Kőzettest-osztályozás mélyfúrás-geofizikai mérések alapján

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B. oldalak: Kőzettest-osztályozás mélyfúrás-geofizikai mérések alapján Rock mass classification based on geophysical measurements Szongoth Gábor Geo-Log Kft., 1145, Budapest, Szugló u. 54., Hegedűs Sándor Geo-Log Kft., 1145, Budapest, Szugló u. 54., ÖSSZEFOGLALÁS: A Bátaapáti hulladéktároló kialakítása során több ezer méter gránitot harántoló felszín alatti fúrásban végeztünk mélyfúrás-geofizikai méréseket és ezek alapján sikeres RMR (Q) kőzetállapot előrejelzést. A szakma kezdetben bizalmatlanul fogadta ezt a módszert, de idővel elismerte, hogy a kiválasztott geofizikai módszerek (elektromos és akusztikus) és a hagyományos módszerrel elvégzett kőzettest-osztályozás közti összefüggés alapján egy adott földtani formációban nagy megbízhatósággal előre jelezhető a harántolt kőzet geotechnikai állapota. Az eddigi eredmények alapján meggyőződésünk, hogy a módszer sikeresen alkalmazható más kőzetekben (karbonát, andezit, bazalt stb.) is, bár ezt eddig lehetőség híján nem sikerült bizonyítani, azonban bízunk abban, hogy ez a közeljövőben megváltozik, amihez talán ez az előadás is hozzájárul. ABSTRACT: Geophysical well logging provides substantial information about surface geophysics, geology, tectonics and hydrogeology during surface geophysical exploration. Some of the geophysical measurements shows the petrological properties of the rock, while resistivity and acoustic velocities can be used to describe the geotechnical condition of the rock. A very effective and prompt rock mass classification can be served from the resistivity and acoustic wave measurements, which complements and highly helps to evaluate the information from the core investigation and pressure tests. These methods were made suitable for the considerably changed conditions of underground measurements. Furthermore, we developed the method of predicting the physical properties of rocks based on geophysical well logging. Kulcsszavak: mélyfúrás-geofizika, RMR kőzettest-osztályozás, gránit, fajlagos elektromosellenállásmérés, akusztikus sebességszelvényezés keywords: well logging, Rock Mass Rating system, granite, resistivity, acoustic well logging 1 BEVEZETÉS A különböző típusú kőzettest-osztályozásokban RMR, RQD, Q stb. az a közös, hogy mindegyik a kifúrt magok geotechnikai vizsgálatán alapul. Ezek a vizsgálatok igen munka-, és időigényesek, és magukon hordozzák a magkihozatali százalékból, a magkezelésből, az esetleges mélységcsúszásból származó hibákat, valamint nem utolsósorban a geotechnikai leírást végző szakemberek szaktudásának, gyakorlatának és szemléletének különbségéből adódó eltéréseket. Az előadásban bemutatjuk, hogy azok a mélyfúrás-geofizikai paraméterek (fajlagos ellenállás, akusztikus terjedési idő, repedéssűrűség-eloszlás), amelyek érzékenyek a kemény kőzetek geotechnikai állapotára, kiválóan alkalmasak a fúrással harántolt térrészek kőzetmechanikai jellemzésére. Néhány, az adott kőzetben mélyített fúrás maganyaga alapján kiválasztott bármilyen típusú kőzettest-osztályozás és az ugyanezen fúrásokban végzett mélyfúrás-geofizikai mérések alapján meghatározható egy regressziós összefüggés, mely segítségével a további fúrásokban rendkívül gyorsan, és objektíven elvégezhető a kőzettest-osztályozás. Az előadás gyakorlati példáit a bátaapáti radioaktív hulladéktároló földtani kutatása során a granitoid kőzetben mélyült fúrások vizsgálataiból mutatjuk be.

2 Szongoth Hegedűs 2 ELŐZMÉNYEK A Bátaapátiban folyó kis- és közepes aktivitású radioaktív hulladék elhelyezésének földtani kutatása keretében az első kutatási fázisban nagy számú mélyfúrás létesült a gránittest földtani, tektonikai, geotektonikai, hidrológiai megismerése céljából. A m mély fúrásokban komplex mélyfúrásgeofizikai méréssorozatot végeztünk. A klasszikus módszereken (fajlagos ellenállás, természetes gamma, sűrűség, neutron-porozitás, akusztikus hullámkép, technikai mérések) felül, a repedések településének azonosítására akusztikus lyuktelevíziós, a vízbeáramlások helyének és mennyiségének megállapításra hőimpulzusos áramlásmérést is végeztünk. Az 1., 2. és 3. ábrán bemutatjuk a fúrásokban végzett mérések teljes sorozatát. 1. ábra. Az Üh-43 felszíni fúrás komplex mélyfúrás-geofizikai szelvénye A legtöbb paraméter egyértelműen jelzi a törészónákat. 118

3 Kőzettest osztályozás geofizikai mérésekkel 2. ábra. HPF mérés az Üh-43 fúrásban. A nagyérzékenységű áramlásmérés még a nagyon csekély (néhány tizedliteres) beáramlási helyeket is jelzi. Az elvégzett mérések és ezek feldolgozása nagymértékben segítette sok esetben egyenesen lehetővé tette a felszíni, a geofizikai, a földtani, a tektonikai és a hidrogeológiai értelmezést. A mérésekből megállapítottuk a kőzetek fajlagos ellenállását, természetes radioaktivitását, sűrűségét, porozitását, a rugalmas hullámterjedési sebességeket, azokból meghatároztuk a kőzetmechanikai paramétereket (Young modulus, Poisson szám, Strength index, stb.), megállapítottuk a fúrások irányát és dőlését, a kavernák helyét és méretét, a hőmérséklet változását, a repedések helyét, irányát, kitöltöttségét, a vízbeáramlási helyeket, végül a lyuktelevíziós mérésből (3. ábra) nyert rétegdőlés adatokat statisztikai módszerekkel is vizsgáltuk. 3. ábra. Akusztikus lyuktelevíziós mérés az Üh-43 fúrásban Az akusztikus lyuktelevíziós mérés amplitúdó és visszaverődési idő képe, valamint az amplitúdó átlag és repedéssűrűségszelvény egyaránt az ellenállás csökkenés helyén jelzi a törészónákat. 119

4 Szongoth Hegedűs A felszín alatti munkák (vágathajtás) kezdete előtt felvetődött annak a lehetősége, hogy a vágatelőfúrásokban végzett mélyfúrás-geofizikai mérések alapján készítsünk gyors előrejelzést a fúrással harántolt kőzet geomechanikai állapotáról. A felszín alatt szűkebb mérési sorozatot végeztünk, egyrészt mellőztük az izotópos méréseket (sűrűség, porozitás) biztonsági okokból, másrészt (időkímélés miatt) csak a legszükségesebb méréseket végeztük el. A 4. ábrán ezeknek a méréseknek egy részletét mutatjuk be. 4. ábra. A BK3-3 felszín alatti fúrás komplex mélyfúrás-geofizikai szelvénye Az elvégzett méréseket tanulmányozva megállapítható volt, hogy gránitban, a természetesgammamérés kivételével mindegyik görbe valamilyen módon a kőzet geotechnikai állapotát tükrözi. Mivel a 8 db nagy mélységű felszíni fúrásból (több ezer méternyi hossz) rendelkezésünkre állt az RMR típusú kőzettest-osztályozás eredménye, megvizsgáltuk milyen összefüggés van az egyes geofizikai szelvények és a kőzetosztályozás között. A vizsgálatokat elsősorban a fajlagos ellenállás (40 cm-es potenciál szonda), a longitudinális hullámsebesség (akusztikus hullámkép mérésből), valamint az amplitúdó és a repedéssűrűség (akusztikus lyuktelevíziós mérésből) szelvényekkel végeztük el. Első lépésben görbeillesztést végeztünk (az RMR lépcsős függvényre transzformáltuk a fenti paramétereket), amiből látható volt, hogy a görbék jól illeszkednek egymásra, tehát lehet függvény kapcsolatot találni közöttük. A legjobb korrelációt az ellenállás (E40) és a longitudinális sebesség szelvény (Vp) illesztésénél tapasztaltuk. A sok ezer RMR érték és a görbék között egy regressziós összefüggést készítettünk és ez alapján a felszín alatti elektromos, illetve akusztikus mérésekből elkészítettük az RMR osztályozást. A vizsgálatok előrehaladtával egyre több fúrást vizsgáltunk, és 10 felszín alatti fúrás után ezekből a fúrásokból is készítettünk regressziós összefüggést, amit összevetettünk a felszíni eredményekkel és ez alapján javítottunk az eredeti összefüggésen (lásd 5. ábra). A 6. ábrán egy példát mutatunk be, az ábra alsó sávjában látható, hogy a két teljesen eltérő fizikai alapon nyugvó paraméter (ellenállás, sebesség) igen jól illeszkedik, jelezvén, hogy a kőzet mechanikai állapotát hasonlóan érzékelik. A középső sávban az RMR rendszerű kőzettest-osztályozást ábrázoltuk, amit az elektromos mérésből a fent meghatározott regressziós összefüggés segítségével készítettünk el (az elektromos görbét kissé simítottuk, hogy a vékony repedések hatását csökkentsük!). Az ábrán feltüntettük a Kőmérő Kft. klasszikus geotechnikai magleírás alapján készített kőzettest-osztályozását is. Az egyezés általában megfelelő, a görbék jellege azonos. 120

5 Kőzettest osztályozás geofizikai mérésekkel 5. ábra. Módosított regressziós összefüggés az RMR és ellenállás értékek között 6. ábra. RMR típusú kőzettest-osztályozás mélyfúrás-geofizikai szelvényből a BK3-3 fúrásban Az elektromos vagy az akusztikus szelvényből automatikusan készített RMR típusú kőzettestosztályozás nem használható fel közvetlen a vágathajtás irányítására, a fogási hossz, illetve a biztosítási osztály megválasztására, mivel néhány helyen túl sűrűn változik az értéke. A fogási hosszt nem célszerű néhány méternél sűrűbben változtatni, így a kőzettest-osztályozás eredményét is ehhez kell ritkítani. Ezért összevonásokat hajtottunk végre az előállított RMR osztályozásban (lásd 6. ábra felső sáv). Ebben van némi szubjektivitás (az eddigi összes művelet automatikus volt), de a kőzettest-osztályozás felhasználója (a vágathajtást irányító mérnök) is szubjektíve dönt a geotechnikai előrejelzés, a vájvég mechanikai állapota és a szakmai tapasztalata alapján a következő szakasz fogáshosszáról és biztosítási osztályáról. 121

6 Szongoth Hegedűs Ha összehasonlítjuk a két kőzettest-osztályozási eljárást, azt látjuk, hogy a legfontosabb elvi eltérés a két eljárás között az, hogy a geofizikai módszer esetén folytonos RMR görbe keletkezik, ahol a túl sűrű RMR osztályokat az utolsó lépésben lehet összevonni, míg a hagyományos eljárás az értékelési intervallumok kijelölésével kezdődik. A kijelölés a maghiány, magcsúszás, a magládában való párhuzamos tárolás, áttekinthetetlensége miatt erősen szubjektív művelet. Már az értékelés első lépésében el lehet rontani a kőzettest-osztályozást, ugyanis, ha a hibás intervallumhatár-kijelölés miatt különböző geotechnikai állapotú magok kerülnek egy értékelési intervallumba, az osztályba sorolás teljesen véletlenszerűen alakulhat. Az eddigi tapasztalatok alapján azt javasoljuk, hogy amennyiben történik egy fúrásban legalább egy elektromos mérés a geotechnikai leírást végzők az értékelési intervallumokat az elektromos szelvény alapján jelöljék ki. A módszerek ilyen kombinációja jelentősen javíthatja a hagyományos kőzettest-osztályozás hatékonyságát és eredményességét, ugyanis a geofizikai görbék karakteres változása biztosan jelentős kőzetállapot változást jelez. A 7. és 8. ábrán egy példát mutatunk be arra, hogy több párhuzamos szondafúrásban végzett elektromos szelvényezés milyen sikeresen jelzi előre a következő fejtési szakasz geotechnikai állapotát, még akkor is, ha az adott szakaszon csak teljes szelvényű fúrás készült (magvétel nélkül). 7. ábra. Korreláció fúrások között A 7. ábrán két egymáshoz közeli fúrásban (átmérő: 65 mm) végzett elektromos mérés korrelációját mutatjuk be, látszik, hogy a kút fúrás által harántolt kőzet geotechnikai állapota hasonló és az, hogy 12 m-nél egy igen jelentős ellenállás csökkenés kezdődik mindkét fúrásban. Ugyanerről a vágathomlokról a 8. ábra szerinti elrendezésben még 2 db 23 méter hosszú kutatófúrást indítottak szintén magvétel nélkül. Csak a Bs-30 fúrásban jutottunk el a fúrás talpáig, a másik három fúrásban a szondák elakadtak 12,5 illetve 16,0 méternél, mivel a fúrások összezáródtak. Az ellenállásgörbék a 30-as fúrásban 13,0-18,0 m-ig, a 29-es fúrásban 15,0 m-től, míg a 27-es és 28-as fúrásban 10 m-től rendkívül alacsony értéket jeleztek. Ez az erősen összetört gránit ellenállásánál is alacsonyabb volt (20 ohmm alatt), ami azt jelenti, hogy nagyon elagyagosodott, omlásveszélyes zónát harántoltak a fúrások. A Bs-30-as fúrás még átjutott ezen a szakaszon és így megállapítható volt, hogy a veszélyes zóna 5 méter széles. A másik három fúrás csak az elagyagosodott zóna kezdetét jelezte, de a fúrások elhelyezése miatt ebből meghatározható volt a zóna térbeli helyzete is. (A vágatban később omlás volt ezen a helyen ) 122

7 Kőzettest osztályozás geofizikai mérésekkel Bs- Bs- Bs- Bs- 8. ábra. Korreláció 4 fúrás között 3 KÖVETKEZTETÉSEK A mélyfúrás-geofizikai szelvények segítségével meghatározott RMR kőzetosztályozás előnyei: az adott fúrásban nem szükséges magmintavétel (és magvizsgálat), azonnal eredményt ad, az értékelési intervallumokat egyértelműen, mélységhiba mentesen adja meg, in situ kőzetállapotot tükröz, az információ kb. két nagyságrenddel nagyobb térrészből származik, mint a magnál, nincs szükség laborvizsgálatra, olcsó, objektív (személytől független). A módszer látszólagos hátránya, hogy önmagában nem ad abszolút értéket, így szükség van az adott területen mélyült néhány fúrásban végzett hagyományos RMR osztályozással való összevetésre. A módszerben rejlő további lehetőség, hogy a mélyfúrás-geofizikai paramétereket közvetlen a tényleges vágatbiztosítással hozzuk összefüggésbe (kihagyva a kőzettest-osztályozás bármelyik hagyományos formáját) és így direkt adatszolgáltatás jöhet létre a biztosítások tervezéséhez. IRODALOM Bieniawski, Z. T Rock mass classification in rock engineering. In Bieniawski, Z. T. (Ed.) Exploration for rock engineering 1, Kovács L Értékelő jelentés a Bátaapáti és Mórágy községek térségében 2002 folyamán mélyített kutatófúrások maganyagából elvégzett RMR-rendszerű geotechnikai minősítésről, Kézirat, Bomix Kft., Kútfej Bt., Pécs Szongoth G., Hegedűs S. 2010: Kőzetmechanikai paraméterek meghatározása a felszín alatti mélyfúrás-geofizikai mérésekből Kézirat, Jelentés, Geo-Log Kft., Budapest, Radioaktív Hulladékokat Kezelő Kft., Paks RHK-K-056/10. Szongoth G., Szücsi P. 2007: Kőzettest osztályozás mélyfúrás-geofizikai mérésekből Mérnökgeológia Kőzetmechanika 2007, Műegyetemi Kiadó, Budapest, Mérnökgeológia-Kőzetmechanika Kiskönyvtár (Szerkesztette: Török Á. & Vásárhelyi B.) 123

8 Szongoth Hegedűs Szongoth G., Zilahi-Sebess L., Szücsi P. 2004: Geotechnikai jellemző (RMR) meghatározása mélyfúrás-geofizikai mérésekből Kézirat, Jelentés, Geo-Log Kft., Budapest, Bátatom Kft. Adattár BA Szongoth G., Zilahi-Sebess L., Szücsi P. 2008: A felszín alatti fúrásokban végzett mélyfúrás-geofizikai vizsgálatok összefoglaló értékelése. Jelentés. Kézirat, Geo-Log Kft., Budapest Vásárhelyi B. 2004: Kőzettest-osztályozási módszerek összefoglalás Földtani Közlöny 134/1, , Budapest Zilahi-Sebess L., Kasza Z., Tóth I Mélyfúrás-geofizikai mérésekből kapott geomechanikai paraméterek összevetése a laboratóriumi adatokkal és a magminta töredezettség adatokkal az üveghutai fúrásokban, Kézirat, Geo-Log Kft. Budapest Zilahi-Sebess L., Szongoth G. 2008: Az akusztikus lyukfaltelevíziós mérésekből nyerhető geotechnikai információk Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2008, Műegyetemi Kiadó, Budapest, Mérnökgeológia-Kőzetmechanika Kiskönyvtár (Szerkesztette: Török Á. & Vásárhelyi B.) 124