A Bátaapáti NRHT kamratérségét befogadó gránittest kőzetmechanikai viselkedésének jellemzése az akusztikus emissziók megfigyelése alapján

Bátaapáti NRHT akusztikus emissziók megfigyelése

Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2016 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) 235-252

A Bátaapáti NRHT kamratérségét befogadó gránittest kőzetmechanikai viselkedésének jellemzése az akusztikus emissziók megfigyelése alapján Characterization of the host rock mechanical behaviour around the Bátaapáti radwaste respository chambers area, based on the acoustic emission datasests

Deák Ferenc Mecsekérc Zrt., BMGE Geotechnika-Mérnökgeológia Tanszék, [email protected]

Szűcs István PTE Környezetmérnöki Tanszék, LADINI Kft., [email protected]

Bakai János Geopolita Kft., [email protected]

ÖSSZEFOGLALÁS: A Bátaapátiban folyamatában épülő Nemzeti Radioaktívhulladék-tároló (NRHT) különböző tervezési fázisaiban (kutató lejtősaknák, a kamratérséget körbefogó Kis- és Nagyhurok, valamint tárolókamrák) több helyre telepítettek szeizmoakusztikus monitoring rendszereket. A kezdeti vizsgálatok eredményeit figyelembe véve az RHK (Radioaktív Hulladékokat Kezelő) Kft. szakemberei úgy döntöttek a kamratérség megközelítése során, hogy a megépült kamratérségben szükséges egy a kezdetektől kiépített és hosszútávon működő monitoring rendszer üzemeltetése. A célkitűzés az volt, hogy figyelni lehessen a felszínalatti térkiképzés hatását és a vágathajtási tevékenység befejezése utáni kőzettest viselkedést az akusztikus emissziós jelenségek műszeres rögzítése által. A jelen cikk célja röviden bemutatni a tárolókamrák térségében üzemelő szeizmoakusztikus monitoring rendszert. Ezt követően az akusztikus emissziók (AE) rövid- és hosszú távú roncsolásmentes vizsgálatai során keletkezett adatbázis elsődleges kiértékelését mutatjuk be. Az AE megfigyelések alapján lehetséges lokalizálni a törések kialakulásához, fejlődéséhez köthető hipocentrumokat, melyek alapján kirajzolódnak a felszín alatti üregekhez köthető EDZ-k, a már meglévő diszkontinuitások további deformációi, illetve az újabb (jellemzően sztochasztikus) törésrendszerek keletkezései. ABSTRACT: The program for the final disposal of low and intermediate level radioactive waste was established by Paks Nuclear Power Plant, Hungary. The Central Nuclear Financial Found and the Public Limited Company for Radioactive Waste Management (PURAM) has been established to coordinate organizations and activities for all tasks in connection with nuclear waste management. Based on a detailed geological screening a granite complex has been chosen as potential host rock beside Bátaapáti village in the south-western part of Hungary. The goal of this paper is to present shortly the seismoacoustic systems used in underground facilities and to give and discuss more detailed information on the long term acoustic emission (AE) acquisition system installed in the repository area. The used AE measurement method allowed a detailed short- and long-term, non-destructive supervision. With this technique is possible to allocate zones of stress-related fracturing around the underground spaces and to correlate the modeling results of the Excavation Damaged Zones (EDZs) around the Bátaapáti radioactive waste repository Kulcsszavak: akusztikus emisszió, hipocentrum, törés, hullámkép, EDZ Keywords: acoustic emission, hypocenter, fracture, waveform, EDZ

1 BEVEZETÉS A feszültség alatt álló kőzetek hallható tartományba eső kisugárzásainak érzékszervi megfigyelése egyidős a bányászattal, a felszín alatti épített objektumok kialakításához szükséges térkiképzéssel. A kőzetmozgást megelőző rezgésjelenségek figyelmeztethetnek – gyakran későn – a veszélyhelyzetre. Bizonyára nem véletlen, hogy éppen azon a területen indult leginkább fejlődésnek a jelenség kutatása, ahol a szem, mint a megfigyelés legközvetlenebb eszköze nem szolgáltat elegendő információt és előtérbe

235


kerül – az érzékszervi rangsorban egyébként második helyre szorult – hallás. Az emberi fül felbontóképessége azonban véges, a 20 Hz- 20 kHz tartományon kívüli, illetve a hallásküszöb alatti mechanikai rezgésekre „süket”. Az akusztikus emisszió jelensége ennél sokkal szélesebb frekvencia- és dinamikatartományt tölt ki folyamatosan, a néhány század Hz frekvenciájú földrengésektől kiindulva a MHz feletti, laboratóriumi törésvizsgálatoknál észlelhető frekvenciákig. Mivel az észlelt frekvencia- és dinamikasávok különbözősége elsősorban a tönkremenési jelenség méretével, a megfigyelés távolságával, illetve az alkalmazott műszerrel van összefüggésben, az akusztikus emisszióval foglalkozó kutatások elkülönültek egymástól (szeizmológia, szeizmoakusztika, nagyfrekvenciás anyagvizsgálatok). A szeizmoakusztikus emissziók kutatása több, mint fél évszázados múltra tekint vissza, bebizonyítva, hogy vizsgálatuk egyedülálló lehetősége kínál a kőzetek mechanikai tulajdonságainak, deformációinak, törésének tanulmányozására. E kínálat gazdagodását, fejlődését azonban mindenkor behatárolja az a kereslet, amelynek megélénkülése sokszor – akárcsak a szeizmológia iránt – a katasztrófák véletlenszerűségével áll összefüggésben. A gazdasági mutatókban csak nagyon áttételesen, közvetve jelentkező haszon – az objektum biztonsága – viszonylag szűk piaci keresletet teremt az egyedi speciális műszerek kifejlesztésének, holott azok költsége nagyságrendekkel kisebb, mint a potenciális károknak, amelyek a váratlan katasztrófahelyzetekhez kapcsolódhatnak. 2 ELMÉLETI HÁTTÉR Az akusztikus emisszió (AE) érzékelése és megfigyelése az emberiség történetét a kezdetektől átszövi. Ezt a fizikai jelenséget már ősidők óta megfigyelhette az ember és észleléséről emlékek is maradtak fenn, úgymint a túlterhelt faág recsegése és a szakmánkat is érintő kőzetek pattogása. Ezen jelenségek közös forrásai a szilárdtestben tárolt energia felszabadulása közben keletkező rugalmas hullámok, ezeket nevezzük akusztikus emisszióknak. A történeti áttekintés mentén érdemes a néhány irodalmi hivatkozásra alapozva megemlíteni (pl. Enciklopedia Britannica), hogy az első alkalmazott AE vizsgálat valamikor Kr. e. 6500 környékén lehetett, amikor kézműves kiégetett cserépedények minőségének ellenőrzését úgy végezte el, hogy figyelte a kemencéből kihallatszó jellegzetes pattogó hangokat, amelyek a hűlés közbeni repedések megjelenésére utaltak. Később a középkorban a fémkohászat hasznosította az AE megfigyelést nagy előszeretettel (például az ónzörej), vagy említés található arról is, hogy az acél „sokat beszél” kovácsolás közben. De természetesen nem szabad megfeledkezni a bányászat során tapasztalható a bányaomlásokat megelőző jól hallható éles hanghatásokat, vagy csak egyszerűen a kőzettestben dolgozók által tapasztalt és mindennapi életüket átszövő kőzet „recsegést” (ezekről a jelenségekről szakszerűbb leírást ad Agricola „De re metallica” műve is). A sok modern tudományos eredmény közül: érdemes megemlíteni, hogy R. J. Anderson 1925-ben ír arról, hogy az alumínium ötvözet csavaró vizsgálatakor a folyáshatás és a törés között Lüders vonalak jelennek meg hallható kattanó hangok kíséretében. A napjainkban használatos akusztikus emissziós technika alapjainak lefektetője Joseph Kaiser volt, aki a Müncheni Műszaki Főiskolán tevékenykedett. Az 1950-ben a doktori disszertációjában adja meg az AE első alapos jellemzését. Különböző technikai anyagok szakítószilárdságát vizsgálta, miközben megfigyelte: milyen hangok keletkeznek az anyagban, mikor keletkezik az AE, milyen frekvenciatartományban történik az emisszió, a szakító szilárdság diagramja és a megfigyelt frekvencia közti kapcsolatot is vizsgálta. A legfontosabb felfedezése a róla elnevezett Kaiser-effektus: sok anyag nem válik akusztikusan aktívvá mindaddig, amíg a terhelés által okozott feszültség csúcsértéke el nem éri azon maximális értéket, melyet az anyag már elszenvedett. E mellet tett még egy a kőzetmechanika számára újabb fontos megfigyelést mégpedig, hogy az anyag „emlékszik” előző csúcsterhelési szintjére. Ezek a megfigyelések az in situ primer feszültség mérések egy közvetett lehetőségét is megalapozták, mely segítségével fúrásokból kiemelt magok azonnali vizsgálatával lehetőség nyílik közelítő becslést adni a kőzetminta származási helyének feszültség viszonyairól (Dight et al. 2012). Kaiser ugyanakkor megkülönböztette a hullámképek vizsgálata során a folyamatos (continuous) és a kitöréses (burst) emissziót (1. ábra). A nemzetközi és a hazai szakirodalomban nagyszámú dokumentum született témával kapcsolatban, ezek áttekintése nem áll módunkban a jelen terjedelem mellett.

236


1. ábra. Kitöréses (fenti) és folyamatos (lenti) emissziók jellegzetes hullámképei 3 AE MINT SZILÁRDTEST-FIZIKAI JELENSÉG Az AE jelensége definiálható, mint a szilárdtestben tárolt energia felszabadulása közben keletkező rugalmas hullámcsomag. A rugalmas hullámokat keltő akusztikus emissziós források felosztásánál Dr. Pellionisz Péter „Akusztikus emissziós anyag- és szerkezetvizsgálatok” című könyvében szereplő alapvetéseket használjuk fel (Pellionisz 1992). Az AE forrásokat négy csoportba sorolhatjuk: -

diszlokációs mozgások fázisátalakulások súrlódások, törések repedés-kialakulás és növekedés

Az AE mérések során az észlelt jelek forrásának azonosítása nehéz feladat elé állítja a szakembereket, mivel az anyag belsejében keletkező hullámcsomag amplitúdója, fázisa és spektruma változik a következő jelenségek miatt: szóródás, elhajlás, visszaverődés, csillapodás, törés. Az egyes anyagok akusztikus aktivitása eltérő. A következő anyagtulajdonságok növelik az AE aktivitást: alacsony hőmérséklet, nagy szilárdság, inhomogenitás, anizotrópia, rideg törés, nagy feszültségkoncentráció. Az anyagban keletkező AE jelenségek két alapvető típusa különíthető el: folyamatos és kitöréses. A két jeltípus elsősorban a kitörések számában különbözik. Folyamatos jelnél a kitörések olyan gyakoriak, hogy egy folytonos jelet kapunk végeredményként. Más megfogalmazásban az AE forrásai azon anyaghibák, amelyek terhelés hatására növekednek. Az AE észleléssel az adott terhelési szinten aktív anyaghibákat tárhatjuk fel, mivel akusztikusan csak ezek aktívak. A módszer lehetővé teszi egy adott mérési folyamat során az egész a vizsgálattal lefedett térrész szerkezetének roncsolás mentes vizsgálatát. Az egyéb roncsolás mentes vizsgálatoktól eltér abban, hogy a jelek magából az anyagból származnak, nem szükséges külső gerjesztő forrás, valamint az AE vizsgálat dinamikus ellenőrzés, amely a szerkezetre ható aktív igénybevételekhez kapcsolódik és erről szolgáltat nagyon részletes információt. Még mielőtt rátérünk az AE elméleti hátterének áttekintésére, a kőzetmechanikai aspektusokra teljesség igénye nélkül csupán a mikrorepedések keletkezésének alapvetéseit mutatjuk be. Abban az állapotban, amikor még makroszkópikusan a polikristályos anyagszerkezet nem érte el a folyáshatárt, mikroszkópikus létékben egyes kristályokon belül bekövetkezhet a képlékeny alakváltozás, vagy helyi deformáció. A diszlokációk felszaporodnak a képlékeny alakváltozást gerjesztő külső feszültség hatására, így a kristályokon belüli hibákon és a szemcsehatárokon feltorlódnak és leállítják a diszlokációkat termelő forrásokat, ezáltal az anyag felkeményedik. A folyáshatárt, szilárdságot növelő jelenség a szemcsén belüli diszlokáció eloszlást egyenetlenné teszi és az egyenetlen diszlokáció eloszlás kedvez a mikrorepedés keletkezésének. A repedés megjelenésekor megszűnik a homogén feszültségtér. A repedés éles csúcsában ébred a legnagyobb feszültség (erre visszatérünk a kőzetmechanikai vonatkozásoknál). Ha az anyag képes alakváltozásra, akkor létrejön egy letompulás, egy feszültségi zóna és egy képlékeny zóna a repedés éle körül. Később a képlékeny zóna képes lesz az alakváltozásra az intenzív diszlokációs mechanizmus révén. Ezen makroszkópikus repedések esetében a repedés stabilitását, vagy terjedésének feltételeit a törésmechanika eszközeivel, legfőbbképpen a feszültségintenzitási tényező vagy J integrállal szokás jellemezni. Ha valamely külső erő hatására egy repedés szétnyílik, akkor a

237


repedés eredeti felületei d távolságra eltávolodnak egymástól, így létrejön egy látszólagos repedésnövekmény. A fenti folyamat során a keletkezett repedés eltompul, ezt az élet veszi körül a feszültségi zóna, és ezen kívül helyezkedik el a képlékeny vagy alakváltozási zóna. A terhelés növekedésével arányosan a repedést körülvevő rugalmasan alakváltozott tartomány és a képlékenyen alakváltozott tartomány is növekszik. A csúcs körül kialakult képlékeny zóna maga előtt tolja látszólag a rugalmas tartományt, mely egyre csak kiterjedni látszik. Ez mindaddig történik, amíg a feszültségi zónán belül meg nem szűnik a kontinuitás, amíg a feszültségi zóna fel nem hasad, ez jelöli a repedésterjedés megindulását. Ha egy szerkezetben jelen van egy repedés, akkor ennek nagyságát az adott külső feszültség hatására a körülötte kialakuló rugalmas kontúr jellemzi. Ha egy anyag akusztikus aktivitását (β) ismerjük, akkor a következő összefüggéssel becsülni lehet a képlékenyen alakváltozó zóna térfogatát a mért akusztikus eseményszámból. A fent említett becslés lehető legpontosabb megadásához ismerni kell az adott anyag adott állapotban az akusztikus aktivitást laboratóriumi mérésekkel megalapozva, ezzel együtt a Σ E értéke is erősen függ az AE mérés körülményeitől (pl. küszöb vagy threshold értéke, a holtidő nagysága stb.). A mért AE jellemzők a következők (2. ábra) - esemény hossz - felfutási idő, amíg az esemény eléri a csúcs amplitúdóját - csúcs amplitúdó - rezgésszám - esemény észlelési ideje a mérés során A részletes elméleti hátteret a szakirodalom tartalmazza, illetve a Bátaapáti AE mérések megalapozását az eddig leadott jelentések fejtik ki különböző részletességgel.

2. ábra. Egy mért akusztikus emissziós esemény fizikai jellemzői (Pellionisz 1992) A földalatti üregképzés következtében a bányatérségek, vágatok környezetében levő kőzetekben a rétegterhelés hatására a kőzetminőségtől és a földtani szerkezettől függő, differenciált eloszlású feszültségtartományok alakulnak ki. A nyitott térségeket különböző mértékben lazult zónák, ezeket pedig nagyobb feszültségű zónák veszik körül. A megnőtt feszültség hatására az adott minőségű kőzet rugalmas tartományát meghaladó deformációk jönnek létre, így mikro- és makroméretű kőzet-tönkremeneteli jelenségek játszódnak le. A differenciált eloszlású feszültségek az inhomogén kőzetkörnyezetben, a különböző szilárdságú kőzet-elemekben különböző időpillanatokban töréseket és elmozdulásokat okoznak, ezáltal az üreget körülvevő kőzetek kúszni kezdenek a nyomásárnyékok, általában a nyitott felszín alatti térségek irányába. A kőzet-tönkremeneteli folyamatban a rugalmasság határáig igénybevett kőzet a tárolt rugalmas energia egy részét akusztikus energia formájában a környezetének adja át, aminek a tovaterjedő hullámai rezgésérzékelőkkel észlelhetők és tanulmányozhatók. A rugalmassági határáron túllépő kőzet-tönkremeneteli események hatásai is akusztikus impulzus formájában detektálhatók, így a kőzetkörnyezet szeizmoakusztikus megfigyelésével a földalatti térség állékonyságát befolyásoló kőzet-törések előtti és alatti folyamatok egyaránt leképezhetők. A kőzet-tönkremeneteli folyamathoz akusztikus emissziós (AE-) impulzus tartozik. Ennek jellemzőit (frekvencia és energia) a tönkremenő kőzetben előzőleg tárolt rugalmas energia, illetve a közvetítő kőzettartomány anyagi és szerkezeti jellemzői határozzák meg. A tovaterjedő rugalmas hullám a különböző fizikai jellemzőjű- (terjedési sebességű- és szerkezetű-) közegben megtörik, visszaverődik, diszperziót szenved és abszorbeálódik. 238


Mind laboratóriumi, mind nagyobb anyagtartományok törési kísérleteinek akusztikus emissziós megfigyelésénél általános tapasztalat, hogy a vizsgálati tárgy tönkremenésig menő terhelésekor már csekély terhelés esetén megjelennek az AE-impulzusok. A feszültség növekedésével az időegységre eső impulzusok száma exponenciálisan nő, majd a törés bekövetkeztével megszűnik. Szakaszos terhelés esetén az AE-aktivitás csak akkortól jelentkezik ismét, amikor a terhelés eléri az előbbi szintet. A felszín alatti fizikai környezetben lejátszódó minden egyes törés során nagyszámú fizikai kötés szakad fel, a teljes tönkremeneteli folyamatot pedig ezen törések nagyszámú sorozata alkotja, amelyben az AEimpulzusok a rugalmas hullámok törvényszerűségein megfelelően összeadódnak. Az eredő AE-impulzusokat is az észlelési távolságtól, az összegjel energiájától és a közvetítő közeg (frekvencia szelektív) abszorpciós tulajdonságaitól függően nagy frekvenciák (1–100 kHz) és jellegzetesen exponenciálisan lecsengő jelalak jellemzi. 4 AE TULAJDONSÁGOK VÁLTOZÁSA A TÖRÉSES TÖNKREMENTEL SORÁN Néhány évtizede már annak, hogy a kőzetmechanikai mérések során is széles körben elterjedté vált az AE mérés. A laboratóriumi mérések során úgy az egytengelyű nyomószilárdság mérések, mint a triaxiális mérések során már a kevésbé professzionálisan felszerelt mérőberendezések tartozéka a nyúlásmérő bélyegekkel egy időben üzemelő AE érzékelők. Ezek a töréstesztek során nagyon sok fontos és elengedhetetlen információt szolgáltatnak törésmechanikai szempontból, melyek segítik labor mérések eredményeinek a kiértékeléseket, ugyanakkor a nagyléptékű terepi mérések kalibrációját is lehetővé teszik. Ez a laboratóriumi mérési módszer sajnos ez idáig nem volt elvégezve a Bátaapáti NRHT projekt keretein belül. A laboratóriumi kőzetminták töréstesztje során tapasztalható AE vizsgálatok tapasztalatait külföldi szakirodalomra támaszkodva adjuk meg. A kőzetek, mint rideg anyagok tönkremenetelét már előzőekben részletesen vizsgáltuk egy átfogó jelentésben és hazai illetve nemzetközi publikációk során (Deák et al. 2013, Deák et al. 2013, Deák et al. 2013, Kovács et al. 2012). Alább közöljük ennek rövid összefoglalását részletesebben kidomborítva jelen esetben az AE vizsgálatok fontosságát és azok kapcsolatát a többi törésmechanikai tapasztalattal. A rideg anyagok károsodásával kapcsolatos (főleg kristályos kőzetekre vonatkozóan) legelfogadottabb tapasztalati elméletet tömören a 3. ábra szemlélteti. Az ábrán Martin (1993) (Martin 1993) egy Lac du Bonnet gránit mintán végzett triaxiális kísérlet adatait ábrázolta és ezen mutatja a rideg, mikrorepedezéssel károsodó anyagok károsodási folyamatának jellemző szakaszait (magyar nyelven, Deák et al. 2013). A szakaszok elkülönítéséhez megbízhatóan mérni kell a tengely és oldalirányú deformációkat és hasznos mérni az akusztikus emissziót. Ez utóbbit a mikrorepedések megjelenése eredményezi. A mikrorepedés kinyílásakor a lokális feszültségrelaxációt kísérő hangesemények okozzák, ezek számát v. intenzitását mérhetjük. Az ábrán a jobboldali alsó grafikon felső részén az εa tengelyirányú deformáció függvényében az

e v = e a + 2e l

(1)

teljes térfogatváltozást láthatjuk. Ebből a rugalmas deformációnak köszönhető térfogatváltozás levonásával adódik az

e CV = eV - e EV e cv = e v -

(2)

1 - 2n sa E

(3)

repedéstérfogat, vagy más néven dilatáció. Itt n a Poisson-tényező, E a Young-modulus, σa pedig a tengelyirányú (axiális) feszültség. Egytengelyű összenyomás esetén a tönkremenetelig négy szakaszt különböztethetünk meg. I szakasz: Mikrorepedések záródása (CC határérték) Terheletlen állapotból a repedéstérfogat csökkenésének befejeződéséig tart. A feszültség-axiális deformáció görbe konvex, a minta térfogata növekszik, de kevésbé, mint a rugalmas összenyomódás miatt kellene. A mikrorepedések záródása nem jár zajjal, azaz akusztikus emisszió gyakorlatilag nincs. A tartomány határát a repedészáródási határfeszültség (σcc) jellemzi. II. szakasz: Lineárisan rugalmas tartomány (CI határérték)

239


A repedéstérfogat állandóságával határozzuk meg. A feszültség mind a tengely, mint az oldalirányú deformáció függvényében lineáris, hangkibocsátás nincs. A tartomány felső határát a repedésnyílási határfeszültség (σci) jellemzi. III. szakasz: Stabil repedésterjedés tartománya (CD határérték) A repedéstérfogat csökkenésének kezdetétől illetve az akusztikus emisszió megindulásától a teljes térfogatváltozás maximumáig tart. A feszültség a tengelyirányú deformáció függvényében lineáris, az oldalirányú deformáció függvényében viszont már nem. A tartomány határát a károsodási határfeszültség (σcd) jellemzi. Más kísérletek azt mutatják, hogy a feszültség növelését a tartomány határain belül megállítva a károsodás folyamata megállítható, azaz a repedezés a feszültséget állandóan tartva nem folytatódik, az anyag hosszabb idő alatt sem megy tönkre. Innen a tartomány elnevezése. IV. szakasz Instabil repedésterjedés tartománya (UCS) Ez a szakasz a teljes térfogatváltozás maximumától a tönkremenetelig tart. Rideg anyagoknál a tönkremenetel gyors, nincs képlékeny, illetve puhuló átmenet. A feszültség a tengelyirányú deformáció függvényében gyakorlatilag a tönkremenetelig lineáris marad. Az oldalirányú deformáció függvényében viszont egyre inkább a vízszintes felé hajlik, amit a mintatengelyre merőleges felületirányú repedések kinyílásával szokás magyarázni. Ebben a tartományban a mikrorepedések összeolvadása és nagyon erőteljes akusztikus emisszió figyelhető meg. A feszültség növekedését megállítva és állandó értéke tartva a tönkremenetel előbb utóbb bekövetkezik.

3. ábra. Rideg anyagok károsodásának összefoglalása Martin és Chandler (1993) szerint (ábra Cai 2009-ből). Gránit triaxiális összenyomásakor a tengelyirányú deformáció függvényében a teljes és repedéstérfogat változása (lent) és a feszültség (jobbra fent), illetve az oldalirányú deformáció függvényében a feszültség (balra fent). A kék terület az mikrorepedezésre jellemző akusztikus emisszió intenzitás adatok (beütésszám) láthatóak. A mérést a baloldalt alul látható sematikus ábra mutatja (Martin 1993, Cai 2009 alapján Deák et al. 2013, Kovács et al. 2013). Megjegyezzük, hogy a fenti tartományok megkülönböztetése csak az oldal és tengelyirányú deformációk egyidejű mérésével lehetséges. Ez a károsodási folyamat nincs teljesen elméleti modellel alátámasztva, ezért több ponton hipotetikus. Az AE mérés az esetleges mérőbélyegek károsodása esetében segíti az értékelést.

240


A fentebb említett elmélet alapján tárgyalható a kőzetmechanikában nagy fontossággal bíró „spalling” (lepattogzás v. kipergés) jelenség. Az ISRM Comission on Spalling Prediction (Bizottság a lepattogzás becslésére) elhatározta, hogy szabványosítják az eljárást a laboratóriumi egytengelyű nyomószilárdság méréseknél, valamint az alagúthajtás esetében. Az ISRM EUROCK2010 konferencián Diederich M. S. és Martin C. D. (Diederich et al. 2010) mutatták be az ajánlásukat, összefoglalva eddigi tapasztalataikat, ugyanakkor a szabványosítás előtt ajánlást tettek az azt megelőző további kutatásokra. Az ISRM EUROCK2012 konferencián már ezen ajánlások figyelembe vételével újabb összefoglaló cikk jelent meg (Perras et al. 2012). Az említett munkák alagutak tönkremenetelére vonatkozó megfontolásait később az EDZ zónát tárgyaló fejezetben fejtjük ki bővebben. Laboratóriumi mérések során a CC, CI és CD határértékek meghatározására legnagyobb biztonsággal a mérőbélyegek és az akusztikus emissziók vételére szolgáló transducerek együttes használatával van lehetőség (4. ábra).

4. ábra. A Tönkremenetel észlelése a) akusztikus emissziók és b) alakváltozás mérések felhasználásával (Diederich et al. 2010) Az E. Eberhardt által végzett nagyon részletes AE labormérések során 0 egyértelműen tapasztalható volt, hogy a jelek hullámképei nagyban befolyást szenvedtek a következőktől: a kipattanási fészkek karakterisztikája, a befogadó környezet természete, a fészek és érzékelés közötti útvonal, az érzékelő és az adatgyűjtés karakterisztikája. Általánosságban a kapott hullámképek nagyon komplexek és azok a nem homogén és anizotrop környezetben való áthaladásuk miatt nehezen értelmezhetőek és ezáltal nehézkes a kipattanási fészkek jellemzése is. A következőket tapasztalták a mérések során: az AE események amplitúdójának növekménye volt tapasztalható az anyag folyáshatáránál és alacsony AE aktivitás volt érzékelhető az elasztikus deformáció során miután magas amplitúdójú események következtek a rugalmassági határ elérése után. A fent bemutatott labormérések és főleg az egytengelyű nyomószilárdság AE szenzorokkal történő mérése nagyban elősegíti a felszín alatti üregek közvetlen környezetében, illetve fúrások lyuk-közeli tartományában lejátszódó feszültségváltozások következtében végbemenő szilárdsági állapotromlás és tönkremenetel megértését. 5 TÉRBELI PARAMÉTEREK MEGHATÁROZÁSA Tegyük fel, hogy digitális mérőműszerekkel végzett mérésünk eredményeként a rendelkezésünkre áll egy olyan regisztrátum, amely az ismeretlen felszín alatti térség környezetében elhelyezett r (>4) darab ismert Pi (xi; yi; zi) koordinátájú érzékelő koordinátáit és a t 0 időpontban P (x; y; z) koordinátájú helyen kipattant AE jel Pi (xi; yi; zi) pontba való első beérkezési időt (t i) tartalmazza. A v hullámterjedési sebességet tartalmazó 4. képlet szerinti:

t 0 + t i = ( x - xi ) 2 + ( y - y i ) 2 + ( z - z i ) 2 / v

(4)

alapegyenletet r db érzékelőre felírva r db nem lineáris egyenletet kapunk, amit a hamis gyökök elkerülése-, és a könnyebb megoldhatóság miatt is célszerű linearizálni, Így ugyan eggyel több egyenletre (legalább k=5-re) van szükségünk egyetlen hipocentrum meghatározásához, viszont ennek az újabb érzékelővel teljesíthető feltételnek az előnye a megoldás egyértelműségében és gyorsabbá téttelében jelentkezik.

241


Ha rendelkezésre áll a regisztrátum digitális alakban, a következő feladat a k és r közötti darabszámú külön-külön csatornán lévő összetartozó beérkezések kiválogatása. A minden egyes lehetséges érzékelőpár kiválasztásra előzetesen megállapított időkapuk az 5. ábrán vázolt módon minden érzékelőpárra meghatározzák azt a maximális beérkezési időkülönbséget, amelynél nagyobbal összetartozó jel nem érkezhetett be az adott érzékelőpárra. Így ezek az időkapuk csak felső határai lesznek az összetartozóság kritériumának; tehát amely adatok belül vannak az időkapun, lehetnek összetartozó AE jelek beérkezései, de nem biztos, hogy azok is. A szűkebb időkapuk alkalmazásának menete a következő: A regisztrátumon vesszük az időben első adatot. A csatorna, illetve az ennek megfelelő érzékelő sorszámhoz (i) tartozó r darab időkapuból a maximális kiválasztásával végigvizsgáljuk, hogy találunk-e legalább k darab (gyakorlati szempontból azonban célszerű nagyobb értéket megadni) i-től és egymástól is különböző csatorna sorszámú időadatot, amelyek még mind belül vannak a maximális időkapun. Ha igen, akkor ezen i-re vonatkozó maximális időkapun belül a lehető legnagyobb számú ilyen feltételeknek eleget tevő időadatot kell kiválogatni. Ezek után végig kell vizsgálni az így kiválasztott s (s
()

5. ábra. A maximális beérkezési időkülönbségek érzékelőpáronkénti meghatározása (Szűcs 2016) 6 NAGYLÉPTÉKŰ A FELSZÍNALATTI ÜREGKIKÉPZÉS SORÁN KELETKEZŐ TÖRÉSEK ÉS AZ AHHOZ KÖTHETŐ AE ESEMÉNYEK Ebben az esetben leginkább két fontos csoportra osztanánk fel az AE forrásokat térbeli és különböző gyengült zónákhoz köthető tulajdonságaik alapján: 1. a felszín alatti különböző közvetlen közelében létrejövő az EDZ zónákhoz és 2. az azoktól távolabb, különböző törések keletkezéséből, illetve meglévő, 242


vagy törésegyesülésből létrejövő nyírásos zónák felújulásához köthető különböző intenzitással, de folyamatosan jelenlévő AE-k. A vágathajtás során (függetlenül attól, hogy milyen módon történik a kőzet jövesztése), a feszültségváltozásból adódó azonnali hatásra kisebb kiékelődések, illetve a kőzetpergés és kőzethasadás következtében lepattogzás történik. Ha a kisebb-nagyobb kiékelődéseket nem a kőzettestet szabdaló törésrendszerek síkjai határolják, akkor a kőzettestre jellemző túljövesztések, illetve a kitörési szelvény túljövesztéseit az azonnali lepattogzás (spalling) és robbantás hozzáadott roncsoló hatása együttesen okozzák. Ezek a törések, melyek a vágathajtás következtében létrejövő feszültségváltozások és a terhelésnövekedés következtében rideg tönkremenetel során keletkeznek, mind párhuzamosan helyezkednek el az alagút falával (6. ábra). A vágatok palástkörnyezetében keletkező rideg lepattogzás, illetve a repedések keletkezésének folyamata egy Hoek professzor által elvégzett kísérlet tapasztalatai alapján írhatók le. Hoek először üveglemezeken végzett kísérleteket, és ezeken vizsgálta a repedésnövekedés és a s3/s1 kapcsolatát. A kísérletből kiderült, hogy az oldalfeszültség (s3) csökkenésével egyidejűleg ún. szárnyrepedések (wing crack) kezdtek kialakulni, majd kiterjedni, növekedni. Egy bizonyos értéktől kezdve (s3/s1 < 0,05) a szárnyrepedések hosszúságukban számottevően növekednek. A jelenséget a 6. és 7. ábrák mutatják be.

6. ábra. A vágathajtás hatására az alagút falazatának környezetében létrejövő rideg töréses tönkremenetel sematikus rajza (Ghazvinian et al. 2011)

7. ábra. Az oldalfeszültség (s3) nélküli rideg repedésfejlődés elméleti rajza – az elsődleges repedés mentén nyírásos deformáció, míg a szárnyrepedéseknél húzásos deformáció (dilatáció) jön létre (Eberhardt et al. 1998) A Geotechnikai értelmező jelentésben illetve nemzetközi publikációkban részletesen írtunk arról, hogy az EDZ-k térbeli kiterjedése hogyan jellemezhető a tárolókamrák térségében (Deák et al. 2013, Deák et al. 2013, Kovács et al. 2012). Jelen esetben csupán az egyik és altalunk is javasolt megközelítést mutatjuk be. Az I. kamramezőben elvégzett primer feszültségmérések alapján a tárolókamrák tengelyére merőleges síkban a k=1,35 oldalnyomás tényező alkalmazását javasoltuk. Így ezzel az értékkel is elvégeztük a

243


fentiekben említett modellek futtatásait. A horizontális/vertikális feszültségarány változtatásával a várt eredményeket kaptuk, azaz a főte és a talp környékén nagyobb kiterjedésben jelentek meg az jellemző módosult zónák. A kapott eredményeket mutatja be a 8. ábra és az 1. táblázat.

8. ábra. A jellemző módosult zónák (EDZ-k) térbeli kiterjedése a tárolókamrák elágazásának környezetében (k = 1,35) (Deák et al. 2013) 1. táblázat. A jellemző módosult zónák legnagyobb kiterjedése a kamraelágazások környezetében (k = 1,35)

s3/s1 = 0,05 HDZ EDZi EDZo

főte talp főte talp főte talp főte talp

2,9 m 4,6 m 3,3 m 4,9 m 3,6 m 5,2 m 4,7 m 6,3 m

7 A KAMRATÉRSÉGBEN ÜZEMELŐ SZEIZMOAKUSZTIKUS RENDSZER RÖVID ELLEMZÉSE A kezdeti telepítések során beélesített és működtetett rendszerek az adott elrendezésben 2014.05.16ig működtek. A meglévő berendezések mindegyike 6-6 érzékelőből és egy-egy adatgyűjtővel működtek. Az elhelyezett érzékelőket befogadó fúrások lehetőség szerint 2 m magasságban a falra merőlegesen mélyültek +5°, 65 mm átmérővel és 3 m talpmélységgel. A jelvezetésre szolgáló kábeleket mechanikai védelemmel látták egészen az adatrögzítő dobozokig. A fent említett dátum után két újabb mérőrendszer került beépítésre, melyek jelenleg is működnek a következő kiosztásban (9. ábra): - A SZEIZ-08 és SZEIZ-09 jelű mérőrendszerek pozíciója változatlan maradt. - A SZEIZ-11 jelű rendszer a Tároló összekötő vágatban létesült a SZEIZ-10 jelű rendszer áttelepítésével és 6 db új (11/1-11/6 jelű) érzékelő (a mellékletben található átnézeti térképen megtalálható) szerinti telepítésével. Az érzékelők a Tároló összekötő vágat 38 – 118 fm-e között a nyugati falon mélyített fúrásokban egymástól kb. 16 m távolságra elhelyezve. Az érzékelők elhelyezéséhez szükséges fúrások kb. 3 m magasságból indítva, a falra merőlegesen lemélyítve, kb. +60° dőléssel, 65 mm átmérőben és 3 m talpmélységgel lettek kialakítva. - A SZEIZ-12 jelű rendszer 12/1–12/6 jelű érzékelői a Tárolóépítési szállítóvágatban 10 – 110 fm között az északi falon mélyített fúrásokba kerültek, egymástól kb. 20 m távolságra. Az érzékelők elhelyezéséhez szükséges fúrások kb. 2 m magasságból indítva a falra merőlegesen lettek lemélyítve, kb. +5o dőléssel, 65 mm átmérőben és 3 m talpmélységgel.

A jelenleg üzemelő rendszer térbeli elhelyezkedésének kialakítását a következő szempontok alapján tervezték meg: -

Az érzékelők lehetőleg gyengítetlenül érzékeljék a vágathajtás során sértetlenül maradt kőzetből jövő jeleket; Az érzékelők a lehető legnagyobb térrészt fogják közre; 244


-

Az érzékelőket a lehető legkevesebb kábellel kell az adatrögzítő egységhez csatlakoztatni; Az érzékelők adjanak információt a kritikusnak tekinthető kőzetfeszültség gyűjtő helyekről; Legyen megoldható az érzékelők rögzítése úgy, hogy azok a befogadó kőzettel együtt mozogjanak; Az érzékelő és adatgyűjtő rendszer elhelyezése ne akadályozza az egyéb munkálatok biztonságos végzését.

A Bátaapáti NRHT-ban használt szeizmoakusztikus érzékelésre a gyorsulásmérést lehetővé téve a PI-A-3-1 típusú gyorsulásérzékelőt használják. Rezgésfelvevő gyorsulásérzékelő a házba épített erősítő áramkörrel és tesztgenerátorral. A nagy sávszélességű, nagy érzékenységű piezoelektromos gyorsulás érzékelő jeleit kiszajú előerősítők fogadják. Erősítés és szűrés után az X, Y, Z irányú gyorsulás jeleket háromcsatornás analóg összegző-átalakító fogadja. Az összegzett jelek az alulvágó szűrő után árnyékolt kábelen keresztül jutnak a központi egységbe. A rendszer működőképessége az érzékelőbe épített elektromechanikus rezgéskeltő tesztgenerátorral ellenőrizhető. Az érzékelő a környezeti hatásoknak (víz, pára), elektromos és mágneses zavaroknak ellenálló házba épített, 11 eres árnyékolt vezetékkel egybe szerelt egység. Az érzékelők specifikációját és vázlatos felépítését a 10. ábra mutatja (Szűcs 2016).

9. ábra. Az NRHT kamratérségében telepített AE érzékelő monitoring rendszer pontjai

10. ábra. A rezgésmérők specifikációja és vázlatos felépítése (Szűcs 2016)

245


8 A MÉRÉSI ADATSOROK ÁTTEKINTÉSE A mérési fázisok bemutatását két fő részre osztottuk: 2011.03.01-2014.05.16 és 2014.05.162016.02.29 közötti időszakokra. 8.1 A SZEIZ-08, SZEIZ-09, SZEIZ-10 szeizmoakusztikus monitoring rendszer üzemeltetése és eredményei (2011. 03. 01 – 2014. 05. 16.) A SZEIZ-08, SZEIZ-09, SZEIZ-10 mérőrendszerek a 2011. márciusi sikeres próbaüzemmel induló beüzemelésük óta 2014. május 16-ig folyamatosan üzemeltek. Az ezen időszak folyamatos regisztrációját érintő eseményeket és azok regisztrációs hatásait vizsgáltuk, amely alapján megállapíthatjuk, hogy: - A folyamatos regisztrációt érintő események forrását (egy kivétellel) a rendszer belső működési struktúrájától független külső behatások eredményezték, amelyek vagy nem befolyásolták a rendszer működését, vagy azonnal orvosolhatóan nem okoztak regisztrációs kimaradást. - A kívülálló okok (kivédhetetlen külső behatás) miatt bekövetkezett regisztrációs hézag összességében nem volt számottevő (néhány nap). A fentiek alapján az üzemelésbiztonsággal kapcsolatban megállapítható volt, hogy: - A megfigyelőrendszerek belső hardveres és szoftveres struktúrájának működési, üzemelési stabilitása gyakorlatilag hibamentesnek bizonyult. - A kívülálló, elháríthatatlan külső behatásokra történt átmeneti, rövid üzemszünetek hatékonyan és gyorsan orvosolhatóak voltak. Az ilyen jellegű behatások bekövetkezési valószínűségének csökkentéséhez szükséges tapasztalatokat megszereztük és a további munkák során érvényesítettük. A vizsgálatokra támaszkodva megállapítható volt, hogy a legintenzívebb kőzetdinamikai folyamatok a vágatkereszteződésekben, a két tároló kamra-, a Tárolóösszekötő vágat- és a tárolói szállítóvágat mentén valamint a nyugati alapvágat SZEIZ-09 megfigyelőrendszerhez közel eső részén mentek végbe. A megfigyelt vizsgálati időszak alatti 51 344 db jelbeérkezésből azonosított 12 378 db szeizmoakusztikus emisszió és az ezekből számított 3 451 db hipocentrum alapján megállapíthatjuk, hogy a 2011. 03. 01 – 2014. 05. 16. időszakban: - A SZEIZ-08, SZEIZ-09, SZEIZ-10 rendszerek segítségével, bár nem teljes lefedettséggel, de jól követhetőek voltak a feszültség átrendeződési folyamatok. - Az AE intenzitás- és gyakoriság értékek időbeli változásának trendjei a feszültségátrendeződést időben csökkenő, de nem monoton folyamatként képezték le. A tartós csökkenés trendjeit kisebb intenzitás- és gyakoriság-növekedési periódusok szakították meg, illetve megállapítható, hogy az AE intenzitás egy adott szinten folyamatosan jelen van. - A vizsgálati időszakban a kőzetfeszültség-feloldódáshoz, átboltozódáshoz kapcsolható (hipocentrum eloszlással reprezentált) hullámcsomagok eloszlási helyei jellemzően sztochasztikus jelleget mutattak a szerzők szerint, ám egy későbbi tanulmányuk során ezek orientációi meglehetősen jól köthetőek adott kőzetmechanikai folyamtokhoz és meglévő geológiai szerkezetekhez (erről később még említést teszünk). - A térkiképzéshez kapcsolódó kőzetfeszültség átrendeződési folyamatok a vizsgált időszakban láthatóan még nem fejeződtek be a szerzők szerint és ebben igazuk van. A több évtizedes kőzettestekben történő AE megfigyelések azt mutatták, hogy egy adott szinten ez az aktivitás megmarad és néhány kiugró értéket eltekintve végigkíséri az üregek viselkedését. 8.2 A SZEIZ-08, SZEIZ-09, SZEIZ-11, SZEIZ-12 szeizmoakusztikus monitoring rendszer üzemeltetése és eredményei (2014. 05. 16 – 2016. 02. 29.) A SZEIZ-08, SZEIZ-09, SZEIZ-11 SZEIZ-12 mérőrendszerek a 2014. május-júniusi sikeres próbaüzemmel induló beüzemelésük óta a monitoring záró dátumáig, (de a zárójelentésben szereplő záró dátumig is 2016. február 29-ig) folyamatosan üzemeltek. A megfigyelt, közel kétéves időszak alatt 7 248 számú AE jelet észleltek összesen 89 561 számú beérkezéssel. Ezekből 5 121 db hipocentrumot tudtunk meghatározni. A zárójelentésben bemutatott görbéket a valamennyi érzékelőn észlelt összes jel összegzésével állították elő. Ezekből kettő mutatunk be melyet 20 napos mozgóátlag segítségével jól láthatóvá tettek (11. és 12. ábrák). Ezeken jól látható, hogy az elméletnek és az eddigi tapasztalatoknak - amelyeket az előző rendszereknél láthattunk - megfelelően, az intenzitás és a beérkező jelek száma időben csökken (ismételten hozzátesszük, hogy elméleteink szerint nem ez a csökkenés nem fogja elérni a nullát). A csökkenés nem folyamatos, a megfigyelhető helyi maximumok arra utalnak, hogy a feszültségrendeződések szakaszosan mennek végbe.

246


Szeizmoakusztikus emissziók intenzitásának simított összegzése 8/1-12/6. mérőpont

12000

Relatív intenzitás

10000

8000

6000

4000

2000

20 14 .0 5 20 14 .0 6 20 14 .0 7 20 14 .0 8 20 14 .0 9 20 14 .1 0 20 14 .1 1 20 14 .1 2 20 15 .0 1 20 15 .0 2 20 15 .0 3 20 15 .0 4 20 15 .0 5 20 15 .0 6 20 15 .0 7 20 15 .0 8 20 15 .0 9 20 15 .1 0 20 15 .1 1 20 15 .1 2 20 16 .0 1 20 16 .0 2

0

Idő

11. ábra. A szeizmoakusztikus emissziók simított intenzitása – 8/1-12/6 mérőpontok (Szűcs 2016) Szeizmoakusztikus emissziók simított gyakorisága 8/1-12/6. mérőpont 250

Gyakoriság

200

150

100

50

20 14 .0 5 20 14 .0 6 20 14 .0 7 20 14 .0 8 20 14 .0 9 20 14 .1 0 20 14 .1 1 20 14 .1 2 20 15 .0 1 20 15 .0 2 20 15 .0 3 20 15 .0 4 20 15 .0 5 20 15 .0 6 20 15 .0 7 20 15 .0 8 20 15 .0 9 20 15 .1 0 20 15 .1 1 20 15 .1 2 20 16 .0 1 20 16 .0 2

0

Idő

12. ábra. A szeizmoakusztikus emissziók simított gyakorisága – 8/1-12/6 mérőpontok (Szűcs 2016) Az adott periódus tapasztalataira támaszkodva egyértelműen megállapítható, hogy a SZEIZ-11-es és SZEIZ-12-es rendszerek- ill. a közöttük lévő I-K3 és I-K4 tárolókamrák környezete a szeizmoakusztikusan legaktívabb területek. Ezt követi a Nyugati feltáróvágat környezete. Ezen a tényen nem kell csodálkozni, hiszen ezen területeken folyt leginkább vágathajtási tevékenység, mely kőzetdeformáló hatása számottevő a többi már csak a reológiához köthető átalakulásokon átmenő területekhez képest. A 2014. 05. 17 – 2016. 02. 29. időszak dinamikai eseményeinek helyeit bemutató összes kumulált AE jel kipattanási hipocentrum eloszlása (13. ábra) is jól példázza a fenti megállapítást.

247


13. ábra. A szeizmoakusztikus emissziók hipocentrumainak kumulált eloszlása a 2014.05.17 – 2016.02.29. időszakban (Szűcs 2016)

9 A SZEIZMOAKUSZTIKUS MONITORING SORÁN SZERZETT INFORMÁCIÓK KŐZETMECHANIKAI VONATKOZÁSAI Egy nem olyan régi kutatásunk során az AE hipocentrumokat vizsgáltuk meg az akkor rendelkezésünkre álló adatbázis alapján és következtetéseket vontunk le az AE források térbeli elhelyezkedési, azaz a hipocentrumok alapján a kőzettest kőzetmechanikai viselkedésével kapcsolatban (Deák et al. 2016). A kutatás során a 2011.03.01 – 2014.07.31 közötti időszak AE észleléseit használtuk fel. Ezen periódus alatt 4179 hipocentrumot sikerült lokalizálni (14. ábra).

14. ábra. AE források megjelenítése a kamratérségben (még csak az első két tárolókamrát ábrázolva – 4179 hipocentrum) Kumulatív módon vizsgáltuk a fent említett időszakot, de végül koncentráltan az igazán „zavarmentes” időszakot, azaz a vágathajtás szünetelésének periódusát tudtuk leginkább felhasználni az EDZ-k vizsgálatára. Ebben az időszakban egyértelműen a kiképzett üregek körül és leginkább a tárolókamrák körül koncentrálódtak a hipocentrumok az EDZ-k és azok közeli koncentrikus környezetébe (néhány

248


hipocentrum meggyőződésünk alapján már meglévő geológiai szerkezetek aktivitásához köthető, illetve egy részletesebb vizsgálat feltárhatja később az újonnan keletkezett töréseket és azok mechanizmusát). Az említett időszak a 2011.09.11 – 2014.05.29. periódust öleli fel és ez idő alatt 2532 hipocentrumot sikerült beazonosítani. A kutatásunk során fontos vizsgálat volt a vágathajtás szünetelés időszakának megfigyelése. A hipocentrumok térbeli megfigyeléseink során a következő megállapításokat tettük: - a feszültségátrendeződési folyamat jól nyomon követhető a Bátaapáti NRHT-ban kőzettestét megfigyelő szeizmoakusztikus rendszer segítségével; - a legintenzívebb AE tulajdonsággal rendelkeznek a tárolókamrák és SZEIZ-9 mérőrendszertől keletre eső zsompvágat környezete; - Az AE intenzitásának időbeni csökkenése nem monoton jellegű, néhány esetben intenzitás-növekmények szakítják azt meg; - a kezdeti stádium során egy fajta sztohasztikus képet véltek felfedezni az AE hipocentrumokat vizsgálva; - később a kutatásunk során jó korrelációk váltak láthatóvá az EDZ-k kifejlődésével és néhány a geológiai-geotechnikai térképezés során prognosztizálható objektumot is látni véltün. Ezek kutatása későbbi sokkal részletesebb kutatást igényel, és az AE kutatás ebben rejlő potenciálját használni érdemes. A fentiekben már említést tettünk az EDZ-k elkülönítéséről és azok térbeli kiterjedéséről. A s3/s1 arányra alapozott határértékeket (melyek alapján elkülönítettük a különböző EDZ-ket) átszámoltok a megfelelő biztonsági faktor értékekre (FOS) (2. táblázat) és ezek izo-felszínével egyben megjelenített modellkörnyezetben vizsgáltuk AE hipocentrumok térbeli eloszlását (15. és 16. ábra). 2. táblázat. Az EDZ-k kiterjedése az empirikus megközelítéseket használva, körszelvényű üregekre vonatkozó analitikus számítással (Deák et al. 2016)

15. ábra. AE hipocentrumok és az EDZo megjelenítése a tárolókamrák körül (vágathajtás nélküli időszak) (Deák et al.2016)

249


16. ábra. AE hipocentrumok és az EDZo megjelenítése a tárolókamrák körül (2011.09.11 – 2014.05.29 időszak) (Deák et al. 2016) A modellezés során vizsgáltuk az üregek körüli feszültségviszonyokat és a hipocentrumok térbeli elhelyezkedését, ezek alapján egyértelművé vált, hogy a vágathajtás hatására létrejött feszültségátrendeződés (EDZ-k és azok külsőbb koncentrikus zónái) nagyon jól korrelálnak az AE hipocentrumok térbeli eloszlásával, ezen zónákon kívül eső források nagy valószínűséggel köthetőek szerkezeti diszkontinuitásokhoz, gyengült zónákhoz, valamint a hullámcsomagok keletkezésével összeköthető makrorepedések létrejöttéhez, azok összeolvadásához, illetve meglévő diszkontinuitások nyírásához. Az alacsony vagy a teljesen megszűnt oldalfeszültség az felszín alatti üregek környezetében rideg tönkremenetelt okoz, ahogy fentebb említettük részletesebben, lepattogzást, kipergést és kiékelődéseket hozhat létre. Az AE és kőzetmechanikai vizsgálatokra alapozva a kőzettest viselkedésére egy már meglévő sematikus modellt alakítottunk át (Coulson 2009, Deák et al. 2016), mely egyszerű áttekintést ad a kőzettest (alapozva a kőzettestet alkotó ép kőzet tulajdonságaira is) viselkedéséről egy feszültség-alakváltozási diagramon (17. ábra). Ezzel a megközelítéssel leírható a felszín alatti üregek közvetlen környezetének (pl. EDZ-k) és ezzel egy időben a távol eső kőzettestnek a kőzetmechanikai viselkedése.

17. ábra. AE Sematikus rajz a kőzettest kőzetmechanikai viselkedéséről összefüggésben az ép kőzettel – mindegyik esetben ábrázolva a mikroszeizmikus és AE aktivitás tartományt és az azokhoz kapcsolható tönkremeneteli módokat és a kialakuló gyengült szerkezeteket (Coulson2009 alapján átalakítva Deák et al.2016)

250


10 ÖSSZEFOGLALÁS Az eddigi adatok vizsgálata során bebizonyosodott, hogy a szeizmoakusztikus módszer alkalmazása gazdag információforrást biztosít a felszín alatti épített környezetben lezajló kőzetfeszültség-átrendeződési folyamatok monitoring jellegű leképezésére. A teljes vizsgálati időszakban a rendszerek 10 5 nagyságrendű jelbeérkezést és 104 nagyságrendű AE jelet detektáltak (Szűcs 2016, Bakai et al. 2012). Alátámasztást nyert, hogy a felszín alatti térkiképzés során a már kialakított objektumok környezetében detektálható szeizmoakusztikus jelek mind intenzitásukban mind gyakoriságukban csökkenő tendenciát mutatnak. A kőzetfeszültség-feloldódáshoz kapcsolható energia-felszabadulás eloszlása a vizsgálati periódusban alapvetően sztochasztikus jelleget mutatott. Sem hipocentrumok sűrűsödésében sem a jelek frekvenciatartalmában nem voltak felismerhetők olyan méretű térelemek létrejöttét jelző markáns determinisztikus rajzolatok, amelyek dinamikai eseményt megelőző állapotra utaltak volna (Szűcs 2016). Ezt a következtetést, amelyet a mérésekről szóló zárójelentésben is megtalálhatunk, a későbbiekben részletesebben kell vizsgálni, hiszen az előzetes eredményeink egyértelműen mutatnak olyan folyamatokra viszszavezethető AE aktivitásokat, melyek jól köthetők a kőzetmechanikai megfigyelésekhez. Előző tanulmányaink során sokszor kihangsúlyoztuk az EDZ-k fontosságát a radioaktívhulladék tárolás szempontjából is (Kovács et al. 2012, Deák et al. 2013). A Bátaapáti NRHT projekt során az EDZk kiterjedése hasonló módon alakult mind a 2D és 3D numerikus modellezési eredményekben. Az újabb az AE térbeli eloszlásának vizsgálata során nagyon jó korrelációk voltak kimutathatóak az AE hipocentrumok és az EDZ-k térbeli kiterjedésével összefüggésben. Egy jelentős része az AE hipocentrumoknak szoros kapcsolatban áll a felszín alatti üregek EDZ-inek és azok koncentrikus környezetének feszültségátrendeződési hatásával, míg másik részük a mikro- és makrorepedések keletkezésével, azok összeolvadásával, illetve gyengült zónák újraaktiválódásával áll összefüggésben (ezek tanulmányozása későbbi részletesebb vizsgálatokat igényel). Összességében megállapítható, hogy a szeizmoakusztikus monitoring rendszer megfigyelései nagyon hasznosak nem csak a kőzetmechanikai tudományos megfigyelések, hanem a felszín alatti épített környezet biztonsági szempontjaiból (a feszültségátrendeződés és a hozzá köthető kőzettest biztonságosabb feltérképezése, az esetleges kőzetbiztosítási degradációt érintő mélyebb, a kőzettestben található források kimutatása, az esetlegesen később bevezetésre kerülő komplex dinamikus vizsgálatok hosszú időszakot átölelő megalapozása szempontjából is). A szeizmoakusztikus megfigyelőrendszer egy hosszú távú monitoring és nagy térséget figyelő rendszerként, nagyon komplex információkat szolgáltat több tudományos és mérnöki terület számára is (18. ábra).

18. ábra. A kamratérség 3D-s megjelenítése az észlelt AE hipocentrumokkal alulnézetből

251


11 IRODALOM Bakai J., Kardos J., Szűcs I. (2012): Aktív szeizmoakusztikus rendszer üzemeltetése (SZEIZ-8, SZEIZ-9, SZEIZ10). Kézirat, 2012. április, RHK Adattár, RHK-K-045/12M01. Cai, M. (2009): Practical Estimates of Tensile Strength and Hoek–Brown Strength Parameter mi of Brittle Rocks, Rock Mechanics and Rock Engineering, DOI 10.1007/s00603-009-0053-1. Cho N., Martin C. D., Christiansson R. (2002): Suppressing fracture growth around underground openings. Hammah R. (Ed): Proc. 5th North Am. Rock Mech. Symp. and 17th Tunneling Ass. Canada Conf., NARMSTAC 2002, Torornto, pp. 130-138. Coulson A. L. (2009): Investigation of the pre to post peak strength state and behaviour of confined rock masses – PhD Thesis, Department of Civil Engineering, University of Toronto. 457 p. Deák F., Szűcs I. (2016): Examination of a granitic host rock behaviour around underground radwaste repository chambers based on acoustic emission datasets. ISRM Eurock2016, CRCPress/Balkema (Taylor and Francis Group) – Nyomdában, 6p. Deák F., Kovács L., Vásárhelyi B. (2013): Modeling the Excavation Damaged zones in the Bátaapáti radioactive waste repository – EUROCK2013, ISRM, Taylor & Francis Group, London, pp. 603-608. Deák F., Kovács L., Vásárhelyi B. (2013): A töréses tönkremenetel keletkezésének és fejlődésének azonosítása rideg kőzetek laboratóriumi mérései alapján. Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2013 (Szerk: Török Á. & Vásárhelyi B.), Budapest, pp. 221-228. Deák F., Kovács L. (2013): Az EDZ kőzetmechanikai felosztása. Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2013 (Szerk: Török Á. & Vásárhelyi B.), Budapest, pp. 121-138. Diederich M. S., Martin C. D. (2010): Measurement of spalling parameters from laboratory testing. Rock Mechanics in Civil and environmental Engineering – Zhao, Labiouse, Drudt & Mathier (eds) – EUROCK2010, ISRM, Taylor & Francis Group, London, pp. 323-326. Dight P., Hsieh A., Kemppanien, Johansson E., Hudson J. A. (2012): A Test Case of the Deformation Rate Analysis (DRA) Stress Measurement Method. Posiva jelentés, 2012. január, Working Report 2012-01, 26 p. Eberhardt E., Stead D., Stimpson B., Read R. S. (1998): Identifying crack initiation and propagation thresholds in brittle rock. NRC Canada, Canada Geotech J. 35: pp. 222-223. Ghazvinian E., Diederich M., Archibald J. (2011): Challenges related to standardized detection of crack initiation thresholds for lower-bound or ultra-long-term strength prediction of rock. 2011 Pan-Am CGS Geotechnical Conference 8 p. Kovács L., Deák F., Mészáros E., Somodi G., Máté K., Jakab A. (Kőmérő Kft.); Vásárhelyi B. (Vásárhelyi és Társa Kft.); Geiger J. (SZTE); Dankó Gy., Korpai F., Mező Gy., Darvas K. (Golder Zrt.); Ván P., Fülöp T., Asszonyi Cs. (Montavid Termodinamikai Kutatócsoport) (2012): A Geotechnikai Értelmező Jelentés (GÉJ) felülvizsgálata és kiterjesztése. Kézirat – Kőmérő Kft. Pécs, 2012. december. RHK Kft. Irattár, RHK-K032/12., 312 p. Pellionisz P. (1992): Akusztikus Emissziós szerkezetvizsgálatok. GTE, Budapest. Martin C. D. (1993): The strength of massive Lac du Bonnet granite around underground opening. Ph.D. thesis, 278 p. Perras M., Langford C., Ghazvinian, Diederich M. (2012): Numerical delineation of excavation damage zones: From rock properties to statistical distribution of the dimensions. EUROCK2012, ISRM, Stockholm 14 p. Szűcs I. (2014): Eszköztelepítési dokumentációs jegyzőkönyv – Szeizmoakusztikus monitoring – A SZEIZ-11, SZEIZ-12 rendszerek telepítése. Kézirat, 2014. június, LADINI Mérnöki Tanácsadó és Szolgáltató Kft. Mecsekérc Adattár, LA-PRO01-MÉ-2014. Szűcs I. (2016): Zárójelentés – a Bátaapáti Nemzeti Radioaktívhulladék-tároló (NRHT) 3. vizsgálati kamra, Nyugati feltáró vágat, I-K3 és I-K4 kamra nyaktagok (létesítés III. ütem, 1. szakasz) részfeladataival összefüggésben létesített és üzemeltetett szeizmoakusztikus monitoring rendszerhez kapcsolódó alábbi feladatok teljesítéséről: I. Aktív szeitmoakusztikus észlelőrendszer telepítése, meglévő rendszer, módosítása; II. Aktív szeizmoakusztikus észlelőrendszer üzemeltetése. Kézirat, 2016. március, LADINI Mérnöki Tanácsadó és Szolgáltató Kft. Mecsekérc Adattár, LA-PRO01-MÉ-2014-16.

252

A Bátaapáti NRHT kamratérségét befogadó gránittest kőzetmechanikai viselkedésének jellemzése az akusztikus emissziók megfigyelése alapján

Recommend Documents