Zastosowania georadarów w górnictwie
A. Cianciara, Sympozjum naukowe PAN IGSMiE: Warsztaty Górnicze 2004
Streszczenie
W artykule przedstawiono sposób wykorzystania georadarów dla potrzeb górnictwa. Urządzenia te pozwalają na nieinwazyjne prześwietlanie masywów skalnych oraz gruntu przy pomocy fal elektromagnetycznych o wysokich częstotliwościach. Metoda georadarowa nadaje się do badania budowy geologicznej, spękań oraz wykrywania obecności wody. Można ją również wykorzystywać do wykrywania instalacji podziemnych, badania konstrukcji budowlanych oraz w ochronie środowiska np. do określania obszarów skażonych, czy poszukiwania pustek.
1. Wstęp
Zastosowanie fal elektromagnetycznych do lokalizowania obiektów pod powierzchnią ziemi zostało opracowane teoretycznie na początku XX wieku. Teoria ta została niemal zapomniana na kilkadziesiąt lat. Dopiero na początku lat siedemdziesiątych pojawiły się pierwsze georadary (GPR). Od tamtego czasu technika ta jest stale udoskonalana i znajduje coraz to nowe zastosowania praktyczne. Na przestrzeni ostatnich lat ponownie można zaobserwować zwiększone zainteresowanie tą techniką. Związane jest to z rozwojem komputerów i oprogramowania. Podczas wykonywania pomiarów georadarowych, szczególnie systemami wielokanałowymi, konieczne jest gromadzenie i późniejsze przetworzenie dużych ilości informacji. Wymaganiom tym są w stanie podołać dopiero współczesne komputery. Zastosowanie najnowszych zdobyczy informatyki, pozwoliło na uzyskanie nowej jakości wyników końcowych. Obecnie najbardziej rozbudowane systemy georadarowe pozwalają na częściowe zautomatyzowanie interpretacji, poprawienie jej jakości.
2. Działanie georadaru
Georadar, w najprostszym przypadku, wyposażony jest w dwie anteny: nadawczą i odbiorczą. Antena nadawcza wysyła impuls elektromagnetyczny o wysokiej częstotliwości. Fala przechodząc przez badany ośrodek ulega tłumieniu, wielokrotnemu rozproszeniu i odbiciu na granicach różnych materiałów. Antena odbiorcza rejestruje falę odbitą (rys. 2.1). W celu uzyskania przekrojowego obrazu badanego ośrodka, tak wykonywany pomiar jest powtarzany wielokrotnie. W czasie jego trwania anteny georadaru przemieszczane są w jed-nym kierunku. W efekcie tak przeprowadzonej serii pomiarów otrzymujemy charakterystyczny obraz jak na rysunku 2.2, zwany profilem georadarowym lub też echogramem.
Rys. 2.1. Zasada wykonania pojedynczego pomiaru metodą GPR.
Wielkość rejestrowanej anomalii i jej położenie uzależnione są między innymi od wielkości i lokalizacji obiektu wewnątrz badanego ośrodka.
Rys. 2.2. Sposób tworzenia mapy przekrojowej.
Uzyskiwany na rejestrowanym obrazie kontrast uzależniony jest natomiast od względnej różnicy pomiędzy stałymi dielektrycznymi graniczących ze sobą materiałów.
Częstotliwość fali w obecnie stosowanych georadarach wynosi od 10 MHz do ponad 2 GHz i uzależniony jest od budowy anten pomiarowych.
Tak szeroki zakres stosowanych częstotliwości wynika z potrzeby dopasowania parametrów do oczekiwanych wyników pomiarowych.
Od częstotliwości pracy anten zależy przede wszystkim wielkość wykrywanych obiektów, im wyższa częstotliwość tym mniejsze obiekty można wykrywać. Nie jest to jednak prosta zależność. Minimalna wielkość obiektu zależy od wielu czynników: rodzaju gruntu, materiału, z jakiego wykonany jest poszukiwany obiekt, ilości i ułożenia anten, itd. Jakkolwiek, dla rur, można podać promień krytyczny, poniżej którego znacznie obniża się jakość ich wykrywania. Wartość tego promienia opisuje zależność:
r = 0,1* L
gdzie:
r - promień krytyczny,
L (lambda) - długość fali, równa prędkości rozchodzenia się fali w badanym ośrodku podzielonej przez częstotliwość.
W tabeli 2.1 podano minimalne rozmiary dla wybranych częstotliwości pracy georadaru dla rur umieszczonych w ziemi (szybkość rozchodzenia się fali l = 100 cm/ns).
Tabela 2.1. Minimalne wielkości wykrywanych obiektów w zależności od częstotliwości pracy anten pomiarowych.
| Częstotliwość pracy anten | Minimalna średnica |
| 200 MHz | 5 cm |
| 400 MHz | 2,5 cm |
| 600 MHz | 1,25 cm |
Niestety wraz ze wzrostem częstotliwości fali elektromagnetycznej, rośnie również jej tłumienie. Powoduje to zmniejszenie zasięgu głębokościowego.
Podobnie jak przy ocenie minimalnej wielkości wykrywanych obiektów, również głębokość penetracji fal elektromagnetycznych uzależniona jest od właściwości badanego ośrodka (stała dielektryczna, przewodność, wilgotność, porowatość) oraz od częstotliwości pracy anten. Zatem nie jest możliwe podanie głębokości w postaci pojedynczej wielkości, która byłaby poprawna we wszystkich sytuacjach.
W praktyce uzyskiwane wielkości mogą się znacznie różnić, np. dla anteny 100 MHz uzyskiwany zasięg w skałach wapiennych może przekraczać 12 m, podczas gdy przy pomiarach w gruncie wynosi do 5 - 6 m.
3. Systemy wielokanałowe
W praktyce obraz tworzony podczas badań georadarem jest znacznie bardziej skomplikoany niż pokazany na rysunku 2.2, szczególnie gdy złożoność budowy badanego ośrodka oraz zagęszczenie obiektów jest znaczna. Jakość jego interpretacji, zależy wtedy w bardzo dużym stopniu od doświadczenia osoby interpretującej. Aby poprawić jakość lokalizacji obiektów podziemnych pomiary wykonywane są przy pomocy systemów wielokanałowych. Do pojedynczej jednostki rejestrującej podłączane są 2, 3 lub 4 pary anten. Pomiar wykonywany jest równocześnie wszystkimi antenami (rys. 3.1).
Ponieważ anteny są ze sobą połączone nie występuje problem korelacji przestrzennej otrzymanych z poszczególnych anten danych. Poprawia to znacznie jakość lokalizacji obiektów podziemnych, i znacząco zmniejsza poziom błędów interpretacji. Przeprowadzone badania (Pinelli 1999) jakości detekcji wskazują jednoznacznie przewagę systemu wielokanałowego. Jeżeli prawdopodobieństwo wykrycia obiektu dla systemu z pojedynczą parą anten oscyluje w okolicy 60% to dla systemu czterokanałowego można uzyskać już 95%.
4. Zastosowania praktyczne georadarów
Pomiary georadarowe znalazły zastosowania w wielu dziedzinach przemysłu. Może on też być z powodzeniem wykorzystywany na potrzeby górnictwa, gdzie znajduje zastosowania zarówno na powierzchni w poszukiwaniu instalacji, jak i w warunkach podziemnych do badania złoża, stanu szybów oraz innych konstrukcji inżynierskich.
4.1. Badania złoża
W górnictwie georadar może być szczególnie przydatny do określenia budowy złoża. Przeprowadzone badania pokazały szczególną przydatność tej techniki w kopalniach soli ze względu na małe tłumienie fal elektromagnetycznych, a co za tym idzie duży zasięg głębokościowy pomiaru. Georadarem można wyznaczać granice złoża, wyszukiwać miejsca uskoków. Można też prowadzić badania i lokalizować obszary spękań. Wykonując cyklicznie pomiary stref spękanych można śledzić ich rozwój wraz z postępującym procesem wydobycia.
Badania georadarowe wykonywane są w wielu kopalniach na całym świecie. Na rysunku 4.1 przedstawiono badania prowadzone w kopalni podziemnej.
4.2. Wykrywanie instalacji
Georadary wielokanałowe stosowane są głównie do wykrywania instalacji podziemnych oraz badania stanu konstrukcji.
Rys. 4.1. Pomiar wykonywany georadarem IDS RIS w kopalni.
Na rysunku 4.2 przedstawiono przykład systemu wielokanałowego produkcji firmy IDS. Jest to ośmiokanałowy georadar wyposażony w anteny pracujące na częstotliwościach 200 i 600 MHz.
Stosowanie anten o różnych częstotliwościach pozwala na łączenie pozytywnych cech:
- wysokiej rozdzielczości anten 600 MHz,
- dużej głębokości penetracji anten 200 MHz.
Rys. 4.2. Georadar IDS RIS wyposażony w antenę zespoloną 8-mio kanałową.
Wykorzystywany jest on głównie do tworzenie map instalacji podziemnych. Pozwala na zmniejszenie ilości pomiarów ze względu na szerokość pasa pomiarowego wynoszącą prawie 2 metry.
4.3. Badanie konstrukcji betonowych
Przy wykorzystaniu georadaru połączonego z anteną zespoloną 4 x 1600 MHz można wykonywać bardzo dokładne badania konstrukcji betonowych (rys. 4.3). Zestaw taki pozwala na wykrywanie nawet niewielkich spękań oraz wypłukań w badanym obiekcie. Można też określać dokładny układ zbrojeń badanej konstrukcji.
Na rysunku 4.3 przedstawiono antenę o wysokiej rozdzielczości przeznaczoną do badania konstrukcji betonowych. Antena wyposażona jest w kółka ułatwiające przesuwanie jej po powierzchni badanego obiektu. Dodatkowym zadaniem kółek jest dokładny pomiar położenia anteny i nanoszenie tych informacji na profil pomiarowy.
4.4. Badania otworowe
Kolejnym zastosowaniem georadaru jest wykonywanie pomiarów w wierconych otworach. Można tutaj prowadzić badania skał otaczających wykonany otwór. Zastosowanie anten o częstotliwościach pracy 300 MHz pozwala na uzyskanie wysokiej rozdzielczości pomiaru i badanie skał na dużych głębokościach. Najczęściej w technice otworowej anteny nadawcza i odbiorcza znajdują się w jednej obudowie.
Inną z metod pomiaru jest wykonywanie prześwietleń poprzez wywiercenie dwu otworów i umieszczenie w jednym anteny nadawczej, a w drugim odbiorczej. Na rysunku 4.4 przedstawiono widok anteny otworowej.
Rys. 4.3. Antena zespolona wysokiej rozdzielczości 4 x 1600 MHz.
Rys. 4.4. Antena otworowa 300 MHz.
5. Podsumowanie
Pomiar georadarowy jest techniką geofizyczną o bardzo wielu zastosowaniach. Sprawdza się szczególnie przy wykrywaniu i lokalizacji różnego rodzaju obiektów oraz pustek w badanym obszarze. Pomiary georadarem są całkowicie nieinwazyjne, nadają się zatem doskonale wszędzie tam, gdzie wymagane jest wykonanie badania, które nie może w jakikol-wiek sposób naruszyć konstrukcji. Stosowanie techniki georadarowej pozwala na zmniejszenie kosztów, związanych z rozpo-znaniem stanu konstrukcji.
Praca została wykonana w ramach badań statutowych Zakładu Informatyki w Naukach o Ziemi Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH.
Literatura
[1] Manacorda Guido 2002: IDS Radar Products For Utilities Mapping And Ground Classification. Proceedings of 20th International NO-DIG Conference and Exhibition Copenhagen Denmark. May 28 - 31.
[2] De Pasquale G., Manacorda G., Pinelli G. 1999: GPR subsoil interpretation in New Zealand. NO-DIG International.
[3] Pinelli G. i inni 1999: A dedicated radar system for preliminary no-dig investigation. Conference Papers NO-DIG.