بخشی از مقاله
چکیده
شناسایی گسلها و تغییرات روند لایههاي ذغالسنگ به روشهاي لرزهنگاري در دنیا به خوبی شناخته شده و معمول است. همانطور که میدانیم روشهاي سایزمیک در مرحلهي اجرا نیازمند منبع ایجاد لرزه میباشند. در روشها کلاسیک این منبع عموما خرج انفجاري است که در ته چال یا سطح زمین کار گذاشته میشود. در این مقاله تجهیزات و انفجارهاي زیر سطحی حین عملیات استخراج به عنوان منبع لرزش پیشنهاد میشوند. هدف از اجراي چنین عملیاتی، به کار گرفتن عملیات لرزهنگاري براي پیشبینی رفتار لایه و برنامهریزي گامهاي بعدي آمادهسازي ذخیره میباشد.
-1 مقدمه
در حال حاضر اغلب معادن ذغالسنگ کشور به روش زیرزمینی و عمدتا روشهاي جبهه کار بلند یا پلکانی معکوس استخراج میشوند. روشهایی که مستلزم آمادهسازي و گسترش شبکهي تونلی زیرزمینی میباشد. آمادهسازي به این روشها به خودي خود پر هزینه است و توجه به عواملی مانند تغییرات شیب و امتداد لایه و همچنین شکستگیها در طراحی شبکههاي زیرزمینی نقشی مهم دارد. لذا پیشبینی دقیق و درك صحیح وضعیت ژئومتري لایه، در طراحی شبکه و برنامهریزي عملیات استخراج و نهایتا جلوگیري از هزینههاي اضافی بسیار حائز اهمیت خواهد بود. خصوصا شناسایی تاثیر گسلها بر لایههاي ذغالسنگ در پیشبینی محدودههاي قابل استخراج بسیار تاثیرگذار میباشد.
بهرهبرداران معادن زیرزمینی به منظور جلوگیري از حوادث و خسارات مالی و جانی ناگزیر به حفظ حریم گسل و رها سازي قسمتهاي تحت تاثیر گسل خوردگی در کارگاههاي اسنخراج میباشند. چراکه گسلخوردگی معمولا با سستی و خردشدگی شدید فرادیواره1 و فرودیوارهي2 لایه و همچنین جریان آب به داخل کارگاه همراه است.
به کارگیري روشهاي لرزهنگاري درونلایهاي3 به منظور پیشبینی رفتار لایه تحت تاثیر عوارض زمینشناسی و تکتونیکی میتواند مورد توجه باشد. پیش از این روشهاي سایزمیک با هدف بررسی روند و پیوستگی لایهها و شناسایی حفرات گازي در مراحل اکتشاف مرسوم بوده است که نتایج حاصل در کنار اطلاعات زمینشناسی و حفاري، در مدلسازي عددي لایهها بکار گرفته میشود. لیکن تفاوت پیشنهاد حاضر با عملیات قبلی انجام شده در اهداف، زمان و روش عملیات است.
در حقیقت عملیات پیشنهادي حاضر نه عملیات اکتشافی با هدف مدلسازي و محاسبهي ذخیره بلکه عملیاتی براي کمک به پیشبرد هرچه دقیقتر، سریعتر و در نتیجه اقتصاديتر عملیات آمادهسازي است. به عبارت دیگر عملیات پیشنهادي نه عملیات اکتشافی محض، بلکه عملیات اکتشاف حین استخراج محسوب میشود . ضمن اینکه این عملیات به تعیین حفرات گازي که برخورد با آنها حین عملیات معدنکاري زیرزمینی با هجوم گاز متان به معدن و افزایش ریسک وقوع حادثه همراه است، کمک میکند.
-2 شرایط اجراي عملیات
بکارگیري روشهاي لرزهنگاري درونلایهي در شناسایی روند لایههاي ذغالسنگ پیشتر نیز انجام شده است .[3] [2] [1] روشهاي لرزهاي درونلایهاي با روشهاي لرزهنگاري متعارف دو تفاوت اصلی دارد. اول اینکه امواج کانال4 یا امواج راهنماي منتشرهي درونلایهاي هدف لرزهنگارها خواهد بود. انتشار و ثبت امواج کانال همواره مورد توجه متخصصین عملیات اکتشافی ذغالسنگ بوده است.5 دوم اینکه لایهبندي عمومی منطقه هدف عملیات نمیباشد. بلکه عملیات به یک لایهي مشخص ذغالسنگ خلاصه میشود.
با توجه به اینکه عملیات زیرزمینی اکتشاف ذغالسنگ با مقررات و قوانین ویژهاي همراه است و ایمنی عملیات بسیار حائز اهمیت میباشد، برنامهریزي و تعریف شبکهي برداشت سایزمیک با روش فوق باید ساده و از قابلیت اجرایی سریع برخوردار باشد. همچنین بکارگیري منابع ایجاد لرزهي موجود به منبع جداگانهي ایجاد لرزه ترجیح داده میشود. در معادنی که پیشروي تونلها و آمادهسازي در امتداد لایه انجام میشود، میتوان انفجارهاي جبههي پیشروي را بعنوان منبع لرزه منظور نمود. همچنین کارکرد ماشینهاي سنگین استخراج جبهه کار بلند نظیر انواع ذغالتراش هم میتوانند منشا لرزه در لایه باشند.
در مورد آرایش حسگرهاي لرزهاي یا ژئوفونها6 هم قراردادن تعدادي حسگر در نقاط دیگر لایه، که معمولا برونزد لایه در امتداد تونل، برونزد همان لایه در سطح یا افقهاي دیگر معدنکاري میباشد تعیین کننده است. گرچه میتوان انفجاري مجزا صرفا با هدف لرزهنگاري در لایه انجام داد و شاید به نظر برسد پیشنهاد اخیر منجر به عملیات کنترل شدهتري توسط تیم اکتشافی معدن گردد، ولی مزیت اصلی توجه به منابع لرزهاي موجود در کارگاهها و شبکهي معدن نسبت به بکارگیري منبع مستقل لرزه، عدم تداخل عملیات لرزهنگاري با معدنکاري و حتی وابستگی عملیات اکتشافی به پیشبرد عملیات معدنکاري میباشد. چه بسا بکار بردن انفجار مجزا مستلزم توقف موقت عملیات معدنکاري، افت تولید و ضرر و زیانی به مراتب گرانتر از فواید لرزهنگاري با اهداف یاد شده گردد.
-3 تئوري عملیات
در ادامه بررسی میکنیم که چطور انفجار درون لایه میتواند به عنوان منشا لرزه در عملیات لرزهنگاري معادن ذغالسنگ به کار گرفته شود. عمده عامل انفجار در معادن زیرزمینی ذغالسنگ توسعهي شبکهي تونلهاي معدن و آمادهسازي لایه براي استخراج است. بعضا انفجار در کارگاههاي استخراج هم انجام میشود. در مواردي که پیشروي تونل موازي لایهي ذغالسنگ است معمولا حفر دستکها یا گزنگهایی به سمت لایه و با هدف بررسی وضعیت ژئومتري لایه و تونل نسبت به یگدیگر با تناوب مشخص ناگزیر است که این حفریات نیز قاعدتا به انفجار درون لایه ختم میگردد. از دید عملیات لرزهنگاري درونلایهاي، آن انفجارهایی ارزشمند میباشند که در تماس با لایههاي ذغالسنگ انجام شدهاند.
نکتهي قابل توجه دیگر در این روش تعدد نقاط انفجار در طول لایه است. پیشروي تونل چه در امتداد و چه موازي لایه، خواه و ناخواه همراه با انفجارهاي متعدد درونلایهاي میباشد. به عبارت دیگر در این روش به جاي یک منبع لرزه، یک خط ایجاد لرزه درونلایهاي داریم که طی مدت زمان مشخصی؛ متناسب با سرعت پیشروي تونلها، ایجاد خواهد شد.
میتوان مدعی شد یک منبع لرزهاي خطی متحرك با تنها یک حسگر لرزهاي معادل یک نقطهي انفجار و چندین حسگر لرزهاي میباشد.[4] اعتبار این ادعا به صورت کاربردي در ردیابهاي صوتی دریایی و رادارهاي ترکیبی به اثبات رسیده است.[4] البته تفاوتهاي اساسی مورد اخیر با شرایط انفجار و ثبت لرزه در شبکهي زیرزمینی معدن را نباید از یاد برد. رفتار امواج لرزهاي و محیط انتشار امواج لرزهاي به نسبت امواج رادار بسیار غیر قابل پیشبینی و غیر قابل کنترل میباشد. لذا لازم است با توجه به نوع و مقدار مادهي منفجره و میزان انرژي آزاد شده، به نوعی عوامل کنترلی براي عملیات تعریف نمود.[4] ضمن اینکه عملیات انفجار در معادن زیرزمینی دائمی و پیوسته نیست. علاوه بر این برخلاف سیستمهاي رادار که مولد و دریافت کنندهي امواج در کنار هم بوده و عملا یک دستگاه را تشکیل میدهند، سیستم ایجاد و دریافت امواج در روشهاي لرزهنگاري کاملا مستقل میباشند. منشا لرزه به طور مستقل در حال جابجایی است و لرزه نگارها در جایی دیگر بر روي لایه ثابت میباشند.
شکل :1 آرایش شماتیک حسگرها و نقطهي انفجار در لرزهنگاري امواج ناشی از آتشباري در تونل
سیستم ثبت لرزه از تعدادي حسگر لرزهاي تشکیل میشود. قبل از هر انفجار و ثبت داده، محل انفجار باید دقیقا مشخص باشد.
آرایش حسگرها و از آنجا پردازش سیگنالها به روشهاي مختلفی ممکن میباشد که در ادامه سه آرایش اصلی بررسی میگردد. حالتی که چندین حسگر لرزهاي بکار گرفته شده، حالتی که تنها دو حسگر به دستگاه لرزه نگار متصل است و در نهایت زمانی که فقط یک عدد حسگر بکار برده شود.
شکل 1 نشانگر آرایش شماتیک حسگرها در حالت اول است. انفجار در نقطهي E انجام میشود و تعدادي حسگر لرزهاي در امتداد تونل و بر روي لایه چیده شده که نزدیکترین آنها با Ge نشان داده شده است. فرض بر این است که به تعداد کافی حسگر لرزهاي وجود دارد و طول خط نصب حسگرها به اندازهي کافی نسبت به فاصلهي EGe بزرگ میباشد. سیگنالی که توسط حسگر iام دریافت میشود تابعی است از فاصلهي محل انفجار از حسگر و زمان. اگر P با مختصات نسبی - x,y - نقطهاي در لایه باشد، زمان تاخیر دریافت موجی که از نقطهي P به عنوان منبع ثانوي موج ساطع شده براي حسگر لرزهاي iام برابر خواهد بود با:
که در آن xe موقعیت مکانی انفجار در لایه میباشد. Li فاصلهي نقطهي P از حسگر iام، M فاصلهي نقطهي انفجار،E از نقطهي P و Ve سرعت موج در محیط است. کل موج منتشر شده برابر خواهد بود با مجموع سیگنالی که حسگرها دریافت میکنند.
مقدار فوق مجموع سیگنالهایی است که توسط حسگرهاي لرزهاي، بغیر از حسگر اول که در مجاورت نقطهي انفجار قراردارد، دریافت شده است. سپس مقادیر g و ge به طور متقاطع همبستگییابی7 میشوند که توزیع مجموعه نقاط اوج یا نقاط پیک8 حاصل از آن نشانگر منبع انتشار موج خواهد بود. انجام این عملیات براي موقعیتهاي مختلف انفجار نقشهي توزیع نقاط اوج را ایجاد خواهد کرد.
همبستگییابی متقاطع مشابه همبستگییابی پیرسون9 بر اساس محاسبهي ضرایب همبستگی بین دو متغیر انجام میشود با این تفاوت که مقادیر متغیرهاي دو سري تابعی از زمانند، ضمن اینکه مقادیر دو سري نسبت به یکدیگر اختلاف در فاز زمان دارند. بنابراین با اعمال تاخیر یا تعجیل در فاز زمان میتوان به نقطهي اوج یا پیک ضریب همبستگی دست یافت.[5] از آنجایی که در عملیات لرزهنگاري درونلایهاي سرعت موج در محیط معلوم است، لذا تاخیر زمانی میتواند به به فاصلهي مکانی تبدیل شود. لذا نمودارهاي یاد شده به نوعی بیانگر خصوصیات مکانی منبع انتشار موج میباشند.
حالت دوم آرایش حسگرها، یعنی بکارگیري دو حسگر نیز با توجه به شکل 1 قابل بررسی میباشد. در این حالت تنها دو حسگر G1 و G2 نصب شدهاند و سیگنالهاي ضبط شده توسط این دو g1 - t,xe - و g2 - t,xe - میباشد. این دو مقدار همبستگییابی متقاطع میشود و مقادیر حداکثري متناظر با اعمال تغییرات زمان براي هر بار ثبت سیگنال محاسبه میگردد. این عملیات براي نقاط مختلف انفجار تکرار میشود.
در نهایت مقادیر حداکثري فوق نسبت به موقعیت مکانی انفجار در نموداري ترسیم میگردد. نقاطی که با انتشار نویزهاي تصادفی مرتبط هستند با توزیع تصادفی در جايجاي نمودار ظاهر میشوند. امواجی که ناشی از سیر موج در امتداد لایهي ذغالسنگ میباشند در امتداد خطی موازي با محور xe قرار خواهند گرفت و آرایش نقاط مرتبط با امواج ناشی از انتشار موج از سطوح گسلی در امتداد خطی متقاطع با محور xe میباشند. بنابراین اگر لایه تحت تاثیر گسلخوردگی باشد، ضریب همبستگییابی متقاطع، در یک زمان دریافت سیگنال که در ارتباط با سطح گسلخوردگی میباشد حداکثر خواهد شد.
در نهایت اگر تنها یک حسگر لرزهاي براي دریافت سیگنال ناشی از انفجار بکار برده شود، تئوري عملیات مانند حالت فوق، یعنی بکار بردن دو حسگر خواهد بود، با این شرط که به هر دلیلی دو بار انفجار در یک محل انجام شود و البته سیگنالهاي هر انفجار جداگانه و به طور صحیح دریافت و ثبت شود.
قبل از انجام هرگونه تفسیر بر روي دادههاي ناشی از ثبت سیگنالها در هر یک از موارد اشاره شدهي فوق، مجموعه عملیاتی براي آمادهسازي دادهها لازم میباشد. براي مثلا حذف فرکانس 50 هرتز گاهبگاهی لازم است. همچنین اگر انرژي امواج لرزهاي در باند مشخصی متمرکز شده باشد خوب است که سیگنالها با توجه به مقادیر اصلی سیگنال و فیلتراسیون کاهنده به پایین10 شاخص شود. ضمنا مقدار سرعت امواج در لایه همیشه مشخص نیست که این مقدار لازم است از روي نقشههاي بهینه شدهي توزیع مقادیر سیگنال بدست بیاید.
-4 امکانسنجی عملیات با اتکا به مثال عملی
روش تشریح شدهي فوق وابسته به امواج شناخته شدهي ناشی از انفجار در کارگاههاي زیرزمینی میباشند. یعنی اینکه امواج حاصل از عملیات معدنی باید داراي ویژگیهاي قابل دریافت و ثبت توسط حسگرها و سیستمهاي ثبت سیگنال باشد. آزمون امکان به کار گرفتن امواج ناشی از عملیات زیرزمینی به عنوان منبع لرزه در لرزهنگاري پیشتر در معادن انگلستان انجام شده است.
محل اجراي عملیات یک معدن زیرزمینی ذغالسنگ بوده که به صورت مکانیزه استخراج میشده و منبع موج نه انفجار، بلکه سیستم پیوستهي استخراج مکانیزه بوده است. این سیستم مکانیزه متشکل از ماشینهاي سنگین ذغالتراش در جبههي کار استخراج ذغالسنگ میباشد که درامهاي حامل تیغهي تراشیدن ذغالسنگ، بعنوان عامل ایجاد موج در لایه، در امتداد کارگاه استخراج حرکت میکنند. لذا تئوري عملیات و شکل هندسی قرار گرفتن منشا و مبدا امواج مشابه همان وضعیتی است که در این مقاله بررسی شد. در این عملیات دو حسگر لرزهاي در امتداد کارگاه که همان امتداد حرکت درام میباشد نصب و سیگنالهایی در موقعیتهاي مختلف ثبت شد.
