Doc. RNDr. Zdeněk Kaláb, CSc. T 4 Ústav geoniky AV ČR, v.v.i., Ostrava, Studentská 1768, 708 00 Ostrava - Poruba (též FAST VŠB-Technická univerzita Ostrava) tel: 596979111 (341), fax:596919452, e-mail: kalab@ugn.cas.cz Ing. Markéta Lednická FAST VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 00 Ostrava-Poruba (též Ústav geoniky AV ČR, v.v.i., Ostrava) tel: 596979111 (343), fax:596919452, e-mail: lednicka@ugn.cas.cz Abstract OVĚŘENÍ POUŽITELNOSTI APARATURY TICO PRO ULTRAZVUKOVÉ MĚŘENÍ V HISTORICKÉM DŮLNÍM DÍLE This contribution describes first measurement that was performed in the Jeroným mine near Čistá using ultrasonic method. Spreading of these waves was detected up to 1 m distance between source and detector (instrumentation TICO). The main problem appears that vaseline (plasticine) very quickly hardens and transfer of vibration energy is not good. Changes in spreading velocity between two points detect condition of rock massif especially weathering. Úvod K zachování stávajícího stavu historických důlních děl je snahou minimalizovat zásahy do masivu těchto důlních prostor. Nejinak je tomu i v případě důlního díla Jeroným v Čisté (okr. Sokolov). Tento historický důl byl v roce 1990 prohlášen Ministerstvem kultury ČR nemovitou kulturní památkou a do budoucna se předpokládá zpřístupnění tohoto důlního díla také širší veřejnosti, konkrétně ve formě historického hornického muzea (např. Žůrek a Kořínek, 2003). Pro zpřístupnění tohoto důlního díla veřejnosti je nutno v první řadě zabezpečit stabilitu důlních prostor a zajistit takové vnitřní mikroklimatické podmínky, aby nemohlo dojít k degradaci hornin v důlním díle a tím k ohrožení bezpečnosti pracovníků provádějících rekonstrukční práce a později k ohrožení návštěvníků. Nedílnou součástí posudků o stabilitě Dolu Jeroným jsou opakovaná geomechanická měření (detailní strukturně tektonická měření a sledování pohybu bloků na stávajících puklinách, konvergenční měření, sledování pohybu hladiny důlních vod), která byla zahájena v roce 2001. Od roku 2004, kdy začala rekonstrukce dědičné štoly, byl zahájen také kontinuální seizmologický monitoring (např. Kaláb et al., 2006, Knejzlík, 2006, Žůrek et al., 2005, 2006). Laboratorní i terénní měření ukazují, že jednou z nedestruktivních zkoušek, které vykazují úzkou vazbu na stav zvětrání media jsou seizmická měření (např. Pandula et al., 2000). Podle Drouillarda a Varyho (1994) akusticko-ultrazvuková měření jsou chápána v praxi jako nedestruktivní technika pro charakterizování testovaného objemu daného materiálu z pohledu k jeho vlastnostem a defektům v něm. Podstatou je aktivní technika umožňující využití mechanického kmitání k testování vzorku nebo Strana 1 (celkem 10)
struktury. Vibrace procházejí daným objemem, jsou v něm modifikovány a následně zaznamenány a interpretovány. V našem příspěvku budou prezentovány první zkušenosti s použitím ultrazvukových měření v historickém Dole Jeroným. Stupeň degradace Stupeň navětrání (degradace) horninového masivu je jedním z významných parametrů sledovaných při hodnocení stability historických důlních děl. Stanovení stupně degradace může být prováděno např. laboratorně na odebraných vzorcích hornin z důlního díla, což vyžaduje odběr značného množství vzorků pro měření (různý horninový materiál, různé stáří důlních děl, části masivu pravidelně zaplavované důlními vodami, části masivu vystavené proudění vzduchu, )., proto je třeba k hodnocení stupně degradace přistupovat formou nedestruktivních zkoušek přímo v prostorách důlního díla bez potřeby odběru vzorků. Takovýto přístup se jeví daleko operativnější z hlediska plošné informace o měřeném parametru a na základě vyvinuté metodiky by mohl sloužit k rychlejšímu vyhodnocení přímo na místě měření. Jedním z možných způsobů nedestruktivních zkoušek může být využití ultrazvukového měření. Princip měření obecně spočívá ve změně rychlosti šíření ultrazvukové vlny daným prostředím v závislosti na změně některých z parametrů prozařovaného prostředí (hustota, modul pružnosti, Poissonovo číslo). Zvětráváním se rozumí změny ve složení minerálů a hornin působením povrchových činitelů, tj. atmosféry, vody, ledu,kolísání teploty, činnosti organismů. V podstatě jde o přizpůsobení se povrchovým podmínkám za vzniku různých produktů zvětrání stálých v tomto prostředí. Stupeň navětrání je vlastnost horniny, podle níž se usuzuje na její pevnost. Podle ČSN 73 1001 definujeme: Hornina je zdravá (zvětralé minerály 0 %), když žádný z minerálů není postižen zvětráním. Hornina je navětralá (zvětralé minerály 0-10 %), když jen část minerálů je postižena zvětráním, přičemž zdravé minerály se vzájemně dotýkají. Hornina je zvětralá (zvětralé minerály 10-35 % pro mírně zvětralou, 35 75 % pro silně zvětralou), když větší část minerálů byla postižena zvětráním nebo se zdravé minerály nedotýkají. Hornina je zcela zvětralá rozložená ( zvětralé minerály > 75 % ), když nabyla charakteru zeminy (částice nejsou vzájemně spojeny). Stupeň zvětrání se vyjadřuje podle H. Harrassowitze pomocí molekulárních poměrů a zvětrávacích čísel. Zvětratelnost je technická vlastnost horniny. Posuzuje se různými laboratorními zkouškami, které však nemohou přesně vystihnout vliv všech vnějších činitelů na větrání horniny. Stupeň zvětrání a jeho další postup lze posoudit mikroskopickým posouzením výbrusů hornin petrografickými metodami. Z laboratorních zkoušek lze zvětrávání posoudit podle nasákavosti a rozdílu pevnosti horniny v tlaku za sucha, po napojení vodou a po zmrazení (např. Svoboda et al., 1983). Strana 2 (celkem 10)
Ultrazvukové vlnění Ultrazvukem nazýváme mechanické vlnění, které už lidské ucho není schopno vnímat; toto vlnění má frekvenci vyšší než 20 khz, v některých literárních zdrojích se uvádí hodnota již 16 khz. Při využití ultrazvukového vlnění pro testování a zkoumání materiálových vlastností ve stavebnictví se využívá kmitočtů nad 20 khz. Ultrazvukové vlnění se řídí obecnými zákony pro kmitavý pohyb, především Hookovým zákonem, Huygensovým principem, zákonem odrazu a lomu, Dopplerovým jevem, principem interference, zákonem o absorpci a dalšími. V pevných látkách se ultrazvukové vlnění šíří od zdroje do okolí jako postupné vlnění podélné a příčné, v plynech a kapalinách potom pouze jako vlnění podélné. Kmitání se postupně šíří od zdroje postupným předáváním energie z částice na částici. Vznikající pružné vlny se šíří rychlostmi, které vychází z pružnostních parametrů (např. Youngův modul pružnosti a Poissonovo číslo) a objemové hmotnosti prostředí. Základní vztahy popisující šíření ultrazvukového vlnění jsou stejné jako pro mechanické kmitání. Rychlosti šíření podélné a příčné vlny jsou definovány vztahy v p = E. (1-ν) ρ 0. (1+ν).(1-2ν) (1) v s = E 2. ρ 0. (1+ν), (2) v nichž: v p rychlost šíření podélné vlny ( m.s -1 ), v s rychlost šíření příčné vlny ( m.s -1 ), ρ 0 objemová hmotnost prostředí ( kg.m -3 ), ν Poissonovo číslo (-), E Youngův modul pužnosti ( Pa ). Z uvedených vztahů plyne, že rychlosti šíření vln nezávisí na frekvenci vlnění, ale pouze na materiálových parametrech prostředí. Volba frekvence zdroje při měřeních tedy neovlivňuje absolutní výsledky, ale pouze kvalitu měření. V daném prostředí dochází ke ztrátám přenášené energie (absorpce), což významnou měrou závisí právě na kmitočtu vlnění, dále pak na vlhkosti, teplotě a dalších parametrech. Například rozdíl v útlumech při šíření zvuku o frekvencích 2 khz a 10 khz ve stejných podmínkách (při relativní vlhkosti 20 %) je na 100m asi 18 db (podle Smetana et al., 1998). Pro horniny, které jsou nehomogenní materiál, můžeme pro nižší frekvence, tj. f ~ 100 Hz, očekávat útlum řádu 10-2 -10-3 db/m, pro vyšší frekvence, tj. f ~ 300 khz, je útlum řádu 10 1-10 3 db/m (podle Hardy, 2003). Nedestruktivní zkoušení pomocí ultrazvuku a měřící aparatura Tzv. ultrazvuková impulsová metoda se využívá k nedestruktivnímu zkoušení betonu. Naší snahou je využití této metody při zkoušení horninového materiálu. Princip zkoušení betonu pomocí zmiňované metody je popsán v normě ČSN 73 1371 Ultrazvuková impulsová metoda zkoušení betonu. Ultrazvukové impulsy jsou Strana 3 (celkem 10)
opakovaně vysílány do zkoušeného materiálu a následně registrovány, přičemž se měří čas šíření těchto impulsů a ze znalosti dráhy, po které se impuls šíří, můžeme dopočítat impulsovou rychlost. U zkoušení betonu lze z ultrazvukových měření stanovit také vybrané vlastnosti zkoušeného materiálu, např. dynamické moduly pružnosti, Poissonův koeficient, pevnost a hutnost betonu, degradaci betonu, apod., a to podle vztahů uvedených v příslušné normě. Tyto vztahy pro výpočet dalších parametrů se pro horninový materiál musí podrobit kritické analýze, která prokáže oprávněnost jejich použití. Ultrazvukovou impulsovou metodou se zjišťuje : rychlost šíření čela impulsů ultrazvukových podélných vln, rychlost šíření čela impulsů ultrazvukových příčných vln, rychlost šíření čela impulsů ultrazvukových povrchových vln. Čas šíření čela impulsů podélných ultrazvukových vln se měří při poloze sond (obr. 1) : protilehlé (přímé měření), šikmé (polopřímé měření), na povrchu (nepřímé měření). Obr. 1 Typy měření podle vzájemné polohy sond Pro provedení ultrazvukových měření máme k dispozici přenosnou měřící aparaturu TICO firmy Proceq (Švýcarsko), která je určena ke zkoušení betonu (detekce dutin, trhlin, zjišťování pevnosti betonu, modulu pružnosti, stejnoměrnosti zhutnění, apod.). Aparatura se skládá z vlastního indikačního přístroje a páru zvukových sond, tj. vysílače a přijímače ultrazvukových impulsů (obr. 2). Indikační přístroj je snadno ovladatelný, data jsou zobrazována na digitálním displeji, k uložení naměřených dat slouží paměť přístroje (až 250 hodnot), které lze následně přenést na PC. Pro kalibraci přístroje je k dispozici kalibrační tyč (kovový váleček dané délky s přesně definovaným časem průchodu ultrazvukových vln). Napájení přístroje zajišťují tužkové baterie. Strana 4 (celkem 10)
Technické parametry aparatury TICO: rozsah měření 15 až 6550 μ s rozlišení 0,1 μ s velikost napěťového impulsu 1 kv (při třech impulsech za sekundu) teplotní rozsah pro měření -10 o C až + 60 o C frekvence zvukových sond 54 khz nebo 24 khz Obr.2 Ultrazvukový přístroj TICO se zvukovými sondami 54 khz (Proceq, Švýcarsko) Metodika měření Měřící aparatura TICO je výrobcem určena pro ultrazvukovou impulsovou metodu zkoušení betonu. Jak již bylo výše zmíněno, v našem případě bude tato metoda aplikována na jiný materiál horninu. Z tohoto důvodu je jediným sledovaným parametrem doba průchodu ultrazvukové vlny, přičemž ze znalosti délky dráhy šíření impulsu lze dopočítat rychlost šíření impulsu. Ostatní parametry, které jsou firemním softwarem vypočítány, nebudou uvažovány. Při zkoušení netypizovaného materiálu (hornina) v nestandardním prostředí (např. důlní dílo) vyvstávají zásadní problémy při měření, které je nutné řešit vytvořením nové metodiky měření. Přenos ultrazvukových (UZ) vln na rozhraní sonda - hornina Prvním úkolem je zajištění dokonalého styku měřicích sond s povrchem horniny pro přenos UZ vln. Při kontaktu sondy s povrchem prozařovaného materiálu vzniká malá vzduchová mezera, která zapříčiní značné zkreslení času průchodu UZ impulsů (vznik odrazů vln na rozhraní), případně šíření UZ vln ze sondy do horniny vůbec neumožní. Při UZ měření v laboratoři na opracovaných vzorcích s rovným povrchem lze využít tzv. vázací pastu (akustický vazebný prostředek, je součástí aparaturního vybavení). Bohužel při měření na neopracovaném hrubém povrchu horniny nelze tuto vázací pastu použít (nevhodná konzistence), proto byl dle doporučení z literatury vyzkoušen jiný akustický vazebný prostředek plastelína ( Svoboda a Cikrle, 2007 ). Strana 5 (celkem 10)
Funkčnost plastelíny jako akustického vazebného prostředku byla odzkoušena na vzorcích v laboratoři a výsledky měření vhodnost plastelíny potvrdily. Postup měření Při laboratorním měření na vzorcích je možno aplikovat tři způsoby měření (dle vzájemné polohy sond) přímé, polopřímé a nepřímé (obr. 1). V důlním díle přichází v úvahu především měření nepřímé (dáno geometrií důlních děl), výjimečně je možnost využít měření polopřímé nebo přímé, např. při prozařování pilířů. Nepřímé měření lze provádět buďto profilováním nebo sondováním. U profilování je rozestup sond konstantní a jejich uspořádání se pohybuje po daném profilu (obr.3 a). U sondování se mění rozestup sond, postupně od nejkratší vzdálenosti až po nejdelší (kde ještě jsou UZ impulsy detekovatelné). U sondování může jedna sonda zůstávat na definovaném místě a druhá se od ní vzdaluje (obr.3 b), nebo zůstává na místě střed uspořádání sond a zvětšuje se jejich rozestup (obr.3 c). Výsledkem nepřímého měření profilováním by měla být změna sledovaného parametru po profilu, přičemž hloubkový dosah prozáření je závislý na rozestupu sond a je víceméně konstantní. Naopak u sondování bychom měli získat informaci o změně sledovaného parametru směrem do hloubky na daném místě. Obr.3 Schéma rozmístění sond při nepřímém měření Experimentální měření První experimentální měření UZ impulsovou metodou v důlním díle Jeroným bylo provedeno v červnu 2007. Jedním z provedených testovacích měření bylo nepřímé měření sondováním, které mělo ověřit dosah UZ impulsů při větších rozestupech Strana 6 (celkem 10)
sond a které mělo ukázat velikost změny povrchové rychlosti s rostoucím rozestupem sond. Pro takovéto měření bylo potřeba vyhledat dostatečně velkou plochu masivu bez znatelných poruch a nehomogenit. Jako vhodné stanoviště byla vybrána část svislé západní stěny s rovným povrchem v komoře K2 (obr. 4). Měření nepřímým sondováním bylo provedeno celkem na devíti měřicích bodech, vzdálenost sond se zvětšovala od 0,13 m do 1,13 m, přičemž jedna sonda zůstala na místě a druhá se od ní postupně vzdalovala. Na každém měřicím bodě bylo provedeno celkem 2 x 5 měření k vyhodnocení byl tedy dostatečně velký soubor hodnot. Obr. 4 Půdorys komora K2 v Dole Jeroným s vyznačením místa pro nepřímé měření sondováním (vlevo) a příslušná fotografie(vpravo) Vyhodnocení výsledků První měření nepřímým sondováním potvrdilo možnost použití i větších rozestupů sond (přes 1 m) při měření zdánlivé rychlosti UZ vln. Na sumárním grafu (obr. 5) můžeme vidět závislost zdánlivé rychlosti šíření UZ vln na vzájemné vzdálenosti sond. Na každém bodě bylo měření opakováno 5-krát při prvním rozmáčknutí plastelíny pod sondou a ještě 5-krát po druhém rozmáčknutí. Plastelína byla mezi tím prohnětena. Na prvním bodě bylo provedeno také 5 měření po ukončení měření na nejvzdálenějším bodě. Při interpretaci naměřených hodnot byly použity maximální naměřené hodnoty na jednotlivých měřících bodech (obr. 6). Se vzrůstajícím rozestupem sond povrchová rychlost klesá - minimálnímu rozestupu 0,13 m odpovídá povrchová rychlost 4310 m.s -1, maximálnímu rozestupu 1,13 m odpovídá povrchová rychlost 2250 m.s -1. Při zvětšení rozestupu sond o 1 m tedy klesla povrchová rychlost o cca 2000 m.s -1. V grafu si můžeme všimnout, že na pátém a sedmém měřicím bodě zdánlivá rychlost nepatrně stoupla oproti předešlému měření při kratším rozestupu sond. Tato změna může indikovat nějakou změnu v prozařované části masivu, stejně tak se může jednat o chybu měření. Bohužel z tohoto prvotního měření nelze dělat v tomto smyslu žádné závěry. Jedním z cílů testovacího měření v důlním díle Jeroným bylo kromě jiného ověřit vhodnost plastelíny jako vazebného akustického prostředku. Na rozdíl od měření v laboratoři se ukázalo, že plastelína v důlním díle v nízkých teplotách (okolo + 8 o C) rychle tuhne, což značně zpomalilo průběh měření neustálým zpracováváním Strana 7 (celkem 10)
(hnětením) plastelíny do požadované konzistence. Kromě toho je možné, že rychlé utuhnutí plastelíny zhoršuje kontakt mezi povrchem sondy a horninou při samotném měření. V současné době bude tedy nejdůležitější najít jiný vhodný vazebný prostředek, případně nějakým způsobem upravit plastelínu tak, aby nedocházelo k jejímu rychlému tuhnutí při nižších teplotách. 5000 4500 4000 3500 rychlost (m/s) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0,13 0,26 0,37 0,52 0,61 0,73 0,85 1,0 1,13 vzdálenost sond (m) Obr. 5 Závislost velikosti zdánlivé rychlosti šíření UZ vln na vzájemné vzdálenosti mezi sondami 5000 4500 4000 3500 rychlost (m/s) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 vzdálenost sond (m) Strana 8 (celkem 10)
Obr. 6 Závislost maximálních velikostí zdánlivé rychlosti šíření UZ vln na vzájemné vzdálenosti mezi sondami Závěr V příspěvku je popsáno jedno z testovacích měření ultrazvukovou impulsovou metodou, které bylo provedeno v Dole Jeroným. Před terénním měřením byla realizována měření v laboratoři na různých materiálech i vzorcích hornin z důlního díla Jeroným. Zásadním poznatkem je ověření aplikovatelnosti této metody na horniny v důlním díle. Během těchto měření postupně vyvstaly některé problémy, které bude třeba vyřešit. Prvním úkolem je najít vhodnější akustický vazebný prostředek, který by splnil všechny požadavky nejen při měření v laboratoři, ale i v náročnějších podmínkách v důlním díle. Dále bude nutno odzkoušet nástavce na sondy (kuželového či podobného tvaru), jejichž smyslem bude zmenšit dotykovou plochu; povrch horniny je místy velmi nerovný a zmenšení dotykové plochy by mohlo zlepšit kvalitu měření (zmenšení rozptylu naměřených hodnot). Další měření budou koncipována tak, aby se vyzkoušely postupně všechny nastíněné varianty měření a aby se ověřily vlastnosti šíření UZ vln horninovým prostředím v důlním díle. Cílem těchto měření je přispět touto nedestruktivní metodou k ocenění stavu zvětrání obnažených hornin v jednotlivých částech historického důlního díla. Příspěvek byl zpracován za finanční podpory GAČR, projekt číslo 105/06/0068 Výzkum faktorů ovlivňujících stabilitu středověkého Dolu Jeroným v Čisté Literatura Drouillard, T.F. and Vary, A. (1994): AE Literature Acoustic-Ultrasonic Reflectins. Journal Acoustic Emission, Vol. 12, No. 1/2, 71-78. Hardy, H.R., Jr. (2003): Acoustic Emission / Microseismic Aktivity. Vol. I, A.A. Balkema Publishers, The Netherlands. Kaláb, Z., Knejzlík, J., Kořínek, R. and Žůrek, P. (2006): Cultural Monument Jeroným Mine, Czech Republic Contribution to the Geomechanical Stability Assessment. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., M-29(395). Knejzlík, J. (2006): Distribuovaný systém pro monitorování v Dole Jeroným v Čisté. Transactions (Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava), Řada stavební, roč. VI, č.2/2006,181-187. Pandula. B., Blaško, F. a Mockovčiaková, A. (2000): Aplikácia najnovších poznatkov inžinierskej seizmiky pri určovaní stupňa porušenosti a kvalityletiskových dráh. Zborník Geotechnika 2000, Podbanské, Slovenská republika, 63-68. Smetana, C. et al. (1998): Hluk a vibrace, měření a hodnocení. Sdělovací technika, Praha. Svoboda D. a Cikrle P. (2007): Zjišťování poruch v masivních betonových blocích s využitím ultrazvukové impulsové metody. http://www.fce.vutbr.cz/veda/juniorstav2007/sekce_2.5/svoboda_david_cl. pdf Svoboda, J. et al. (1983): Encyklopedický slovník geologických věd. Academia, Praha. Strana 9 (celkem 10)
Žůrek, P. a Kořínek, R. (2003): Zpřístupnění středověkého Dolu Jeroným v České republice. Acta Montanistica Slovaca, roč. 8, č.2-3, 96-100. Žůrek, P., Kořínek, R., Michalčík, P., Štěpánková, H., Daněk, T., Kukutsch, R., Kaláb, Z., Knejzlík, J. a Lednická, M. (2005): Komplexní sledování geotechnických problémů lokality Čistá Důl Jeroným, období 2004-2005. Uhlí, Rudy, Geologický průzkum, 9/2005, 31-34. Žůrek, P., Michalčík, P., Kukutsch, R., Kořínek, R. a Daněk, T. (2006): Analýza stabilitních poměrů Dolu Jeroným v Čisté během obnovy dědičné štoly. Sborník Hornická Příbram ve vědě a technice 2006, CD, příspěvek T7. ČSN 73 1001 Zakládání staveb. Základová půda pod plošnými základy. ČSN 73 1371 Ultrazvuková impulsová metoda zkoušení betonu Strana 10 (celkem 10)