Wykrywanie metodą grawimetryczną pustek powstających za obudową szybu i zagrożeń z nimi związanych

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: G Ó RN IC TW O 2. 149

_______ 1986 Nr kol. 900

Zbigniew FAJKLEWICZ Krzysztof JAKIEL Janusz MADEJ

Akademia Górniczo-Hut/iicza

WYKRYWANIE M E TO DĄ GR AWIMETRYCZNĄ PUSTEK POWSTAJĄCYCH ZA OBUDOWĄ SZ YB U I ZAGROŻEŃ Z NIMI ZWIĄZANYCH

St re sz c z e n i e . W pracy przedstawiono podstswy fizyczne i prak­

tyczne zastosowanie metody pionowego profilowania grawimetrycznego - PPGR w szybie górniczym w celu wykrywania pustek występujących poza Jego obudowę.

Nowa Jej wersja - w ujęciu pomiarów czasowych zmian anomalii si­

ły ciężkości mierzonych podczas PPGR stwarza możliwość oceny inten­

sywności procesów dynamicznych zachodzęcych zs obudowę szybu, w szczególności rozwoju pustek.

Obserwacja tych zjswlsk Jest możliwa bez naruszenia struktury szybu, a więc jej zastosowanie nie ma charakteru niszczęcego.

1. WSTąp

Występowanie pustek w skałach poza obudowę szybu górniczego jest zja­

wiskiem dość częstym. Nie wnikajęc w przyczyny ich powstawania, stwier­

dzić należy, iż stanowię one poważne zagrożenie dla Jego stabilności.

Nieraz mogę przyczynić się do zniszczenia całego szybu lub pewnej Jego części.

Wykrywanie pustek skalnych występujęcych poza obudowę szybu Jest trud­

ne, gdyż Jest ona ekranem dla pól elektromagnetycznych i fal sprężystych ze względu na swoje własności fizyczne. Z tego powodu zastosowanie metod geofizycznych: geoelektrycznych, akustycznych czy radarowych nie może przynieść pozytywnych rezultatów.

Obudowa szybu nie ekranuje jednak pola grawitacyjnego generowanego przez otaczajęcy szyb ośrodek geologiczny. Mierzone w pionie zmiany siły ciężkości w szybie odzwierciedlaję zmienność litologicznę przebitych przez niego warstw i wszelkich niejednorodności w rozkładzie gęstości w y ­ stępujęcych bezpośrednio poza Jego obudowę. Stwierdzenie to Jest ważne, pod warunkiem źe obudowa szybu Jest wykonana z Jednorodnego materiału.

Zastosowanie metody pionowego profilowania grawimetrycznego (PPGR) w szybie w aspekcie rejestracji czasowych zmian siły ciężkości pozwala rów­

nież śledzić dynamikę procesów fizycznych zachodzęcych poza obudowę szybu.

222 Z. Fajklewlcz, K. Oa klel, O. Madej

W pr a c y om ówione są w y n i k i bada ń dy na mi ki w z r o s t u z up ły we m czasu, w i e l k o ś c i wymy ć mate ri ał u skal ne go poza obudową szybu, dla ocen y w i e l k o ś ­ ci i stopnie za gr oż en is dis tej konstrukcji.

Po dk re śl ić należy, iż pr ze pr ow ad zo ne badania gr aw im e t r y c z n e w szybie metodę pion ow eg o pr of ilowania (p p g r) po djęte zo stały po raz p i e r ws zy w 1984 roku w Zakł ad zi e Ge of iz yk i Te ch ni cz ne j M i ę d z y r e s o r t o w e g o Instytutu G e of iz yk i A k a d e m i i G ó r n i c z o -H ut ni cz ej. Są w da lszym cięgu kontynuowane.

Os ią gn ię te re zu lt at y pr zy cz yn ię się ni ew ęt p l i w i e do d a ls ze go rozwoju m e ­ tod grawimetrycznych.

2. FI ZYCZNE PODS TA WY M E T O D Y PI ON O W E G O PR OF IL O W A N I A G R A W I M E T R Y C Z N E G O - PPGR

Rozwój m e to dy p i on ow eg o prof il ow an ia g r a w i m e t r y c z n e g o (PPGR) datuje się od prac Lu ka vć en ki

[

⁷

]

, Smitha [8] , Hammera [5] , Fajklewicza [2^{] . M e ­} toda zyskała swe z a st os ow an ie w k o m p l e ks ow yc h badaniach ka ro ta żo wy ch dzięki mo żl iw oś ci wy zn a c z a n i a gę stości objętościowej pr ze wi e r c a n y c h skał.

D a ls zy jej rozwój wy zn a c z a j ę prace G o od el l [4] , Howell [6] , Bayer [ij , Fajkle wi cz [3^{] .}

W ośrodku g e ol og ic zn ym w a r s t w o w a n y m po zi om o sk ładowa pionowa g r aw it a­

c y jn eg o przy ci ęo an ia i-tej w a r s t w y o gr ubości i gę stości w p u n k ­ cie po ło ż o n y m na jej p o w i er zc hn i wynosi:

9i = 2 T G fl h 1

a w punkcie leżęcym w pionie w spągu tej w a r s t w y w od ni es ie ni u do wa rtoś- e i 9 i :

Si+1 ^{* -}2^{T G} g t h , * hŁ

gdzie ^ jest średnim g r ad ie nt em pi onowym siły ciężkości.

Zm ia na składowej pionowej pr zy ci ąg an ia g r a w it ac yj ne go w y w o ł a n a przez tę wa rs tw ę w y n o s i 9 i + j ~ 9 A • czyli gęstość tej warstwy:

Pi ‘ Z r i ~ F ę (9i " 9 i+l + 3 $ h i )

W praktyce, mi erząc zmianę siły c i ęż ko śc i po mi ęd zy st ropem a 6pęgiem warstwy, można ob li cz yć za pomocą p o wy żs ze go wz or u jej gęstość pod w a r u n ­ kiem e l im in ac ji innych c z y n n i k ó w w p ł y w a j ą c y c h na wa rt oś ć mierzonej siły ciężkości. Do konać tego można przez w p r o w a d z e n i e st os ow ny ch poprawek.

W opra co wa ni u pomi ar ów gr a w i m e t r y c z n y c h w y k o n y w a n y c h w szybie należy U zg lę dn ić w ka żd ym punkcie p o mi ar ow ym po pr aw kę górniczą uw zg lę dn ia ją cą

Wy kr yw an ie metodą gr aw imetryczną pustek. 223

22 « 2. Fajfclewicz. K. Daklel. 0. Madej

wpły w zarówno szybu, Jego obudowy. Jak i innych wyrobisk górniczych znaj­

dujących się w bezpośrednim jego otoczeniu. Wpływ rzeźby terenu na mie­

rzone wartości siły ciężkości w szybie eliminuje się wprowadzając popraw­

kę topograficzną.

Należy zwrócić uwagę, iż obliczona wartość gęstości jest wielkością pozorną, odnoszącą się do warstwy nieskończonej o miąższości równej od­

ległości w pionie pomiędzy punktami pomiarowymi. Nie Jest ani jej gęstoś­

cią rzeczywistą, ani też średnią. Ta rozbieżność szczególnie wyraźnie uwidacznia się, gdy w badanej warstwie występują niejednorodności w roz­

kładzie gęstości.

Oest rzeczą oczywistą, wynikającą z prawa ciążenia powszechnego, iż im bliżej punktu pomiarowego znajduje się zaburzenie w rozkładzie mas w w a r ­ stwie nieskończonej, tym większą obserwuje się różnicę gęstości pomiędzy jej obliczoną a rzeczywistą wartością. Przekonują o tym zależności przed­

stawione na rysunku i. Dla otworu wiertniczego, gdzie stosunek jego pro­

mienia do miąższości badanej warstwy Jest blisko 0 (krzywa 8), 90% zaob­

serwowanego efektu grawitacyjnego pochodzi od materiału skalnego zawarte­

go w promieniu tylko 5-krotnie większym od miąższości wa rs tw y nieskończo­

nej .

W przypadku badań PPGR w szybie udział tej warstwy Jest zależny od promienia szybu, co przedstawiają krzywe od 1 do 7 (rys. 1). A zatem cała treść metody PPGR jest zswarta w tym, iż najistotniejsze z punktu widz e­

nia poznawczego zmiany gęstości poza obudową szybu wywołują od 50% do 9 0 % całego obserwowanego efektu grawitacyjnego w zależności od stosunku promienia szybu do miąższości badanej warstwy.

Zatem dla wykrywania pustek i wymyć w bezpośrednim otoczeniu szybu me­

toda PPGR winna dać pozytywne rezultaty.

Nie należy Jednak przedstawionych na tym rysunku zależności traktować Jako odpowiedzi na pytanie, jak daleko od otworu lub osi szybu są wykry­

wane zaburzenia w rozkładzie gęstości za pomocą pionowego profilowania grawimetrycznego. Odpowiedź na nie Jest, jak zwykle, zsleżna od rozmiarów, położenia i różnicy gęstości interesujących niejednorodności.

Na rysunku 2 przedstawiono kilka przykładów rozkładów zmian siły ci ęż­

kości w pionie w profilu przecinającym strefę niejednorodną - pustkę skal­

ną o zaznaczonych rozmiarach i zasięgu występowania wokół szybu. Warto zwrócić uwagę, iż oprócz obserwowanych w tych przypadkach dużych wartoś­

ciach amplitud, strop i spąg pustki wyznaczany jest w punktach, w których osiągają one wartości ekstremalne.

Metoda PPGR może być również użyta do badań dynamiki wzrostu wraz z upływem czasu, wymyć materiału skalnego poza obudową szybu, które w kon­

sekwencji mogę spowodować powstanie zs nim pustek skalnych. Podstawą wn io­

skowania w tym kierunku Jest analiza wy ników badań zmian czasowych PPGR.

Rysunki 3a i 3b przedstawiają czasowe zmiany PPGR w zależności od przyjętych następujących zmian gęstości skał za obudową szybu:

Wykrywanie metodę grawimetryczną pustek.. 225

Rys. 2. Pionowe profilowanie grawimetryczne (PPGR) przez pustkę skalną występująca poza obudową szybu w funkcji jej promienia zewnętrznego i r

miarów pionowych

Fig. 2. Shaft gravity logging (p p g r) ecross the rock cavity behind the shaft lining in the function of its external radius and vertical di­

mensions

P P G R

-0 4 0 0,4 12 -2,0 -1.6 -0.8 0 Q8 1.6 2P

. .,______ . ■ ■ ■ ■ « i — ± ... i . i J

P P G R w jjm s"2

D. F a j k l e w i c z , K. Dakiel, D. Madej

O -Q6

Wykrywanie metodę grawimetryczną pustek.. 227

228 Z. F a j k l e w i c z , K. Jaklel, 3. Madej

Rys. 4. Czasowe zmiany PPGR i ich związek z procesem wymywania materiału skalnego spoza obudowy badanego szybu

Fig. 4. Temporary PPGR variations and their relation to the process of the washing out of rock material from behind the lining of the shaft stu­

died

>N

35 I 38

C ^0 42

44 46 48 50 52 54 56 58 60

30-90 -C

I Üo

"cu

£

TX)'in 5o no or.o

PROFIL stra t.lit •

łupek it.

wągiel płoskowiec

łupek ii

piaskowiec fwosek płynny ił

i*u;»ek płynny p a se k ił •ł (wusęk płynny

?wir woa.

wod

piaskowiec p o se k ił

łupek

um s

Miaro intensyw nosi p ro c e su wym ywano m ołenołu sk o ln e go sp o z a obudowy s z y b u

08 26 -1986 04 ?E

Wykrywanie metodę grawimetryczne pustek.. 229

1,0 . 102 kg m-2 w przypadku C - rys. 3a oraz A I D - rys. 3b, zmiany gęstości w przypadku B podane sę na rysunku 3a. Poziomy zasięg tych zmian również przedstawiono na rysunkach - Jest on równy 2 m od obudowy szybu - rys. 3a oraz systematycznie rośnie (przykład D) lub maleje (przykład C) od 1 m do 9 m od obudowy szybu - rys. 3b.

Przykłady powyższe przekonuję o dużej selektywności metody czasowych zmian PPGR w kolejnych seriach pomiarowych. Pozwalaję one udokumentować możliwości wykrywania dynamiki zmian gęstości poza obudowę szybu metodę

PPGR.

3. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA

Pierwsze badania czasowych zmian PPGR wykonano w Jednym z szybów ko­

palni na Górnym ślęsku. Oego głębokość wynosiła 198,8 m. Głębiono go w utworach czwartorzędu, triasu i karbonu. Pomiędzy triasem a karbonem istnieje niezgodność kętowa. Warstwy czwartorzędu i triasu zalegaję pra­

wie poziomo, a warstwy karbońskie zapadaję w sęsiedztwie szybu pod kętem około 75° na SE.

W szybie tym znajduję się ujęcie wody pitnej na głębokościach od 30 m do 49 m. Już nieczynne oraz czynne od 57 m do 78 m. Celem podjętych prac było zbadanie, czy za obudowę szybu nie tworzę się rozmycia lub pustki skalne zagrażajęce stabilności szybu oraz ewentualne określenie dynamiki tych zjawisk. Dla osiągnięcie celu wykonano trzy serie pomiarowe przyj- mujęc odstęp między punktami pomiarowymi w pionie równy 3 m do głębokości 81 a, a poniżej - od 9 do 15 m.

Pomiary wykonano grawimetrem Worden-Master produkcji USA. Błęd pomia­

rów nie przekraczał wartości - 0,12 ^ m s~2 we wszystkich seriach.

Wyniki badań przedstawione na rysunku 4 wskazuję na względnie dużę dy­

namikę procesów wymywania materiału skalnego spoza obudowy szybu w okre­

sie li (II seria pomiarowa) oraz 19 miesięcy (lii seria pomiarowa).

Dak wynika z przedstawionych zmian PPGR w okresie od I do II serii, oznaczonych na rysunku 4 przez PPGR2_j wymycia materiału skalnego kon­

centrowały się w kompleksie czwartorzędowym, w interwale głębokości od 18 do 36,5 m. Seria III - a więc krzywa PPGRJ_ 1 , wskazuje na dalszy wzrost procesu wymywania, przy czym Jego zasięg poziomy i pionowy uległ powięk­

szeniu.

4. WNIOSKI

Przedstawiona wyżej metoda pionowego profilowania grawimetrycznego PPGR w szybie górniczym pozwala na wykrywanie pustek występujących poza jego obudowę. Nowa jej wersja - pomiar czasowych zmian anomalii 6iły cięż­

kości mierzonych podczas PPGR stwarza możliwość oceny intensywności pro­

230 Z. Fajkłewlcz, K. Oaklel, 0. Madej

cesów dynamicznych zachodzęcych za obudowę szybu w szczególności rozwoju pustek.

Ta nowa metoda pozwala obserwować rozwój zjawisk fizycznych zachodzę- cych za obudowę szybu be;, konieczności naruszenia Jego struktury. Wynika to z własności pola siły ciężkości, dla którego obudowa nie stanowi ekranu.

LITERATURA

[1] Beyer L.A. : The interpretation of borehole gravity surveys. "Geophy­

sics" 1977; vol. 42 s. 141.

[2] Fajklewicz 2. : 0 podziemnych pomiarach grawimetrycznych w zastosowa­

niu do górnictwa węglowego. Wyniki prac z KWK "M ie ch ow ic e". “Archiwum Górnictwa" 1956; t. 1.

[3] F8jklewicz Z.; Mi krograwimetria górnicza. Wyd. I; ślęsk, Katowice 1980.

[4] Goodell R.R. , Fay C.H.: Borehole gravity meter and its application.

"Geophysics" 1964; vol. 29, nr 5, s. 774-782.

[5] Hammer S. : Density determinations by underground gravity measure­

ments. "Geophysics" 1950; vol. 15, nr 4, s. 637-652.

[6] Howell L.G. , Heintz K.O. , Barry A.: The development and use of a high - precision downhole gravity meter. "Geophysics" 1966; vol. 31, nr 4 s. 764-772.

[

⁷

]

Lukavienko P.O.: K voprosu ob izmerenijach siły tjażesti v burovych skrazinach. “Priklednaja geofizika" 1948; no 4.

[b] Smith N.3. : The case for gravity data from boreholes. "Geophysics"

1950; vol. 15, nr 4, s. 605-636.

Recenzent: Doc. dr hab. inż. Wacław Zuberek

OEHAPyKEHHE METODOM rPABHIAIÍKOHHOrO KAPOT AHA nyCTOT B03HJÍKAJQE5U CHAPyjCi 3ACTP0&CH CTBOJIA ULAXTK ft CBH3AHHAH C 31 KM yr?03A

P a 3 o u e

3 paóoTe aaxiTcn $a3HBecKHe h npaKTH^ecKae ochobh npaneHeHH« neio.ua Bep- THKajisHoro rpaBaiaiiHOBHoro icapoiaza BrK b cTBwre aaxrn, c pejitu ofiaapyzeHHfl nycTOT BHCTynajonKX cnapyzn 3acTpoMKK cTBoaa. Hosan a^ea MeTo.ua, cocioamas b ípyroa TpaKTOBxe BpeueHBHX H3Me8eHB8 aHouajiHS ckjili TaxecTH, H3MepaeMo3 BO BpeMB B rK, n03Ba^aeT OBeHHTk HHTeHCBBHOCTb flHBailHMeCKHX npopeccoB HMe — ds;hx MecTo cHapyza aacTpoüKH CTBOJia, b ttaciHociH no3BaJiaeT opeBHTB npouecc pa3BHTHB nycTOT. HaóJiDfleHHH Haa sthm SBJieHHen bo3moxbh Gea H a p y m e H M CTpyit- iypu crsojia.

Wykrywanie metodę grawimetryczne pustek.. 231

DETECTION BY THE GRAVIMETRIC METHOD OF THE CAVITIES CR EATED BEHIND THE SHAF T LINING AND THE RELATED HAZARDS

S u m m a r y

In the paper are presented the physical basis and practical applica­

tion of the method of shaft gravity logging - P P G R , in the mining shaft for the purpose of detection of the cavities behind its lining.

Its new version - expressed in the form of measurements of temporary variations in gravity anomalies, measured during PPGR, creates a possibi­

lity for estimating the intensity of the dynsmic processes occuring be­

hind the shaft lining, especially the development of cavities.

Observation of these phenomena is possible without disturbing the shaft structure so that its application is not of destructive character.