Niektóre aspekty oddziaływania wstrząsów na powierzchnię obszaru górniczego ZG Rudna

Transkrypt

1 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie Bogdan CIANCIARA Aademia Górniczo-Hutnicza, Kraów Jerzy WRÓBEL, Marian SZŁAPKA, Zbigniew SAMOKAR, Eugeniusz KOZIARZ KGHM Polsa Miedź S.A. ZG Rudna, Polowice Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Nietóre aspety oddziaływania wstrząsów na powierzchnię obszaru górniczego ZG Rudna Streszczenie W referacie przedstawiono wstępne wynii badań oddziaływania wstrząsów na powierzchnię obszaru górniczego ZG Rudna. Stwierdzono, że masymalne amplitudy rejestrowanych przyspieszeń drgań osiągają wysoie wartości rzędu 1000 mm/s 2. Jednocześnie obserwuje się, iż drgania te nie powodują trwałych uszodzeń budynów, chociaż zgodnie z normami uszodzenia taie powinny mieć miejsce. W związu z tym podjęto próby wyjaśnienia tej niezgodności, przyjmując że omawiane oddziaływania mają struturę stochastyczną. Odnosi się to szczególnie do wartości masymalnych amplitud przyspieszenia drgań. W związu z tym zaproponowano sposoby oceny parametrów dynamicznych drgań wyorzystujące algorytmy statystyczne. 1. Wstęp Jednym z podstawowych zagrożeń związanych z esploatacją górniczą jest gwałtowne wyzwalanie się energii z górotworu. Część tej energii, rozchodząc się w górotworze w postaci fal sprężystych powoduje drgania masywu salnego. Jest to zagrożenie dla wyrobis górniczych w podziemnej części opalni oraz dla obietów na powierzchni. W pierwszym przypadu drgania mogą być przyczyną tąpnięcia w wyrobisu górniczym, a w drugim mogą powodować uszodzenia obietów na powierzchni. Zagrożeniem dla obietów na powierzchni są głównie drgania wywołane wstrząsami wysooenergetycznymi, tórych przyczyną jest osiadanie w formie nieontrolowanego przemieszczania się bloów salnych nad wybranym złożem. Dlatego prowadzenie esploatacji pod terenami o wysoim stopniu zurbanizowania i uprzemysłowienia może powodować szody w obietach znajdujących się na powierzchni obszarów górniczych. Aby oceniać fatyczny stopień szodliwości wstrząsów, podjęto systematyczne badanie ich oddziaływania na powierzchnię. Począwszy od 1999 r. na obszarze górniczym ZG Rudna zainstalowano sieć stanowis pomiarowych, na tórych rejestrowane są w sposób ciągły przyspieszenia drgań. Loalizację tych stanowis na tle mapy obszaru górniczego przedstawiono na rysunu 3.1. Niezależnie od tego, po ażdym silnym wstrząsie, prowadzona jest systematyczna inwentaryzacja uszodzeń w wytypowanych budynach, tórych loalizacja znajduje się najbliżej przewidywanych stref epicentralnych wstrząsów. Sejsmiczność induowana esploatacją w ZG Rudna charateryzuje się stosunowo dużą 227

2 B. CIANCIARA, J. WRÓBEL, M. SZŁAPKA, Z. SAMOKAR, E. KOZIARZ - Nietóre aspety... atywnością w wysoich zaresach energetycznych. Pod oniec ubiegłego rou wystąpiło ila wstrząsów, tórych energie przeraczały poziom 1E8 J. Rejestrowane masymalne amplitudy przyspieszenia drgań wywołanych tymi wstrząsami w strefach epicentralnych osiągały wysoie wartości powyżej 1000 mm/s 2. Wartości masymalnych amplitud a max wyznaczane są na podstawie rejestrowanych zapisów jao zero-pi. Ja wyazano w tracie inwentaryzacji nawet ta duże wartości przyspieszeń oazały się nieszodliwe dla onstrucji budynów, tylo w nielicznych przypadach obserwowano drobne pęnięcia i zarysowania tynów. Jedna według obowiązujących norm przyspieszenia taie powinny powodować istotne uszodzenia budynów. Niezgodność tą można wyjaśnić przyjmując, że oddziaływania wstrząsów mają struturę stochastyczną oraz czasy trwania tych oddziaływań o odpowiednio wysoich wartościach amplitud są stosunowo rótie i nie przeraczają ułamów seund. Należy podreślić, że obecnie nie dysponujemy jeszcze materiałem pomiarowym o odpowiedniej liczebności zjawis, tóry umożliwiłby wyciągniecie w pełni wiarogodnych wniosów. Dlatego w tej pracy przedstawiono jedynie wstępną oncepcję rozwiązania problematyi związanej z właściwą oceną parametrów dynamicznych drgań, tóre są wyorzystywane do wyznaczania stopnia szodliwości wstrząsów. 2. Charaterystya warunów geologicznych rejonu ZG Rudna Obszar górniczy opalni Rudna położony jest w środowej części Monoliny Przedsudeciej. Złoże rud miedzi typu osadowego występuje na ontacie piasowców czerwonego spągowca i serii dolomitowo-wapiennych cechsztynu i zalega na głęboości od 900 m przy SW do 1200 m przy NE granicy obszaru górniczego. Wewnętrzna budowa złoża jest zróżnicowana, obejmuje trzy typy litologiczne sał oruszcowanych siarczami miedzi. Są to (zgodnie z olejnością występowania w profilu litostratygraficznym): piasowce, łupi i dolomity. Poszczególne odmiany litologiczne nie zachowują ciągłości w całym obszarze złoża, są miejsca gdzie oruszcowanie zania i horyzont ruszconośny jest płonny. Jest to złoże jednopoładowe zapadające pod ątem 6-7 o na NE o zróżnicowanej miąższości od iludziesięciu centymetrów do ilunastu metrów. W spągu złoża występują drobnoziarniste piasowce o spoiwie ilasto-węglanowym, charateryzujące się nisą wytrzymałością na ścisanie, średnio MPa. Ich wytrzymałość wzrasta idąc w górę profilu, przy ontacie ze sałami węglanowymi. Piasowce od nadległych dolomitów oddziela paiet łupów węglanowych o miąższości od ilunastu do iludziesięciu centymetrów, o porównywalnie nisich ja piasowce parametrach wytrzymałościowych. Łupi nie zawsze występują, regułą jest ich bra w partiach złoża gdzie spoiwo ilasto-węglanowe piasowców zostało zastąpione anhydrytowym. W stropie nad złożem występuje sztywny omples warstw dolomitowo-anhydrytowych o dużej miąższości do o. 270 m, dla porównania w sąsiednich opalniach miąższość ta wynosi: w ZG Lubin o. 190 m, w ZG Polowice o. 200 m i w ZG Sieroszowice o. 90 m. Dolomity występujące w stropie złoża są zróżnicowane litologicznie, w jedenastu czynnych atualnie oddziałach wydobywczych dominuje szaro-beżowy dolomit wapnisty, zwięzły o wyraźnej podzielności płytowej i grubości warstw 0,1 0,6 m. W jego obrębie spotya się przewarstwienia ilaste i władi piasowca o spoiwie anhydrytowym. Sały te charateryzują się dużą wytrzymałością na ścisanie nawet do o. 150 MPa i wartością W ET do o. 6,0. Rzadziej spotyane odmiany to dolomit smugowany, dolomit graniczny bez wyraźnej podzielności płytowej, oraz czarny dolomit ilasty o podzielności płytowej z charaterystycznym 228

3 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie przełamem muszlowym. Parametry wytrzymałościowe tych sał są nieco niższe, ich R C wynosi odpowiednio o. 90 MPa (smugowany), o. 110 MPa (graniczny) i o. 120 MPa (ilasty). Również wartości wsaźnia W ET są niższe i wynoszą odpowiednio o. 3,5; 3,7 i 5,2. Miąższość dolomitów w poszczególnych oddziałach jest zróżnicowana i wynosi od o. 20 m do o. 70 m. Nad warstwami cechsztynu zalega pstry piasowiec, tórego miąższość w rejonie obszaru miasta Polowice wynosi od o. 250 m do 300 m. Znajdujące się nad pstrym piasowcem warstwy trzeciorzędowe mają grubość od 350 m do 400 m. Warstwy czwartorzędowe stanowią grubość od o. 30 m do 80 m. Złoże posiada zróżnicowaną tetonię, systemy spęań i usoów są zgodne z dwoma dominującymi ierunami sudecimi. Wyróżnić można dwa systemy usoowe utworzone przez strutury bloowe typu zrębów, schodów i rowów tetonicznych o zrzutach do iludziesięciu metrów: system Biedrzychowa o azymucie 250 o i system Rudnej Głównej o azymucie 300 o. 3. Opis sieci pomiarowej i sposobów rejestracji drgań Kopalnia ZG Rudna prowadzi esploatację rudy miedzi w bardzo zróżnicowanym pod względem zurbanizowania obszarze górniczym. Najbardziej zurbanizowanym terenem, pod tórym prowadzona jest esploatacja górnicza, jest miasto Polowice. Ocena intensywności drgań, a co za tym idzie oddziaływanie wstrząsów na znajdujące się na powierzchni obiety jest powiązana z parametrem, tórym jest przyśpieszenie lub prędość drgań gruntu lub budowli. Aby ocenić rzeczywisty wpływ wstrząsów na obiety na powierzchni, w ZG Rudna od 1988 r. prowadzi się pomiary parametrów drgań obietów budowlanych oraz od 1999 r. pomiary parametrów drgań powierzchni. Baza pomiarowa oparta jest na dwóch systemach rejestrujących drgania: a) System sejsmiczny ELOGOR-C, za pomocą tórego prowadzone są rejestracje parametrów drgań budowli (wielopiętrowe budyni mieszalne) wywołane wstrząsami sejsmicznymi związanymi z robotami górniczymi. W mieście Polowice umieszczono 4 stacjonarne stanowisa sejsmiczne: - 3 stanowisa dwusładowe o orientacji poziomej, usytuowane w budynu mieszalnym (12-ondygnacyjny) przy ul. Miedzianej 8, mierzące drgania wzdłuż dłuższych (YY) i rótszych (XX) rawędzi budynu. Stanowisa te zabudowane są w piwnicy (fundament), na III piętrze oraz na XI piętrze. Usytuowanie budynu jest zbieżne z ierunami geograficznymi: (YY)-EW, (XX)-NS. Na powyższych stanowisach mierzy się wielość przyspieszeń. Czujniami są acelerometry firmy Sensonics typu SP stanowiso dwusładowe o orientacji poziomej, usytuowane w budynu mieszalnym 5-ondygnacyjnym przy ul. 3-go Maja 7, mierzące drgania wzdłuż dłuższych (YY) i rótszych (XX) rawędzi budynu. Stanowiso to zabudowane jest w piwnicy (fundament budynu), a sytuowanie sładowych jest zbieżne z ierunami geograficznymi: (XX)-EW, (YY)-NS. Na tym stanowisu doonuje się pomiaru prędości drgań. Czujniami są sejsmometry typu SM3-KW zorientowane poziomo. Transmisja sygnałów sejsmicznych odbywa się siecią teletechniczną (poza siecią telefoniczną) do rejestratora umieszczonego w budynu Kopalnianej Stacji Geofizyi Górniczej ZG Rudna. Rejestrator sejsmiczny ELOGOR-C doonuje cyfrowego 229

4 B. CIANCIARA, J. WRÓBEL, M. SZŁAPKA, Z. SAMOKAR, E. KOZIARZ - Nietóre aspety... przetworzenia sygnałów i zapisuje je na dys w postaci pliu omputerowego. Zapisy cyfrowe przebiegów drgań są poddawane dalszej analizie. b) system pomiarowy oparty o przenośną aparaturę typu WORS, za pomocą tórego prowadzona jest ciągła rejestracja drgań gruntu i budynów w mieście Polowice oraz w miejscowościach na terenie obszaru górniczego RUDNA I i RUDNA II. Wybudowano 13 stanowis pomiarowych, na tórych w zależności od spodziewanych wpływów esploatacji na powierzchnię, rozloowane jest 10 rejestratorów przenośnych, tórych loalizację przedstawiono na rysunu 3.1. Rys. 3.1 Obszar Górniczy ZG Rudna z zaznaczoną loalizacją stanowis pomiarowych Stanowisa pomiarowe zloalizowane są w następujących miejscach: - miasto Polowice, ul. Aacjowa 4 stanowiso 3-sładowe (w gruncie o. 3 m od budynu jednorodzinnego), - miasto Polowice, ul. Sosnowa 14 2 stanowisa 3-sładowe (w gruncie o. 5 m od fundamentu budynu; fundament budynu mieszalnego jednorodzinnego), - miasto Polowice, ul. 3-go Maja 8 2 stanowisa 3-sładowe (w gruncie o. 8 m od fundamentu budynu; fundament budynu mieszalnego 5-ondygnacyjnego), - miasto Polowice, ul. Miedziana 9 stanowiso 3-sładowe (w gruncie o. 8 m od fundamentu budynu 12-ondygnacyjnego), - Biedrzychów 10 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), 230

5 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie - Guzice 4 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), - Mosorzyn 5 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), - Pieszowice 13 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), - Tarnówe 5 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), - Żuów 8 stanowiso 3 sładowe (w gruncie), - Trzebcz 31 stanowiso 3 sładowe (w gruncie) - (nieczynne), - Komornii 52 stanowiso 3 sładowe (w gruncie) - (nieczynne), - Grodowiec 24 stanowiso 3 sładowe (w gruncie) - (nieczynne). Na powyższych stanowisach mierzone jest przyspieszenie, a czujniami są będące na wyposażeniu aparatury WORS acelerometry typu JAKE. Na podstawie doświadczeń ustalono, że najbardziej optymalnymi nastawami aparatury pomiarowej są: - częstotliwość próbowania: 500 Hz, - czas rejestracji: max mse., - zares amplitudowy: a max = 1000 mm/se 2. Obszar Górniczy ZG Rudna położony jest w północnej części województwa dolnośląsiego i obejmuje o. 72 m 2 powierzchni. Sieć osadniczą tworzy 12 wsi o różnej wielości, a najwięszym ośrodiem jest miasto Polowice liczące o. 22,4 tys. mieszańców (1997 r.) i zajmujące powierzchnię o. 8,8 m 2. Łącznie obszary zabudowane i przemysłowe zajmują ooło 16,5% powierzchni terenu górniczego. Ze względu na duży obszar, na tórym można spodziewać się oddziaływania wstrząsów na powierzchnię, pomiary wielości przyspieszeń ograniczono do terenu najbardziej zurbanizowanego oraz tam gdzie występuje najwięsza atywność sejsmiczna miasto Polowice i ila wiose. Pomiar przyspieszeń gruntu wyonywany za pomocą systemu WORS ma rótą historię. Cały system pomiarowy oddano do użytu w listopadzie 1999 r. Zebrany do chwili obecnej materiał badawczy nie stanowi jeszcze wystarczającej bazy badawczej. Niemniej zarejestrowane parametry drgań pozwalają na wstępną ocenę wpływu wstrząsów górniczych wywołanych esploatacją na powierzchnię terenu górniczego. 4. Sposób oceny masymalnych amplitud przyspieszenia drgań Od początu ubiegłego rou atywność sejsmologiczna w zaresie energetycznym powyżej 1E6 J ształtowała się na stosunowo wysoim poziomie. Dla przyładu w tabeli 4.1 przedstawiono rozład energetyczny wstrząsów, tóre wystąpiły w oresie od do Ja wynia z pomiarów wartości masymalnych amplitud przyspieszenia drgań pochodzących od najsilniejszych wstrząsów w strefach epicentralnych osiągały wartości przeraczające 1000 mm/s 2. Zgodnie z obowiązującymi salami szodliwości, drgania o ta dużych wartościach przyspieszeń powinny powodować istotne uszodzenia budynów. Jedna w wyniu przeprowadzanej, po ażdym silnym wstrząsie, doładnej inwentaryzacji w wytypowanych budynach uszodzeń taich nie stwierdzano. Należy nadmienić, że wszystie budyni w rejonie obszaru górniczego zostały przystosowane ta aby były odporne na drgania o przyspieszeniach rzędu 250 mm/s 2. W związu z tym podjęto prace mające na celu wyjaśnienie obserwowanej niezgodności. 231

6 B. CIANCIARA, J. WRÓBEL, M. SZŁAPKA, Z. SAMOKAR, E. KOZIARZ - Nietóre aspety... Tabela 4.1 Zestawienie wstrząsów o energii 1,0E6 J zarejestrowanych w oresie od do ROK MIES E6 E7 E8-9 SUMA S E E E E E E8 SUMA E9 Badania prowadzone są w dwóch zasadniczych zaresach: 1 0 w zaresie inżynierii budowlanej badanie odporności onstrucji budynów na drodze modelowania numerycznego, 2 0 w zaresie geofizyi badanie strutury oddziaływania wstrząsów na powierzchnię ziemi. W artyule tym zostaną przedstawione sugestie odnośnie wyjaśnienia obserwowanej niezgodności na podstawie badań w zaresie geofizyi. Podstawowym i powszechnie niewestionowanym założeniem jest to, że oddziaływanie wstrząsów, zarówno w wyrobisach górniczych ja i na powierzchni ziemi ma charater stochastyczny. Wówczas rejestrowane zapisy oddziaływania powinny być tratowane jao realizacje oreślonego procesu stochastycznego. W szczególności sygnały przyspieszenia drgań można z dużym przybliżeniem opisać za pomocą modelu tzw. procesu śrutowego (Frans 1975), a mianowicie: gdzie: x (t) sygnał przyspieszenia drgań, r (t) obwiednia przebiegu elementarnego, x(t) A r(t t )cos[2πc (t t ) ] (4.1) A, f, t oraz wartości losowe reprezentujące parametry poszczególnych sładniów sygnału x (t), czyli: amplitudy, częstotliwości, czasy pierwszych wstąpień oraz fazy. Wówczas, cały zapis sygnału x(t) słada się z szeregu sładniów elementarnych szybo zaniających, czyli o rótich czasach trwania, rzędu ułamów seund. Najprostszy model, tóry dobrze opisuje obwiednie rejestrowanych sygnałów elementarnych można zapisać następująco: gdzie: współczynni tłumienia. 2 t r ( t) e (4.2) Wszystie parametry opisujące sygnał x (t) podlegają oreślonym rozrzutom statystycznym. Własność ta odnosi się również do przestrzennego rozładu parametrów drgań, czyli związana jest z miejscem loalizacji czujniów pomiarowych. W szczególności własności tej podlegają amplitudy A charateryzujące się dużym rozrzutem statystycznym. Masymalną 232

7 WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie amplitudę rejestrowanego sygnału przyspieszenia opisanego zależnością 4.1, (mierzona jao wartość zero-pi), oreśla się jao najwięszą wartość ze zbioru amplitud A, czyli: max a max A (4.3) Wynia stąd, że masymalna amplituda a max jest wartością losową i nie może być bezpośrednio wyorzystana do oceny szodliwości drgań. Konieczne jest wówczas oreślenie odpowiedniego estymatora tego parametru. Można do tego celu wyorzystać wartość oczeiwaną wadratu rejestrowanego sygnału drgań. Estymator omawiany wartości oczeiwanej można opisać następującą zależnością, załadając loalną ergodyczność sygnału x t w onie T, (Cianciara 1999): gdzie : M xˆ s, t w xt (4.4) M 1 M T, - ro próbowania, w wagi eliminujące niestacjonarność przebiegu x t. Dla ustalonej chwili czasu t wyrażenie (4.4) może być uważane jao loalna wartość suteczna sygnału x t. Wówczas wartość masymalnej amplitudy można wyrazić następująco (Cianciara 1999): aˆmax gdzie: ( ) xˆ m - jest wartością masymalną estymatora x ˆ s, t, s ( m) x s max xˆ s, t t ˆ. 2 ( ) ˆ m s x (4.5) Wyznaczone na tej drodze wartości masymalnych amplitud charateryzują się stosunowo dobrą stabilnością przestrzenną i mogą być wyorzystywane do charateryzowania oddziaływań pod względem ich szodliwości. Bardzo istotną cechą estymatora (4.4) jest to, że obniża amplitudy rótooresowych sładowych piowych do średniego poziomu. Pierwsze próby zastosowania przedstawionego wyżej sposobu oceny w przypadu najsilniejszych wstrząsów umożliwiły obniżenie masymalnych amplitud z ooło 1000 mm/s 2 do poziomu poniżej 300 mm/s 2. Mogą nasuwać się wątpliwości, czy oceny masymalnych amplitud uzysiwane na drodze analizy sutecznej nie dają zaniżonych wartości. Dlatego przeprowadzono próby porównania tych wartości z wyniami analizy tercjowej. W obydwu przypadach uzysano zbliżone wartości masymalnych amplitud a nawet w nietórych przypadach oceny uzysane na drodze tercjowej były niższe. 233

8 B. CIANCIARA, J. WRÓBEL, M. SZŁAPKA, Z. SAMOKAR, E. KOZIARZ - Nietóre aspety Podsumowanie W pracy przedstawiono wstępne wynii badań oddziaływania wstrząsów na powierzchnię obszaru górniczego ZG Rudna. Systematyczne pomiary przyspieszenia drgań prowadzone są dopiero od 1999 rou i obecnie nie dysponujemy zbiorami danych o taiej liczebności, tóra umożliwia formułowanie w pełni wiarygodnych wniosów. Z dotychczasowych pomiarów wynia, iż masymalne amplitudy przyspieszeń drgań pochodzących od wstrząsów o wysoich energiach rzędu 1E8[J], w strefach epicentralnych przeraczają wartości 1000 mm/s 2. Zgodnie z obowiązującymi salami szodliwości drgania o ta wysoich amplitudach przyspieszeń powinny powodować istotne uszodzenia budynów. W rzeczywistości drgania te powodują jedynie nieliczne zarysowania oraz pęnięcia tynów. W pracy przedstawiono oncepcję wyjaśnienia tej niezgodności załadając, że oddziaływanie wstrząsów na powierzchnię ziemi ma struturę stochastyczną. W wyniu tego zaproponowano sposób oceny masymalnej amplitudy drgań wyorzystujący wartość suteczną rejestrowanych zapisów. Ja stwierdzono pratycznie uzysiwane oceny masymalnych amplitud są porównywalne z wyniami analizy tercjowej. W efecie wyznaczany stopień szodliwości drgań na podstawie masymalnych amplitud uzysiwanych na drodze analizy wartości sutecznej jest zgodny ze stanem fatycznym obserwowanych uszodzeń budynów. Literatura [1] Cianciara B., 1999: Stochastyczna strutura oddziaływania wstrząsów górniczych na powierzchnię ziemi. Materiały Sympozjum Warsztaty 99, Kraów 1999, [2] Frans L.,1975: Teoria sygnałów, PWN, Warszawa. Some aspects of influence of mining tremors on the earth surface infrastructure in Rudna mining area The first results of the research dealing with influence of mining tremors on the earth surface infrastructure in Rudna mining area is presented in the paper. It is shown, that maximum of acceleration amplitudes for registered vibrations are getting values near to 1000 mm/s 2. However, the destruction of the buildings hasn t been observed. The contradiction can be explained assuming that the influence of tremors on earth surface infrastructure has stochastic character. It is particularity valid for maximal acceleration amplitudes. In result the stochastic algorithms have been proposed, for estimation the dynamic parameters. 234