Damages in buildings in conditions of mining tremors

Transkrypt

1 PRZEGLĄD Nr 7 GÓRNICZY 1 założono MIESIĘCZNIK STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW GÓRNICTWA Nr 7 (1076) lipiec 2012 Tom 68(CVIII) UKD: (438-15)(438-13): : : : : Uszkodzenia w obiektach budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych Damages in buildings in conditions of mining tremors Dr hab. inż. Tadeusz Tatara, prof. PK * ) Dr inż. Filip Pachla* ) Treść: W pracy przeanalizowano występowanie uszkodzeń w budynkach mieszkalnych na skutek działania wstrząsów górniczych o dużej intensywności. Analizom poddano wstrząsy o energiach E n > E6 J z obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW), Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Uwzględniono także wstrząsy tzw. regionalne z obszaru GZW. Wyznaczono charakterystyki przebiegów drgań powierzchniowych od wstrząsów górniczych wykorzystywane w przybliżonych ocenach ich wpływu na zabudowę powierzchniową. W analizach wykorzystano Górnicze Skale Intensywności GSI i Skale Wpływów Dynamicznych SWD opracowane odpowiednio w Głównym Instytucie Górnictwa i w Instytucie Mechaniki Budowli Politechniki Krakowskiej. Wyniki analiz przybliżonych ocen wpływu drgań powierzchniowych pochodzenia górniczego na budynki porównano ze stwierdzonymi i udokumentowanymi uszkodzeniami w budynkach. Analizy te były pomocne w udzieleniu odpowiedzi na pytanie dotyczące szkodliwości wpływu wstrząsów o analizowanej intensywności na konstrukcje budynków. Abstract: The study analyzes the occurrence of damages in apartment buildings as a result of mining tremors of high intensity. To analyses were subjected tremors with energies E n >E6 J from the area of the Upper Silesian Coal Basin (USCB) and Legnica-Głogów Copper Region (LGCR). Moreover, the so-called regional tremors from the USCB area were taken into consideration. The characteristics of courses of surface vibrations from mining tremors used in approximate assessments of their influence on buildings on the surface were determined. In the analyses were used Mining Intensity Scales (GSI) and Dynamic Influence Scales (SWD, worked out at the Central Mining Institute and at the Institute of Structure Mechanics of the Cracow University of Technology, respectively. The results of analyses of approximate assessments of the influence of surface vibrations of mining origin on buildings were compared with the ascertained and documented damages in buildings. The analyses were helpful in answering the question concerning the harmfulness of influence of tremors with the analyzed intensity on the constructions of buildings. Słowa kluczowe: wstrząsy górnicze, obiekty budowlane, uszkodzenia, drgania powierzchniowe, skale GSI, skale SWD, ocena wpływu wstrząsów, charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe Key words: mining tremors, building structures, damages, surface vibrations, GSI scales, SWD scales, assessment of the influence of tremors, amplitude- frequency characteristics 1. Wprowadzenie Eksploatacja górnicza odbywa się często pod obszarami silnie zurbanizowanymi, o zróżnicowanej zabudowie po- * ) Politechnika Krakowska. wierzchniowej. W obszarach objętych wpływami eksploatacji górniczych, w obiektach budowlanych mogą występować uszkodzenia, które są wynikiem negatywnego działania tej eksploatacji. Zabudowa charakteryzuje się m.in. różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, materiałowymi, różny jest wiek wzniesienia obiektów i jej stan techniczny. Obiekty budowlane

2 2 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 posiadają odmienne cechy dynamiczne, tj. częstotliwości drgań własnych. Z tych powodów obiekty te charakteryzuje zróżnicowana reakcja dynamiczna na obciążenia i możliwości przenoszenia dodatkowych obciążeń dynamicznych na skutek działania drgań powierzchniowych indukowanych wstrząsami górniczymi. W obiektach tych można wielokrotnie spotkać także wady budowlane spowodowane gospodarczą metodą ich wznoszenia bez odpowiedniego fachowego nadzoru, bądź niekorzystne rozwiązania konstrukcyjne, które pojawiły się w wyniku przeprowadzanych prac remontowych. Wielokrotnie obiekty pracują w niekorzystnych warunkach środowiskowych dotyczy to przede wszystkim obiektów własnych zakładów górniczych. Podanie bezpośrednich przyczyn uszkodzeń w tych obiektach jest często bardzo trudne i nie można ich występowania wiązać tylko z wpływami eksploatacji górniczej. Precyzyjne określenie przyczyn uszkodzeń wymaga bardzo pracochłonnych i kosztownych badań in situ oraz laboratoryjnych. Parametry analizowanych, reprezentatywnych wstrząsów odniesiono do Górniczych Skal Intensywności GSI opracowanych w Głównym Instytucie Górnictwa i porównano ze skutkami występującymi w obiektach z danego obszaru górniczego. W celach porównawczych w analizach posłużono się również Skalami Wpływów Dynamicznych SWD. Niejednokrotnie po wystąpieniu wstrząsu ma miejsce zjawisko paniki i poczucie zagrożenia wśród mieszkańców. Zgłaszają oni do działów szkód górniczych w kopalniach szkody, jakie pojawiły się wg opinii właścicieli w użytkowanych przez nich obiektach na skutek wystąpienia wstrząsu. W niektórych przypadkach liczba zgłoszeń jest znaczna, co może świadczyć o wystąpieniu zjawiska zagrożenia powszechnego. Tego typu przypadki mogą prowadzić do niekorzystnego dla kopalni zatrzymania eksploatacji ściany. Tego typu zjawiska miały miejsce w niedalekiej przeszłości w kopalniach w GZW (np. w kopalni Piast w 2010 roku). 2. Charakterystyka drgań powierzchniowych indukowanych intensywnymi wstrząsami górniczymi z obszaru LGOM i GZW 2.1. Obszar LGOM Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat wzrosła sejsmiczność w obszarach LGOM, zwłaszcza w zakresie wstrząsów o wysokich energiach rzędu E7 E9 J. W tablicy 1 zestawiono charakterystyki przykładowych wstrząsów o energiach większych od E6 J. W ostatniej kolumnie tablicy 1 zestawiono wartości stosunku PGA/PGV, podobnie jak to czyni się w przypadku trzęsień ziemi. Wartość tego stosunku przy wstrząsach o najwyższych energiach rzędu E8 i E9 nie przekracza 30, a więc pozostaje w zakresie charakterystycznym jak dla trzęsień ziemi. Na rysunku 1 pokazano przykładowy przebieg składowej poziomej x przyspieszeń drgań wywołanych jednym z najbardziej intensywnych wstrząsów górniczych na obszarze LGOM oraz końcowe wyniki analiz przebiegów przyspieszeń i prędkości poziomych drgań. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w przebiegach składowych poziomych przyspieszeń drgań powierzchniowych wywołanych wstrząsami o najwyższych energiach, dominują niskie składowe częstotliwości (rys. 1). Sejsmiczność obszaru górniczego ZG Rudna, w obszarze którego znajduje się miasto Polkowice, charakteryzuje się największą sejsmicznością spośród obszarów górniczych kopalń LGOM. Na rysunku 2 pokazano lokalizację wstrząsów o energiach E n > E6 J Obszar GZW Sejsmiczność obszaru GZW jest nieco mniejsza od sejsmiczności obserwowanej w LGOM. Niemniej jednak i na terenie GZW występują bardzo intensywne zjawiska sejsmiczne o energiach rzędu E9 J. W latach wzrosła liczba wstrząsów o najwyższych energiach. Sejsmiczność terenu GZW zostanie scharakteryzowana poprzez podanie charakterystyk przykładowych drgań powierzchniowych pomierzonych w obszarze kopalni Bobrek-Centrum oraz kopalni Piast. Przykładowo w latach kopalnia Bobrek- Centrum prowadziła eksploatację węgla w dwóch pokładach 503 i 504. W tym okresie eksploatacja ta była źródłem ponad 200 wstrząsów górotworu o energiach z przedziału E2 do E9 J. Po wstępnej analizie wszystkich zarejestrowanych zjawisk z przedziału E5 E9, do dalszych szczegółowych analiz wybrano wstrząsy o największej intensywności drgań powierzchniowych z grup energetycznych E6, E7 E8 i E9 J. W tablicy 2 zestawiono parametry charakteryzujące wybrane reprezentatywne przebiegi przyspieszeń drgań powierzchniowych od najintensywniejszych wstrząsów górniczych z lat w przedziale energetycznym E6 E9. Na rysunku 3 przedstawiono zarejestrowane przykładowe przebiegi czasowe składowych poziomych (E-W, N-S) przyspieszeń drgań wywołanych wstrząsem scharakteryzowanym w poz. 3 tablicy 2. Przy każdym przebiegu czasowym drgań podano także wynik analizy częstotliwościowej (FFT), co umożliwia określić dominujące częstotliwości drgań tych przebiegów. Z analiz częstotliwości zarejestrowanych przebiegów składowych poziomych przyspieszeń drgań wynika, że dominują w nich niskie częstotliwości (rys. 3). W obszarze kopalni Piast 9 lutego 2010 roku wystąpił wstrząs o energii E n = 3E9 J (pokład 209, partia XVI) o charakterze wstrząsu regionalnego, o przyczynie tektonicznej i wieloletniej działalności górniczej w trzech pokładach po południowej i północnej stronie uskoku Błędowskiego. Na obszarze GZW wstrząsy o tak dużej energii zdarzają się niezbyt często. Najczęściej tak silne wstrząsy występowały w rejonie niecki bytomskiej i uskoku kłodnickiego. W rejonie kopalni Piast, w 1992 roku odnotowano intensywny wstrząs o energii E = 2E9 J, a więc o podobnej intensywności jak ten z lutego 2010 roku. W tablicy 3 przedstawiono dane charakteryzujące ww. wstrząs regionalny. Warto również podać, że wartość stosunku PGA/PGV wyniosła 22,66, a więc pozostawała w przedziale charakterystycznym dla trzęsień ziemi o bliższych epicentrach. 3. Przybliżona ocena szkodliwości drgań powierzchniowych na zabudowę Ocenę wpływu najsilniejszych zarejestrowanych drgań powierzchniowych, wymienionych w rozdz. 2, na zabudowę przeprowadza się za pomocą: skal GSI 2004, GSI 2004/11 i GSI GZWKW, skali SWD zawartej w normie [8] Obszar LGOM ocena wg skali GSI 2004 i GSI 2004/11 W obszarze LGOM ocenę odporności dynamicznej obiektów budowlanych przeprowadza się według zasad empirycznej Górniczej Skali Intensywności (GSI-2004) [1, 2]. Za podstawową skalę do oceny poziomu intensywności sejsmicznej wstrząsów górniczych przyjmuje się skalę pręd-

3 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 3 Rys. 1. Przebiegi składowych poziomych przyspieszeń i prędkości drgań gruntu od wstrząsu z poz. 5 tablicy 1 oraz wyniki analiz Fig. 1. Courses of components of horizontal accelerations and velocities of ground vibrations from the mining tremor listed in item 5 in Table 1 and results of analyses

4 4 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Tablica 2. Charakterystyki przykładowych drgań gruntu pomierzonych w obszarze kopalni Bobrek-Centrum wywołanych najsilniejszymi wstrząsami Table 2. Characteristics of examples of ground vibrations recorded in the mining area of the Bobrek-Centrum mine caused by the strongest mining tremors Lp. E n, J r e, m t HV, s PGV mm/s t Ha, s PGA H10 mm/s E ,93 5,3 2,55 148,4 2. 1E ,57 25,2 2,1 571,2 3. 7E ,88 29,8 1,10 923,3 4. 5E ,69 3,0 2,07 98,7 5. 8E ,83 30,4 1,55 809,8 Rys. 2. Lokalizacja wstrząsów górniczych na obszarach górniczych kopalni Rudna [7] Fig. 2. Location of mining tremors in mining areas of the Rudna mine [7] Tablica 3. Charakterystyka wstrząsu regionalnego z dnia obszar kopalni Piast Table 3. Characteristics of the regional mining tremor on area of the Piast mine E n J r e, m a xmax mm/s 2 a ymax, a zmax, mm/s 2 mm/s 2 PGA m/s 2 t Ha, s PGA H10 t Hv, s PGV mm/s 2 mm/s 3E ,5 3,73 394,8 3,18 15,2 Tablica 1, Charakterystyki przykładowych drgań gruntu pomierzonych na stacjach sejsmicznych w Polkowicach Table 1, Characteristics of examples of ground vibrations recorded at seismic stations in Polkowice Lp, E n, J r e, m PGA, mm/s 2 t Ha, s PGA H10max, PGV Hmax, mm/s 2 mm/s stacja przy ul. Akacjowej grunt t Hv, s PGA/ PGV Hmax 1. 4,3E ,6 5,92 185,5 5,85 11,36 78, ,9E ,5 6,39 566,8 16,43 15,62 105, ,2E ,27 186,8 4,82 11,67 42, ,7E ,5 8, ,4 60,63 13,92 28, ,9E ,6 15,2 1552,2 179,4 8,02 8,73 stacja przy ul. 3 Maja grunt 6. 2E ,2 3,25 408,2 16,41 3,66 75, ,3E ,37 337,1 15,69 3,90 86, ,4E ,99 378,2 14,68 4,06 73, ,5E ,5 3,31 762,2 21,87 3,55 43, ,5E ,2 5, ,79 5,82 19, ,8E ,38 393,5 14,69 4,46 30, ,7E ,9 10,21 598,3 36,42 12,89 38,19 stacja przy ul. Miedzianej grunt 13. 4,3E ,5 3, ,96 3,39 53, ,4E ,7 3,02 668,8 19,66 3,36 52, ,7E ,8 4, ,29 4,26 20, ,3E ,94 350,9 13,71 1,01 73, ,1E ,3 2,52 499,4 16,61 2,94 87, ,4E ,9 2,17 643,6 26,9 2,30 43, ,4E ,7 10,96 502,3 25,64 11,31 24, ,2E ,6 6,50 629,3 27,65 8,94 26,75 kościową GSI-2004 V, (rys. 4). Wyniki weryfikacji skali GSI 2004 umożliwiły opracowanie aktualizacji tej skali w wersji GSI-2004/11 z lipca 2011 roku [7]. W dalszym ciągu za podstawową skalę do oceny poziomu intensywności sejsmicznej wstrząsów górniczych przyjmuje się skalę prędkościową GSI-2004/11-V (rys. 4). Skale GSI-2004 i GSI -2004/11 wyróżniają 4 stopnie, dla których opisano skutki oddziaływania drgań w budynkach i uciążliwość ich użytkowania. Szczegółowe opisy skutków działania drgań w wyróżnionych stopniach podano w pracach [6, 7]. Wynikiem oceny wpływu drgań powierzchniowych z wykorzystaniem skal GSI 2004 są wartości: PGV Hmax, mm/s, PGA H10, mm/s 2 oraz maksymalna wartość przyspieszeniowego spektrum odpowiedzi Sa, mm/s 2, wyznaczonego na podstawie składowych poziomych drgań, przy założeniu ułamku tłumienia krytycznego ξ = 5 %. Parametry te były podstawą do określenia ich wpływu na zabudowę powierzchniową w LGOM. W tablicy 4 zestawiono intensywności reprezentatywnych drgań powierzchniowych o parametrach zestawionych w tablicy 1. Porównano intensywności uzyskane na podstawie skal GSI 2004 i GSI 2004/11. W odniesieniu do analizowanych tu reprezentatywnych wstrząsów, modyfikacja skal GSI 2004 miała największy wpływ w zakresie rezultatów ocen uzyskiwanych na podstawie skal pomocniczych, tj. skali przyspieszeniowej i spektralnej (tabl. 4) Obszar LGOM ocena wg skal SWD Do przybliżonego sposobu oceny działania składowych poziomych drgań podłoża gruntowego na konstrukcje budynków, traktowanych jako jedna całość, norma [8] dopuszcza stosowanie Skal Wpływów Dynamicznych SWD. Podstawą opracowania skal SWD były wyniki analiz dynamicznych budynków uznanych za wzorcowe. Skale SWD można stosować w przypadku budynków z elementów murowych oraz w przypadku budynków z wielkich bloków i wielkich płyt. Skala SWD-I (rys. 5a) dotyczy budynków zwartych o małych wymiarach rzutu poziomego (nie przekraczających

5 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 5 Rys. 3. Przebiegi czasowe składowych poziomych przyspieszeń drgań wywołanych wstrząsem z dnia r. (poz. 3 tablicy 2) i wyniki analiz częstotliwościowych (FFT) tych przebiegów Fig. 3. Time courses of horizontal components of accelerations of vibrations caused by the tremor on (item 3 of Table 2) and results of FFT analyses of these courses Tablica 4. Ocena szkodliwości wybranych reprezentatywnych wstrząsów z LGOM zestawionych w tablicy 1 zgodnie ze skalami GSI 2004 Table 4. Assessment of harmfulness of chosen representative tremors from LGCR listed in Table 1 according to GSI-2004 scales Lp. Intensywność drgań GSI-2004-V GSI-2004/11-V GSI-2004-A GSI-2004/11-A GSI S GSI-2004/11-S I I I II I I III III III III III III 5. III III III III III III 6. I I I I I II 7. I I I I I II 8. I I I I I II 9. I I I II I II 10. III III II III II II 11. I I I I I I 12. II II II II I I 13. I I I I I I 14. I I I I I I 15. I II I II I I 16. I I I I I I 17. I I I I II II 18. I I I I I I 19. II II I II I I 20. II II II II I I

6 6 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 4. Podstawowa skala GSI-2004 dla terenów LGOM Fig. 4. Basic GSI-2004 scale for LGCR areas Rys. 5. Skale SWD [8] Fig. 5. SWD scales [8] 15 m) jedno- lub dwukondygnacyjnych oraz o wysokości nie przekraczającej żadnego z wymiarów rzutu poziomego. Wskazania skali SWD-I odnoszą się do budynków murowych z cegły, pustaków, bloków z żużlobetonu lub podobnych. Skala SWD-II (rys. 5b) przeznaczona jest do budynków kilkukondygnacyjnych (do 5 kondygnacji) o konstrukcji murowej lub mieszanej i których wysokość jest mniejsza od podwójnej najmniejszej szerokości budynku oraz do budynków niskich (do 2 kondygnacji), lecz nie spełniających warunków podanych dla skali SWD-I. W normie [8] przyjęto następujące kryteria podziału na strefy szkodliwości: strefa I drgania nieodczuwalne przez budynki, strefa II drgania odczuwalne przez budynek, ale nieszkodliwe dla konstrukcji; następuje tylko przyspieszone zużycie budynku i pierwsze rysy w wyprawach, tynkach itp., III drgania szkodliwe dla budynku, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcję budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na dalsze wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków, strefa IV drgania o dużej szkodliwości dla budynku i stanowiące zagrożenie bezpieczeństwa ludzi; powstają liczne spękania, lokalne zniszczenia murów i innych pojedynczych elementów budynku; istnieje możliwość spadania przedmiotów zawieszonych, odpadanie płatów wypraw sufitów, wysunięcia się belek stropowych z łożysk itp.; wymagane możliwie szybkie usunięcie źródła drgań lub zmniejszenie jego wpływów; strefa V drgania powodują awarię budynku przez walenie się murów, spadanie stropów itp.; pełne zagrożenie bezpieczeństwa życia ludzkiego; w przypadku groźby powstania drgań tego typu budynek nie może być użytkowany. W praktyce inżynierskiej najczęściej spotyka się drgania, które kwalifikują się do pierwszych trzech stref, określanych jako strefy szkodliwości. Analizom poddano przebiegi składowych poziomych przyspieszeń drgań pomierzonych w budynkach w poziomie fundamentów oraz równocześnie pomierzonych na gruncie (tabl. 1). Analizy ograniczono do budynków spełniających wymogi skali SWD-I. Na rysunku 6 pokazano przykładowe wyniki analiz tercjowych przebiegów drgań wywołanych wstrząsem z poz. 1 tablicy 1. Z analiz pokazanych na rysunku 6 wynika, że oceny szkodliwości drgań prowadzone na podstawie przebiegów składowych poziomych przyspieszeń drgań gruntu dają zawyżone wyniki. W tablicy 5 zestawiono przykładowo wyniki analiz przebiegów składowych poziomych drgań z poz. 1 5 tablicy 1, prowadzonych pod kątem oceny szkodliwości dla budynków spełniających wymogi skali SWD-I.

7 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 7 Rys. 6. Wyniki analizy tercjowej przebiegów składowych poziomych drgań wywołanych wstrząsem z poz. 1 tablicy 1 Fig. 6. Results of the 1/3 octave analysis of courses of horizontal components of vibrations caused by tremors from item 1 of Table 1 Tablica 5. Wyniki analizy szkodliwości drgań wg skali SWD-I Table 5. Results of harmfulness analysis of vibrations according to the SWD I scale Składowa x Składowa y Lp. grunt fundament grunt fundament Budynki uszkodzone 1. III II III II 2. III III III II 3. II II II II 4. III III III III 5. III III III III Budynki bez uszkodzeń 1. II II II II 2. III III III II 3. II II II I 4. III III III III 5. III III III III Tablica 6. Stopnie intensywności według skali GSI-GZW KW dla wstrząsów zestawionych w tablicy 2 Table 6. Degrees of intensity according to the GSI-GZW KW scale for tremors specified in Table 2 Lp. Stopnie intensywności I na podstawie: PGV, t Hv PGA H10, t Ha 1. 0/I 0/I 2. II II 3. II III II II Zgodnie z zaleceniami normy [8] oceny szkodliwości powinny być prowadzone na podstawie przebiegów drgań zarejestrowanych w budynku w poziomie fundamentów Obszar GZW ocena wg skali GSI GZW KW W obszarze GZW ocenę odporności dynamicznej obiektów budowlanych przeprowadza się według zasad empirycznej Górniczej Skali Intensywności (GSI-GZW KW ) [3]. W tablicy 6 przykładowo przedstawiono intensywności reprezentatywnych drgań powierzchniowych z obszaru GZW o parametrach zestawionych w tablicy 2. Z analizy tej wynika, że parametr PGV najintensywniejszych poziomych drgań powierzchniowych pozostaje w 0/I do II strefy intensywności, więc można te drgania uznać za nieszkodliwe dla wszystkich nieuszkodzonych elementów konstrukcyjnych i nie powodujące obniżenia nośności budynków. Podobnie parametr PGAH10 pozostaje w 0/I do III strefy intensywności, a więc również wynik analizy przy użyciu tego parametru potwierdza wynik analiz przy użyciu parametru PGV. Należy również podkreślić, że parametr PGAH10 dla wstrząsu z poz. 3 tablicy 2, pozostaje w początkowym obszarze III strefy intensywności skali GSI GZW KW (rys. 7). Intensywność wstrząsu z kopalni Piast o parametrach pokazanych w tablicy 3 pozostaje w II stopniu skali GSI GZW KW. Rys. 7. Wyniki interpretacji wg skali GSI - GZW KW -A wstrząsu o energii 7E8 J (tabl. 2) Rys. 7. The results of interpretations according to the GSI- -GZW KW A scale of the tremor with energy 7E8 J comp. with Table Obszar GZW ocena wg skali SWD I Przybliżoną analizę szkodliwości wpływu drgań pochodzenia górniczego wstrząsów scharakteryzowanych zestawionych w tabeli 2 dokonano wg skali SWD I i SWD II. Na rysunku 8 przykładowo przedstawiono wyniki analizy tercjowej, składowej N-S przyspieszeń drgań (rys. 3), wywołanych wstrząsem scharakteryzowanym w poz. 3 tablicy 2.

8 8 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 8. Wynik analizy tercjowej (1/3-oktawowej) przebiegu składowej N-S drgań z rysunku 3 wg skali SWD-I i skali SWD-II Fig. 8. Result of 1/3 octave analysis of the course of the N-S component of vibrations from Fig. 3 according to the SWD-I and SWD-II scale W tablicy 7 zestawiono wyniki oceny wpływu szkodliwości drgań w budynkach, wykonanej na podstawie wyników analizy tercjowej przebiegów drgań od wstrząsów górniczych scharakteryzowanych w tablicy 2. Z danych z tablicy 7 wynika, że parametry analizowanych składowych najintensywniejszych drgań pozostają w III strefie szkodliwości. Oznacza to, że drgania te są szkodliwe dla budynków, powodują lokalne zarysowania i spękania, przez co osłabiają konstrukcję budynku i zmniejszają jego nośność oraz odporność na dalsze wpływy dynamiczne; może nastąpić odpadanie wypraw i tynków. Taka interpretacja może być tu zaprezentowana z uwagi na liczbę wstrząsów, jakie miały miejsce na przestrzeni lat eksploatacji w kopalni Bobrek. 4. Charakter i diagnoza przyczyn uszkodzeń obiektów budowlanych W obszarach górniczych na terenie GZW i LGOM w wielu obiektach powierzchniowych występują ich uszkodzenia. Służby działów ochrony powierzchni zakładów górniczych każdorazowo po zgłoszeniach przez mieszkańców szkód po wstrząsach dokonują ich inwentaryzacji i oceny czy wstrząs o danych parametrach mógł być przyczyną tych uszkodzeń. W rozstrzygnięciach pomocne może być korzystanie ze skal GSI. W niektórych przypadkach mamy do czynienia z masowymi zgłoszeniami i wówczas możemy mówić o tzw. zagrożeniu powszechnym. Oczywiście nie wszystkie zgłoszenia szkód Tablica 7. Wyniki oceny wpływu szkodliwości składowych poziomych drgań wywołanych wstrząsami opisanymi w tablicy 2 wg skali SWD-I i SWD-II Table 7. Results of assessment of harmfulness influence of components of horizontal vibrations caused by tremors described in Table 2 according to the SWD-I and SWD-II scale Strefa szkodliwości Lp. E - W N - S SWD-I SWD-II SWD-I SWD-II 1. II II II II 2. III III III II/III 3. II II III III 4. II I I/II I 5. III III III III są jednoznaczne i kwalifikujące je jako szkody po zaistnieniu wstrząsu. Zabudowę mieszkalną, jak i obiekty własne zakładów górniczych, cechuje duża różnorodność. Różne są układy konstrukcyjne obiektów, materiały użyte do wzniesienia obiektów, sposób ich wzniesienia. Znaczenie ma też czas użytkowania obiektu oraz przeprowadzane w nich prace remontowe. Praca obiektów w warunkach chemicznie agresywnych również może być przyczyną występowania uszkodzeń w obiektach budowlanych. Rozstrzygnięcie dotyczące ustalenia przyczyn uszkodzeń w obiektach budowlanych często nie jest jednoznaczne i w wielu przypadkach wymagana jest pogłębiona analiza, w tym także analiza teoretyczna z wykorzystaniem modeli obliczeniowych analizowanych obiektów. Na rysunku 9 i 10 przedstawiono przykładowe zgłoszone typowe uszkodzenia w budynkach (położonych blisko stacji sejsmicznych) na skutek działania wstrząsu wymienionego w poz. 5 tablicy 2. Z kolei na rysunku 11 pokazano zgłoszone przykładowe uszkodzenia w budynku jednorodzinnym po wstrząsie z r. (tabl. 3) w obszarze górniczym kopalni Piast. Był to jeden z najsilniejszych wstrząsów, jaki wystąpił na tym terenie. Po wstrząsie zgłoszono ponad 1500 roszczeń. Wstrząs ten odczuty był przez mieszkańców miejscowości, odległych nawet o kilkanaście kilometrów od jego epicentrum. Z uwagi na jego intensywność została wstrzymana eksploatacja jednej ze ścian kopalni. W wielu przypadkach na terenach górniczych wpływ na uszkodzenia obiektów budowlanych mają deformacje podłoża. Przykładem mogą być budynki w Bytomiu w dzielnicy Karb. W tym przypadku deformacje podłoża spowodowały katastrofę budowlaną. Przeprowadzone analizy zarejestrowanych przebiegów drgań, których przykładowe wyniki pokazano w rozdz i 3.4, wykluczyły wstrząsy górnicze, jako przyczynę wywołania takiego poziomu uszkodzeń. Na rysunku 12 pokazano przykładowe uszkodzenia w jednym z wielorodzinnych budynków w dzielnicy Bytom-Karb. Po analizie uszkodzeń występujących w zabudowie powierzchniowej na obszarach objętych wpływami wstrząsów górniczych można stwierdzić, że w przeważającej liczbie przypadków nie występują uszkodzenia elementów konstrukcyjnych, które powodowałyby utratę nośności i stateczności konstrukcji. W przypadkach, gdy takie uszkodzenia wystąpiły, było to np. zawalenie się części ściany szczytowej, zawalenie się fragmentu stropu Kleina, pęknięcia ukośne ścian nośnych.

9 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 9 Rys. 9. Obraz skutków wstrząsu z poz. 5 tablicy 2 przy ul. Miedzianej 9 w Polkowicach [5] Fig. 9. Image of effects of the tremor from item 5 of Table 2 in the building in Miedziana street 9 in Polkowice [5] Rys. 10. Uszkodzenia budynku stodoły przy ul. Ogrodowej 1 w Polkowicach w wyniku wstrząsu z poz. 5 tablicy 2 [4] Fig. 10. Damages of barn building in the Ogrodowa street 9 in Polkowice as the result of the tremor from item 5 of Table 2 [4] Rys. 11. Przykładowe uszkodzenia stwierdzone w budynku jednorodzinnym po wstrząsie w dniu roku w Chełmku Fig. 11. Examples of damages ascertained in a single family house after the tremor on in Chełmek Rys. 12. Przykładowe uszkodzenia stwierdzone w budynku wielorodzinnym w Bytomiu dzielnica Karb Fig. 12. Examples of damages ascertained in a multifamily house in Bytom, district Karb

10 10 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 W wyniku wstrząsów pojawiają się uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych. Najczęściej są to miejscowe odpadania wypraw tynkarskich i malarskich, rysy w tynkach, pęknięcia płytek glazurowych, wysunięcia lub spadanie pojedynczych dachówek, zarysowanie faset, uszkodzenia ogniomurków. Występujące uszkodzenia wywołują wśród mieszkańców poczucie dyskomfortu użytkowania takich budynków. Bardzo silne zjawiska wstrząsowe są silne odczuwane przez mieszkańców i towarzyszy temu uczucie lęku. 6. Podsumowanie i wnioski końcowe W pracy podano przykładowe charakterystyki wstrząsów górniczych o wysokiej intensywności występujących na obszarach GZW i LGOM. Charakterystyki drgań powierzchniowych wykorzystano w analizach oceny wpływu szkodliwości tych drgań na obiekty powierzchniowe za pomocą skal GSI oddzielnie dla obszaru LGOM I GZW. Dokonano analizy porównawczej oceny szkodliwości drgań powierzchniowych przy pomocy skal GSI 2004 i GSI 2004/11. Dodatkowo wykonano analizy tercjowe zarejestrowanych przebiegów drgań wg skal SWD. Podano przykładowe, charakterystyczne uszkodzenia w zabudowie powierzchniowej i wskazano najczęściej występujące uszkodzenia wywołane wstrząsami górniczymi. Wskazano również na wpływ deformacji podłoża gruntowego, jako przyczynę występowania uszkodzeń konstrukcyjnych w budynkach. Występujące uszkodzenia w budynkach dobrze korelują z wynikami przybliżonych ocen szkodliwości drgań określonych za pomocą skal. 7. Podziękowania Praca zrealizowana w ramach prac finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (Nr L-4/95- DS/2012). Literatura 1. Dubiński J., Mutke G.: Skala górnicza GSI 2004 V do oceny oddziaływania drgań sejsmicznych od wstrząsów górniczych na powierzchnię LGOM, VIII Dni Miernictwa Górniczego i Ochrony Terenów Górniczych, GIG, 2005, Ustroń, Dubiński J., Mutke G.: Zweryfikowana skala GSI 2004, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Special Edition, Kwartalnik, GIG, Katowice, 2006, Dubiński J., Mutke G., Stec K., Lurka A., Barański A.: Górnicza Skala Intensywności GSI-GZW do oceny skutków oddziaływania wstrząsów indukowanych eksploatacją złóż węgla kamiennego w Zakładach Górniczych Kompanii Węglowej SA na obiekty budowlane i na ludzi, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik Nr 2/2/2009 (red. Mutke G, Tatara T.), Katowice, 2009, Minch M.J., Samokar Z.: Analiza skutków dużego wstrzasu górniczego na zabudowę powierzchniową miasta Polkowice, XXIII Konf. Nauk. Techn. Awarie Budowlane 2007, Szczecin Międzyzdroje, 2007, Samokar Z.: Zastosowanie Górniczej Skali Intensywności GSI 2004 do oceny skutków wstrząsów górniczych w zabudowie powierzchniowej na terenie górniczym ZG Rudna, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik Nr 2/2/2009 (red. Mutke G, Tatara T.), Katowice, 2009, Normy i inne wykorzystane materiały 6. Dubiński J., Jaśkiewicz K., Lurka A., Mutke G.: Instrukcja prowadzenia powierzchniowych pomiarów sejsmometrycznych, interpretacja wyników oraz oceny i prognozowania drgań sejsmicznych wywołanych wstrząsami górniczymi na powierzchni w LGOM w oparciu o skalę GSI , KGHM, Lubin, Dubiński J., Lurka A., Mutke G., Stec K., Jaśkiewicz K., Jaśkiewicz I., Stolecki L.: Weryfikacja skal GSI-2004, KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR, Wrocław (praca niepublikowana), PN-85/B-02170,, Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki.

11 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 11 UKD: (438-13): : : Analiza wpływu przerw w eksploatacji ścian na zagrożenie sejsmiczne na przykładzie kopalni Piast Analysis of the impact of longwall exploitation stoppages on the seismic hazard on the example of the Piast coal mine Dr hab. inż. Elżbieta Pilecka * ) Mgr inż. Jacek Kudela** ) Mgr inż. Jerzy Pituła** ) Treść: W artykule przedstawiono analizę zmian dobowej energii sejsmicznej zarejestrowanych wstrząsów indukowanych z wybranych ścian w kopalni Piast, zsumowanej w konkretnych dniach tygodnia. Energię sejsmiczną liczono dla wszystkich wstrząsów zarejestrowanych przez sieć sejsmologiczną kopalni Piast, na ogół od energii 10 2 J do 10 8 J. Analizowano 20 ścian eksploatacyjnych w okresie ich wybierania. W artykule przedstawiono 4 charakterystyczne przykłady z omawianej analizy. We wszystkich przypadkach zmiany energii sejsmicznej w przedziale od poniedziałku do niedzieli wykazały malejący trend liniowy. Taki trend jednoznacznie wskazuje, że brak postępu ścian w sobotę i niedzielę powoduje kumulację energii sejsmicznej w górotworze w pierwszych dniach kolejnego tygodnia. Trend ten zaburzony jest najczęściej występowaniem silnych wstrząsów typu regionalnego. W konkluzji stwierdzono, że przyczyny sejsmiczności w warunkach geologicznych i górniczych kopalni Piast są złożone, lecz nie można wykluczyć wpływu przestojów ścian w sobotę i niedzielę na charakterystyczne zmiany uwalnianej energii sejsmicznej w układzie tygodniowym. Abstract: The article presents an analysis of daily seismic energy changes of registered tremors, induced from selected longwalls in the Piast mine, added up on specific days of the week. The seismic energy was calculated for all tremors recorded by the seismic network of the Piast colliery, generally of energy from 10 2 to 10 8 J. The analysis comprised 20 operating longwalls in the period of their exploitation. The article presents four characteristic examples of the discussed analysis. In all cases, the changes of seismic energy in the period from Monday to Sunday showed a decreasing linear trend. This trend clearly indicates that the lack of advance of longwalls on Saturday and Sunday causes accumulation of seismic energy in the rock mass on the first days of the next week. This trend is most often disturbed by the occurrence of strong tremors of the regional type. The conclusion was that the causes of seismicity in mining and geological conditions of the Piast coal mine are complex, but one cannot exclude the impact of longwall stoppages on Saturdays and Sundays on the characteristic changes of seismic energy released in a weekly schedule Słowa kluczowe: eksploatacja pokładów węgla, sejsmiczność indukowana, postęp ścian Key words: exploitation of coal beds, induced seismicity, longwall advance 1. Wprowadzenie Podziemna eksploatacja węgla kamiennego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym jest związana z zagrożeniem wstrząsami indukowanymi robotami górniczymi. Roboty górnicze w górotworze powodują powstanie dodatkowych złożonych pól naprężeń, które sumują się z naprężeniami litostatycznymi, często również skomplikowanymi. Istniejące * ) IGSMiE PAN, ** ) KWK Piast. w skałach naprężenia są powodem akumulowania się w górotworze określonej ilości energii potencjalnej. Jeśli naprężenia stają się większe niż wytrzymałość skał, wówczas następuje zniszczenie ośrodka skalnego i nagłe uwolnienie nagromadzonej energii, która z potencjalnej zamienia się w inne jej rodzaje, między innymi w kinetyczną. Tylko część energii kinetycznej, z reguły nie większa niż 1 % zamienia się w energię sejsmiczną, rozchodzącą się w postaci fal sejsmicznych w górotworze i którą możemy zmierzyć. Szersze informacje o procesach indukowania sejsmiczności w górotworze

12 12 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 w wyniku prowadzonych robót górniczych można znaleźć w licznych pracach [5, 6]. Wstrząs może wystąpić wówczas, gdy spełnione są określone warunki geomechaniczne. Przede wszystkim w górotworze musi utworzyć się stan równowagi nietrwałej (powstać strefa niestabilna) z odpowiednio wysokimi naprężeniami, oraz muszą występować czynniki powodujące przejście z jednego stanu równowagi w drugi. W przypadku wstrząsów w GZW głównym powodem wstrząsów indukowanych są czynniki geologiczno-tektoniczne i technologiczne. Czynniki geologiczne to: głębokość eksploatacji, stratygrafia, litologia i petrografia, własności geomechanicze górotworu, skłonność pokładu i skał do tąpań, miąższość pokładów i tektonika. Do czynników górniczych można zaliczyć: wpływ systemu kierowania stropem, prędkość postępu ściany, wysokość i długość ściany, wpływ krawędzi i resztek, wpływ zrobów i innych wyrobisk i wzajemne oddziaływanie eksploatowanych ścian. Na pierwsze nie mamy dużego wpływu, badania ukierunkowane są w tym przypadku na poznaniu ich charakterystyk fizyczno-mechanicznych. Na drugie, czyli technologiczne, można wpływać i mimo że w polskiej literaturze górniczej w sposób znaczący przedstawione jest to zagadnienie, należy kontynuować badania i weryfikować hipotezy i teorie. W pracy przedstawiono przykłady wpływu przerw w soboty i niedziele w eksploatacji ścian w kopalni Piast na emisję energii sejsmicznej z rejonu konkretnej ściany. 2. Wybrane zagadnienia wpływu postępu ścian na zagrożenie sejsmiczne w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym sejsmiczność indukowana jest nierozerwalnie związana z eksploatacją podziemną węgla kamiennego. Ilościowo zależność ta sformułowana została w postaci wzoru [3] wytrzymałości skały [5]. Na skutek bardziej kruchego charakteru zniszczenia, następuje ono w pobliżu granicy sprężystości skały, przy małych odkształceniach pseudoplastycznych powodujących dyssypację energii sprężystej. Wzrasta przez to wartość energii kinetycznej. Natomiast wzrost wytrzymałości skał jest powodem tego, że zniszczenie skały następuje przy większych wartościach naprężeń krytycznych. W rezultacie wzrost prędkości frontu ściany powoduje wzrost zagrożenia sejsmicznego. Można jednak ten wniosek odwrócić i powiedzieć, że brak postępu ściany powoduje zmniejszenie lub zanik zagrożenia sejsmicznego. Analizę wpływu prędkości postępu wybierania na zagrożenie sejsmicznością rozpatrywano w wielu pracach naukowych. Drzęźla [3] przedstawił zasady projektowania i prowadzenia eksploatacji górniczej pod kątem ograniczenia sejsmiczności indukowanej. W kwestii wpływu prędkości postępu ściany zaleca: prędkości wybierania powinny być możliwe małe, a w przypadku zagrożenia tąpaniami również prędkości postępu robót przygotowawczych, szczególnie w strefach dużych naprężeń; postęp robót eksploatacyjnych i przygotowawczych powinien być równomierny. Szkodliwe np. jest zatrzymanie produkcji na kilka dni w końcu tygodnia, a w szczególności na dłuższy okres. Praktycznym przykładem podanym w ww. pracy jest sejsmiczność w kopalni Piast, gdzie po uruchomieniu wydobycia po dwutygodniowej przerwie nastąpił około sześciokrotny wzrost aktywności sejsmicznej (mierzony sumaryczną energią wstrząsów) w stosunku do okresu poprzedzającego (rys.1). W swojej pracy [2] opracował model tzw. fazowego mechanizmu niszczenia górotworu na wybiegu ścian. Według tego modelu w górotworze, w wyniku prowadzonych robót eksploatacyjnych, tworzone są nieciągłości, przy czym jak to wynika z badań przeprowadzonych dla różnych systemów i prędkości eksploatacji, jako pierwotne powstają nieciągłości równoległe do uwarstwienia. Miejsca inicjacji nieciągłości a = c k n gdzie: a aktywność sejsmiczna górotworu mierzona np. ilością wypromieniowanej energii sejsmicznej, k wydobycie z rozważanego obszaru (intensywność wydobycia, koncentracja), c, n parametry, gdzie n >1. Jak podkreśla Drzęźla [4] zależność ta jest wyraźna w grupie wstrząsów niżej energetycznych, natomiast w grupie wstrząsów o energii E 10 8 J nie obserwuje się tak wyraźnego związku. Fakt ten jest zbieżny z poglądami, według których najsilniejsze wstrząsy nie są spowodowane jedynie czynnikami górniczymi. Aktualnie przyjmuje się, że istnieją dwa rodzaje sejsmiczności nazywając je górniczą lub eksploatacyjną i górniczo-tektoniczną albo regionalną [7]. Sejsmiczność regionalna to wysokoenergetyczne wstrząsy, które są najbardziej niebezpieczne dla infrastruktury powierzchniowej. Wstrząsy eksploatacyjne na ogół nie stwarzają zagrożenia dla infrastruktury powierzchniowej, natomiast mogą spowodować tąpnięcie. Jednym z czynników wpływających za zagrożenie sejsmiczne jest prędkość postępu ściany. Już w 1955 roku Sałustowicz [9] sformułował wniosek, że w warunkach zagrożenia tąpaniami nie należy stosować zbyt dużego postępu frontu eksploatacyjnego, a raczej umiarkowany a nawet powolny. Wzrost prędkości eksploatacji na zagrożenie sejsmiczne można uzasadnić korzystając z wyników badań właściwości geomechanicznych skał. Wzrost prędkości frontu jest tożsamy ze wzrostem prędkości odkształcania skały, co powoduje bardziej kruchy charakter zniszczenia oraz wzrost Rys. 1. Wydobycie, liczba wstrząsów i ich sumaryczna energia w dwutygodniowych okresach przed, w czasie i po zatrzymaniu wydobycia w kopalni Piast [4] Fig. 1. Mining production, the number of tremors and their total energy in two-week periods before, during and after stopping mining in the Piast coal mine [4]

13 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 13 równoległych do uwarstwienia na wybiegu ściany występują w ściśle określonych obszarach. Odkształcenia objętościowe i postaciowe, szczególnie w strefie przegięć zespołu pierwotnie spójnych warstw, powodują powstawanie w ich przekroju naprężeń rozciągających w kierunku zbliżonym do kierunku uwarstwienia. Zasięg stref tych naprężeń w kierunku wybiegu ściany jest tym większy, im większa jest prędkość postępu ściany. Prędkość postępu ściany wpływa na przemieszczanie się fali ciśnień zgodnie z teorią Budryka [1]. Zmienne naprężenia w stropie wpływają na zagrożenie sejsmicznością indukowaną. W obszarze tym powstaje niekorzystny dla skał obszar naprężeń, gdyż przy zwiększonych pionowych naprężeniach ściskających, pojawiają się poziome naprężenia rozciągające, co stwarza korzystne warunki do powstawania wstrząsów indukowanych [5]. Obszar tych naprężeń przemieszcza się w miarę postępu ściany obejmując sukcesywnie znajdujące się dalej skały. Gdy postęp ściany zostanie zatrzymany, wówczas wzdłuż linii, na której nastąpiło zatrzymanie, nazywanej tzw. krawędzią eksploatacyjną czasową, występuje strefa zniszczenia w skałach stropowych na skutek koncentracji naprężeń. Krawędzie takie są strefami zagrożenia sejsmicznego. Wpływ struktury górotworu naruszonego robotami górniczymi na tworzenie się sekwencji wstrząsów górniczych opisuje również szeroko Marcak [6]. 3. Statystyczna analiza wpływu postępu ścian w kopalni Piast na energię sejsmiczną Przeprowadzono statystyczną analizę rozkładów sumarycznej dobowej energii sejsmicznej zarejestrowanych wstrząsów indukowanych z poszczególnych ścian w kopalni Piast w podziale na poszczególne dni tygodnia. Analizą objęto wszystkie zarejestrowane wstrząsy od energii E = 10 2 J do najsilniejszych wstrząsów o energii E = 10 8 J. Zestawiono sumaryczne, dobowe energie sejsmiczne liczone dla wszystkich poniedziałków, wtorków itd. W okresie eksploatacji konkretnej ściany. Aktualnie praca w kopalni trwa od poniedziałku do piątku, tak więc w sobotę i niedzielę praktycznie nie ma postępu ściany. Nie oznacza to, że sejsmiczność także ma wartość zerową w tych dniach, niemniej jednak wykazuje tendencję spadkową. Analizą sumarycznej energii sejsmicznej objęto 20 ścian i wszystkie wykazały ten sam trend sumarycznej energii sejsmicznej, malejący od poniedziałku do niedzieli. Poniżej przedstawiono 4 przykłady z omawianej analizy w różnych przedziałach sumarycznej sejsmiczności w podziale na dni tygodnia. Przykład 1 Analiza sejsmiczności ściany 370 obejmuje okres od roku do roku. W tym czasie wystąpiły dwa silne wysokoenergetyczne wstrząsy o energii rzędu 10 8 J i dwa o energii rzędu 10 7 J (rys. 2). Pierwszy wystąpił w piątek roku i miał energię E = J. Drugi wystąpił w środę roku i miał energię E = J. Trzeci wstrząs wystąpił w poniedziałek dnia roku i miał energię E = J. W tym samym dniu czyli roku miał miejsce jeszcze jeden wysokoenergetyczny wstrząs o nieco słabszej energii E = J. Te dwa ostatnie wstrząsy spowodowały wiele szkód w obiektach budowlanych na powierzchni terenu. Na rysunku 3 przedstawiono sumaryczną, dobową energię wstrząsów ze ściany 370 w badanym okresie w podziale na poszczególne dni tygodnia. Można zauważyć, że największą sumaryczną energię zarejestrowano w poniedziałki. Jednak w poniedziałek wystąpiły dwa silne wstrząsy w dniu roku, które można zakwalifikować do wstrząsów regionalnych o przyczynach górniczo-tektonicznych. Analiza rozkładu energetycznego bez tych silnych wstrząsów wykazała, że trend nie zmienił się. Przykład 2 Analizę zarejestrowanej sumarycznej energii wstrząsów indukowanych na skutek eksploatacji ściany 368 przeprowadzono w okresie od roku do roku (rys. 4). W analizowanym okresie wystąpiły dwa silne wysokoenergetyczne wstrząsy o energii powyżej 10 7 J (rys. 5). Jeden w dniu roku w środę o energii E = J i drugi w dniu roku we wtorek także o energii wstrząsu E = J. Analiza rozkładu sumarycznej energii wstrzą- Rys. 2. Rozkład ilościowo-energetyczny wstrząsów ze ściany 370 w okresie od roku do roku Fig.2. Quantitatively-energy distribution of tremors from the longwall 370 in the period from 17 Sept to 21 March 2011

14 14 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 3. Rozkład energii wstrząsów ze ściany 370 w okresie od roku do roku w podziale na dni tygodnia Fig. 3. The distribution of tremor energy from the longwall 370 in the period from 17 Sept to 21 March 2011 divided into days of the week Rys. 4. Rozkład ilościowo-energetyczny wstrząsów ze ściany 368 w okresie od roku do roku Fig. 4. Quantitatively-energy distribution of tremors from the longwall 368 in the period from 10 March 2011 to 21 March 2012 sów indukowanych eksploatacją ściany 368 bez powyższych silnych wstrząsów wykazała, że trend nie zmienił się. Przykład 3 Analiza sumarycznej energii sejsmicznej wstrząsów indukowanych eksploatacją ściany 432 objęła okres jej eksploatacji od roku do roku. W tym czasie nie zaobserwowano silnych wysokoenergetycznych wstrząsów, które mogły być spowodowane eksploatacją tej ściany. Największe obserwowane energie były rzędu E = 10 6 J (rys. 6). Zaobserwowano zwiększenie aktywności sejsmicznej na początku tygodnia i tendencję spadkową (trend) od poniedziałku do niedzieli (rys. 7). Przykład 4 Sejsmiczność spowodowana eksploatacją ściany 441 analizowana była w okresie od roku do roku. Nie zanotowano w tym okresie silnych wstrząsów wysokoenergetycznych. Najsilniejszy z wstrząsów był rzędu 10 5 J (rys. 8). Sumaryczna energia wstrząsów największa była w poniedziałek i wykazywała tendencję spadkową od poniedziałku do niedzieli (rys. 9). Sejsmiczność indukowana eksploatacją ściany 441 ma charakter eksploatacyjny. 4. Podsumowanie W artykule przedstawiono wnioski z analizy dobowej energii wstrząsów ze ścian kopalni Piast zsumowanej dla konkretnych dni tygodnia. Przedstawiono przykłady poszczególnych ścian o sejsmiczności energii od E = 10 2 J do E = 10 8 J. We wszystkich przypadkach zmiany energii sejsmicznej w przedziale od poniedziałku do niedzieli wykazały malejący trend liniowy. Taki trend jednoznacznie wskazuje, że brak

15 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 15 Rys. 5. Rozkład energii wstrząsów ze ściany 368 w okresie od roku do roku w podziale na dni tygodnia Fig. 5. The distribution of tremor energy from the longwall 368 in the period from 10 March 2011 to 21 March 2012 divided into days of the week Rys. 6. Rozkład ilościowo-energetyczny wstrząsów ze ściany 432 w okresie od roku do roku Fig. 6. Quantitatively-energy distribution of tremors from the longwall 432 in the period from 01 Jan to 31 Jan Rys. 7. Rozkład energii wstrząsów ze ściany 432 w okresie od roku do roku w podziale na dni tygodnia Fig. 7. The distribution of tremor energy from the longwall 432 in the period from 01 Jan to 31 Jan divided into days of the week

16 16 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Rys. 8. Rozkład ilościowo-energetyczny wstrząsów ze ściany 441 w okresie od roku do roku Fig. 8. Quantitatively-energy distribution of tremors from the longwall 441 in the period from 12 July 2006 to 31 Aug Rys. 9. Rozkład energii wstrząsów ze ściany 441 w okresie od roku do roku w podziale na dni tygodnia Fig. 9. The distribution of tremor energy from the longwall 441 in the period from 12 July 2006 to 31 Aug divided into days of the week postępu ścian w sobotę i niedzielę powoduje kumulację energii sejsmicznej w górotworze w pierwszych dniach kolejnego tygodnia. Trend ten zaburzony jest najczęściej występowaniem silnych wstrząsów typu regionalnego. Niemniej jednak ostatnie najsilniejsze wstrząsy w kopalni Piast miały miejsce w poniedziałek ( r.) (przykład 1). Przyczyny sejsmiczności w warunkach geologicznych i górniczych kopalni Piast są złożone, lecz nie można wykluczyć wpływu przestojów ścian w sobotę i niedzielę na charakterystyczne zmiany uwalnianej energii sejsmicznej w układzie tygodniowym. Podjęcie eksploatacji w poniedziałki po dwudniowych przerwach, prowadzi do wzrostu zagrożenia sejsmicznego na początku tygodnia, czego dowodzą przeprowadzone analizy. Literatura 1. Budryk W.: Teoria fali ciśnień, Kraków, Drzewiecki J.: Wpływ postępu frontu ściany na dynamikę niszczenia górotowru karbońskiego, Prace Naukowe GIG, Studia Rozprawy Monografie, nr 860, Drzęźla B.: Zasady projektowania eksplotacji pod kątem ograniczenia sejsmiczności indukowanej i deformacji górotworu, Mat. Międzynarodowej Konf. nt.: Ekologiczne aspekty podziemnej eksploatacji złóż kopalin użytecznych, Szczyrk, Wyd. GIG, 1993, Drzęźla B.: Możliwości ograniczenia sejsmiczności indukowanej w górnictwie podziemnym, Mat. Konferencji Naukowo-Technicznej: Ochrona środowiska terenów górniczych, Krynica, 1996 r., Goszcz A.: Elementy mechaniki skał oraz tąpania w polskich kopalniach węgla i miedzi. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 237, Marcak H.: Wpływ struktury górotworu naruszonego robotami górniczymi na tworzenie się sekwencji wstrząsów górniczych, Mat. Szkoły Esploat. Podz., Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, Pilecka E., Piątkowska A., Stec K., Buła Z., Pilecki Z., Król M.: Związek lineamentów z sejsmicznością indukowaną na terenach górniczych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, Pilecka E., Szermer-Zaucha R.: Analiza lokalnej tektoniki w powiązaniu z uszkodzeniami budynków wynikającymi z wystąpienia wysokoenergetycznego wstrząsu w dniu 9 lutego 2010 roku w KWK Piast. Prace Naukowe GIG nr4/2/2011, Sałustowicz A.: Mechanika Górotworu, Wyd. Śląsk, 1955.

17 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 17 Dr inż. Maria Mrówczyńska* ) UKD: (438-15): : 622.1: Badanie intensywności przebiegu deformacji powierzchni terenu Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego w latach z wykorzystaniem sieci neuronowej Hopfielda Research on the intensity of progress of terrain deformations in the Legnica-Głogów Copper Region in the years with the use of the Hopfield neural network Treść: W artykule przedstawiono stan przemieszczeń pionowych punktów kontrolowanych zlokalizowanych na obszarze Legnicko- -Głogowskiego Okręgu Miedziowego położonego w południowej części monokliny przedsudeckiej. Wykorzystane modele przemieszczeń wynikają z przyjętej metody definiowania układu odniesienia, który jest pewnym zbiorem punktów o stwierdzonej wzajemnej stałości. W związku z tym, w artykule została podjęta próba porównania jakościowych modeli przemieszczeń, uzyskanych na podstawie dwóch wariantów definiowania układu. W pierwszym podejściu została wykorzystana sieć neuronowa Hopfielda, której minimalne wartości poziomów energetycznych oraz wyniki analizy przebiegu sąsiednich trajektorii ruchu punktów za pomocą wykładników Lapunowa decydowały o potencjalnych możliwościach kwalifikacji określonych punktów do zbioru punktów stałych. Druga z zastosowanych metod wymaga identyfikacji wstępnej, która została zrealizowana za pomocą algorytmu minimalizacji sumy odchyłek absolutnych (idea przylegania obiektów [1]). W myśl zaproponowanych w artykule rozwiązań ostateczną strukturę układów odniesienia ustalono na podstawie wartości krytycznej przyrostu kwadratu normy wektora poprawek do obserwacji, a w konsekwencji sformułowano odpowiadające tym układom geometryczne modele przemieszczeń. Abstract: The article presents the state of vertical displacements of controlled points located in the Legnica-Głogów Copper Region situated in the southern part of the Fore-Sudetic monocline. The used displacement models result from the method adopted for defining a reference system as a certain set of points of ascertained reciprocal stability. In connection with this the article attempts to compare qualitative displacement models obtained on the basis of two variants defining the system. In the first approach a Hopfield neural network was used, in which the minimum values of energy levels and results of the analysis of neighbouring trajectories of the movement of points by means of the Lyapunov exponents determined the potential possibilities of including particular points into a set of stable points. The second applied method requires preliminary identification, which was carried out by means of an algorithm for the minimization of the sum of absolute deviations (the concept of object adhesion) [1]. According to the solutions suggested in the article the final structure of reference systems was determined on the basis of the critical value of the increment of the square of the norm of the vector of corrections to the observations, and then geometric displacement models corresponding to these systems were formulated. Słowa kluczowe: model przemieszczeń, sieć neuronowa Hopfielda, pomiary geodezyjne Key words: displacement model, Hopfield neural network, geodetic surveys 1. Wprowadzenie W rozpoznawaniu procesu oddziaływania eksploatacji górniczej na górotwór i powierzchnię terenu szczególne znaczenie mają wyniki pomiarów geodezyjnych. Pomiary geodezyjne dostarczają znacznej liczby danych opisujących wpływ eksploatacji na górotwór i powierzchnię, co w znacznym stopniu ułatwia wyjaśnienie procesu deformacji obiektów przemysłowych. Monitoring geodezyjny złożony z pomiarów i ich interpretacji, umożliwia sprecyzowanie wniosków na temat deformacji powierzchni terenu. Typowym objawem deformacji są przemieszczenia punktów pomiarowych zlokalizowanych na obszarze badań, spowodowane zmianą warunków gruntowo-wodnych lub wpływem eksploatacji górniczej. Określenie geometrycznego modelu przemieszczeń wynika * ) Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, z procesu identyfikacji wzajemnie stałych punktów, na których definiowany jest układ odniesienia [16]. Podejmując badania w poznawaniu procesu oddziaływania eksploatacji górniczej na deformacje powierzchni terenu poczyniono starania, aby zadanie identyfikacji zbioru punktów odniesienia jako podstawa formułowania modelu przemieszczeń było pozbawione założenia a priori o stałości wybranych punktów sieci geodezyjnej. Do oceny stabilności punktów sieci geodezyjnej pomiarowo-kontrolnej założonej w celu wyznaczenia przemieszczeń pionowych powierzchni terenu na obszarze Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego wykorzystano pojęcie elastycznego układu odniesienia. Układ zdefiniowano dwoma sposobami, a mianowicie: na podstawie dynamiki sieci neuronowej Hopfielda oraz na podstawie kryterium wartości krytycznej przyrostu kwadratu normy wektora poprawek do obserwacji. Przemieszczenia pionowe punktów badanych sieci, jako rezultaty opracowania wyników pomia-

18 18 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 rów okresowych wykonanych metodą niwelacji precyzyjnej w latach , stanowią przedmiot niniejszej pracy. 2. Budowa geologiczna obszaru badań Badaniami wpływu eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu został objęty obszar Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM) leżący w południowej części monokliny przedsudeckiej. Na podstawie badań strukturalnych w poziomie złoża miedzi i soli cechsztyńskich oraz obserwacji prowadzonych w wyrobiskach górniczych i szybach głębinowych kopalni KGHM Polska Miedź S.A. stwierdzono, że tutejsze masywy skalne dzielą się na trzy kompleksy zalegające na sobie dyskordantnie i są podzielone długimi łukami stratygraficznymi. Układ kompleksów zilustrowanych na rysunku 1, poczynając od najstarszego przedstawia się jak następuje [14]: kompleks skał krystalicznych wieku proterozoicznego oraz skał starszego paleozoiku, które stanowią podłoże monokliny, kompleks skał permo-mezozoicznych, z których została zbudowana monoklina, kompleks osadów kenozoicznych, które stanowią pokrywę monokliny. Obserwacje strukturalne w kopalni na obszarze LGOM wykazują kilka istotnych cech, które świadczą o tym, że południowa część monokliny przedsudeckiej leży w szerokiej strefie uskokowej Odry. Wyodrębniono następujące cechy: lewoskrętną rotację układu spękań w poziomie złoża miedzi w miarę przesuwania się w kierunku północnozachodnim, przesunięcia poziome na uskokach NW SE, występowanie w spągowych partiach soli cechsztyńskich spękań ekstensywnych, charakter inicjalny uskoków w spągu osadów cechsztynu. Szczegółowe informacje na temat budowy geologicznej omawianego obszaru można znaleźć w pracach [13,14]. 3. Diagnostyka sieci geodezyjnej przeznaczonej do badania przemieszczeń W celu określenia deformacji terenu, których przyczyną może być eksploatacja górnicza, należy przeprowadzić wiele prac geodezyjnych pomiarowych i obliczeniowych. Ujemny wpływ eksploatacji górniczej przejawia się najczęściej w postaci deformacji terenu, która może być opisana ilościowo i jakościowo za pomocą geometrycznych wskaźników jako wielkości mierzalnych. Jednym z podstawowych wskaźników deformacji są przemieszczenia pionowe punktów sieci geodezyjnej kontrolnej, które wyznaczone na podstawie pomiarów okresowych umożliwiają oszacowanie parametrów deformacji w zależności od warunków geologicznych. Opracowanie numeryczne sieci geodezyjnej, która zapewni wysoki poziom ufności rezultatów pomiaru, wymaga spełnienia poprawności technologicznej układu obserwacyjnego. Istotnym w tej kwestii problemem są obserwacje odstające a szczególnie takie, których błędy nieznacznie przekraczają dopuszczalne granice określone dla danej klasy pomiarów. Skutecznymi metodami identyfikacji obserwacji odstających są metody estymacji mocnych [9]. W aspekcie zastosowania tych metod istotne znaczenie mają własności funkcjonalne estymatorów mocnych (wykrycie błędu grubego), przy czym arbitralnie definiowanej funkcji celu stawia się warunek, aby była różniczkowalna (co najmniej dwukrotnie) oraz odporna na błędy grube. Modyfikacja funkcji celu metody najmniejszych kwadratów polega na przyporządkowaniu każdej obserwacji zdefiniowanej funkcji wagowej wypukłej ω[v(x)], z których najbardziej popularną dla metody najmniejszych kwadratów jest funkcja Hubera o postaci gdzie współczynnik α oznacza wartość graniczną błędów przypadkowych z założeniem ich rozkładu normalnego, ustaloną na podstawie dokładności narzędzia pomiarowego i metody pomiaru. Postać funkcji wagowej ω[v i (x)] stanowi podstawę definiowania funkcji celu (funkcji energetycznej) E(x), której pochodna w kierunku v(x) jest funkcją aktywacji, wykorzystywaną do rozwiązania układów równań liniowych za pomocą sieci neuronowej. Mając na uwadze postać funkcji wagowej (1) kwadratową funkcję celu zdefiniujemy w postaci (1) Rys. 1. Szkic budowy strukturalnej podłoża badanego obszaru deformacji LGOM (opracowanie własne) Fig. 1. Sketch of the structural form of subsoil of the area under research of the LGCR (own studies)

19 Nr 7 PRZEGLĄD GÓRNICZY 19 gdzie przy czym a ij (i =1,2,K, m), j = (1,2,K,n), (m> n) są elementami macierzy A = [a ij ] (współczynniki rzeczywiste), l i (i =1,2,K, m) to współrzędne wektora obserwacji, zaś x j (j =1,2,K, n) stanowią współrzędne wektora parametrów. Zagadnienie estymacji parametrów kwadratowej funkcji celu za pomocą sieci neuronowej jednokierunkowej oraz sieci rekurencyjnej z zastosowaniem funkcji aktywacji (2) (3). (4) sprowadza się do rozwiązania układu równań różniczkowych gdzie: η(t) = η ij (t) jest dodatnio określoną macierzą diagonalną współczynników uczenia o wymiarach n n, zaś Według Hubera, estymator wynikający z funkcji φ[vi(x)] ograniczonej przez α jest estymatorem o najmniejszej wariancji w klasie funkcji spełniających to ograniczenie (własność asymptotyczna estymatorów mocnych). Rozwiązanie układu nadokreślonego (6) jest numerycznie stabilne, ponieważ funkcja E 1 jest funkcją Lapunowa, która dla rozwiązania x(t) jest funkcją rzeczywistą klasy C 1 taką, że E 1 (0) = 0. Optymalne rozwiązanie w sensie normy l 2, które często dobrze przybliża rozwiązanie w innych normach [3] jest realizowane z założeniem, że błędy obserwacji podlegają rozkładowi normalnemu. Jeżeli błędy obserwacji podlegają rozkładowi Cauchy ego bądź w sytuacji braku dostatecznej znajomości rozkładu wektora obserwacji z możliwością występowania błędów przekraczających oszacowania prawdopodobne, optymalnym kryterium minimalizacji stanowi norma l 1. Identyfikacja obserwacji odstających w normie l 1 przebiega na podstawie zdefiniowanej funkcji wypukłej o własnościach odpornościowych postaci (7) (5) (6) gdzie η współczynnik uczenia, zaś zmodyfikowana funkcja jest funkcją aktywacji, która określa znak lewostronnej lub prawostronnej pochodnej w otoczeniu punktu x. Funkcja E 2 (x) jest bowiem funkcją ciągłą, lecz nie jest funkcją różniczkowalną względem punktu x. W zakresie problematyki wyrównania sieci geodezyjnych, metody estymacji mocnych formułowane na bazie zasady największej wiarygodności lub zasady wyboru alternatywy [9,17] mogą zawierać inne propozycje procedur oraz funkcji o własnościach odpornych. 4. Sieć neuronowa Hopfielda rozwiązująca zagadnienie definicji układu odniesienia W rozwiązywaniu problemów optymalizacyjnych wykorzystywane są sieci jednokierunkowe oraz sieci rekurencyjne (ze sprzężeniem zwrotnym). Cechą wyróżniającą sieci rekurencyjne od innych modeli sieci neuronowych jest możliwość ich zastosowania do konstruowania tzw. pamięci skojarzeniowej (asocjacyjnej), która pozwala pozyskać informacje na podstawie postaci sygnału wejściowego bez udziału fizycznego adresu. Zasadniczym przedstawicielem pamięci asocjacyjnej jest sieć Hopfielda (rys. 2), która może być opisana modelem ciągłym lub dyskretnym. W procesie uczenia sieci kształtują się obszary przyciągania (atrakcji) reprezentowane przez punkty równowagi czyli atraktory, w których sieć osiąga jeden z minimów energii jako stan równowagi stabilnej. Aby rozwiązać zagadnienie zdefiniowania układu odniesienia przyjęto analogową sieć Hopfielda, w której sygnały wyjściowe dla zastosowanej sigmoidalnej bipolarnej funkcji aktywacji, równe sygnałom wejściowym, mogą przyjmować dowolne wartości z zakresu ( 1,1). Przyjmując, że u jest sumą wagową pobudzeń, wówczas sygnał analogowy sieci jest opisany funkcją w relacji gdzie (10) (11) Na tej podstawie zdefiniowana funkcja celu (8) stanowi sformułowanie zasady minimalizacji sumy odchyleń bezwzględnych, jako naturalnej estymacji mocnej. Funkcja E 2 (x) jest nieregularna i jej minimalizacja wymaga specjalnych procedur programowania matematycznego [2] lub prostego w realizacji numerycznej algorytmu z zastosowaniem sieci neuronowych. Wykorzystując gradientową metodę optymalizacji, minimalizacja funkcji E 2 (x) wynika z rozwiązania układu równań różniczkowych (9) Rys. 2. Architektura sieci neuronowej Hopfielda (opracowanie własne) Fig. 2. The diagram of a neural network of Hopefield s type (own studies)

20 20 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2012 Istotnym pojęciem w rozwiązywaniu zagadnień optymalizacji z zastosowaniem modelu ciągłego jest funkcja energetyczna, zdefiniowana przez Hopfielda jako funkcja Lapunowa w postaci W= gdzie (12) jest funkcją odwrotną bipolarnej funkcji aktywacji f(u) = tgh(βu) z parametrem β dobieranym przez użytkownika. Minimalizacja funkcji energetycznej (12) stanowi zakończenie procesu dopasowania wektora wejściowego do jednego z wektorów pamięci autoasocjacyjnej (atraktora), w którym funkcja energetyczna (12) osiąga minimum lokalne. W dążeniu do identyfikacji zbioru punktów odniesienia będziemy dalej rozpatrywali dynamikę sieci w pobliżu atraktora. Oznaczając atraktor przez u i *, zaś aktualny punkt pracy sieci przez u i w dowolnie bliskim otoczeniu δ i atraktora, napiszemy oraz dx Na podstawie wzoru Taylora będziemy mieli Równanie sieci w stanie ustalonym przyjmie postać (13) (14) (15) (16) Rozwiązanie równania liniowego (20) przebiega według funkcji wykładniczej w czasie teoretycznie t i wymaga znajomości atraktorów systemu oraz deklaracji wartości δ, zależnej od dokładności pomiaru zmian różnic wysokości. Atraktory są jednym z najbardziej ważnych pojęć, które umożliwiają określenie charakterystyki trajektorii fazowej, czyli linii łączącej punkty odpowiadające kolejnym stanom sieci podczas ewolucji czasowej. Pojęcie atraktora należy kojarzyć z obszarem (przestrzeń fazowa), do którego dąży rozwiązanie układu równań (19). Przy pewnych warunkach początkowych, trajektoria fazowa wchodzi w obszar atraktora i tam pozostaje. Można więc skonstatować, że znajomość atraktora stwarza możliwość określenia rodzaju ewolucji czasowej układu dynamicznego, przy czym istotne jest rozpoznanie, czy układ ewoluuje chaotycznie. Jeżeli ruch jest ruchem regularnym oraz atraktory są atraktorami punktowymi, którym odpowiadają wzorce zapamiętane w sieci, wówczas sąsiednie trajektorie zbiegają się asymptotycznie. Zachowanie sąsiednich trajektorii można opisać za pomocą wykładników Lapunowa na podstawie wzoru (21) Wykładniki Lapunowa są miarą wrażliwości na warunki początkowe. Zakładając, że dwie sąsiednie trajektorie w postaci zmian różnic wysokości Δh 1 (t) i Δh 2 (t) początkowo odległe o ε, po upływie czasu t będą odległe o εe λ1t, gdzie λ 1 jest maksymalnym wykładnikiem Lapunowa (rys. 3), rozbieżność trajektorii można opisać zależnością Stan dynamiczny sieci ciągły w czasie (sieć analogowa) może zostać alternatywnie opisany równaniem różniczkowym (17) skąd (22) (23) gdzie τ oznacza stałą czasową procesu adaptacyjnego, zaś u jest zmienną w postaci sygnału sumacyjnego. Dalej na podstawie wzoru (15) otrzymujemy (18) gdzie wyrażenie w nawiasach kwadratowych wynosi zero (porównaj wzór (16)). Teraz uwzględniając zależność (17) uzyskamy ostateczną postać równania dynamicznego sieci zlinearyzowanej w relacji (19) Trajektorie są zbieżne a atraktor punktowy występuje tylko wtedy, gdy wszystkie wykładniki Lapunowa λ i są ujemne. W przypadku gdy wykładniki są zerowe i ujemne ruch jest ruchem quasi-okresowym, natomiast gdy chociaż jeden wykładnik jest dodatni mamy do czynienia z ruchem chaotycznym. Dotychczasowe rozważania prowadzą do wniosku, że stabilność punktów zostanie zachowana, jeżeli: sąsiednie trajektorie ruchu punktów zbiegają się asymptotycznie, zaś wszystkie wykładniki Lapunowa są ujemne (atraktor punktowy); liczba ewolucji czasowych układu zlinearyzowanego w dojściu do atraktora jest minimalna. Postać zwarta (macierzowa) powyższego układu równań różniczkowych przedstawia się następująco (20) gdzie: T=diag [τ 1, τ 2,...,τ n ], G=diag [f u ) 1 ), f u ) 2 ),... f u ) 1 )(u n )], δ = [δ 1,δ 2,..., δ n ] T, zaś Rys. 3. Odległość trajektorii w czasie (opracowanie własne) Fig. 3. The distance of a trajectory in time (own studies)