POUŽITÍ INOVOVANÉ METODY ISS-IN SEAM SEISMICS NA DOLE ČSM.
UŻYVANIE INNOWACYJNEJ METODY ISS-IN SEAM SEISMICS V KOPALNI ČSM
UTILIZATION OF INNOVATION OF THE ISS METHOD-IN SEAM SEISMICS AT THE CSM MINE Petr WACLAWIK1, Wolfgang SCHOTT2 1 OMG, Důl ČSM, Stonava 2 DMT, GmbH & Co. KG, Essen, Německo Resume: V souvislosti s postupem exploatace směrem do hloubky je převážná část těžebních aktivit OKD v karvinské dílčí pánvi soustředěna do sedlových vrstev karvinského souvrství. Sedimentace sedlových vrstev byla spojena s nepřetržitým přísunem štěrků a písků, které významně erodovaly úplně nebo z velké části uhelné sloje. Přestože je prováděn poměrně podrobný geologický průzkum jádrovými vrty, nelze zejména z ekonomických a technických důvodů dostatečně ověřit vývoj slojí často postižených nepravidelnou sítí říčních erozí. Z důvodu eliminací prostojů z titulu geologických anomálií, snížení opotřebení moderních technologických zařízení a redukce nákladů na dodatečně prováděné průzkumné chodby, bylo poprvé v roce 2010 aplikováno německou firmou DMT inovované seizmické měření ISS. Výsledky tohoto, ale i následně provedených měření pozitivně ovlivnily ekonomiku dolu. Streszczenie: W związku z postępem exploatacji kierującej się na gƚębokość, jest przewarzająca część czynności wydobywczych (exploatacyjnych) spółki węnglovej OKD w części Zagƚębia Karwińskiego skupiona w siodƚowych warstwach karwińskich wspóƚwarsw. Sedymentacja siodƚowych warstw byƚa związana z trwaƚym przypƚywem żurów i piasków, które znacząco erodowaƚy caƚkowicie albo w wielkie części pokƚadów węglowych. Pomimo że są przeprowadzane w miarę dokƚadne badania geologiczne rdzennymi wierceniami, nie można mianowicie z ekonomicznych i technologicznych powodów dostatecznie sprawdzić rozwój pokƚadów często naruszonych nieprawidƚową siecią erozji rzecznych. Z powodu eliminacji przerw z tytuƚu anomalii geologicznych, obniżenia użytkowości wspóƚczesnych urządzeń technologicznych i redukcji (obniżenia) kosztów na dodatkowo prowadzony chodnik do celów badawczych, byƚy po raz pierwszy w roku 2010 aplikowane niemiecką firmą DMT innowacyjne pomiary sejsmologiczne ISS. Wyniki tych ale i poźniejszych pomiarów, pozytywnie wpƚyneƚy na ekonomikę kopalni. Summary: There are predominant mining activities of OKD in saddle member of Karvina strata in Karvina sub-basin, because the extraction goes to the depth here. The sedimentation of saddle member was linked with continuous supply of gravels and sands. These streams of gravels and sands eroded significantly partially or completely the coal seams. Even though an in-depth geological exploration was provided, it is not possible to explore sufficiently the coal seam eroded by the irregular river’s networks
1
erosion for the technical and economic reasons. The ISS survey was followed for the first time by the German company of DMT in 2010 in order to reduce the idle times, wear-out of the modern technological devices and costs
1. ÚVOD Vzhledem k postupu těžby do stále větších hloubek jsou na jednotlivých dolech OKD registrovány stále složitější horno-geologické podmínky. Na ražbách a v porubech jsou nafárávány častěji tektonické poruchy, rozsáhlé eroze a stlaky sloje, které těžbu znesnadňují, případně zcela znemožňují. Přecházení těchto anomálií pak vyžaduje používání trhacích prací, lepení průvodních hornin, zavrtávání TH profilů, vykládání výdřevou, častější výměnu nožů řezných orgánů, větší opotřebení strojů a zařízení, což významně ovlivňuje ekonomiku dobývání [1]. Aby bylo možné tyto náklady eliminovat, je potřeba co nejpřesněji poznat geologické poměry uvnitř jednotlivých porubních bloků. Přestože je prováděn rozsáhlý, finančně náročný geologický průzkum prostřednictvím geologicko-průzkumných vrtů, nelze v některých případech dostatečně interpretovat geologickou stavbu v porubech před zahájením dobývání. V průběhu dobývání pak nepředpokládané anomálie negativně ovlivňují těžbu. 2. METODIKA MĚŘENÍ ISS Metoda ISS tomografie umožňuje analyzovat řadu geologických vlastností uhelných slojí a průvodních hornin. Jedná se především o tyto vlastnosti: • průběhy a charakter erozí a stlaků, • průběhy a charakter tektonických struktur, • mocnost sloje, • mocnost proplástků ve sloji a jejich procentuální podíl, • charakter průvodních hornin sloje [2]. Principiálně využívá ISS dvě metodiky, které lze aplikovat samostatně, případně vzájemně kombinovat. Jedná se o metodu transmisivní (transmission, viz obrázek č. 1), pracovně označovanou metodu prozáření sloje a reflexní metodu (reflection) založenou na odrazu od přirozené překážky ve sloji (např. tektonická porucha, erozivní výmol, flexura sloje apod.). Předpokladem pro použití transmisivní metody je existence alespoň dvou protilehlých chodeb vyražených ve sloji. Zpravidla se jedná o úvodní a výdušnou chodbu budoucího porubu. Pro zpřesnění měření lze samozřejmě využít prorážky či větrní základnu. Dle projektu zpracovaného pracovníky firmy DMT jsou odvrtány dle vrtného schématu vrty délky 3 m. Vrty jsou umísťovány doprostřed sloje a směrovány paralelně s úklonem sloje. Průměr vrtu je 42 mm pro vrty určené k trhací práci a 55 mm pro vrty určené k osazení geofony. Průměr 55 mm je limitován pracovním průměrem tělesa geofonu. Průměr geofonu před upnutím (nafouknutím) ve vrtu činí cca 53 mm. Pro zaručení kvalitního přenosu šířených vln ke geofonům musí být vrty perfektně vyčištěny od vrtné drtě. Po instalaci jednotlivých geofonu jsou tyto vzájemně propojeny kabeláží a každý geofon je napojen na 2-kanálovou telemetrickou stanici. Celý okruh je pak napojen do počítačové stanice. Dále je instalováno samostatné kabelové telefonické spojení pro snadnější komunikaci s geofyzikem na PC stanici, který řídí samotné měření. Na kabelový telefonický okruh se lze pomocí speciálního telefonního aparátu kdekoliv napojit a vzájemně komunikovat. Po provedení tzv. trigger testu, tj. testu přenosu impulzů mezi odpalovacím zařízením a PC stanicí je zahájeno samotné měření. Na pokyn geofyzika u PC stanice jsou postupně odpalovány jednotlivé nálože. Vrty
2
jsou zpravidla nabíjeny dvěma náložkami trhaviny, tedy 250 g. Všemi geofony v dosahu jsou následně zachycovány jednotlivé odpaly a PC analyzuje a zapisuje časy mezi odpalem a registrací na jednotlivých geofonech a intenzitu šířených vln. Vzhledem k energii odpalu a ostatním podmínkám šíření vln v anizotropním prostředí je maximální vzdálenost mezi chodbami limitována 460m.
Obrázek č. 1: Princip metody ISS – metoda transmisivní a reflexní [2].
Pro použití reflexní metody (viz obrázek č.1) postačuje existence jedné chodby vyražené ve sloji. Princip metody je podobný transmisivní metodě s tím rozdílem, že na chodbě jsou instalovány geofony střídavě, tzn. pravidelné střídání vrtů určených k odpalu a k instalaci geofonu. Samotné vyhodnocení naměřených dat je složitý proces, při nichž hodnotící geofyzik musí vycházet z řady proměnných faktorů. Čím jsou podrobnější hornogeologické údaje, tím přesněji může být provedena verifikace dat. Před samotným vyhodnocením jsou z datového modelu vyloučena chybová data. V první fázi je zpracována mapa kvality šíření vln. Místa se špatným signálem bývají zpravidla posléze identifikovány jako anomálie. V další fázi je pomocí počítačové tomografie vytvořena mapa rychlosti šíření vln. Rychlost šíření vln závisí na mnoha faktorech. K nejdůležitějším patří závislost mezi rychlosti šíření vlny a mocnosti sloje. Čím je sloj mocnější, tím je šíření vln pomalejší a naopak. Na dole ČSM se rychlosti šířených vln pohybovaly v rozmezí 900 až 1700 m.s-1. Rychlost vln je také závislá na charakteru průvodních hornin. Čím jsou průvodní horniny pevnější (pískovce, slepence) tím jsou šířené vlny rychlejší a naopak. Tato vlastnost se špatně zahrnuje do matematického modelu, neboť proměnlivost průvodních hornin zejména u slojí sedlových vrstev je značná. K dalším nezanedbatelným vlivům patří přítomnost tlakových zón v místě hran výrubů, případně v místech nevydobytých pilířů. V místě zvýšených tlaků se v porovnání se stejnými geologickými podmínkami (mocnost sloje, proplástky, průvodní horniny) šíří vlny rychleji. Tento faktor je nutné v dalším vyhodnocení eliminovat. Samozřejmě existuje řada další faktorů ovlivňující rychlost šíření vln jako např. puklinatost masívu, drcení sloje nebo sekundární tektonické porušení sloje atp.).
3
Pro provozní techniky je však mapa rychlosti šíření vln (obrázek č.5) nesrozumitelná. Proto je v další etapě zpracována mapa izolinií mocností sloje. Interpretované rychlosti šířených vln musí být verifikovány se skutečně zjištěnými mocnostmi na chodbách případně vrtech. Počítačové zpracování umožňuje vyhodnocovat naměřená dat v různých frekvencích šířených vln. Závislost použité frekvence na rychlosti vln je zřejmá z disperzních křivek na obrázku č. 2. Vzhledem k výše uvedeným faktorům ovlivňující rychlosti vln je tento proces poměrně složitý a téměř vždy vyžaduje konzultaci s geologem znalým místních geologických podmínek dolu, kde bylo měření provedeno.
Obrázek č. 2: Závislost použité frekvence a rychlosti šíření vln [3,4].
Měřící aparatura pro provádění měření ISS je komplexně nezávislým systémem. Aparatura skládající se z počítačové stanice napájené z přenosných akumulátorů, geofonů, napájecích akumulátorů geofonového okruhu (obrázek č. 3) a nezávislého telefonické spojení je schválena pro použití v německých plynujících dolech. Zařízení má certifikát ATEX.
3. PILOTNÍ PROJEKT MĚŘENÍ METODOU ISS V OKD Porub 331 100 je jedním z porubů, v němž rozsáhlá eroze těžbu zpočátku komplikovala, a následně muselo být rozhodnuto v porubu těžbu ukončit. Porub byl dobýván v 1. kře na závodě Sever Dolu ČSM. Dobývání v porubu bylo zahájeno v dubnu roku 2010. Při výjezdu z prorážky se průměrná mocnost uhlí pohybovala kolem 3 metrů. Mocnost sloje byla místně redukována erozí, ale mocnost sloje neklesla pod 2,5 m. Ve směru postupu porubu se však eroze postupně rozšiřovala jak plošně, tak do hloubky sloje. Po ujetí cca 60 m byla již plná eroze sloje rozšířena téměř v polovině porubu (viz obrázek č. 4) a průměrná mocnost sloje
4
v porubu již dosahovala pouze 1,4 m. Původní karbonská řeka tak vyerodovala koryto široké až 80 m. Bylo nutno provádět rozsáhlé trhací práce tvrdého pískovce a průměrná denní těžba klesla na hodnotu kolem 100 t.
Obrázek č. 3: Geofon instalovaný ve vrtu včetně napájecího akumulátoru a propojovací kabeláž a pracovník firmy DMT na vyhodnocovací počítačové stanici. foto: Petr Waclawik.
Vzhledem k tomu, že eroze a tektonika stále častěji ovlivňují dobývání, kontaktovalo vedení OKD německou firmu DMT, která provádí speciální měření po celém světě. Firma DMT používá k interpretaci geologické stavby metodu ISS (In-seam seismics survey) tomografie, volně přeloženo seizmický průzkum uvnitř sloje. Podobná metodika, označovaná jako metoda příčné slojové vlny, byla již na dolech OKD aplikována v 80-tých a 90-tých letech [5], v hornickém světě dokonce již v 50-tých letech [6]. Věrohodnost naměřených hodnot se však pohybovala pouze kolem 30 %. V porovnání s původní metodou využívá ISS moderní počítačovou techniku jak ve fázi samotného měření v dole, tak ve fázi vyhodnocení. Vzhledem k tomu, že se jedná o přesnost měření rychlostí šířených vln v milisekundách, je tento fakt nezanedbatelný.
Obrázek č. 4: Profil porubu 331 100 v místě přechodu eroze sloje (OMG Dolu ČSM).
Pro konkrétní provedení měření v porubu 331 100 zpracovala firma DMT pilotní projekt. Na základě tohoto projektu pracovníci úseku GPP a Polcarbo navrtali na úvodní třídě 25 vrtů a v porubu 8 vrtů průměru 42 mm, na výdušné třídě 25 vrtů a v porubu 2 vrty průměru 55 mm.
5
Vrty byly navrtány s rozestupy cca 20m, v délce 3 m ve sloji, v porubu kde byla sloj erodována, také v kameni. Vrty průměru 55 mm byly následně pracovníky DMT osazeny geofony, propojeny kabeláži s počítačem, který byl instalován na výdušné třídě 331 140 v blízkosti vrchní úvratě. Současně bylo zřízeno individuální telefonické spojení mezi místem odpalu a počítačovou stanicí. Do vrtů průměru 42 mm bylo postupně nabíjeno 250 g trhaviny a vrty byly po jednom odpalovány. Seizmické vlny pak byly registrovány na jednotlivých geofonech a zapisovány do paměti počítače. Vzhledem k vysoké citlivosti geofonů musela být v oblasti vypnuta elektrická energie, zastaveny ventilátory v separátně větraných dílech a zamezen jakýkoliv pohyb zejména v blízkosti geofonů. 4. ZHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ MĚŘENÍ A EKONOMICKÝ PŘÍNOS MĚŘENÍ Jak bylo uvedeno výše, první měření pomocí ISS bylo provedeno v porubu 331 100. Vzhledem k poklesu těžby až na 100 tun za den a neúnosným ekonomickým nákladům na dobývání byl porub po dvouměsíčním dobývání zastaven. Na základě dostupných informací a erozivního vývoje sloje během dobývání bylo rozhodnuto o vyražení nové prorážky ve vzdálenosti 200 m od zastaveného porubu. Do této prorážky měla být po vyražení přestěhována kompletní technologie porubu 331 100. V době zhoršující se situace v porubu byl diskutován další postup s dobýváním uhelných zásob porubu 331 100. Po kontaktování firmy DMT, provedení měření a následném dodání vyhodnocení mohlo být předchozí rozhodnutí o umístění nové prorážky verifikováno. Měření poměrně přesně lokalizovalo erozivní výmol ve sloji a predikovalo vývoj v prostoru před porubem. Na základě dodaných podkladů byla prorážka umístěna ve vzdálenosti pouze 85 m od zastaveného porubu. Nová prorážka byla vedena v těsné blízkosti predikovaného erozivního výmolu. Díky nové lokalizaci prorážky bylo následně navíc vydobyto cca 100 kt kvalitního koksovatelného uhlí. Při nákladové ceně dolu cca 2300 Kč/t a současné prodejní ceně cca 400$ za tunu činí ekonomický přínos cca 450 mil. Kč. Náklady na měření se pohybovaly kolem 50 000 euro (cca 1,3 mil Kč). Po vydobytí porubu bylo možné provést srovnání mocností predikovaných ISS tomografií se skutečně naměřenými mocnostmi. Profilování porubu bylo prováděno v dekádní periodě. Z porovnání predikovaných mocností s naměřenými lze dedukovat 98% věrohodnost dat. Vzhledem k tomu, že mocností mapa byla konstruována s krokem 50 cm bylo srovnání provedeno také s 50 cm tolerancí. Skutečně naměřené mocnosti, které byly v porovnání s ISS modelem větší, byly považovány za věrohodnou informaci. Nutno však podotknout, že úspěšnost ISS tomografie nelze hodnotit stroze statisticky. Přesnost ISS modelu je mimo jiné úměrná na hustotě vrtné sítě. Zde je třeba volit kompromis mezi přesností a časové reálnosti provedení jak přípravných (příprava vrtů), tak měřících prací (zavedení geofonů do vrtů, odpaly náloží atp.). Navíc v modelu se v místě náhlých změn mocností interferuje střední hodnota, což nelze porovnat s možností profilování s neomezeným krokem. Na základě výše uvedených pozitivních skutečností byla na Dole ČSM v roce 2011 provedena další měření. V porubech 402 302/3 a 331 205 se jednalo o zmapování erozivního vývoje sloje, v případě porubu 331 205 ve sloji č. 33a (608) i průběhu a charakteru tektonické poruchy. V porubu 331 205 bylo na základě výsledků ISS měření upuštěno od ražení dalších chodeb v délce 425m za účelem vyřízení tektonické poruchy a erozivního koryta. Srovnání skutečností s ISS modelem lze v současné době provést pouze částečně, neboť porub 331 205 je v současné době dobýván. Prozatímní srovnání ukazuje na 85% věrohodnost dat, přičemž tolerance byla zpřísněna na 20 cm. Pokud bude porub dokopán bez dodatečných komplikací, v souladu s ISS modelem, bude navíc proti původnímu projektu vydobyto cca 85 kt koksovatelného uhlí. V současné době dobývaném porubu 402 302/3 vykazuje věrohodnost modelu 72 %. V tomto porubu bylo měření provedeno v největším mocnostním rozptylu. 6
Mocnost sloje se v oblasti porubu pohybuje od 160 cm až do 500 cm. Prozatím nejmenší věrohodnost dat lze přisuzovat tomu, že v rámci vyhodnocení ISS tomografie je nutné kompromisně zvolit hodnotící frekvenci. Pro různé mocnosti je odlišná optimální hodnotící frekvence. Z uvedeného vyplývá, že ve slojích s velkou mocností variabilitou bude chybovost dat největší. Přesto lze v tomto případě považovat prozatímní 72 % věrohodnost dat za úspěšnou. Výsledky z měření v budoucích porubech 391 000 ve sloji č. 39a (512) a 331 207 ve sloji č. 33a (608) jsou v současné době ve fázi vyhodnocení firmou DMT.
Obrázek č. 5: Příklad výstupu ISS počítačové tomografie. Tomogram rychlostí šíření vln v porubu 402 302/3 ve sloji č. 40). Oblast s nejrychlejšími vlnami (>1400m.s-1) predikuje erozivní koryto ve sloji. Linie černobílých teček určuje výrazný reflexní prvek pravděpodobně okraj korytovité eroze.
5. ZÁVĚR V příspěvku jsou uvedeny první zkušenosti z aplikace inovované metody seizmického průzkumu sloje ISS tomografie v OKD. Příspěvek dále diskutuje základní principy a podmínky použití této metody. Dosavadní zkušenosti z aplikace seizmického průzkumu ISS na Dole ČSM ukazují na použitelnost této metodiky ve složitých horno-geologických podmínkách karvinské dílčí pánve. Ekonomický přínos prozatím výrazně převyšuje nákladovost na použití této metody. Vzhledem k tomu, že náklady na transport ze sídla firmy DMT z Essenu
7
v Německu a zpět dosahují 40% celkových nákladů, bylo by možné náklady na měření eliminovat nákupem vlastní měřící aparatury. Vstupní pořizovací hodnota je ovšem poměrně vysoká a pohybuje se v řádu několika stovek tisíc euro. Z tohoto důvodu musí být nákup měřící aparatury vyvážen dostatečným počtem měření. Vzhledem k časově náročnému procesu hodnocení dat je počet měření v roce omezen fyzickou kapacitou hodnotitele. Tento fakt omezuje masívnější nasazení měření. Další nasazení metody ISS v dolech OKD bude záviset na vyhodnocení ekonomické návratnosti provedených měření nejen na Dole ČSM, ale i na ostatních dolech OKD, a.s.. Literatura: [1] [2] [3]
[4]
[5] [6]
Waclawik, P.: Geneze násunových deformací variského akrečního klínu ve východní části karvinské dílčí pánve. Disertační práce doktorského studia, VŠB – TU Ostrava 2011 Schott, W. : Prezentace firmy DMT. Nepublikováno. OKD a.s, Ostrava 2010 Schott, W.; Brandt, K.: Investigation of seam thickness and seam splitting within a longwall panel by an in-seam seismic survey. In: Proceedings, 22nd International Conference on Ground Control in Mining (August 5-7, 2003) – Morgantown USA, pp. 152-156. Bock, J.; Schott, W.: Erkundung einer Flözspaltung und Flözauswaschung mit Hilfe der Flözwellentomographie auf dem Bergwerk Prosper Haniel. In: Wissenschaftliche Schriftenreihe im Markscheidewesen. Deutscher Markscheiderverein e.V. (Herausgeber). Das Merkscheidewesen in der Rohstoff-, Energie- und Entsorgungswirtschaft, Heft 20 (2001), pp. 335-351. Bláha, P.: Závěrečná zpráva o seizmickém prozařování a seismické tomografii pro ocenění účinku pokusných trhacích prací. GEOtestBrno 1997 Buchanan, D.J. and Jackson, P.J.: Coal Geophysics. Geophysics Reprint Series of the Society of Exploration Geophysics, Tulsa OK 6, USA (1986), pp. 275 – 385.
8
