Lednická, Markéta

Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava Civil Engineering Series

DSpace at VSB Technical University of Ostrava

 97 Markéta LEDNICKÁ1  ULTRAZVUKOVÉ PROZAŖOVÁNÍ VRTNÉHO JÁDRA Z LOKALITY HISTORICKÉHO DOLU JERONÝM ULTRASONIC MEASUREMENT OF DRILL CORE FROM JERONÝM MINE  Abstract This contribution describes ultrasonic measurement of the granite specimen from Jeroným mine in laboratory conditions. Instrumentation TICO was used for this experimental measurement on the rock. Changes in spreading velocities detect existence of fissures and anisotropy in the granite specimen.  Key words: ultrasonic measurement, spreading velocity    Úvod Ke zkouńení vzorkŧ za účelem stanovení vybraných vlastností zkouńeného materiálu se vyuņívají rŧzné metody. Mnohé z těchto metod patŗí k tzv. nedestruktivním metodám. To znamená, ņe pŗi nich zkouńené těleso nebo konstrukci nepońkodíme. Nedestruktivní metoda zkouńení byla vybrána také pro první zhodnocení horninového materiálu získaného pŗi vrtání dvou tŗímetrových vrtŧ v prostorách historického Dolu Jeroným. Jednalo se o měŗení prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln pomocí pŗenosné ultrazvukové aparatury TICO.   Motivace experimentů v historických důlních dílech Znalost fyzikálních parametrŧ hornin je nutná pro ŗeńení ŗady problémŧ nejen v historických dŧlních dílech - pro detailní geologické mapování, pro zhodnocení stabilitních poměrŧ, pro realizaci věrohodných matematických modelŧ, atd.  Stanovení fyzikálních parametrŧ lze provést na základě:   laboratorních zkouńek na „náhodně odebraných vzorcích― (bez zásahu do masivu)  laboratorních zkouńek na systematicky odebraných vzorcích (zásah do masivu, znalost umístění vzorku a jeho orientace)  experimentálních měŗení pŗímo v dŧlních prostorách (bez zásahu do masivu, pomocí nedestruktivních metod) Pŗi provádění experimentálních měŗení, prŧzkumných pracích, monitoringu a veńkerých rekonstrukčních pracích v historickém dŧlním díle bychom měli k těmto aktivitám pŗistupovat takovým zpŧsobem, aby byly zásahy do historických unikátních částí co moņno minimální. Ŗeńením je realizace krátkodobých měŗení bez pońkození historických částí (geofyzikální metody, nedestruktivní metody), pŗípadně „ńetrná instalace― trvalého měŗícího zaŗízení. Nejstarńí části dŧlních děl mohou patŗit ze stabilitního hlediska k nejkritičtějńím místŧm v dŧsledku dlouhodobé degradace horninového materiálu a je tŗeba je podrobit dŧkladnému posouzení, pŗičemņ posouzení naměŗených dat je tŗeba ŗeńit individuálně.  Dŧl Jeroným, který byl v roce 1990 prohláńen Ministerstvem kultury ČR nemovitou kulturní památkou a v roce 2008 „národní kulturní památkou―, prochází postupnou rekonstrukcí a v budoucnu se uvaņuje o jeho zpŗístupnění veŗejnosti (Ņŧrek a                                                           1 Ing., FAST VŃB – Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 00 Ostrava – Poruba, (téņ Ústav geonniky AV ČR, v.v.i., Ostrava), marketa.lednicka@vsb.cz  98 Koŗínek, 2003). V rámci stabilitního posouzení tohoto dŧlního díla (Kaláb et al., 2008) se v současné době zkouńí také vyuņití nedestruktivní metody „ultrazvukového prozaŗování― - jedná se o vyuņití pŗenosné měŗící aparatury pro měŗení rychlosti prŧchodu ultrazvukových vln. Provedená laboratorní měření V roce 2007 byla provedena modelová analýza stabilitní a napěťo-deformační situace vybrané komory Dolu Jeroným (komora K2 na ńtolovém patŗe; Hrubeńová et al., 2007). Pro vytvoŗení věrohodného matematického modelu bylo tŗeba nejprve laboratorně stanovit vybrané materiálové charakteristiky. Laboratorní měŗení zajistilo oddělení laboratorního výzkumu geomateriálŧ Ústavu geoniky AV ČR. Jednalo se o zkouńení náhodně odebraných vzorkŧ z modelované komory K2 na zaŗízení MARUTO (Konečný et al., 2006). Vybrané výsledky tohoto laboratorního měŗení jsou uvedeny v tab. 1. Na základě těchto výsledkŧ si mŧņeme udělat prvotní pŗedstavu o rychlostech prŧchodu podélných ultrazvukových vln daným materiálem.  V listopadu roku 2007 byly v jedné z nejstarńích a nejrozsáhlejńích komor (komora K1) vyvrtány dva cca 3 metry dlouhé vodorovné vrty za účelem instalace kuņelových sond pro kontinuální měŗení změn napjatosti masivu (sondy jsou součástí distribuovaného měŗícího systému v Dole Jeroným, napŗ. Knejzlík a Rambouský, 2008). Jeden vrt byl vyvrtán u ústí fárací jámy v komoŗe K1 (vrt 1), druhý byl vyvrtán v komoŗe K1 u ústí chodby spojující horní a ńtolové patro (vrt 2).  Jádrové vrtání umoņnilo získat zkuńební materiál pro provedení experimentálních měŗení a stanovení materiálových charakteristik. Dvě vrtná jádra byla nejprve podrobena nedestruktivnímu zkouńení pomocí pŗenosných ultrazvukových aparatur a následně bude na jádŗe provedeno dalńí zkouńení na pŗesných laboratorních pŗístrojích (oddělení laboratorního výzkumu geomateriálŧ, Ústav geoniky AV ČR). Jak mŧņeme vidět na obr. 1, vrtná jádra granitoidní horniny jsou místy značně naruńená systémem puklin (vyhojených i nevyhojených), proto nelze provést měŗení po celé délce jádra.  Tab. 1 Výsledky laboratorního měŗení na vzorcích odebraných z komory K2 Dolu Jeroným - objemová hmotnost a rychlost prŧchodu podélných ultrazvukových vln (Konečný et al., 2006).     99   Obr. 1 Vrtná jádra a pohled do vrtu – vlevo vrt 1, vpravo vrt 2  Nedestruktivní zkoušení pomocí přenosné ultrazvukové aparatury  Jak bylo uvedeno v pŗedeńlé části, vrtná jádra byla nejprve podrobena nedestruktivnímu zkouńení pomocí ultrazvukového prozaŗování pŗenosnou aparaturou. Princip měŗení vychází z tzv. „ultrazvukové impulsové metody― (vyuņívá se pŗedevńím k nedestruktivnímu zkouńení betonu – ČSN 73 1371). Obecný postup této metody spočívá v opakovaném vysílání ultrazvukových impulsŧ do zkouńeného materiálu a jejich následná registrace, pŗičemņ se měŗí čas ńíŗení těchto impulsŧ a ze znalosti vzdálenosti vysílací a pŗijímací sondy se dopočítá impulsová rychlost. Moņné varianty měŗení v závislosti na vzájemné poloze sond jsou popsány napŗ. v Kaláb a Lednická (2007). Měřicí aparatura Pro provedení ultrazvukových měŗení byla vyuņita pŗenosná měŗící aparatura TICO firmy Proceq (Ńvýcarsko), která je určena ke zkouńení betonu (detekce dutin, trhlin, zjińťování pevnosti betonu, modulu pruņnosti, stejnoměrnosti zhutnění, apod.). Aparatura se skládá z vlastního indikačního pŗístroje a páru zvukových sond, tj. vysílače  100 a pŗijímače ultrazvukových impulsŧ (obr. 2). Indikační pŗístroj je snadno ovladatelný, data jsou zobrazována na digitálním displeji, k uloņení naměŗených dat slouņí paměť pŗístroje (aņ 250 hodnot), které lze následně pŗenést na PC. Pro kalibraci pŗístroje je k dispozici kalibrační tyč (kovový váleček dané délky s pŗesně definovaným časem prŧchodu ultrazvukových vln). Napájení pŗístroje zajińťují tuņkové baterie. Technické parametry aparatury TICO:   rozsah měŗení   15 aņ 6550  s  rozlińení   0,1  s  velikost napěťového impulsu 1 kV (pŗi tŗech impulsech za sekundu)  teplotní rozsah pro měŗení -10oC aņ + 60oC  frekvence zvukových sond  54 kHz nebo 24 kHz      Obr. 2 Pŗenosná ultrazvuková aparatura TICO firmy Proceq (Ńvýcarsko)  Laboratorní měření na vrtném jádře z vrtu 1 Pro první měŗení bylo vybráno vrtné jádro z vrtu 1 (obr. 3 ). Prŧměr vrtného jádra je 70 mm, délka pŗibliņně 2,6 m. Jak je moņné vidět na obr. 3, v první části jádra je hornina celistvá, místy prostoupená vyhojenými puklinami, v druhé části vrtu je jádro rozpukané.   101   Obr. 3 Seskládané vrtné jádro (vrt 1) - začátek jádra je vlevo  Cílem měŗení bylo stanovení rychlostí prŧchodu UZ vln podél celistvé části vrtného jádra (značně naruńené a rozpukané části nelze proměŗit), detekce oslabených zón, anizotropie, změn rychlosti s hloubkou vrtu, apod. Měŗení se provádělo pŗi protilehlé poloze sond – pŗímé měŗení, za pouņití indulony jako akustického vazebného prostŗedku. Pro zmenńení dotykové plochy sond byly pouņity kovové kuņelové nástavce (obr. 4), pŗičemņ naměŗený čas t´ bylo tŗeba opravit o čas prŧchodu UZ vlny nástavci.       t = t´ - tn                        t …. opravený čas prŧchodu UZ vlny horninovým materiálem                                           t´…. naměŗený čas prŧchodu UZ vlny                                            tn …. čas prŧchodu UZ vlny nástavci (tn = 15 s )  Z opraveného času t byla následně dopočítána rychlost prŧchodu UZ vlny materiálem.  Obr. 4 Schéma měŗení na vrtném jádŗe pomocí nástavcŧ  Pŗi prvních měŗeních na vrtném jádŗe se ukázalo, ņe hornina vykazuje určitou anizotropii v plońe kolmé na osu vrtu. Maximální a minimální rychlosti prŧchodu UZ vln se projevovaly nejčastěji ve směrech navzájem kolmých.  Postup měření  Na kaņdém kuse jádra, který bylo moņno proměŗit, byly nejprve zjińtěny směry maximálních a minimálních rychlostí (6 měŗících míst po obvodu jádra, pŗíklad na obr. 5), a poté bylo jádro proměŗeno po celé délce ve dvou na sebe kolmých směrech odpovídajících zjińtěným maximálním a minimálním rychlostem (schéma na obr. 6).   t´- měřený čas průchodu UZ vlny  t - čas průchodu UZ vlny horninou  102               Obr. 5 Hodnoty prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln naměŗené po obvodu jádra (barevná ńkála zobrazuje rozsahy prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln v m/s).  Celkem bylo proměŗeno 8 částí vrtného jádra, zbylých 5 částí bylo značně poruńených. Vzdálenost měŗících míst pŗi prozaŗování podél jádra byla 20 mm (schéma na obr. 6), celkový počet měŗicích míst byl 223. Na kaņdém měŗicím místě bylo provedeno 5 měŗení (vyloučení chyb v dŧsledku ńpatného kontaktu sondy s horninou).   Obr. 6 Schéma rozmístění měŗicích míst podél vrtného jádra  Vyhodnocení měření  Ze souboru pěti hodnot naměŗených na jednom prozaŗovaném místě byla pro konečné vyhodnocení vybrána vņdy maximální hodnota prŧběhové rychlosti. Hodnoty prŧběhových rychlostí byly zpracovány do prostorového modelu pro názornějńí zobrazení výsledkŧ měŗení (obr.7).    103  Obr. 7 Prostorový model prozáŗených částí vrtného jádra (vrt 1) – barevná ńkála zobrazuje rozsahy prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln v m/s.  Hodnoty naměŗených rychlostí prŧchodu UZ vln jsou v rozmezí 1500–3500 m/s, pŗičemņ niņńí hodnoty rychlostí odpovídají místŧm blízkým poruńeným zónám. Hodnoty prŧběhových rychlostí směrem s hloubkou vrtu nepatrně narŧstají (pomineme-li oslabené zóny). Směr maximálních a minimálních prŧběhových rychlostí (měŗených ve směru kolmém na osu jádra) podél jádra se víceméně nemění, aņ na oslabené zóny (obr. 8). Poměr maximálních a minimálních rychlostí u neporuńených částí jádra je v rozmezí 1,1 – 1,2 (obr. 9).      Obr. 8 Grafické znázornění prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln podél vrtného jádra (vrt 1). Barevná ńkála zobrazuje rozsahy prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln v m/s – viz. obr 6.  104  Obr. 9 Hodnoty maximálních a minimálních prŧběhových rychlostí ultrazvukových vln (v m/s) podél vrtného jádra a jejich poměr.  105 Závěr Pomocí nedestruktivní ultrazvukové impulsové metody byly laboratorně stanoveny hodnoty rychlostí prŧchodu UZ vln ve značné části vrtného jádra vrtu 1 pocházejícího z komory K1 Dolu Jeroným. Cílem bylo ověŗení pouņitelnosti této metody měŗení pro získání rychlé informace o rychlostech prŧchodu UZ vln horninovým materiálem. Na základě naměŗených hodnot těchto rychlostí a jejich změn je moņné detekovat oslabená místa v blízkosti rozpukaných částí jádra a anizotropii v rovině kolmé k ose vrtu. Rychlost prŧchodu UZ vln v neporuńených částech jádra směrem s hloubkou vrtu nepatrně narŧstá.  Dalńím cílem bude proměŗení vrtného jádra vrtu 2 z Dolu Jeroným a porovnání výsledkŧ stanovených pŗenosnými ultrazvukovými aparaturami s hodnotami rychlostí naměŗenými na laboratorních zaŗízeních.  Poděkování Tento výzkum je finančně podporován projektem No. 105/06/0068 Grantové agentury České republiky.   Literatura [1] ČSN 73 1371  Ultrazvuková impulsová metoda zkouńení betonu. [2] Hrubeńová, E., Kaláb, Z., Koŗínek, R. a Ņŧrek, P. (2007): Dílčí výsledky modelové analýzy stabilitní a napěťo-deformační situace komory Dolu Jeroným. Transactions (Sborník vědeckých prací Vysoké ńkoly báňské – Technické univerzity Ostrava), Ŗada stavební, roč. VII, č.2/2007, 91-98. [3] Konečný, P., Lukńová, J., Pivodová, K., Stŗílka, J. a Kraus, M. (2006): Fyzikální vlastnosti granitoidní horniny z lokality Krásno. Zpráva z laboratorního měŗení, Ústav geoniky AVČR,v.v.i., Ostrava, nepublikováno, 3 s. [4] Ņŧrek, P. a Koŗínek, R. (2003): Zpŗístupnění stŗedověkého Dolu Jeroným v České republice. Acta Montanistica Slovaca, roč. 8, č.2-3, 96-100. [5] Kaláb, Z. a Lednická, M. (2007): Ověŗení pouņitelnosti aparatury TICO pro ultrazvukové měŗení v historickém dŧlním díle. Sborník Hornická Pŗíbram ve vědě a technice 2007, CD, pŗíspěvek T 04. [6] Kaláb, Z., Knejzlík, J., Koŗínek, R., Kukutsch, R., Lednická, M. and Ņŧrek, P. (2008): Contribution to Experimental Geomechanical and Seismological Measurements in the Jeroným Mine. Acta Geodyn. Geomater., Vol. 5, No. 2(150), 213-223. [7] Knejzlík, J. and Rambouský, Z. (2008):  Recent  Solution of the Distributed Control and Measurement System in the Jeroným Mine – Modular System. Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 5, No. 2(150).  106 

Ultrazvukové prozařování vrtného jádra z lokality historického Dolu Jeroným

http://dspace.vsb.cz/bitstream/10084/71097/2/FAST-2008-8-2-97-lednicka.pdf

Ultrasonic measurement of drill core from Jeroným Mine

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

DSpace at VSB Technical University of Ostrava