ANALIZA SKUTKÓW DUśEGO WSTRZĄSU GÓRNICZEGO NA ZABUDOWĘ POWIERZCHNIOWĄ MIASTA POLKOWICE

Transkrypt

1 Dr inŝ. Maciej Yan MINCH, Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej Mgr inŝ. Zbigniew SAMOKAR, KGHM Polska Miedź S.A., Oddział ZG Rudna ANALIZA SKUTKÓW DUśEGO WSTRZĄSU GÓRNICZEGO NA ZABUDOWĘ POWIERZCHNIOWĄ MIASTA POLKOWICE ANALYSIS OF RESULTS OF LARGE MINING IMPACT ON THE SURFACE BUILDINGS OF THE POLKOWICE TOWN Streszczenie W referacie przedstawiono analizę skutków wstrząsu górniczego o energii 1,9E10 9 J na zabudowę powierzchniową miasta. Dokonano analizy parametrów wstrząsu w zakresie energii i amplitud przyśpieszeń drgań podłoŝa gruntowego oraz porównano je z parametrami największych wstrząsów ostatnich lat w ZG Rudna. Omówiono sposoby naprawy uszkodzonych budynków i przedstawiono skalę ilościową i jakościową uszkodzeń w Polkowicach. Abstract The paper presents the analysis of results of the mining impact of energy of about 1, 9E10 9 J on the surface buildings of city. The analysis of parameters of the mining impact in the range of the energy and amplitudes of accelerations of the soil vibrations were done. These parameters were compared with vibrations parameters of greatest shocks of last years in ZG Rudna. The ways of the repair of damaged buildings were described. The scale of quantitative and qualitative damages of buildings in town was analyzed. 1. Wstęp Od ponad dwudziestu lat prowadzona jest eksploatacja górnicza w filarze ochronnym miasta. Istotnym utrudnieniem jest duŝa miąŝszość złoŝa rud miedzi dochodząca do 15 m. Eksploatacja ta prowadzona przy odpowiednich rygorach górniczych, przenosi się jednak na powierzchnię poprzez deformacje ciągłe i wpływy parasejsmiczne oddziaływując na zabudowę powierzchniową. Rejestrację wstrząsów górniczych rozpoczęto z inicjatywy Instytutu Geofizyki (IGf) PAN w 1967 roku jeszcze przed rozpoczęciem eksploatacji złoŝa. Do chwili obecnej w obszarze LGOM wystąpiło kilka tysięcy wstrząsów o magnitudach M>2,5 wg skali Richtera (energia w dŝulach En>5E10 6 J). Wstrząsy występujące w LGOM charakteryzowały się duŝą rozpiętością częstotliwości drgań podłoŝa gruntowego od 0,1 Hz do 50 Hz. Przeliczenia wartości M na energię sejsmiczną liczoną w Joul ach moŝna dokonać następująco: log En = 1,8M + 2,2 (1) W ostatnich kilku latach oprócz częstych wstrząsów małej i średniej energii wystąpiły trzy duŝe wstrząsy: dnia 20 lutego 2002 roku o energii 1,5E10 9 J, dnia 16 maja 2005 roku o 299

2 energii 8,4E108 J oraz dnia 21 maja 2006 roku o energii 1,9E109 J. Amerykańskie stacje geofizyczne USGS oceniły wielkość tego wstrząsu według skali Richtera na M=4,8, zaś badania IGf PAN określiły magnitudę na M=4,3. Lokalizację epicentrów wyŝej wymienionych trzech największych wstrząsów w odniesieniu do usytuowania istniejącej zabudowy kubaturowej Polkowic przedstawiono na rys. 1. wstrząs r. energia: 8,4E8J wstrząs r. energia: 1,9E9J wstrząs r. energia: 1,5E9J Rys.1. Epicentra największych wstrząsów górniczych w obrębie miasta Celem niniejszego referatu jest ilościowe przedstawienie wpływu wstrząsu z dnia 21 maja 2006 roku o energii 1,9E109 J na zagroŝenia awaryjne i uszkodzenia obiektów powierzchniowych miasta oraz porównanie ilościowe szkód w nieruchomościach z wcześniejszymi wstrząsami o mniejszej energii. Zamieszczono równieŝ parametry wstrząsu w zakresie amplitud przyśpieszeń i prędkości drgań podłoŝa gruntowego oraz odniesiono je do skal MSK-64 i GSI

3 2. Eksploatacja górnicza w filarze ochronnym miasta Eksploatację w filarze rozpoczęto w 1978 roku, wydobywając do końca 2005 roku 83% zasobów rudy miedzi. Całkowita powierzchnia filara wynosi 486 ha. Do wybrania w filarze miasta została jeszcze powierzchnia zasobów 81 ha. W tym obszarze zasoby bilansowe rudy szacowane są na Mg, zaś zasoby miedzi na Mg. Eksploatacja prowadzona jest z zastosowaniem systemów komorowo-filarowych z pełnym podsadzeniem wybieranej przestrzeni podsadzką hydrauliczną. Mimo tego na powierzchni terenu miasta wykształciły się dwie niecki obniŝeniowe: w centralnej części miasta o wartości w max =~2,5m oraz w części południowej w max =~2,1m, w tym około 60 % powierzchni terenu uległa deformacjom odpowiadającym I kategorii terenu górniczego, zaś pozostałe 40% obejmuje strefę II kategorii. Na rys. 2 przedstawiono ilościowe zestawienie zarejestrowanych wstrząsów w filarze miasta wraz z określeniem energii wstrząsów. NaleŜy podkreślić, Ŝe parametry zarejestrowanego dnia 21 maja 2006 roku wstrząsu o energii 1,9E10 9 J przekroczyły znacznie wielkości prognozowane dla filara miasta w przedziale czasowym r. Zarejestrowano amplitudy przyspieszenia a = 1800 mm/s 2 (prognoza a = 1000 mm/s 2 ), oraz prędkości v = 72 mm/s (prognoza v = 40 mm/s) Liczba I okres do II okres do III okres do I OKRES II OKRES III OKRES E6J E7J E8J E9J Energia Rys. 2. Zestawienie ilościowe wstrząsów w filarze miasta dla określonej wartości energii. 3. Analiza wpływów wstrząsu o energii 1,9E10 9 J na elementy obiektów budowlanych Zabudowa kubaturowa na terenie miasta została w większości wzmocniona na wpływy parasejsmiczne. Dotyczy to w szczególności wykonanych w technologii WWB i WWP budynków 11-kondygnacyjnych, które mają wylewaną Ŝelbetową konstrukcję przyziemia oraz wzmocnienia fundamentów na wpływy deformacyjne. Na budynkach tych poczynając od 1982 r. wykonano uzupełniająco dość duŝy zakres wzmocnień konstrukcyjnych w celu podniesienia ich sztywności przestrzennej. Budynki w zabudowie niŝszej (poniŝej 6 kondygnacji), zostały wzmocnione lokalnie w najsłabszych fragmentach, w szczególności w miejscach przejść gdzie wprowadzono uciąglenie tarcz stropowych nad piwnicą oraz w obrębie ścian szczytowych.. PoniewaŜ liczba zgłoszonych uszkodzeń na budynkach po wstrząsie z 21 maja 2006 r. była znaczna, poniŝej przedstawiono ich jakościową charakterystykę w sposób bardzo skrócony, a ilościowy obraz zjawiska pokazuje tab. 1. Oprócz uszkodzeń budowli stwierdzono takŝe zniszczenia mienia ruchomego, w tym: przewrócenia mebli, spadanie przedmiotów z górnych 301

4 półek, uszkodzenia sprzętu RTV. Tablica 2 przedstawia porównanie ilości stwierdzonych uszkodzeń nieruchomości i mienia ruchomego dla trzech największych wstrząsów, które wystąpiły w ciągu ostatnich lat. Tablica 1. Wykaz zgłoszonych uszkodzeń w nieruchomościach po wstrząsie z 21 maja 2006 o energii 1,9E10 9 Liczba zgłoszeń A liczba kwalifikacja po przeglądach C A - nie uznano B - uznano - jednorazowe odszkodowanie w formie ugody C - uznano - usunięcie szkód przez O/ZG "Rudna" D - do obserwacji BAU - brak akceptacji warunków ugody B zawarte ugody BAU liczba liczba napraw Tablica. 2. Porównanie liczby uszkodzeń mienia ruchomego i nieruchomego 3 największych wstrząsów Wstrząs z dnia o energii 1,5E9 J Rodzaj uszkodzenia Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Pozostałe Razem Wioski R I R II R III R IV R V R VI R VII Dolne osiedla miasto Mienie nieruchome Mienie ruchome 250 Razem Wstrząs z dnia o energii 8,4E8 J Rodzaj uszkodzenia Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Pozostałe Razem Wioski R I R II R III R IV R V R VI R VII Dolne osiedla miasto Mienie nieruchome Mienie ruchome 17 Razem Wstrząs z dnia o energii 1,9E9 J Rodzaj uszkodzenia Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Rejon Pozostałe Razem Wioski R I R II R III R IV R V R VI R VII Dolne osiedla miasto Mienie nieruchome Mienie ruchome Razem 1200 Po wstrząsie z dnia 21 maja 2006 roku stwierdzono następujące jakościowe uszkodzenia budynków na terenie miasta : dwa przypadki zawalenia się fragmentu ściany szczytowej w starym budynku jednorodzinnym i budynku gospodarczym (rys. 3 i 4) zarysowania na złączach między prefabrykatami ścian poprzecznych budynków wysokich (kilkanaście przypadków) drobne zarysowania tynku w okolicach drzwi, nadproŝy w mieszkaniach i na klatkach schodowych budynków wysokich (kilkanaście przypadków) zarysowania najsłabszych fragmentów konstrukcji pozostałych budynków niskich Ze względu na brak moŝliwości obiektywnej oceny odczuć mieszkańców na występujące wstrząsy górnicze w niniejszej pracy pominięto tę analizę. Zestawienie parametrów drgań wywołanych wstrząsem o sile 1,9E10 9 J rejestrowanych czujnikami w róŝnych miejscach pomiarowych zamieszczono w tab. 3 i tab. 4. Tablica 3 podaje wartości przyśpieszeń i prędkości według skali MSK-64 (Miedwiediew-Sponheuer- Karnik z 1964 roku) [1, 2, 3] oraz maksymalnej wartości przyśpieszeń PGA (Peak Ground Acceleration) i maksymalnej wartości prędkości PGV (Peak Ground Velocity) [4], a takŝe czas trwania wstrząsu t Ha i jego częstotliwość f xy. D suma przeglądów:

5 Rys. 3. Zawalenie się w wyniku wstrząsu górniczego fragmentu ściany szczytowej Rys. 4. Zniszczenie fragmentu ściany szczytowej budynku stodoły Zastosowanie tutaj skali opisowej intensywności wstrząsów MSK-64 uznano jako celowe i przydatne. Wynika to z potwierdzonych w praktyce informacji, iŝ często precyzyjne zapisy pomiarów drgań powierzchniowych złoŝonych efektów sejsmicznych są trudne w interpretacji i nie oddają poprawnie skali intensywności wstrząsów. 303

6 Tablica. 3. Zestawienie wybranych parametrów drgań wywołanych wstrząsem o sile 1,9E10 9 J. Stanowiska pomiarowe a MSK V MSK PGA t Ha f xy wg a H10 PGV Hmax [mm/s 2 [mm/s 2 ] [mm/s] ] [mm/s] [s] [Hz] GSI-2004 GSI-2004 ul. Fiołkowa 7 (nr 9R) ,4 1, ul. Akacjowa 4 (nr 1R) ,9 0, ul. Miedziana 9 (nr 4R) ,0 1, ul. 3-go Maja 7 grunt (nr 3R) ,7 5, ul. 3-go Maja 7 piwnica (nr 3R) ,5 4,4 6, ul. Miedziana 9 ELOGOR (nr 4R) ,8 0, Tablica 4 przedstawia stopnie intensywności wstrząsu według skali zaproponowanej przez Główny Instytut Górnictwa - GSI-2004 [5] dla wartości przyśpieszeń drgań (GSI-A), prędkości (GSI-V), spektrum odpowiedzi (GSI-S) oraz skali MSK-64 (przyśpieszenia a i prędkości v ). Tablica. 4. Stopnie intensywności wstrząsu drgań wg GSI-2004 oraz MSK-64. Stanowiska pomiarowe ul. Fiołkowa 7 (nr 9R) ul. Akacjowa 4 (nr 1R) ul. Miedziana 9 (nr 4R) ul. 3-go Maja 7 grunt (nr 3R) ul. 3-go Maja 7 piwnica (nr 3R) ul. Miedziana 9 ELOGOR (nr 4R) stopnie intensywności wg skali GSI-2004 GSI 2004-A GSI 2004-V GSI 2004-S stopnie intensywności wg skali MSK-64 "a" wg MSK "V" wg MSK II II I VII VII III III II VIII VIII III III II VIII VIII III II II VIII VIII II I II VII VII II III II VIII VIII Przypisane stopnie intensywności sejsmicznej na poziomie VII i VIII otrzymane na podstawie zmierzonych przyspieszeń i prędkości, kwalifikują ten wstrząs górniczy do zjawiska burzącego w skali MSK, a uszkodzenia kubaturowej zabudowy powierzchniowej do cięŝkich. Rzeczywisty poziom uszkodzeń budynków był o 1 do 2 stopni niŝszy. Potwierdza to tezę, Ŝe makrosejsmicznej skali MSK nie moŝna wprost stosować do wstrząsów górniczych. Znacznie lepiej skutki wstrząsów górniczych na zabudowę powierzchniową opisuje skala empiryczna GSI-2004 (rys. 5 i 6). Stopnie I i II charakteryzują moŝliwość powstania uszkodzeń elementów niekonstrukcyjnych natomiast III stopień, wskazuje na moŝliwość powstania uszkodzeń konstrukcyjnych i narzuca konieczność indywidualnych ocen o charakterze eksperckim. 304

7 PGA 10 Hz [m/s2] 2,50 2,00 ul. 3-go Maja - grunt ul. Miedziana 1,50 1,00 ul. Miedziana - ELOGOR ul. 3-go Maja - stopień III stopień II ul. Akacjowa ul. Fiołkowa 0,50 stopień I stopień 0 t max [s] 0, Rys. 5. Porównanie pomierzonych przyśpieszeń drgań w czasie ze skalą GSI-2004-A PGV [m/s] 0,07 0,06 ul. 3-go Maja - grunt ul. Akacjowa ul. Miedziana- ELOGOR ul. Miedziana 0,05 0,04 ul. Fiołkowa stopień III 0,03 0,02 ul. 3-go Maja - piwnica stopień II stopień I 0,01 0 stopień 0 t max [s] Rys. 6. Porównanie pomierzonych prędkości drgań w czasie ze skalą GSI-2004-V 305

8 4. Posumowanie Bezpieczeństwo mieszkańców miasta naleŝy rozpatrywać w aspekcie bezpieczeństwa globalnego zabudowy miasta, bezpieczeństwa w wymiarze lokalnym oraz bezpieczeństwa uŝytkowania budynków i mieszkań. Charakter wstrząsów z dnia 21 maja 2006 roku określić moŝna jako niskoczęstostotliwościowy, który w wyraźny sposób oddziaływał na budynki. Ze względu na połoŝenie epicentrum, propagacja fali wywołanej tym wstrząsem była słabsza w kierunku budynków wysokich, naleŝących w Polkowicach do grupy budynków najbardziej podatnych na działania parasejsmiczne. Wstępna ocena odporności zabudowy wysokiej wykazała, Ŝe nie nastąpiło znaczące obniŝenie jej odporności na wpływy parasejsmiczne. Wynika to z faktu przeprowadzonej przez ZG Rudna wyprzedzającej profilaktyki antysejsmicznej i w znacznym stopniu wzmocnieniu najmniej odpornych na wstrząsy budowli. Biorąc pod uwagę poziom wymuszeń podłoŝa przy energii wstrząsu 1,9E10 9 J oraz skalę uszkodzeń budowli uznać moŝna, Ŝe zabudowa kubaturowa miasta (wysoka oraz niska) dobrze zniosła efekty tego wstrząsu. MoŜna stwierdzić, Ŝe aktualny stan deformacji ciągłych terenu i wymuszeń parasejsmicznych w filarze ochronnym miasta, a takŝe najbliŝszym jego otoczeniu, nie stwarza obecnie i nie będzie stwarzał w przyszłości problemu technicznego oraz globalnego i lokalnego zagroŝenia bezpieczeństwa tej zabudowy. Uszkodzone fragmenty ścian szczytowych zostały przemurowane i wzmocnione przez zakotwienie ich do płatwi. Wprowadzono równieŝ dodatkowe płatwie kalenicowe oraz dosztywnienie więźby dachowej.. Po analizie skutków wstrząsu z dnia 21 maja 2006 uzyskano pozytywną opinię projektu dalszych robót górniczych w zakresie ujętym w Aktualizacji Projektu Technicznego Eksploatacji Projekt Szczegółowy Eksploatacji pola G-1/7 przez Komisję ds. Tąpań, Obudowy i Kierowania Stropem w Zakładach Górniczych Wydobywających Rudy Miedzi. Przyjęte ograniczenia w tej eksploatacji dotyczyły zmniejszenia wysokości furty eksploatacyjnej oraz zmniejszenia ilości jednocześnie dopalanego materiału wybuchowego. Problemem pozostaje fakt negatywnych odczuć społecznych i świadomość mieszkańców o potencjalnym zagroŝeniu. Kopalnia po tym wstrząsie podpisała porozumienie z Polkowickim Centrum Usług Zdrowotnych w sprawie świadczenia usług medycznych w zakresie poradnictwa psychologicznego dla mieszkańców Polkowic. W ponad 15 przypadkach po tym wstrząsie ludzie skorzystali z tych usług. Literatura 1. Trifunac M.D., Brady A.G.: On the correlation of seismic intensity scales with the peaks of recorded strong ground motion, Bulletin of the Seismological Society of America, 1975a, vol.65(1), Cholewicki A., Szulc J. Ocena skutków wstrząsu górniczego z dnia r. Raport Instytutu Techniki Budowlanej, Trifunac M.D., Brady A.G., A study on the duration of strong earthquake ground motion, Bulletin of the Seismological Society of America, 1975b, vol.65, Zembaty Z.: Ocena intensywności sejsmicznej wstrząsu górniczego z r. dla zabudowy kubaturowej i wnioski na przyszłości. Raport Wydziału Budownictwa Politechniki Opolskiej, Dubiński J.: Jaśkiewicz K., Lurka A., Mutke G., Instrukcja prowadzenia powierzchniowych pomiarów sejsmometrycznych, interpretacji wyników oraz oceny i prognozowania drgań sejsmicznych wywołanych wstrząsami górniczymi na powierzchni w LGOM w oparciu o skalę GSI 2004 i inne raporty GIG z lat 2004 i