Janusz ANTONIUK*, Jerzy W. MOŚCICKI*, Anna SKÓRZAK

WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 15 – 22
Janusz ANTONIUK*, Jerzy W. MOŚCICKI*, Anna SKÓRZAK**
*Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
**Kopalnia Węgla Brunatnego „Bełchatów” S.A., Rogowiec
Zastosowanie metod geoelektrycznych do rozpoznawania budowy
geologicznej i zawodnienia utworów występujących w nadkładzie złoża
węgla brunatnego – przykład z KWB „Bełchatów”
Streszczenie
Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań geoelektrycznych przeprowadzonych
w wyrobisku kopalni odkrywkowej. Celem tych prac było rozpoznanie budowy geologicznej
wybranego fragmentu nadkładu złoża, przed frontem eksploatacyjnym, w kontekście występowania wód zawieszonych. W badaniach wykorzystano zestaw metod geoelektrycznych
obejmujący: dipolowe profilowania indukcyjne (EM34-3 Geonics), tomografię elektrooporową
i sodowania elektrooporowe. Wyniki badań geoelektrycznych porównano z przekrojem geologicznym opracowanym przez geologów z kopalni, po dojściu skarpy wyrobiska do miejsca,
w którym wcześniej wykonane były eksperymentalne badania geoelektryczne.
1. Cel badań geoelektrycznych
Jednym z problemów pojawiających się w trakcie udostępniania złoża węgla brunatnego są
tzw. wody zawieszone. Wody te są uwięzione w swego rodzaju strukturalnych pułapkach
utworzonych przez specyficzny rozkład nieprzepuszczalnych utworów ilastych w piaszczystych kolektorach wodonośnych. Przy zdejmowania nadkładu przez koparkę może nastąpić
nacięcie takiej wodonośnej struktury i w konsekwencji wypływ wód, często gwałtowny, do
wyrobiska. Stwarza to istotne zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu maszyn urabiających.
Wody zawieszone powinny być więc odpowiednio wcześnie wykryte i usunięte.
Celem badań przeprowadzonych na terenie KWB Bełchatów było sprawdzenie możliwości
stosowania metod geoelektrycznych do lokalizowania struktur zawierających wody zawieszone. Obszar do badań eksperymentalnych został wyznaczony przez służby geologiczne
kopalni. Była to rozległa, płaska półka na III poziomie eksploatacyjnym w zachodniej części
wyrobiska. Według danych z odwiertów i na podstawie oglądu skarpy spadającej na niższy
poziom można było stwierdzić, że budowa geologiczna jest tu raczej spokojna. Generalnie
przypowierzchniowe utwory piaszczyste podścielone są kompleksem ilastym. Problem
badawczy sprowadzał się więc do określenia szczegółowej budowy geologicznej i możliwości
występowania wód zawieszonych w wybranym fragmencie półki. Lokalizacja profili
pomiarowych została dobrana tak, by zgodnie z planem ruchu kopalni skarpa wyrobiska po
upływie pewnego czasu znalazła się w miejscu badań. Miało to później umożliwić porównanie
wyników badań geoelektrycznych z budową geologiczną określoną na podstawie oględzin
nowopowstałej skarpy.
____________________________________________________________________________
15
J. ANTONIUK i in. – Zastosowanie metod geoelektrycznych do rozpoznania budowy....
____________________________________________________________________________
2. Metodyka pomiarów
Powierzchniowe metody geoelektryczne mogą dostarczać informacji o warunkach
hydrogeologicznych w górotworze jedynie w sposób pośredni – poprzez badanie i analizę
zmienności rozkładu oporności elektrycznej. Każda z metod ma swoją specyfikę wyrażającą
się zarówno w różnej czułości na elektryczne właściwości ośrodka jak i w odmiennym
rozkładzie wzbudzanego pola elektrycznego i zasięgu penetracji. W celu możliwie wszechstronnego przebadania ośrodka zastosowano zestaw następujących metod geoelektrycznych:
 dipolowe profilowania indukcyjne w wersji elektromagnetycznych pomiarów konduktywności (przewodności) pozornej (Mc Neill 1980; Kaufman i Hoekstra 2001; Antoniuk
2001),
 sondowania elektrooporowe układem Schlumberger’a,
 tomografia elektrooporowa – ERT – układem Wenner’a (Loke i Barker 1996; Antoniuk
i Mościcki 2002).
Lokalizacja badań geoelektrycznych przedstawiona jest na wycinku mapy kopalnianej –
rysunek 3.1. Planowany obszar badań obejmował prostokąt o długości około 200 m i szerokości około 40 m. Zakres przeprowadzonych pomiarów był następujący:
- profilowania indukcyjne na trzech liniach pomiarowych – łącznie 1145 m, punkty
pomiarowe co 2,5 – 5 m; stosowano aparaturę Geonics EM34-3 i układ horyzontalnych
dipoli (HD) o rozstawach 10, 20 i 40 m.; profilowania te wykonano na obszarze większym
niż wyznaczony pierwotnie;
- dwa ciągi sondowań elektrooporowych, łącznie 22 sondowania układem Schlumberger’a
o max rozstawie AB/2 = 100 m; odstępy między sondowaniami 20 m;
- pomiary techniką tomografii elektrooporowej układem Wenner’a na profilu o długości
250 m; podstawowy odstęp między elektrodami 1 m.
3. Wyniki badań
Na podstawie wykonanych pomiarów i ich kompleksowej interpretacji oceniono
generalnie, że „w przebadanym obszarze nie należy spodziewać się występowania znaczących
ilości wód zawieszonych do głębokości około 20 m. Ponadto w sprawozdaniu z badań
stwierdzono, że „w stropie nadkładu występują wkładki ilaste i ilasto-piaszczyste; głębiej
dominują utwory piaszczyste miejscami tworzące „struktury” o zdecydowanie wysokich
opornościach. Może to świadczyć o wyraźnym odwodnieniu tych partii górotworu.
Jednocześnie struktury te, w swoich spągowych częściach, kontaktujących się z podłożem
ilastym, mogą potencjalnie zawierać pewne ilości wody. Uwarunkowane jest to jednakże
lokalną morfologią (...) podścielającej warstwy iłów i jej względnym nachyleniem w stosunku
do skarp w wyrobisku.” Powyższe wnioski, oraz inne uwagi o geologii, sporządzone
bezpośrednio po wykonaniu badań zostały później skonfrontowane z opisem geologicznym
skarpy wykonanej w miejscu pomiarów geoelektrycznych.
Poniżej przedstawiamy wykonane badania z odniesieniem do faktycznej geologii i ze
wskazaniem na ograniczenia i zalety każdej z zastosowanych metod.
W pierwszym etapie badań wykonano profilowania indukcyjne trzema układami
pomiarowymi HD10, HD20 i HD40, o wzrastającym zasięgu głębokościowym. Wykresy
przewodności pozornej a pomierzonej na profilu P2 pokazano na rysunku 3.2. W dolnej
części tej ilustracji przedstawiono przekrój geologiczny wykonany w trzy miesiące po
badaniach geoelektrycznych w momencie, gdy skarpa opadająca na poziom IV „doszła”
____________________________________________________________________________
16
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
w przybliżeniu do linii profilu P2. Widoczna jest wyraźna korelacja przebiegu wykresów a
z morfologią stropu warstw ilastych. Wzrastający poziom wartości przewodności pozornej dla
coraz większych rozstawów układu pomiarowego (coraz większej głębokości penetracji)
świadczy o tym, że kompleks ilasty ma bardzo dużą miąższość. Jednocześnie widać, że
w części północnej wartości a są zdecydowanie niższe, co wywołane jest wzrostem miąższości wysokooporowego, piaszczystego nadkładu. Na wykresie profilowania „najpłytszym”
układem HD10 zaznaczają się lokalne podwyższenia a co związane jest z miejscowym
występowaniem domieszek materiału ilastego w utworach piaszczystych (250 – 300m profilu).
Z uwagi na zakłócenia przemysłowe pola elektromagnetycznego występujące szczególnie dla
układu HD40 (częstotliwość pomiarowa 400 Hz) wykres a uzupełniono krzywą przefiltrowaną cyfrowo.
Rys. 3.1. Lokalizacja badań geoelektrycznych
Fig. 3.1. Location of geoelectric surveys
Wykonanie profilowań indukcyjnych na trzech równoległych liniach umożliwiło
sporządzenie diagramów obrazujących zmienność mierzonej przewodności pozornej a na
obszarze objętym badaniami – rysunek 3.3. Widać z nich, że zmienność rozkładu a zachodzi
głównie na kierunku NS – diagram dla HD40 – co związane jest z rzeźbą stropu wspomnianej,
grubej warstwy iłów. Dla układów „płytszych” diagramy wykazują, że występują lokalne
anomalie przewodności (np. oznaczona na rysunku 3.3 symbolem SI) wywołane zwiększoną
zawartością materiału ilastego w piaskach nadkładu. Anomalie te są zmienne przestrzennie co
widać zwłaszcza dla układu HD10.
Sondowania elektrooporowe rozmieszczono wzdłuż dwóch równoległych linii, tak by
tworzyły dwa ciągi sondowań – rysunek 3.1. Krzywe pomiarowe wykazywały duże zróżnicowanie zarówno pod względem kształtu jak i wartości oporności pozornych. Wskazywało to na
znaczną niejednorodność najpłytszych utworów przypowierzchniowych, w których występowały fragmenty zdjętego poprzednio nadkładu. Najprawdopodobniej były to utwory
w przewadze ilaste (niskooporowe, poniżej 10 m) i ich pozostałości w piaskach
(wysokooporowych, kilkaset – kilka tysięcy m) powodowały zaburzenia i zniekształcenia
krzywych sondowań, znacznie ograniczające ich interpretację ilościową. Na rysunku 3.4
zestawiono przekroje oporności pozornej sporządzone dla obu ciągów sondowań.
____________________________________________________________________________
17
J. ANTONIUK i in. – Zastosowanie metod geoelektrycznych do rozpoznania budowy....
____________________________________________________________________________
Rys. 3.2. Wykresy profilowań indukcyjnych i przekrój geologiczny dla profilu P2
Fig. 3.2. Induction profiles and geological cross-section for survey line P2
Rys. 3.3. Wyniki powierzchniowych
pomiarów przewodności pozornej
Fig. 3.3. Apparent conductivity
distribution for all survey lines
____________________________________________________________________________
18
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Rys. 3.4. Przekroje oporności pozornej na podstawie sondowań Schlumberger’a
Fig. 3.4. Apparent resistivity pseudosections based on Schlumberger resistivity soundings
W przekrojach tych dominują wysokie oporności, które można wiązać z niezawodnionymi
utworami piaszczystymi. Te strefy oznaczono symbolami PS. Lokalnie, przy powierzchni
widoczne są strefy niskich oporności (SI) wywołane przez materiał ilasty. Warstwa miąższych
iłów, dobrze odzwierciedlająca się w badaniach indukcyjnych, w sondowaniach elektrooporowych zaznacza się bardzo słabo. Jedynie w dolnej części sporządzonych przekrojów
oporności pozornych widoczny jest nieznaczny spadek wartości a. Związane to jest z różnym
zasięgiem i rozdzielczością obu tych metod.
W celu dokładnego rozpoznania budowy utworów zalegających nad warstwą miąższych
iłów wykonano 2D tomografię elektrooporową. Na rysunku 3.5 zestawiono przekrój oporności
pozornej (a), głębokościowy przekrój wyinterpretowanej oporności rzeczywistej (b) oraz
fragment przekroju geologicznego (c). W piaszczystym nadkładzie uwidoczniła się rozległa
strefa wysokooporowa (> 400 m), z lokalnymi „strukturami” (PS), w których oporności
przekraczają tysiąc m. Wartości te wskazują na to, że występują tu czyste, odwodnione
piaski. Kształt i rozmieszczenie tych „struktur” wynika z szybkości odsączania, co związane
jest jednocześnie z czystością i porowatością piasków. Taka interpretacja znalazła
potwierdzenie w geologicznym opisie skarpy, wykonanym po dojściu wyrobiska do linii
profilu P2, i przedstawionym w dolnej części rysunku 3.5. Zaznaczone tam miejsca sączenia
się wody ze spągowej części piaszczystego nadkładu korelują z położeniem odwodnionych,
wysokooporowych struktur (PS) .
Zastosowanie kilku metod geoelektrycznych jednocześnie poszerza możliwości rozpoznania budowy geologicznej. Łączna interpretacja sondowań elektrooporowych i profilowań
indukcyjnych wymaga jednak odpowiedniego podejścia, które przedstawione zostanie na
przykładzie wykonanych badań.
Na rysunku 3.6a przedstawiono polową krzywą sondowania elektrooporowego i wynik jej
1D interpretacji – model A. Dla tego modelu obliczono następnie teoretyczne wartości a dla
____________________________________________________________________________
19
J. ANTONIUK i in. – Zastosowanie metod geoelektrycznych do rozpoznania budowy....
____________________________________________________________________________
układów stosowanych w profilowaniach indukcyjnych i porównano je z wartościami
zmierzonymi w terenie. Widać wyraźną rozbieżność między porównywanymi wartościami.
Rozbieżności te dadzą się usunąć jedynie poprzez odpowiednią modyfikację modelu A.
Rys. 3.5. Wyniki tomografii elektrooporowej; a – pomierzony przekrój oporności pozornej;
b – wyinterpretowany przekrój geoelektryczny; c – fragment przekroju geologicznego
Fig. 3.5. Resistivity tomography results; a – measured apparent resistivity pseudosection
b – results of inversion; c – part of geological cross-section
Teoretyczne krzywe sondowań elektrooporowych i indukcyjnych obliczone dla nowego,
wariantowego modelu B zestawione są na rysunku 3.6b. Zgodność danych indukcyjnych –
pomierzonych i teoretycznych – uzyskano jedynie w przypadku, gdy w modelu B ostatnia
warstwa ma oporność 5 m – rysunki 6.b i c. Ten wariant budowy geoelektrycznogeologicznej należy traktować jako najbardziej prawdopodobny.
____________________________________________________________________________
20
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Rys. 3.6. Przykład łącznej interpretacji profilowań indukcyjnych i sondowania elektrooporowego
Fig. 3.6. An example of joint interpretation of inductive profiling and resistivity sounding
____________________________________________________________________________
21
J. ANTONIUK i in. – Zastosowanie metod geoelektrycznych do rozpoznania budowy....
____________________________________________________________________________
4. Podsumowanie
Przeprowadzone badania eksperymentalne miały ograniczony zakres ilościowy i dotyczyły
tylko jednego, wybranego fragmentu górotworu. Wyniki przeprowadzonych badań geoelektrycznych nie wskazywały na występowanie wód zawieszonych – stwierdzono, że w swej
zasadniczej masie górotwór jest odwodniony. W skarpie powstałej po dojściu wyrobiska do
miejsca badań geoelektrycznych zaobserwowano jedynie nieznaczne wysięki wody co
potwierdzało wnioski geofizyczne. W celu szerszej oceny skuteczności metod geoelektrycznych w tej problematyce wskazane byłoby przeprowadzenie większej ilości badań
w różnorodnych warunkach geologicznych. Zestaw proponowanych badań można byłoby
uzupełnić badaniami geoelektrycznymi z wykorzystaniem sond penetracyjnych wciskanych
w górotwór (Antoniuk i Mościcki 1994). Wymaga to jednakże specjalistycznego sprzętu
i sprzyjających warunków geologicznych (mało zwięzłego nadkładu).
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Mc Neill D. 1980: Electromagnetic terrain conductivity measurement at low induction numbers.
Technical note TN-6, Geonics Ltd., Toronto.
Antoniuk J. 2001: Problem wprowadzania poprawek do pomierzonych wartości przewodności
pozornej przy niskoczęstotliwościowych, dipolowych profilowaniach indukcyjnych. GEOLOGIA,
Tom 27, Zeszyt 2-4, 625 – 639.
Kaufman A. A., Hoekstra P. 2001: Electromagnetic soundings, Elsevier.
Loke M. H., Barker R. D. 1996: Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections
using a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, 44, no 1, 131 – 152.
Loke M. H. and Barker R. D. 1996: Practical techniques for 3D resistivity surveys and data
inversion. Geophysical Prospecting, 44, no 3, 499 – 523.
Mościcki W. J., Antoniuk J. 2002: Zastosowanie metod geoelektrycznych w badaniach związanych
z ochroną środowiska geologicznego. Publs. Inst. Geophys., Pol. Acad. Sc., M-27 (352), 179 – 193.
Antoniuk J., Mościcki J. 1994: Metoda penetracyjnego profilowania oporności elektrycznej –
przykłady zastosowań. Przegląd Geologiczny, vol.42, nr10 (498), 857 – 862.
Application of geoelectric methods to determine perched water
and geology of rocks overlying a brown coal deposit –
the Bełchatów brown coal mine case study
Results of experimental geoelectric investigations in an opencast working are presented.
The aim of the investigations was to identify - prior to the stripping - the geological built-up of
a selected part of the overlying rocks in the context of suspended water occurrence. The
applied geoelectric methods included electromagnetic terrain conductivity measurements (with
the use of EM34-3 Geonics), resistivity tomography and resistivity sounding. Results of
geoelectric investigations were compared with a geological cross-section made by mine
geologists when the escarpment reached the site of earlier experimental geoelectric
measurements.
Przekazano: 25 marca 2004 r.
____________________________________________________________________________
22