Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi w Legnicko Głogowskim Okręgu Miedziowym

Transkrypt

1 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp., str Mirosław KAZIMIERCZYK Lubin Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi w Legnicko Głogowskim Okręgu Miedziowym Streszczenie Przedstawiono charakter zmian amplitud i okresów drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi z odległością. Zwrócono też uwagę, że na wartości tych parametrów występujących w budynkach ma wpływ stosunek częstotliwości drgań własnych budynku do częstotliwości występujących drgań powierzchni. 1. Wstęp Wstrząsy górnicze od lat występujące w zagłębiach górniczych na trwałe wpisały się w życie ich mieszkańców. Generowane nimi drgania powierzchni oddziaływują na zabudowę i infrastrukturę komunalną. Ocena wielkości i sposobu oddziaływania tych drgań jest jednym z ważniejszych problemów towarzyszących eksploatacji górniczej. Dlatego też w zagłębiach górniczych prowadzone są pomiary przyspieszeń drgań powierzchni. W LGOM-ie takie pomiary są prowadzone zarówno przez przedsiębiorcę górniczego KGHM Polska Miedź jak i przez jednostki samorządowe (gminy). W skomplikowanych warunkach geosejsmicznych obszaru LGOM-u rozwiązanie problemu oceny oddziaływania drgań na zabudowę i infrastrukturę jest jeszcze niezadowalające. Powoduje to wiele kontrowersji przy rozstrzyganiu zasadności roszczeń odszkodowawczych. W tej pracy będącej kontynuacją badań z lat poprzednich (Kazimierczyk 2000 i 2001) przedstawiono historię rozwoju pomiarów drgań w LGOM-ie oraz charakter zmian amplitud i okresów poszczególnych fal sejsmicznych z odległością. Stwierdzono, że największy wpływ na ewentualne powstawanie uszkodzeń ma fala powierzchniowa L. Zwrócono też uwagę na to, że niekiedy występują zwiększenia amplitud drgań przy przechodzeniu ich z gruntu do fundamentów budynków i z fundamentu do najwyższej kondygnacji. 2. Krótka charakterystyka wstrząsów górniczych W Polsce wstrząsy górnicze występują w trzech zagłębiach: Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (GZW), Legnicko Głogowskim Okręgu Miedziowym (LGOM) i w Bełchatowskim Zagłębiu Węgla Brunatnego (BZWB). Są one indukowane procesami będącymi skutkiem eksploatacji złoża (wytwarzanie pustek poeksploatacyjnych, przemieszczanie mas ziemnych, odwodnienia itp.) naruszającymi ustaloną równowagę statyczną masywów skalnych. Maksymalne magnitudy wstrząsów górniczych w Polsce są rzędu 4,0 4,6. 145

2 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... Geneza wstrząsów górniczych jest uwarunkowana budową i historią geologiczną masywu skalnego, w którym jest prowadzona eksploatacja oraz charakterem eksploatacji. Na obszarze GZW są to zjawiska zapadliskowe (zapadowe), jedynie w nielicznych przypadkach tektoniczne. Na obszarze BZWB są to zjawiska tektoniczne, a na obszarze LGOM występują tylko zjawiska zapadliskowe. Trzęsienia ziemi powodujące powstawanie w danym miejscu zniszczeń występują zwykle co kilkadziesiąt kilkaset lat. Natomiast częstotliwość występowania najsilniejszych wstrząsów górniczych w danym miejscu jest rzędu kilku kilkunastu lat. Silne wstrząsy górnicze występują częściej. Dlatego też zniszczenia wywołane trzęsieniami ziemi są natychmiastowe (wraz ze wstrząsami następującymi after shock), a to co pozostało tylko uszkodzone może dotrwać do następnego trzęsienia. Np. Hotel Victoria w Bukareszcie uszkodzony trzęsieniem z 1940 r. został definitywnie zniszczony dopiero trzęsieniem z 1975 r. Zginęło w nim wówczas troje polskich turystów (Lewicki 1977). Duża część zniszczeń wywołanych trzęsieniami w obszarze epicentralnym jest też skutkiem znacznych gwałtownych przemieszczeń podłoża. W przypadku wstrząsów występujących na obszarze LGOM takie przemieszczenia są znacznie mniejsze, a ich skutki ujawniają się dopiero po pewnym czasie. Także uszkodzenia wywołane drganiami pochodzącymi od silnych wstrząsów górniczych też nie zawsze są natychmiastowe, ale uaktywniają się dopiero po pewnym czasie w trakcie następnych niekoniecznie tak silnych drgań. Jedynie bardzo silne wstrząsy o M 3,8, których epicentra wystąpiłyby na obszarze zabudowanym mogą powodować natychmiastowe uszkodzenia. Tak więc różnice pomiędzy trzęsieniami, a wstrząsami górniczymi sprowadzają się w zasadzie do różnicy w częstotliwości występowania i zakresu głębokości ognisk. Dla wstrząsów te głębokości tylko w nielicznych przypadkach przekraczają głębokości eksploatacji. Dotyczą one zjawisk tektonicznych. Wszystkie inne różnice pomiędzy trzęsieniami ziemi, a wstrząsami górniczymi są pochodnymi tych w/w różnic (np. zasięg drgań). Reasumując można stwierdzić, że wstrząsy górnicze są płytkimi stosunkowo słabymi często występującymi trzęsieniami ziemi. Dlatego też czasy ich trwania w danych miejscach, tak jak i czasy trwania trzęsień ziemi zależą tylko od wielkości zjawisk i odległości epicentralnych. Dla słabych wstrząsów jak i słabych trzęsień będą one jednakowo krótkie. Dla zjawisk silnych będą one dłuższe, np. dla wstrząsów o M 4,3 i 4,5 z i przy rzędu 7 10 km wynosiły one kilkanaście kilkadziesiąt sekund. Pogląd, że cechą różniącą wstrząsy od trzęsień jest czas ich trwania (Maciąg 2000) jest niczym nie uzasadniony. Widać to wyraźnie na przykładzie zapisów nawet słabych wstrząsów o M 3,0 i 2,9 z odległości epicentralnych rzędu 3 7 km, gdzie czas trwania zapisu jest rzędu kilku kilkunastu s (rys i 5.3.). Natomiast różna geneza i charakter wstrząsów występujących w różnych zagłębiach, różny charakter propagacji drgań i ich amplifikacji sprawia, że niemożliwe jest opracowanie jednej jednolitej analitycznej metody oceny ich szkodliwości w rodzaju poprawionych skal SWD. Natomiast możliwe jest opracowanie takich analitycznych metod oceny szkodliwości drgań różnych dla różnych zagłębi. 3. Ewolucja poglądów dotyczących oceny wielkości parametrów drgań powierzchni W fazie projektowania kopalń rudy miedzi w ogóle nie brano pod uwagę, możliwości występowania wstrząsów górniczych mimo, że wskazywała na to analiza budowy geologicznej (istnienie sztywnej zwięzłej płyty skał cechsztyńskich zalegającej bezpośrednio nad złożem). Tym niemniej z inicjatywy Instytutu Geofizyki (IGF) PAN już w 1967 r. uruchomiono w Lubinie rejestrację drgań powierzchni, a w 1970 r. rozpoczęło działalność Dolnośląskie 146

3 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Obserwatorium Geofizyczne (DOG) IGF PAN w Książu k/wałbrzycha. Dzięki temu rozwój aktywności wstrząsowej LGOM-u jest udokumentowany od pierwszych nawet słabych wstrząsów (Jankowska 1971; Kazimierczyk i Kowalska 1985; Kowalska 1988). Dopiero pierwszy silniejszy wstrząs o M 2,8 z silnie odczuty w wyrobiskach, a makrosejsmicznie w mieście Lubinie z intensywnością rzędu IV o /V o w skali MSK-64 spowodował zmianę poglądów na możliwość występowania zjawisk dynamicznych w LGOM-ie. Pierwsze tąpnięcie z towarzyszące wstrząsowi o M 3,1 wykazało, że w LGOM-ie będą występować wstrząsy górnicze i towarzyszące im zjawiska dynamiczne stanowiące zagrożenie. Pierwsze tąpnięcie z trzema ofiarami z towarzyszące wstrząsowi o M 3,0 zobligowało do prowadzenia badań i obserwacji z zakresu mechaniki górotworu i szerokiej rozbudowy rejestracji sejsmograficznej. Również na powierzchni uruchomiono kilka stanowisk sejsmografów, ale tylko ze składowymi poziomymi. Wstrząs z o M 4,5 (najsilniejsze wówczas zjawisko w powojennej historii polskiego górnictwa) był kolejnym zaskoczeniem. Był on bardzo silnie odczuty makrosejsmicznie w LGOM-ie z intensywnością rzędu V o VII o w skali MSK (Gibowicz i in. 1980). Ze względu na przesterowane (obcięte) zapisy nie uzyskano żadnych informacji o parametrach drgań powierzchni wywołanych tym tak silnym zjawiskiem. Mimo tak dużej intensywności drgań nie zaobserwowano skutków porównywalnych ze skutkami nawet nieco słabszych zjawisk (M 4,2) z obszaru innych zagłębi. Trzeba tu też wziąć pod uwagę, że epicentrum tego zjawiska było zlokalizowane w lesie w odległości kilku km od zabudowań. Po wstrząsie zaobserwowano jedynie drobne ledwo zauważalne rysy i pęknięcia ścian i sufitów w niektórych budynkach, szczególnie w starych murowanych. Dlatego też zbagatelizowano problem wpływu drgań wywołanych wstrząsami górniczymi na powierzchnię. Podawano też absurdalnie zaniżone parametry tego tak silnego zjawiska wzięte z sufitu jak np. amplituda przemieszczeniowa 40,3 µm (Banaś i in. 1978), maksymalne przyspieszenie drgań 180 mm/s 2 (Kwiatek i in. 1991). Uważano, że skoro tak silne zjawisko nie spowodowało praktycznie żadnych skutków, to zjawiska słabsze będą absolutnie nieszkodliwe i problem wpływu drgań powierzchni generowanych wstrząsami na zabudowę i infrastrukturę jest nieistotny. Z tego powodu rejestrację drgań na stanowiskach powierzchniowych traktowano jako uzupełnienie rejestracji dołowej co w warunkach małej dynamiki zapisu powodowało, że zapisy silniejszych zjawisk były przesterowane (obcięte). Taka sytuacja trwała nawet do połowy lat dziewięćdziesiątych. Poglądy o nieszkodliwości wstrząsów na zabudowę zmieniły się z początkiem lat osiemdziesiątych, gdy w 1979 r w Polkowicach zawalił się segment nowo wzniesionego 11 kondygnacyjnego budynku powodując śmiertelny wypadek jednej osoby. Przyczynę tej katastrofy usiłowano wiązać z wpływem drgań generowanych wstrząsami górniczymi mimo, że w jej trakcie nie zarejestrowano żadnego wstrząsu. Tym niemniej po tej katastrofie opracowano w 1981 r. a następnie wdrożono Zasady konstruowania i obliczania budynków systemem WWP i Wk-70 wznoszonych na obszarze LGOM uwzględniające istnienie efektu sejsmicznego (Kurzydło 1997). W tym czasie wyraźnie też wzrosła aktywność sejsmiczna i coraz częściej zaczęły występować silne wstrząsy o M > 3,0 (Kazimierczyk 2000). Ten rozwój aktywności wywołany eksploatacją wytwarzającą pustki był niewątpliwie też stymulowany przez przemieszczanie mas ziemnych na powierzchni. Jedne partie były odciążane (eksploatacja piasków podsadzkowych), a inne obciążane stawem osadowym Gilów. Wstrząsy były wyraźnie odczuwane przez ludność szczególnie na terenie Polkowic. Obserwowano powstawanie lub intensyfikację w trakcie wstrząsów zarysowań (pęknięć) ścian i stropów. Pojawiły się też pierwsze roszczenia odszkodowawcze z tytułu szkód górniczych powodowanych drganiami. 147

4 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... Ocena zasadności tych roszczeń wymagała znajomości wartości parametrów drgań występujących na powierzchni. W tej sytuacji rozszerzono zakres rejestracji drgań na powierzchni uruchamiając w Lubinie i Polkowicach nowe stanowiska sejsmografów zlokalizowane między innymi w budynkach. Dla określania wielkości przyspieszeń drgań w miejscach powstania szkód posługiwano się wzorami empirycznymi opracowanymi na podstawie wyników rejestracji tych słabszych wstrząsów, których zapisy były nie przesterowane. Wartości przyspieszeń drgań obliczane tymi wzorami były absolutnie niewiarygodne z następujących powodów: opracowane wzory empiryczne nie uwzględniały wartości przyspieszeń generowanych silnymi wstrząsami z wcześniej podanych powodów braku nie przesterowanych zapisów silnych zjawisk, obliczone w/w wzorami wartości przyspieszeń były wartościami średnimi dla których nie określono wartości odchylenia od średniej i poziomu ufności, wartości energii wstrząsów będące podstawą określania wartości przyspieszeń drgań były określane nieprecyzyjnie z tzw. czasu trwania zapisu (Dubiński i Mutke 1999). Porównanie obliczonych w/w wzorami wartości przyspieszeń drgań z danymi makrosejsmicznymi wykazało, że były one wielokrotnie zaniżone (Kazimierczyk 1998). Tym niemniej te tak niewiarygodne dane były podstawą odrzucania zasadności roszczeń odszkodowawczych przez sądy powszechne. W połowie lat dziewięćdziesiątych, gdy pojawiła się aparatura akcelerometryczna do bezpośrednich ciągłych pomiarów przyspieszeń drgań służby KGHM zainstalowały na obszarze LGOM kilka akcelerometrów typu WORS-3. Dane z tej rejestracji szczególnie dotyczące najsilniejszych wstrząsów były praktycznie niedostępne. Zmiana tej sytuacji nastąpiła dopiero w 2000 r. kiedy samorządy lokalne (gminy) również zakupiły rejestratory WORS-3 i uruchomiły własną niezależną od KGHM rejestrację drgań powierzchni. Analiza wyników rejestracji trzech najsilniejszych zjawisk o M 3,8 4,0 z lat potwierdziła, że rzeczywiste pomierzone wartości przyspieszeń drgań są wielokrotnie większe od wartości określanych wzorami empirycznymi. Stwierdzono też, że na obszarze LGOM-u występuje niespodziewanie duży rozrzut pomierzonych wartości przyspieszeń drgań rzędu ± 230 % (Kazimierczyk 2001). Tak duży rozrzut jest spowodowany wpływem takich czynników jak kierunkowość emisji drgań z ogniska oraz duże zróżnicowanie amplifikacji drgań wynikające z niejednorodności czwartorzędu (zmiany facjalne, glacjotektonika, stopień osuszenia itp.) Jeśli chodzi o efekt kierunkowy emisji drgań to na jego istnienie wskazywały już obserwacje makrosejsmiczne. Np. najsilniejsze oddziaływanie wstrząsu z o M 4,5 było skierowane na południe (porównywalne intensywności drgań w Głogowie i Jeleniej Górze przy Δ 30 i 70 km). Podobnie oddziaływanie wstrząsu z o M 4,0 było najsilniejsze w kierunku południowo wschodnim. Na podstawie pomiarów przyspieszeń drgań na jednym i tym samym stanowisku odnoszących się do wstrząsów o tej samej wartości M przy podobnych wartościach Δ można szacować, że efekt kierunkowy emisji drgań jest rzędu ± 30 50%. Reasumując można stwierdzić, że dopiero teraz po kilkudziesięciu latach od wystąpienia w LGOM-ie silnych wstrząsów górniczych uzyskano wiarygodne dane na temat wielkości generowanych nimi przyspieszeń drgań powierzchni oraz na temat zakresu ich zmienności. Trzeba tu zaznaczyć, że bez zaangażowania się samorządów lokalnych w pomiary nie było by tych informacji. Taka skomplikowana natura zmian wartości przyspieszeń drgań uwarunkowana geologicznie stwarza duże trudności zarówno w opracowaniu prognoz spodziewanych przyspieszeń 148

5 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie drgań powodowanych wstrząsami górniczymi jak i w opracowaniu analitycznej metody oceny ich szkodliwości. Wydaje się, że nie da się tego zrobić bez opracowania map rozkładu amplifikacji (prędkości propagacji drgań) obszarów zabudowanych oraz bez opracowania rutynowej metody określania kierunkowości emisji drgań z ogniska każdego silnego wstrząsu. Dużą pomocą przy badaniu amplifikacji i kierunkowości byłyby systematycznie prowadzone obserwacje makrosejsmiczne oparte na gęstej sieci ankieterów. Nie wiadomo jednak czy po opracowaniu tej wiarygodnej analitycznej metody oceny szkodliwości drgań da się ją zastosować dla oceny silnych wstrząsów z lat poprzednich. Niektóre z tych zjawisk charakteryzowały się niższymi częstotliwościami przy wyższych amplitudach przemieszczeniowych. Większość uszkodzeń, które były i są powodem roszczeń została właśnie spowodowana wstrząsami z lat Rozkład wartości parametrów drgań z odległością epicentralną Rozkład wartości parametrów drgań powierzchni wywołanych wstrząsami górniczymi jest uwarunkowany głównie sposobem ich propagacji wymuszonym warunkami geologicznymi. W LGOM-ie występuje jedna zwarta sztywna łagodnie zapadająca poprzecinana uskokami płyta skał cechsztynu (anhydryty i węglany), w której spągu jest prowadzona eksploatacja. Nad i pod tą sprężystą warstwą zalegają skały słabe o miąższościach kilkuset metrowych nie mające zdolności do akumulacji energii sprężystej. Ogniska wstrząsów wywołanych pękaniem i opadaniem odpękniętych partii bloków skalnych z tej warstwy do pustek poeksploatacyjnych występują jedynie w tej warstwie. Ta warstwa jest też jedynym uprzywilejowanym horyzontem propagacji fal sejsmicznych w postaci fal załamanych. Dlatego też maksymalne wartości przyspieszeń drgań w różnych odległościach epicentralnych Δ są reprezentowane przez różne fale. Propagację fal sejsmicznych na obszarze LGOM-u przedstawiono na rysunku 4.1. Można wyróżnić tu trzy strefy: epicentralną A w formie okręgu o promieniu rzędu głębokości ogniska h, przejściową B w formie pierścienia ( obwarzanka ) o promieniach równych h oraz (2 3) h, oraz strefę poza epicentralną C obejmującą pozostały obszar o promieniu większym od (2 3) h. Typowy przykład akcelerogramu ze strefy A przedstawiono na rysunku 4.2. Występują tu jedynie fale proste P i S. Największe przyspieszenie niesie składowa SV. Przyspieszenie fali PV jest 3,5 razy mniejsze, a jej częstotliwość jest mniejsza 1,5 razy. Przyspieszenia składowych PH i SH są jeszcze mniejsze. Natomiast w strefie B występują już dwie fale refrakcyjne P i S oraz fala powierzchniowa L. Największe przyspieszenia drgań niosą składowe SV i LH. Fala P trwająca już nieco dłużej niż w strefie A też charakteryzuje się dużo mniejszymi wartościami przyspieszeń drgań niż fale S i L. Dla odległości epicentralnych Δ > 1 km przyspieszenia drgań fal L są już większe niż przyspieszenia fali S. Częstotliwość drgań fali S jest około dwukrotnie większa niż częstotliwość fali L (rys ). W strefie poza epicentralnej C przyspieszenie drgań fali S zmniejsza się coraz bardziej w miarę wzrostu odległości. Maksymalne przyspieszenia drgań reprezentuje tu już tylko fala L (rys. 4.1., 4.6. i 4.7.). Jak więc widać w warunkach LGOM-u wstrząsy górnicze poza strefą A generują na powierzchni praktycznie tylko dwa różne rodzaje drgań: pionowe SV i poziome LH o dwukrotnie mniejszej częstotliwości. Z tego powodu nie można traktować akcelerogramów jako jedną całość i ograniczać ich interpretację do komputerowego odczytu maksymalnych wartości amplitud w kanałach oraz dominującej częstotliwości. Należy określać maksy- 149

6 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... malne wartości przyspieszeń drgań dla dwóch, a może i trzech fal oraz występujące w drganiach tych fal częstotliwości. Maksymalne wartości winne dotyczyć wartości wektora wypadkowego (złożonego) określanego ze składowych występujących w tym samym momencie czasowym. Rys.4.1. Schemat propagacji fal sejsmicznych w warunkach LGOM-u Fig The scheme of seismic waves propagation in LGOM conditions Prawidłowo określone wzory nie mogą być wyprowadzane z maksymalnych wartości przyspieszeń drgań różnych fal. Jak widać na rysunkach 4.1. i 4.3 4,7 w warunkach LGOM-u wzory empiryczne w formie hiperbolicznej mogą dotyczyć tylko fali L i tylko dla Δ > 2 km. Znając rozkład wartości parametrów drgań powierzchni z odległością można rozpatrywać ich oddziaływanie na zabudowę i infrastrukturę w poszczególnych strefach. W strefie A pionowe przyspieszenia drgań są jako takie mało szkodliwe dla budynków z natury odpornych na drgania pionowe. Jednak dla wstrząsów o M > 3,0 drgania pionowe mogą już być na tyle duże, że mogą powodować uszkodzenia stropów i dachów. A wstrząsy bardzo silne o M > 3,5 również ścian i fundamentów budynków. Natomiast nawet i słabsze drgania pionowe są szczególnie szkodliwe dla dachów o dużej rozpiętości (hale magazynowe itp.). Trzeba tu też dodać, że w strefie A występuje jeszcze inne oddziaływanie będące skutkiem ubocznym wstrząsów. Wielopłaszczyznowe pękanie blokowe warstw cechsztyńskich generujące wstrząsy górnicze powoduje opadanie i osuwanie się odspojonych bloków skalnych do pustek poeksploatacyjnych co w przypadku bloków stropowych powoduje wlewanie się słabych skał nadkładu do tych pustek. Na powierzchni objawia się to występowaniem lokalnych szybko wygasających osiadań (Kazimierczyk 1991a i b). Takie 150

7 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie nie zawsze równomierne osiadanie powierzchni występujące często w strefie A, powoduje niekiedy nieoczekiwane gwałtowne pękanie posadzek na parterze budynku mimo niewystępowania w tym czasie wstrząsu. Zjawiska takie wystąpiły między innymi w Polkowicach w budynkach przy ul. Zachodniej 10 i Rynek 17. Takie nierównomierne osiadanie i silne drgania pionowe występujące w strefie A są natomiast bardzo szkodliwe dla sieci wodno kanalizacyjnej i gazowej. Rys Przykład akcelerogramu ze strefy A; a przyspieszenie drgań, V prędkość drgań, f częstotliwość drgań; P fala podłużna, S fala poprzeczna, L fala powierzchniowa Fig.4.2. The example of accelerogram from A zone; a vibrationac celeration, V velocity vibration, f vibration frequency; P longitudional wave, S transferse wave, L surface wave W części strefy B przylegającej do strefy A występują już dwa kolejne udary dynamiczne pionowy i poziomy. Ten ostatni może już powodować uszkodzenia elementów konstrukcyjnych budynków podobnie jak i w strefie C, gdzie wpływ udaru pionowego zanika. Należy zauważyć, że szkodliwość udaru pionowego dla słabszych zjawisk o M < 3,4 jest niewielka z uwagi na dużą częstotliwość drgań przekraczającą 10 Hz (rys ). Natomiast zjawiska silne i bardzo silne o M > 3,4 będą miały niższe częstotliwości nie przewyższające 10 Hz ich szkodliwość w strefie B będzie niejako zdwojona ze względu na i większą amplitudę i mniejszą częstotliwość. Należy tu dodać, że jak widać z akcelerogramów i sejsmogramów częstotliwość drgań składowej pionowej jest zawsze nieco większa niż drgań składowej poziomej co świadczy o występowaniu drgań skręcających. W strefie C zagrożenie mogą stanowić już tylko silne i bardzo silne wstrząsy o M > 3,5. Charakteryzują się one niskimi częstotliwościami drgań praktycznie odnoszącymi się do składowej LH. 151

8 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... Rys Przykład akcelerogramu z początkowej części strefy B. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig The example of accelerogram from the initial part of the B zone. Explanations as for drawing 4.2. Rys Przykład akcelerogramu ze środkowej części strefy B. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig The example of accelerogram from the middle part of the B zone. Explanations as for drawing

9 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Przykład akcelerogramu z końcowej części strefy B. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig The example of accelerogram from the final part of the B zone. Explanations as for drawing 4.2. Rys Przykład akcelerogramu z początkowej części strefy C. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig. 4.6 The example of accelerogram from the initial part of the C zone. Explanations as for drawing

10 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... ax Rys Przykład akcelerogramu ze środkowej części strefy C. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig The example of accelerogram from the middle part of the C zone. Explanations as for drawing Drgania w budynkach spostrzeżenia i uwagi W trakcie analizy obserwacji makrosejsmicznych czyli werbalnych opisów przejawów odczuć i oddziaływania drgań w mieszkaniach ujętych w formie ankietowej spotykano się z zaskakującymi sytuacjami, gdy w jednym budynku oddziaływania były silne odpowiadające intensywności V 0 /VI 0 skali MSK-64, a w drugim odległym o m. oddziaływania drgań odpowiadały III 0 /IV 0. Przy czym zdarzały się sytuacje, że słabsze drgania występowały w budynku bliższym ogniska niż w dalszym. Tłumaczono to kierunkowością emisji drgań ze źródła i różnicami amplifikacji (Kazimierczyk 2000). Z kolei analizując obserwacje makrosejsmiczne z budynków wiejskich, obok których były zainstalowane na gruncie akcelerometry samorządowe stwierdzono niejednokrotnie, że drgania wywołane tym samym wstrząsem rejestrowane przez dwa akcelerometry miały przy podobnych odległościach epicentralnych zbliżone wartości przyspieszeń. Natomiast odczuwane intensywności drgań były nieporównywalne. W jednym budynku była to intensywność rzędu IV 0 /V 0 skali MSK-64, a w drugim budynku nie odczuto tego wstrząsu (III 0?). Te spostrzeżenia wskazywały, że budynek też ma wpływ na odczucia intensywności drgań. Zobligowało to do zainteresowania się zagadnieniem przechodzenia drgań z gruntu do budynków i propagacji drgań w samych budynkach. W tym celu przeanalizowano wszystkie dostępne akcelerogramy i sejsmogramy zarejestrowane w budynkach oraz literaturę dotyczącą tego problemu. Występowanie dwa razy mniejszej amplitudy przyspieszeniowej drgań na posadzce piwnicy budynku niż na gruncie obok budynku zaobserwowano już w trakcie pierwszych pomiarów drgań powierzchni w LGOM-ie w 1989 r. (Maciąg 1997). Ta redukcja 154

11 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie amplitudy miała być coraz większa w miarę wzrostu częstotliwości (Maciąg, Tatara 1999; Dubiński, Mutke 2001). Analizując przykłady przedstawione przez w/w autorów widać, że ta redukcja nie zawsze jest tak oczywista. Np. prezentowany wykres zależności współczynnika redukcji od częstotliwości określony dla budynku dwunastokondygnacyjnego pokazuje, że dla f - 6 i 7 Hz redukcja nie występuje (wsp = 1) mimo, że amplitudy o częstotliwościach tak większych jak i mniejszych były zredukowane (wsp < 1) (Maciąg, Tatara 1999). Co prawda nie dotyczy to wstrząsów górniczych, ale odstrzałów MW w kamieniołomach, ale ten brak redukcji dla określonej częstotliwości był zastanawiający. Tendencję do wzmocnienia drgań w sąsiedztwie częstotliwości bliskich częstotliwości drgań własnych budynku zaobserwowano już znacznie wcześniej (Lasocki i inni 1996). W LGOM-ie zaobserwowano też przypadek katastrofy budo-wlanej będącej skutkiem rezonansu (Kazimierczyk 2000). Zaobserwowano również rezonansowy charakter intensyfikacji procesu destrukcji przez stosunkowo słabe wstrząsy. W niektórych budynkach o przerwanej ciągłości struktury ścian praktycznie niezauważalnymi pęknięciami, niektóre słabe wstrząsy powodowały poszerzanie tych pęknięć mimo, że wcześniejsze nawet nieco silniejsze zjawiska nie powodowały tych zmian. Można to tłumaczyć zbieżnością okresu drgań własnych budynku lub jego odpęknietej części z okresem drgań wstrząsu (Kazimierczyk 1998, 2000). Jak więc widać przechodzenie drgań z gruntu do budynków warunkują dwa przeciwstawne procesy fizyczne. Pierwszym z nich jest redukcja (osłabianie) amplitud drgań będąca skutkiem przejścia drgań z ośrodka gorzej przewodzącego do ośrodka lepiej przewodzącego (odwrotność amplifikacji). Drugim procesem jest rezonansowe wzmocnienie amplitud drgań zarejestrowanych w budynku w stosunku do amplitud drgań zmierzonych na gruncie Na rysunku 5.1. przedstawiono taki przykład akcelerogramów silnego wstrząsu o M 3,4 zarejestrowanego na gruncie i na fundamencie budynku trzykondygnacyjnego. Widać z niego wyraźnie, że o ile dla fali S o f 22,1 Hz redukcja składowej poziomej a H jest rzędu trzech razy redukcja składowej pionowej a z jest mniejsza (1,3 razy). Natomiast dla fali L o f 3,8 Hz sytuacja jest odwrotna. Składowa a z zostaje nieznacznie wzmocniona (1,15 razy) a składowa a H zostaje wzmocniona prawie dwukrotnie(1,6 razy). Takie niespodziewane wzmocnienie drgań występuje również pomiędzy fundamentem, a jego najwyższą kondygnacją i dotyczy to nie tylko silnych wstrząsów. Na rysunku 5.2. i 5.3. przedstawiono sejsmogramy składowych poziomych NS i EW słabych wstrząsów o M 3,0 i 2,9 zarejestrowane na gruncie i na 11 kondygnacji budynku. Dla wstrząsu o Δ 7,5 km prędkość drgań fazy L o f 4,9 Hz zostały na fundamencie nieznacznie wzmocniona 1,16 razy, a na 11 kondygnacji aż 5,36 razy (budynek się rozkołysał). Na uwagę zasługuje tu fakt przemiany częstotliwości 4,9 Hz występującej na gruncie na f ~ 2 Hz (rys. 5.2.). W przypadku wstrząsu o Δ 3,4 km mimo niższej częstotliwości fali L rzędu 2,2 Hz amplituda prędkości drgań została na fundamencie zmniejszona około 2 razy (1,951 razy), ale na 11 kondygnacji była wzmocniona w stosunku do amplitudy w gruncie, aż 6,25 razy przy podobnej częstotliwości 2,1 Hz (rys. 5.3). Można przypuszczać, że budynki lub ich poszczególne kondygnacje czy może nawet pomieszczenia mają charakter pudeł rezonansowych powodujących nieoczekiwany wzrost amplitudy drgań. Rezonansowy charakter amplifikacji drgań w budynkach doskonale tłumaczy dlaczego małe budynki są mniej odporne na destrukcyjne oddziaływanie drgań niż budynki duże, dlaczego pęknięcia wywołane drganiami są intensywniejsze na najwyższych kondygnacjach wysokich budynków i przy ich fundamentach i dlaczego niektóre słabe wstrząsy wywołują większą destrukcję już spękanego budynku niż niektóre silniejsze. 155

12 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... Rys Zestawienie akcelerogramów wstrząsu zarejestrowanych na gruncie przed budynkiem i na fundamencie budynku trzykondygnacyjnego. Objaśnienia jak na rysunku 4.2. Fig Setting-up of shock accelerograms registered on the ground in front of the building and on the foundation of a three-storey building. Explanations as for drawing

13 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys Zestawienie sejsmogramów składowych poziomych wstrząsu dalekiego zarejestrowanych na gruncie przed budynkiem i na najwyższej 11 kondygnacji budynku Fig Setting-up of horizontal component seismograms registered on the ground in front of the building and on the highest 11 th storey of the building for far shock Występowanie tłumienia i amplifikacji drgań przy przechodzeniu ich z gruntu do budynków i w samych budynkach wskazuje, że przy opracowywaniu analitycznych metod oceny szkodliwego oddziaływania drgań generowanych wstrząsami górniczymi na zabudowę trzeba uwzględnić nie tylko amplifikację i kierunkowość, ale jeszcze stosunek częstotliwości występujących drgań do częstotliwości drgań własnych budynku. Dlatego też trudno uznać za miarodajne wartości przyspieszeń drgań mierzone w budynkach. Być może tak duży rozrzut pomierzonych wartości przyspieszeń drgań na tych samych odległościach (Kazimierczyk 2001) wynikają 157

14 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... ze wspólnego rozpatrywania wartości pomierzonych tak na gruncie (akcelerometry samorządowe ) jak i w budynkach (akcelerometry KGHM). Rys Zestawienie sejsmogramów składowych poziomych wstrząsu bliskiego zarejestrowanych na gruncie przed budynkiem i na najwyższej 11 kondygnacji budynku Fig Setting-up of horizontal component seismograms registered on the ground in front of the building and on the highest 11 th storey of the building for near shock 6. Ocena stosowalności skali MSK 64 Skala MSK 64 jest skalą empiryczną opracowaną na podstawie porównania niszczących skutków drgań na zabudowę z ich pomierzonymi lub wiarygodnie oszacowanymi parametrami. Poszczególnym stopniom intensywności przyporządkowano określone wartości prędkości lub przyspieszeń drgań (rys. 6.1.). Obejmuje ona szeroki zakres parametrów drgań generowanych zarówno słabymi jak i silnymi zjawiskami nawet o charakterze katastrofalnym. W warunkach LGOM-u zastosowanie mają stopnie IV 0 VIII 0. Uzupełnieniem skali jest werbalny opis 158

15 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie oddziaływania i skutków drgań odczuty i obserwowany przez człowieka: wpływ na niego samego, na jego otoczenie (budynek) i na naturę. Korelacja tego werbalnego opisu ze stopniami intensywności określanymi mierzonymi parametrami drgań budzi wiele słusznych zastrzeżeń (Drzęźla i in. 2001). Jest to zupełnie zrozumiałe, gdyż większość informacji makrosejsmicznych pochodzi od obserwatorów znajdujących się w budynkach. Skala MSK 64 składa się niejako z dwu części prędkościowej odnoszącej się do drgań o zakresie częstotliwości 0,4 2 Hz i przyspieszeniowej obejmującej zakres 2 10 Hz (rys. 6.1.). Należy tu zaznaczyć, że wartości prędkości lub przyspieszenia odnoszą się do maksymalnej wartości wektora całkowitego (złożonego) pomierzonego na gruncie, a nie w budynku. Rys Zależność poszczególnych stopni intensywności drgań według skali MSK 64 od wielkości amplitudy przemieszczeniowej i częstotliwości (okresu) drgań Fig The relationship of the individual vibration intensity degrees due to MSK 64 scale from the quantity of displacement and frequency (period) vibration amplitude 159

16 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... Jak widać z przedstawionych wcześniej przykładów w LGOM-ie zjawiskami szkodliwymi praktycznie mogą być jedynie wstrząsy górnicze o M > 2,8. Takie zjawiska charakteryzują się częstotliwościami 10 Hz. Jedynie niektóre silniejsze zjawiska o M > 3,6 i to z lat mogą się charakteryzować częstotliwościami mniejszymi od 2 Hz (Kazimierczyk 2000). Dlatego też nie ma potrzeby opracowywania nowej skali dla zjawisk o f > 10 Hz jak to się proponuje (Dubiński, Mutke 2001). Rys Fotografia szczeliny (pęknięcia) ściany nośnej wywołanej wstrząsem przedstawionym na rysunku 4.4. (według obserwacji dokonanej przez autora) Fig A photograph of a gap (crack) of the main wall generated by the shock shown on drawing 4.4. (observation by author) Ponieważ akcelerometry zakupione i obsługiwane przez samorządy lokalne (gminy) są zainstalowane na gruncie w pobliżu budynków mieszkalnych istniała możliwość korelowania wyników pomiarów z obserwacjami makrosejsmicznymi i z ewentualnymi uszkodzeniami. W przypadku budynków typu B (takimi są w większości budynki wiejskie i budynki w Lubinie) nienaruszonych wcześniejszymi wstrząsami. Już drgania o przyspieszeniu a rzędu mm/s 2 (V 0 /VI 0 ) wywołują powstanie drobnych włoskowatych pęknięć widocznych na tynkach szczególnie w otoczeniu otworów okiennych, drzwiowych, nadprożach, a także i na łączeniach płyt. Wyraźne pęknięcia na całą głębokość ścian nośnych w nie spękanych wcześniej budynkach typu B występują dopiero przy przyspieszeniach drgań rzędu mm/s 2 (VI 0 ). Charakterystycznym przykładem może tu być pęknięcie solidnej poniemieckiej ceglanej ściany nośnej wiejskiego budynku mieszkalnego typu B spowodowany drganiami przedstawionymi na rysunku 4.4. o a = 387,3 mm/s 2 (rys. 6.2.). Natomiast w przypadku, gdy budynki są już spękane w wyniku wcześniejszego oddziaływania silnych wstrząsów lub osiadań to nawet słabe zjawiska o a rzędu mm/s 2 powodują powstanie wyraźnych szczelin. Zastąpienie przyspieszeniowej części skali MSK 64 skalą prędkościową w postaci przyjęcia granicznej wartości prędkości drgań 12 mm/s jako nie powodującej uszkodzeń (Dubiński, Mutke 2001) jest nie uzasadnione. W LGOM-ie co już potwierdzono wcześniej za taką wartość graniczną dla częstotliwości drgań 2 10 Hz należy uznać drgania o przyspieszeniu rzędu 200 mm/s 2 (V 0 ). Przyjęcie za tą wartość graniczną prędkości 12 mm/s powodowałoby to, że nawet przyspieszenia a > 500 mm/s 2 (VII 0 ) byłyby traktowane jako nie powodujące uszkodzenia (rys. 6.1.). Reasumując można stwierdzić, że w LGOM-ie uszkodzenia powodowane drganiami przypisane poszczególnym stopniom skali MSK 64 są zgodne z wartościami przyspieszeń drgań pomierzonych na gruncie wyznaczającymi te stopnie. Natomiast werbalny opis odczuć 160

17 WARSZTATY z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie i oddziaływań drgań obserwowanych w budynkach ze względu na tłumienie lub rezonans nie zawsze jest zgodny z parametrami drgań gruntu. 7. Zakończenie Jak widać z przedstawionego materiału w LGOM-ie na wartości parametrów drgań występujących w budynkach mają wpływ następujące czynniki: wielkość wstrząsu górniczego (jego magnituda, energia lub moment sejsmiczny), odległość epicentralna (strefa A, B lub C), kierunkowość emisji drgań z ogniska, amplifikacja drgań w miejscu posadowienia budynku, stosunek częstotliwości drgań własnych budynku do częstotliwości drgań występujących na gruncie. O ile parametry opisujące dwa pierwsze czynniki są określane z wystarczającą dokładnością, to nie są znane żadne dane na temat parametrów pozostałych trzech czynników. W tej sytuacji na obszarze LGOM-u nie ma żadnej wiarygodnej metody analitycznej pozwalającej oceniać rzeczywiste parametry drgań gruntu i budynków poza stanowiskami pomiarowymi. Opracowanie takiej metody wymaga zebrania odpowiedniej ilości pomierzonych parametrów wstrząsów na gruncie obok budynków, a nie wewnątrz budynków. Te pomiary powinny być uzupełniane obserwacjami makrosejsmicznymi, informacjami o kierunkowości emisji silnych wstrząsów oraz danymi o amplifikacji drgań. Dopiero takie dane będą mogły być podstawą opracowania wiarygodnej analitycznej metody oceny szkodliwości drgań. W LGOM-ie szkodliwe oddziaływanie drgań na budynki ma charakter kumulacyjny i narasta przez wiele lat. Roszczenia występują dopiero wtedy, gdy szkody przekroczą pewien poziom krytyczny po którym następuje wyraźne przyspieszenie degradacji budynku. Dlatego też ostatni bardzo silny wstrząs o M 4,1 z słabszy od zjawisk z lat 1977 i 1987 (M 4,5 i 4,3) wywołał w przeciwieństwie do nich wiele szkód i roszczeń w promieniu kilkunastu km. Pozostaje więc pytanie jak można obecnie oceniać zasadność tych roszczeń faktycznie spowodowanych zjawiskami z lat ? Na to pytanie nie ma obecnie żadnej dobrej odpowiedzi. Autor poczuwa się do obowiązku podziękować Urzędowi Gminy Polkowice, Urzędowi Miejskiemu w Lubinie, Urzędowi Gminy Grębocice, Urzędowi Gminy Jerzmanowa, Urzędowi Gminy Lubin, Urzędowi Gminy Rudna i Dyrekcji Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji w Lubinie za umożliwienie wglądu w akcelerogramy oraz w obserwacje makrosejsmiczne, a także za udostępnienie wybranych zapisów drgań. Poza tym składam podziękowania tym wszystkim nie wymienionym, których bezinteresowna pomoc i życzliwość umożliwiła mi wieloletnie prowadzenie badań. Literatura [1] Banaś B., Mrozek K., Ochmański M. 1978: Pomiary sejsmologiczne prowadzone w kopalniach LGOM oraz omówienie największego zarejestrowanego dotychczas wstrząsu Pr. Nauk. Inst. Geot. Pol. Wr. Konf. Nr [2] Drzęźla B., Dubiński J., Mutke G. 2001: Skale makrosejsmiczne ich istota i zasady stosowania do oceny skutków wstrząsów górniczych. Mat. Konf. VI Dni Miern. Górnin. i Ochr. Ter. Górn. Wyd. Pol. Gliw., Gliwice, [3] Dubiński J., Mutke G. 1999: Prognozowanie drgań powierzchni od wstrząsów spowodowanych działalnością górniczą. Pr. Nauk. GIG-u Nr 30,

18 M. KAZIMIERCZYK Parametry drgań powierzchni generowanych wstrząsami górniczymi... [4] Dubiński J., Mutke G. 2001: Reakcje budynków na wstrząsy górnicze z wysokoczęstotliwościową modą drgań gruntu. Mat. Symp. Warsztaty Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [5] Gibowicz S. J., Bober A., Cichowicz A., Droste Z., Dychtowicz Z., Hordejuk J., Kazimierczyk M., Kijko A. 1980: Lubiński wstrząs z 24 marca 1977 r. Procesy w ognisku, aspekty tektoniczne i górnicze. Publ. Inst. Geoph. Pol. AC Sc. M 3 (1344), [6] Jankowska W. 1971: Próba określenia powtarzalności rejestrowanych wstrząsów w rejonie Kopalni Lubin. Publ. Inst. Geoph. Pol. Ac. Sc. (Materiały i Prace) 47, [7] Kazimierczyk M., Kowalska R. 1985: Katalog silnych wstrząsów górniczych w rejonie LGOM zarejestrowanych przez stację sejsmologiczną w Książu w latach Publ. Inst. Geoph. Pol. Ac. Sc. M 6 (176), [8] Kazimierczyk M. 1991a: Charakter największych pęknięć skał stropowych w kop. LGOM. Cz. I Rudy, Metale Nr 2, [9] Kazimierczyk M. 1991b: Charakter największych pęknięć skał stropowych w kop. LGOM. Cz. II Rudy, Metale Nr 3, [10] Kazimierczyki M. 1998: Problematyka oceny szkodliwości drgań wywołanych wstrząsami górniczymi w rejonie Lubina Rudy, Metale Nr 1, 3 9. [11] Kazimierczyk M. 2000: Wybrane aspekty oddziaływań wstrząsów górniczych na powierzchnię na obszarze LGOM. Mat. Symp. Warsztaty Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [12] Kazimierczyk M. 2001: Maksymalne przyspieszenia drgań powierzchni na obszarze LGOM. Mat. Symp. Warsztaty Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [13] Kowalska R. 1988: Katalog silnych wstrząsów górniczych z rejonu LGOM zarejestrowanych przez Stację sejsmologiczną w Książu w latach Publ. Inst. Geoph. Pol. Ac. Sc. M 10 (213) [14] Kurzydło H. 1997: Zagadnienia techniczno eksploatacyjne zasobów mieszkaniowych poddanych wpływom eksploatacji górniczej. Probl. bud. mieszk. na ter. eksp. górn. w LGOM cz. II. TPN Legnica [15] Kwiatek J., Popiołek E., Dubiński J., Muszyński L., Ostrowski J., Zawora J. 1991: Studium w zakresie wpływu wstrząsów górotworu i deformacji podłoża górniczego na budynki zlokalizowane w Lubinie na os. Polnym i Ustronie I. Praca wykonana na zlecenia KGHM. Maszynopis. Niepublikowane. [16] Lasocki S., Matuszyk J., Szybiński M. 1996: Nowe możliwości prognozowania wpływów dynamicznych z wielopunktowych pomiarów sejsmometrycznych. Zesz. Nauk. AGH t. 22, z [17] Lewicki B. 1977: Trzęsienie ziemi w Bukareszcie spostrzeżenia i refleksje konstruktora. Inż. Bud. Nr 7, [18] Maciąg E. 1997: Oddziaływanie drgań podłoża na obiekty budowlane. Probl. Bud. Mieszk. Na Ter. Eksp. Górn. w LGOM-ie, TPN Legnica cz. II, [19] Maciąg E., Tatara T. 1999: Oddziaływanie wstrząsów górniczych na budynki i sposoby oceny tych oddziaływań. Pr. Nauk Bud. GIG-u Konf. Nr 30, [20] Maciąg E. 2000: Ocena wpływów wstrząsów górniczych na budynki. Mat. Symp. Warsztaty Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, Parameters of surface vibrations generated by mine shocks in copper region of Legnica-Głogów There has been presented the nature of amplitude changes and surface vibration periods generated by mine shocks with a distance. The attention has been paid to the fact that the ratio of building own vibration frequencies to appearing surface vibration frequencies influences the value of parameters occurring within the buildings. 162 Przekazano: 20 lutego 2002