . nieliniowymi, jeśli  i  są funkcjami natężenia pola elektromagnetycznego,. . anizotropowymi, jeśli  i  zależą od kierunków wektorów pola e-m,. . dyspersyjnymi, jeśli  i  zależą od częstotliwości,. . stratnymi, jeśli   0 .. Dołowe badania georadarowe prowadzono w dolomitach, anhydrytach, wapieniach, w soli kamiennej, piaskowcach i łupkach. Jeśli badane skały były niespękane i cechowały się niską porowatością (ze względu na zaciskanie porów na głębokościach, na których prowadzono badania, tj. 800-1000m) oraz przyjmiemy, że w poszczególnych warstwach ośrodek był jednorodny, liniowy, izotropowy, niedyspersyjny, bezstratny (=0) lub małostratny (0), pozbawiony ładunków i prądów elektrycznych, to dla takich ośrodków, równania Maxwella opisujące rozkład elektromagnetycznego pola falowego generowanego w poszczególnych formacjach geologicznych przez antenę nadawczą, przyjmują postać (Szóstka 2001): 𝜕𝐇 𝜕𝑡 𝜕𝐄 ∇×𝐇 =𝜎∙𝐄+𝜀∙ 𝜕𝑡 ∇∙𝐄= 0 ∇∙𝐇=0 ∇ × 𝐄 = −𝜇 ∙. (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) Strona | 17.

(18) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. gdzie:  – operator Nabla; E - wektor natężenia pola elektrycznego [V/m]; H – wektor natężenia pola magnetycznego [A/m]; t – czas [s]. Równanie falowe (tj. wektorowe równanie Helmholtz’a) wyprowadzone z równań Maxwella (3.3-3.6) przybiera postać dla składowej elektrycznej (Szóstka 2001): ∇2 𝐄 − 𝜇𝜀 ∙. 𝜕 2𝐄 =0 𝜕𝑡 2. (3.7). oraz dla składowej magnetycznej: 𝜕 2𝐇 (3.8) =0 𝜕𝑡 2 Jak wspomniano wcześniej, ośrodki, w których prowadzono badania georadarowe można ∇2 𝐇 − 𝜇𝜀 ∙. traktować jako ośrodki bezstratne. W badanych ośrodkach występowały jednak strefy o podwyższonej porowatości i szczelinowatości, a strefy takie nasycone były w różnym stopniu wodami złożowymi o podwyższonej przewodności elektrycznej. Strefy zawodnionego górotworu należało więc traktować jako ośrodki stratne, w których   0 . W ośrodku stratnym, równania Maxwella przyjmują następującą postać (Morawski i Gwarek 1998, Szóstka 2001): 𝛄 × 𝐄 = 𝑗𝜔𝜇 ∙ 𝐇. (3.9). 𝛄 × 𝐇 = −(𝜎 + 𝑖𝜔𝜀) ∙ 𝐄. (3.10). 𝛄×𝐄= 0. (3.11). 𝛄×𝐇 =0. (3.12). gdzie:  – wektor propagacji fali elektromagnetycznej, opisany zależnością (3.13); i – jednostka urojona;  - pulsacja opisana zależnością (3.14), gdzie f to częstotliwość [Hz]. 𝛄 = 𝛼 + 𝑖𝛽 = √𝑖𝜔𝜇(𝜎 + 𝑖𝜔𝜀) = 𝑖𝜔√𝜀𝜇√1 − 𝑖 𝜔 = 2𝜋𝑓. 𝜎 𝜔𝜀. (3.13) (3.14). Część rzeczywista () wektora propagacji decyduje o zmniejszaniu się amplitudy fali w kierunku jej propagacji – dlatego jest ona nazywana współczynnikiem tłumienia. Część urojona () wektora propagacji określa prędkość przesuwania się płaszczyzny stałej fazy w kierunku propagacji fali i jest ona nazywana współczynnikiem fazy. W ośrodkach geologicznych, które są ośrodkami bezstratnymi ( = 0) lub małostratnymi (tzn. w których zachodzą zależności:  > 0 i  <<< ), współczynnik tłumienia  [dB/m] oraz prędkość v [cm/ns] propagacji fali e-m (wyznaczoną z wartości ) można wyliczyć z uproszczonych wzorów (Karczewski i in. 2011): Strona | 18.

(19) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 𝛼 = 1,69 ∙ 103 𝑣=. 30 √𝜀𝑟. 𝜎 √𝜀𝑟. (3.15) (3.16). Równanie falowe wyprowadzone z równań Maxwella (3.9 - 3.12) przybiera w ośrodku stratnym postać dla składowej elektrycznej (Szóstka 2001): 𝜕𝐄 𝜕 2𝐄 − 𝜇𝜀 ∙ 2 = 0 𝜕𝑡 𝜕𝑡. (3.17). 𝜕𝐇 𝜕 2𝐇 ∇ 𝐇 − 𝜇𝜎 ∙ − 𝜇𝜀 ∙ 2 = 0 𝜕𝑡 𝜕𝑡. (3.18). ∇2 𝐄 − 𝜇𝜎 ∙ oraz dla składowej magnetycznej: 2. Tłumienie fali elektromagnetycznej w ośrodku stratnym, które jak wynika ze wzoru (3.15) zależy wprost proporcjonalnie od wartości , będzie powodować spadek zasięgu głębokościowego metody GPR. Ośrodki geologiczne cechujące się wysokim tłumieniem to iły i gliny, zwłaszcza zawodnione oraz strefy spękań w skałach i rozluźnień w gruntach wypełnione wodami wysoko zmineralizowanymi lub solanką. W miejscach wytypowanych do badań dołowych, strefami o podwyższonym tłumieniu będą (Tabela 3.1) strefy spękań w dolomicie, anhydrycie, wapieniu i piaskowcu wypełnione wodami złożowymi lub kurzawką oraz strefy zawodnione w pokładzie soli kamiennej. Należy podkreślić, iż również częstotliwość anteny użytej do badań GPR (Tabela 3.3), i w efekcie częstotliwość fali elektromagnetycznej, ma wpływ na jej tłumienia. Podając za Karczewski i in. (2011), istnieje relacja pomiędzy częstotliwością fali f a współczynnikiem tłumienia , nazwana współczynnikiem dobroci Q, który dla ośrodków bezstratnych i małostratnych definiowany jest zależnością: 𝑄=. 𝜋∙𝑓 𝑣∙𝛼. (3.19). Z zależności (3.19) wynika, że tłumienie fali e-m rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości, a współczynnik dobroci w utworach o wysokim tłumieniu (np. w iłach) przyjmuje wartość ok. 10, natomiast w utworach o niskim tłumieniu (np. piaskowce) wartość ok. 25 (Turner i Siggins 1994). Prędkość propagacji fali e-m zależy od wartości względnej przenikalności elektrycznej ośrodka (3.16), co powoduje, iż w spękanych skałach będziemy obserwować albo spadek prędkości, jeśli spękania będą wypełnione wodą lub wzrost prędkości, jeśli spękania wypełnione będą gazami (Fig. 3.3A). Strona | 19.

(20) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. A. B. Fig.3.3. Zmiana prędkości v propagacji fali e-m w funkcji: A) zmiany wartości względnej przenikalności elektrycznej r (Gołębiowski 2012) oraz B) zmiany porowatości (Reynolds 1999) Z zależności (3.16) wynika również fakt, że wzrost porowatości będzie powodował coraz większy spadek prędkości propagacji fali e-m, przy założeniu pełnego nasycenia porów wodą, a wzrost tzw. „suchej porowatości” będzie powodował wzrost prędkości (Fig.3.3B). Znając prędkości propagacji fali e-m w badanym ośrodku można oszacować z formuły Topp’a (Fig. 3.3A) objętościową zawartość wody w strefach spękań w skałach czy strefach rozluźnień w gruntach. W Tabeli 3.1 zestawiono informacje literaturowe nt. parametrów elektromagnetycznych oraz prędkości i tłumienia dla ośrodków, w których prowadzono badania georadarowe. W analizach teoretycznych dla ośrodków bezstratnych, małostratnych i stratnych przyjęto założenie, że fala elektromagnetyczna jest w każdym punkcie przestrzeni cosinusoidalną funkcją czasu o określonej pulsacji , a zachodzące drgania są prostopadłe do kierunku propagacji fali, opisanego wektorem k (Fig. 3.4), czyli pole elektryczne i magnetyczne nie mają składowych w kierunku rozchodzenia się fali; wektory natężenia pola elektrycznego E i magnetycznego H są do siebie wzajemnie prostopadłe. Tak zdefiniowana fala elektromagnetyczna, to fala typu TEM (Transverse Electromagnetic Wave) – Fig. 3.4.. Strona | 20.

(21) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Tabela 3.1. Uśrednione parametry ośrodków, w których prowadzono badania georadarowe (Annan 2001, Plewa i Plewa 1992, Dortman 1984, MALA 2003) Ośrodek. Dolomit Anhydryt Sól kamienna Piaskowiec Wapień Łupek Woda słodka Woda morska Woda zmineralizowana Powietrze. Względna przenikalność elektryczna r [-] 8 7 5 4 6 5-15 80. Elektryczna przewodność właściwa  [mS/m] 0,1 0,1 0,01 0,01 1 1-100 0,5. Prędkość propagacji fali e-m v [cm/ns] 10,6 11,3 13,4 15,0 12,2 7,7-13,4 3,3. Współczynnik tłumienia fali e-m  [dB/m] 0,06 0,06 0,01 0,01 1 1-100 0,1. 80. 3000. 3,3. 600. 1. 0. 30. 0. E. E. k. H. k H. Fig.3.4. Fala typu TEM w ośrodku bezstratnym (A) i stratnym (B) Fala elektromagnetyczna propagująca w ośrodku geologicznym (Fig. 3.4) ulega m.in. tłumieniu (co opisano wcześniej) oraz odbiciu i załamaniu. Krótko-offsetowe badania georadarowe prowadzono antenami z małymi offsetami (tj. od kilkunastu centymetrów do kilku metrów, zależnie od częstotliwości anteny), co pozwala uprościć analizę odbicia i załamania fali elektromagnetycznej do analizy układu zero-offsetowego. Zjawisko odbicia fali e-m zachodzi na granicy dwóch ośrodków różniących się parametrami elektromagnetycznymi. Na takich granicach może zachodzić odbicie fali e-m, a współczynnik odbicia r [-] dla układu zero-offsetowego i ośrodka bezstratnego lub małostratnego można zdefiniować uproszczoną zależnością (Karczewski i in. 2011): Strona | 21.

(22) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. r. 1   2 v1  v2  1   2 v1  v2. (3.20). Z równania (3.20) wynika, iż im większy kontrast pomiędzy przenikalnością elektryczną 1 (lub względną przenikalnością elektryczną r1 lub prędkością v1) pierwszego ośrodka oraz 2 lub r2 lub v2 drugiego ośrodka, tym większa wartość współczynnika odbicia. W efekcie dla wysokich wartości r, na radargramie zarejestrowane zostaną refleksy wysokoamplitudowe, a dla małych wartości r, refleksy niskoamplitudowe. Należy jednak pamiętać, że amplitudy refleksów będą również zależeć od wartości współczynnika tłumienia ośrodka (3.15), od rozwierania sferycznego czoła fali (Fig. 3.2C), a więc spadku energii fali wraz z głębokością oraz od tzw. tłumienia rozproszeniowego i innych czynników. Biorąc pod uwagę wartości względnych przenikalności elektrycznych dla badanych ośrodków (Tabela 3.1) można wyliczyć wartości współczynników odbicia pomiędzy tymi ośrodkami (Tabela 3.2).. Tabela 3.2. Wartości współczynników odbicia r dla wybranych sytuacji analizowanych w doktoracie Granice ośrodków Dolomit (r1 = 8) – anhydryt (r2 = 7) Dolomit (r1 = 8) – strefa spękana wypełniona powietrzem (r2 = 3) Dolomit (r1 = 8) – strefa spękana wypełniona wodą (r2 = 50) Sól kamienna (r1 = 5) – porwak / brekcja anhydrytowa (r2 = 7). r [-] 0,03 0,24 -0,43 -0,08. Maksymalna możliwa do wyznaczenia wartość współczynnika odbicia to 1, a minimalna to 0; znak minus przy wartości współczynnika odbicia określa zmianę polaryzacji refleksów. Biorąc powyższe pod uwagę można stwierdzić, że: . ze względu na bardzo małą wartość r, w warunkach dołowych nie będzie raczej możliwości wyznaczenia przebiegu granicy anhydryt – dolomit,. . ze względu na bardzo dużą wartość r, jednoznacznie będzie można wyznaczyć strefy spękane (strefy podwyższonej porowatości) wypełnione wodą lub gazami, nie tylko w dolomicie, lecz również w anhydrycie, piaskowcu, wapieniu,. . ze względu na wystarczającą wartość r, istnieje wysokie prawdopodobieństwo możliwości detekcji porwaków anhydrytowych i przewarstwień brekcją anhydrytową złoża soli kamiennej. Strona | 22.

(23) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 3.2. Aparatura pomiarowa oraz metodyka badań GPR Badania kopalniane prowadzone były jednokanałowym georadarem ProEx szwedzkiej firmy MALA GeoScience (www.guidelinegeo.com), który, jak już wspomniano w poprzednim rozdziale składa się z (Fig. 3.5): jednostki centralnej, laptopa, dipolowej anteny nadawczej (Tx) oraz dipolowej anteny odbiorczej (Rx) zamontowanych w jednej, ekranowanej obudowie, zintegrowanego nadajnika i odbiornika oraz kółka pomiarowego (odometru) do pomiaru odległości wzdłuż profilu. Pomiary dołowe, zależnie od miejsca badań wykonywano antenami o częstotliwościach: 500 MHz (offset: 0,2m), 250 MHz (offset: 0,3m), 100 MHz (offset: 0,5m) oraz 50 MHz (offset: 2m), których podstawowe parametry zestawiono w Tabeli 3.3.. Fig.3.5. Aparatura georadarowa stosowana podczas badań dołowych (źródło: www.guidelinegeo.com) Badania w otworach wyprzedzających odwierconych w soli kamiennej wykonano nieekranowanymi, bistatycznymi, dipolowymi antenami otworowymi o częstotliwości 100 MHz (Fig. 3.6A), a część badań po spągach w utworach solnych przeprowadzono z użyciem anten nieekranowanych, bistatycznych, dipolowych typu RTA, o częstotliwości 30 MHz (Fig. 3.6B). Obie anteny cechują się większym offsetem, tj. otworowa ok. 3m i RTA ok. 6m, a parametry techniczne obu anten zestawiono w Tabeli 3.3. Strona | 23.

(24) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Fig.3.6. A) Anteny otworowe o częstotliwości 100 MHz, B) anteny typu RTA o częstotliwości 30 MHz (źródło: www.guidelinegeo.com) Istotnym parametrem technicznym anten georadarowych, oprócz opisanego już wcześniej bardzo małego offsetu oraz zasięgu głębokościowego (który wynika z tłumienia ośrodka i mocy nadajnika), jest rozdzielczość. W dokładnych analizach, rozdzielczość pionową R [m] i poziomą L [m] określa się z wzorów (Annan 2001): 𝑅≥. 𝑊∙𝑣 4. 𝑊∙𝑣∙ℎ 𝐿≥√ 2. (3.21, 3.22). gdzie: R – odległość w pionie pomiędzy dwoma obiektami lub granicami geologicznymi; L – odległość w poziomie pomiędzy dwoma obiektami; W – szerokość połówkowa sygnału; h – głębokość do obiektu/granicy. W analizach prowadzonych w ramach pracy doktorskiej przyjęto uproszczoną formułę na określenie rozdzielczości pionowej R w postaci (Annan 2001): 𝑅≥. 𝜆 4. (3.21). gdzie:  [m] to długość fali, wyrażona zależnością =v/f. Również przy określeniu rozdzielczości poziomej L posłużono się uproszczeniem w postaci obwiedni przedstawionej na Fig.3.2C, gdzie strefa odbicia fali e-m od granicy/obiektu (tzw. footprint) decyduje o rozdzielczości poziomej i może być wyznaczona z zależności (MALA 2003): 𝑎=. 𝜆 ℎ + 4 √𝜀𝑟 − 1. 𝑏=. 𝑎 2. (3.22, 3.23). Strona | 24.

(25) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Z wzorów 3.21, 2.22 i 3.23 wynika, że rozdzielczość pomiarów będzie wzrastać w strefach spękanych i zawodnionych, w stosunku do rozdzielczości badań w litym i suchym górotworze, co przedstawiono w Tabeli 3.3. Rozdzielczość będzie nieznacznie spadać w suchych strefach spękań. Wraz z głębokością rozdzielczość pozioma będzie spadać.. Tabela 3.3. Parametry techniczne anten używanych do badań kopalnianych Typ anteny Częstotliwość anteny f. Max. zasięg głębokościowy H w utworach bezstratnych, tzn. niespękane i suche skały. RTA f=30 MHz. H=50m. Nieekranowana f=50 MHz. H=30m. Otworowa f=100 MHz Ekranowana f=100 MHz. H=20m. Ekranowana f=250 MHz. H=10m. Ekranowana f=500 MHz. H=5m. Rozdzielczość pionowa R i pozioma 2a, 2b w litym i suchym dolomicie (r=8) R=0,88m 2a(h=5m)=5,55m 2b(h=5m)=2,77m R=0,53m 2a(h=5m)=4,82m 2b(h=5m)=2,42m R=0,27m 2a(h=5m)=4,31m 2b(h=5m)=2,15m R=0,11m 2a(h=5m)=3,99m 2b(h=5m)=2,00m R=0,05m 2a(h=5m)=3,89m 2b(h=5m)=1,94m. Rozdzielczość pionowa R i pozioma 2a, 2b w spękanym i zawodnionym dolomicie (r=50) R=0,35m 2a(h=5m)=2,14m 2b(h=5m)=1,07m R=0,21m 2a(h=5m)=1,85m 2b(h=5m)=0,93m R=0,11m 2a(h=5m)=1,64m 2b(h=5m)=0,82m R=0,04m 2a(h=5m)=1,51m 2b(h=5m)=0,76m R=0,02m 2a(h=5m)=1,47m 2b(h=5m)=0,74m. Ideę powierzchniowego (tj. z poziomu wyrobisk) profilowania refleksyjnego pokazano na Fig.3.1. Identycznie prowadzono otworowe profilowania refleksyjne w soli kamiennej, z tym, że układ antenowy (Tx + Rx) przesuwany był wzdłuż horyzontalnych otworów wyprzedzających. Na Fig. 3.7A pokazano ideę otworowego profilowania refleksyjnego (na przykładzie otworu pionowego), na Fig. 3.7B przedstawiono przykładowe odbicia fali e-m od kawerny wypełnionej wodą, kurzawką lub powietrzem oraz od pęknięcia w górotworze, a na Fig. 3.7C zamieszczono radargram zarejestrowany dla sytuacji z Fig. 3.7B. Używane do badań kopalnianych, otworowe anteny georadarowe były antenami o charakterystyce dookólnej, co oznacza, że nie ma możliwości określenia z poziomu jednego. Strona | 25.

(26) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. otworu, azymutu () do zarejestrowanej anomalii. Antena o charakterystyce dookólnej na kolejnych odległościach wzdłuż otworu (x1, x2, xi … xn) wysyła sygnał jednocześnie we wszystkie strony (Fig. 3.8), a następnie rejestruje fale odbite ze wszystkich stron (tj. dla wszystkich azymutów ) i rzutuje te informacje na jedną płaszczyznę (Fig. 3.8). Aby określić przybliżoną lokalizację anomalii wystarczą 2 otwory (Fig. 3.9A), natomiast dla jednoznacznego pozycjonowania anomalii należy odwiercić co najmniej 3 otwory (Fig. 3.9B).. A. B. C. Fig.3.7. A) Idea otworowego profilowania refleksyjnego; B) odbicia fali e-m od kawerny i pęknięcia w górotworze; C) radargram zarejestrowany dla sytuacji z figury z sygnaturą B (MALA 2000) Na rynku aparatury georadarowej są już dostępne anteny otworowe kierunkowane, które pozwalają jednoznacznie wyznaczyć położenie anomalii w przestrzeni, na podstawie wyników badań prowadzonych w jednym otworze. Do systemów takich należą m.in. niemiecki georadar produkowany przez firmę DMT (www.dmt.de) czy holenderski georadar produkowany przez firmę T&A Survey (www.ta-survey.nl). Niestety konstrukcje takie są jak na razie bardzo drogie i trudno na dzień dzisiejszy powiedzieć czy w niedalekiej przyszłości georadary kierunkowe upowszechnią się, czy jednak standardem pozostaną systemy z antenami o charakterystyce dookólnej.. Strona | 26.

(27) Płaszczyzna rzutowania informacji (tj. echogram otworowy) uzyskanych dla wszystkich pozycji anteny Obszar "A" w otworze. tworu wzdłuż o. Przykładowa pozycja xi anteny w otworze Linia na echogramie, na którą rzutowane są informacje z obszaru "A" gdy antena znajduje się na pozycji xi. Obszar "B". ćx Odległoś. Obszar "A" - rejestracje refleksów ze wszystkich stron wokół otworu, tj. dla wszystkich azymutów. Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. Fig.3.8. Niejednoznaczność lokalizacji azymutalnej dla anteny o charakterystyce dookólnej (www.gpr-survey.com). Fig.3.9. Dokładność pozycjonowania anomalii w badaniach otworowych Pomiary refleksyjne, prowadzone antenami pokazanymi na Fig. 3.5, wykonywane były przy standardowej orientacji układu antenowego, czyli z orientacją równoległą dipoli, w opcji A1 (Fig. 3.10A). Badania antenami otworowymi i RTA (Fig. 3.6) prowadzono przy wzdłużnej orientacji układu pomiarowego, w opcji B2 (Fig. 3.10B). Orientacja układu pomiarowego wpływa na polaryzację fal elektromagnetycznych i w efekcie na jakość rejestracji georadarowych. W pracy Strona | 27.

(28) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. doktorskiej nie prowadzono analiz dotyczących wpływu geometrii układu antenowego, a co za tym idzie polaryzacji fal e-m, na zdolności detekcyjne metody GPR, natomiast informacje na ten temat można znaleźć w literaturze geofizycznej, m.in. Daniels i in. (2003), Guy i in. (1999), Gołębiowski i Tomecka-Suchoń (2012), Marcak i Gołębiowski (2010), Radzevicius i in. (2000), Roberts (1994). W 2018 roku prowadzone są badania testowe w KGHM Polska Miedź S.A. (umowa nr: KGHM-BZ-U-0273-2018), w których uczestniczy doktorant, a które dotyczą m.in. georadarowej detekcji stref spękań i stref podwyższonej porowatości z zastosowaniem układów antenowych o różnej orientacji dipoli i różnej polaryzacji fal elektromagnetycznych.. Fig.3.10. Różne orientacje układów pomiarowych (antenowych) w badania georadarowych: A) orientacje równoległe; B) orientacja wzdłużne; C) orientacje krzyżowe; kierunek profilu oznaczono współrzędną „x” (Gołębiowski i Małysa 2018a) Oprócz opisanej w rozdziale, techniki powierzchniowego i otworowego profilowania krótkooffsetowego istnieją inne techniki badań georadarowych, wymienione na początku rozdziału, tj. badania refrakcyjne, badania prędkościowe oraz tomografia. Techniki te nie były stosowane podczas realizacji doktoratu, dlatego też pominięto w niniejszym rozdziale opis tych technik pomiarowych. W 2018 roku realizowane są w kopalniach KGHM badania testowe z udziałem doktoranta (umowa nr: nr: KGHM-BZ-U-0273-2018), w których prowadzone są badania prędkościowe WARR/CMP, które są aplikacją do warunków górniczych rozwiązań opisanych w pracach Gołębiowski (2012), Gołębiowski i Małysa (2016, 2018b). Strona | 28.

(29) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 3.3. Cyfrowe przetwarzanie danych GPR Wyniki z. badań. wykorzystaniem. georadarowych. poddawane. oprogramowania. ReflexW,. były. standardowemu. niemieckiej. firmy. przetwarzaniu SandmeierGeo. (www.sandmeiergeo.de). W dalszej części rozdziału wymieniono i opisano pokrótce te procedury, które stosowano do przetwarzania radargramów, a ponieważ były to w większości procedury standardowe, dlatego pominięto dokładne opisy algorytmów tych procedur. Podstawy teoretyczne jak i opisy stosowanych algorytmów oraz wyjaśnienia dotyczące sposobu doboru parametrów dla poszczególnych procedur przetwarzania można znaleźć w publikacjach z zakresu cyfrowego przetwarzania danych sejsmicznych i georadarowych, m.in. Yilmaz (1994), Kasina (1998), Annan (1999), Karczewski i in. (2011), Gołębiowski (2012), ReflexW (2018). Przy opisie procedur przetwarzania korzystano z wymienionych pozycji literaturowych. Na radargramie zapisanym na dysku laptopa podczas badań georadarowych pierwszą zarejestrowaną falą jest tzw. bezpośrednia fala powietrzna (BFP), która ma zawsze największe amplitudy i stałą charakterystykę; dlatego, też radargramy zamieszczone w pracy przedstawiono w formie rozkładu amplitud znormalizowanych do max. amplitudy BFP; taka forma wizualizacji pozwala na prezentację amplitud w skali od 0 do 1, co daje możliwość analizy porównawczej radargramów i przeprowadzenie interpelacji jakościowej. Kolejną falą rejestrowaną na radargramie jest bezpośrednia fala gruntowa (BFG), która w badaniach zero-offsetowych i krótko-offsetowych nie jest interpretowana. Na większych czasach na radargramie rejestrowały się fale odbite, które były analizowane w doktoracie. Pierwszą procedurą, którą stosowano w przetwarzaniu radargramów była korekcja czasu t0. Czas pierwszego wstąpienia BFP może znajdować się na dowolnej pozycji czasowej, ponieważ jest to wartość definiowana przez operatora na etapie akwizycji danych. Aby poprawnie interpretować położenie czasowe (głębokościowe) anomalii na echogramie należało wprowadzić korektę czasu pierwszego wstąpienia BFP (t0). Wszystkie pomiary prowadzone były po płaskiej powierzchni wyrobisk/otworów, w standardzie krótko-offsetowym, dlatego korekcję czasu t0 można utożsamiać z poprawką statyczną. Płaskie powierzchnie badań wyeliminowały potrzebę stosowania poprawki topograficznej. Kolejną procedurą przetwarzania było usuwanie i interpolacja próbek i tras. Z powodu niestabilności aparatury lub przy pojawieniu się zakłóceń zewnętrznych, niektóre próbki lub całe trasy zarejestrowane były z przesterowaniem lub przyjmowały wartość zero. Błędne próbki i trasy Strona | 29.

(30) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. usuwano, a w miejsce usuniętej próbki lub trasy wprowadzano próbkę lub trasę wygenerowaną poprzez interpolację amplitud z sąsiednich próbek i tras. W przypadku pojawienia się zakłóceń na dużej ilości tras lub próbek usuwano taki fragment echogramu, zastępując go trasami zerowymi (tzn. o zerowych wartościach amplitud). W przetwarzaniu zastosowano również. próg dyskryminacji amplitud, poprzez. zdefiniowanie amplitudy odcięcia, poniżej której wszystkie amplitudy na trasach mnożone były przez 0, a powyżej tej wartości przez 1. Procedura służyła do wsuwania losowego, niskoamplitudowego szumu pochodzenia aparaturowego i od małych niejednorodności występujących w ośrodku geologicznym. W celu usuwania zakłóceń niskoczęstotliwościowych na poszczególnych trasach (procedura 1D), zastosowano odejmowanie średniej ruchomej. Kolejną procedurą przetwarzania było uśrednianie średniej ruchomej na poszczególnych trasach (również procedura 1D). W zależności od typu zakłóceń występujących na radargramach, uśrednianie wartości amplitud wykonywane było jako średnia arytmetyczna, co w efekcie usuwało szum wysokoczęstotliwościowy (odpowiednik filtracji dolnoprzepustowej w domenie czasu) lub jako mediana, która usuwała pikowe wartości amplitud (tzw. spike) z kolejnych tras. W celu wyeliminowania efektu konwersji analogowo-cyfrowej, który powoduje przesuniecie sygnału w stosunku do linii zerowej, użyto procedurę usuwania przesunięć stałoprądowych. W zależności od rodzaju zakłóceń pojawiających się na radargramach stosowano filtrację częstotliwościową realizowaną jako filtry dolno- lub górno- lub pasmowo-przepustowe lub jako filtr wycięciowy. Uśrednione okno filtracji, definiowano przez dolny próg obcięcia, dolny punkt plateau, górny punkt plateau oraz górny punkt obcięcia, a punkty te określano na podstawie analizy widm amplitudowych poszczególnych tras z radargramu; widma sygnałów wyznaczano z szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Jedną z procedur przetwarzania 2D było wygładzanie macierzowe radargramów z zastosowaniem wartości średniej lub mediany. Procedurę tą stosowano dla zwiększania czytelności skorelowanych refleksów oraz w celu usunięcia szumu losowego, zwłaszcza w końcowej części okna czasowego. Kolejną procedurą przetwarzania 2D było odejmowanie trasy średniej. Ponieważ trasa średnia zawierała przede wszystkim informacje o zakłóceniach skorelowanych pomiędzy trasami, z niewielkim udziałem informacji o zakłóceniach losowych, dlatego odjęcie trasy średniej od Strona | 30.

(31) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. kolejnych tras na radargramie powodowało usunięcie efektu tzw. ringing, będące wynikiem wysokiej przewodności elektrycznej ośrodka. W celu skompensowania zmniejszania się amplitud refleksów dla wzrastających czasów rejestracji, co wynika z efektu rozwierania sferycznego czoła fali i z tłumienia ośrodka, stosowano wzmocnienia funkcyjne. W procedurze tej kolejne próbki sygnału wzmacniane były zgodnie ze zmienną w czasie funkcją wzmocnienia, która składa się z części liniowej (dla rekompensacji rozwierania sferycznego) oraz części eksponencjalnej (dla rekompensacji tłumienia ośrodka). W wybranych przepadkach, zamiast klasycznych echogramów w formie rozkładu amplitud refleksów, wyniki prezentowano w formie rozkładu amplitud chwilowych refleksów wyznaczonych z transformaty Hilberta (Yilmaz 1994). W takich sytuacjach do pakietu opisanych technik standardowego przetwarzania radargramów dołożono dwie procedury, tj.: wybielanie spektralne oraz filtrację morfologiczną. Wybielanie spektralne to procedura stosowana w celu kompensacji tłumienia różnych częstotliwości dla wzrastających czasów (głębokości). Procedura powodowała wygładzenie widma w zdefiniowanym zakresie częstotliwości, zwiększała rozdzielczość zapisu oraz pozwalała na częściowe odwzorowanie sygnału źródłowego (tzw. wavelet’u). Filtracja morfologiczna to procedura stosowana standardowo w analizie obrazów cyfrowych (Tadeusiewicz i Korohoda 1997). W filtracji morfologicznej definiuje się tzw. element strukturalny obrazu (w naszym przypadku cyfrowego radargramu) z punktem centralnym. Filtracja polega na przemieszczaniu elementu strukturalnego po całym obrazie (radargramie) i dla każdego punktu obrazu i jego otoczenia dokonywane jest porównanie z wzorcowym elementem strukturalnym. W przypadku spełnienia założonego kryterium zgodności fragmentu obrazu z elementem strukturalnym, następuje wykonanie pewnej operacji na badanym punkcie centralnym. W programie ReflexW dostępnymi operacjami były dylatacja i erozja. Operacja dylatacji powoduje wizualne zwiększenie anomalii na echogramie poprzez dopasowanie odpowiedniej obwiedni do strefy anomalnej i jej najbliższego otoczenia. Operacja erozji obrazu daje wizualny efekt odwrotny do filtru dylatacyjnego, powodując zawężanie rozmiarów anomalii, poprzez okonturowanie tylko najsilniejszych amplitud w anomalii. Na radargramach nie stosowano procedur migracyjnych, ponieważ dużo łatwiej było interpretować położenie oraz typ anomalii na podstawie czytelnej hiperboli, niż na podstawie punktu powstałego z hiperboli po migracji. Poza tym, jedną z technik w krótko-offsetowym Strona | 31.

(32) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. profilowaniu refleksyjnym, która pozwala określić prędkość fali e-m w badanym ośrodku i dalej przeprowadzić konwersję czasowo-głębokościową radargramów, jest technika analizy krzywizn hiperbol dyfrakcyjnych. Szczegółowy opis techniki dopasowania (analizy) hiperbol teoretycznych do hiperbol dyfrakcyjnych zarejestrowanych na radargramie można znaleźć w publikacjach Karczewski i in. (2011), Annan (2001), Jol (2009), Gołębiowski i Małysa (2018). Istnieją również dwie inne, proste techniki oszacowania prędkości, które można zastosować w badania krótko-offsetowych, jeśli nie rejestrują się na radargramach hiperbole dyfrakcyjne. Pierwsza technika polega na zlokalizowaniu na radargramie anomalii, której powodem jest obiekt znajdujący się na znanej nam głębokości; wówczas odczytując czas, na którym rejestrują się refleksy od tego obiektu, można obliczyć prędkość fali e-m. Drugim sposobem, jest korzystanie z dostępnych danych literaturowych, gdzie prędkość propagacji fali e-m została wyznaczona laboratoryjnie na próbkach skał/gruntów; należy jednak pamiętać, że są to wartości uśrednione dla wielu próbek pobranych z różnych miejsc i w konkretnych warunkach geologicznych, prędkość w badanym ośrodku może odbiegać od danych tabelarycznych. Aby pokazać, jak zmienia się czytelność i ekstrakcja informacji z radargramu po zastosowaniu standardowego przetwarzania (w programie ReflexW), na Fig. 3.11 pokazano przykładowy radargram przed (Fig. 3.11A) i po (Fig. 3.11B) przetwarzaniu.. A. B. Fig.3.11. A) Radargram przed przetwarzaniem; B) Radargram po standardowym przetwarzaniu Strona | 32.

(33) Zastosowanie metody georadarowej i tomografii elektrooporowej do rozwiązywania wybranych problemów geologiczno-górniczych w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.. 3.4. Podstawy teoretyczne tomografii elektrooporowej (ERT) Niniejszy rozdział zawiera najważniejsze informacje dotyczące podstaw teoretycznych jednej z metod geoelektrycznych, tj. techniki tomografii elektrooporowej ERT (Electrical Resistivity Tomography). określanej. również. pojęciem. techniki. obrazowania. elektrooporowego. RI (Resistivity Imaging). Szczegółowy i wyczerpujący opis różnych technik geoelektrycznych, m.in. ERT można znaleźć w literaturze geofizycznej, m.in. w Fajklewicz (1972), Dzwinel (1978), Stenzel i Szymanko (1973), Reynolds (1999), Loke (1999, 2000, 2004). Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego w ośrodku geologicznym (w przypadkach analizowanych w doktoracie będą to skały) ma miejsce przepływ ładunków elektrycznych, a więc pojawia się przewodnictwo elektryczne. Według publikacji Stenzel i Szymanko (1973) przewodność elektryczna właściwa ośrodka  jest uwarunkowana kilkoma czynnikami, a mianowicie: . rodzajem nośnika prądu elektrycznego,. . mechanizmem przenoszenia nośnika w polu elektrycznym,. . składem mineralnym skał oraz teksturą i strukturą skał,. . porowatością i stopniem spękania skał,. . stopniem nasycenia porów/spękań cieczą bądź gazem oraz rodzajem medium nasycającego,. . stopniem zailenia porów/spękań w skale,. . warunkami. zewnętrznymi,. tzn.. temperaturą,. ciśnieniem,. natężeniem. pola. elektrycznego. Oszacowanie wpływu poszczególnych czynników pozwala dokonać trafnej interpretacji geologicznej dla informacji zebranych poprzez badania geoelektryczne. Przewodność elektryczną ośrodków geologicznych można podzielić ze względu na rodzaj nośnika przenoszącego ładunek elektryczny (Fajklewicz 1972; Plewa i Plewa 1992): . przewodność elektronowa,. . przewodność jonowa (kationowa lub anionowa),. . przewodność mieszana (jonowo – elektronowa).. Odwrotnością przewodności elektrycznej właściwej  jest oporność elektryczna właściwa  [m] definiowana prostą zależnością (Dzwinel 1978):. Strona | 33.