Analiza efektywności rejestracji przyspieszeń drgań gruntu w Radlinie Głożynach

Transkrypt

1 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Piotr KALETA, Tadeusz KABZA Kompania Węglowa S. A., Kopalnia Węgla Kamiennego Rydułtowy-Anna Ruch II, Pszów Analiza efektywności rejestracji przyspieszeń drgań gruntu w Radlinie Głożynach Streszczenie Przedstawiono wyniki analizy zarejestrowanych przyspieszeń drgań gruntu na stanowisku pomiarowym w Radlinie Głożynach. Analizę wykonano pod kątem efektywności rejestracji wstrząsów indukowanych aktualną i projektowaną eksploatacją w KWK Rydułtowy-Anna. 1. Wprowadzenie Wstrząsy górotworu są efektem procesów dynamicznych. Źródło drgań nie jest punktem, lecz posiada wymiar przestrzenny, nieraz od kilkudziesięciu do kilkuset metrów. Procesy dynamiczne są zawsze źródłem emisji fal sejsmicznych. Wielkość rejestrowanego przyspieszenia drgań cząstek ośrodka zależy głównie od energii wstrząsu, odległości epicentralnej oraz budowy geologicznej tego ośrodka. Szersze omówienie tego zagadnienia można znaleźć w pracach m. in.: Cianciary (1998), Dubińskiego i Mutkego (2001), Mutkego i in. (2002), Lasockiego i Olszewskiej (2003). Od 2000 r. kopalnia prowadzi na powierzchni pomiary przyspieszeń drgań gruntu wywołanych wstrząsami górniczymi. Pojedyncze stanowisko pomiarowe zostało zainstalowane przy ulicy Rymera w Radlinie Głożynach, w geometrycznym centrum aktualnej i projektowanej eksploatacji górniczej. Stanowisko aparatury AMAX-99 z jednym trójskładowym czujnikiem zainstalowane jest w gruncie na podłożu betonowym. W pracy przedstawiono wyniki analizy efektywności rejestracji wielkości przyspieszenia drgań gruntu. 2. Prognoza zagrożenia sejsmicznego Prognoza aktywności sejsmicznej jest jednym z ważniejszych zagadnień przy projektowaniu eksploatacji górniczej. W warunkach kopalnianych dla wyznaczenia prognozy wykorzystywane są głównie metody analityczne oparte na pomiarach geofizycznych. Ocenę stanu zagrożenia sejsmicznego projektowanych robót eksploatacyjnych przez kopalnię przeprowadzono w pracach o charakterze dokumentacyjnym (Dokumentacje ). Prognozowane maksymalne energie wstrząsów górotworu, mogących zaistnieć podczas eksploatacji poszczególnych pokładów wskazują, że największe wstrząsy mogą być generowane przez warstwę piaskowca zameckiego o grubości do 70 m, zalegającą w stropie pokładu 629/ 1. Wielkość prognozowanych, maksymalnych energii wstrząsów jest zmienna 349

2 P. KALETA, T. KABZA Analiza rejestracji przyspieszeń drgań gruntu... i dla poszczególnych pokładów przedstawia się następująco: 630/ 2 od 8,5x10 4 3,9x10 6 J, 703/ 1-2 od 1,1x10 5 4,4x10 6 J, 707/ 1-2 od 9,2x10 4 7,4x10 6 J, 713/ 1-2 od 1,2x10 5 8,8x10 6 J, 718/ 1-2 od 1,2x10 5 4,1x10 5 J. Wykonane analizy statystyczne wskazują, że średnie czasy powrotu wstrząsów wysokoenergetycznych dla projektowanej eksploatacji wynoszą: dla energii od 1x10 6 J do 1x dni, dla energii 1x10 7 J i większej 1630 dni. Opracowano również prognozę oddziaływania wstrząsów górniczych na obiekty powierzchniowe w latach (Dokumentacja ). W aspekcie tej prognozy maksymalne amplitudy przyspieszenia (PGA) w analizowanym obszarze osiągać będą wartości mieszczące się w przedziale od 120 do 330 mm/s 2. Wartości te prognozowane są w północno-wschodnim narożu obszaru górniczego KWK Anna w rejonie planowanej eksploatacji podziemnej, gdzie współczynnik amplifikacji jest najwyższy i wynosi 1,6. Na całej pozostałej powierzchni obszaru górniczego wpływy wstrząsów będą znacznie mniejsze, dla których przyśpieszenia nie przekraczają wartości 120 mm/s 2, przy czym na większości powierzchni tego obszaru nie będą przekraczać nawet poziomu 50 mm/s 2. Oznacza to, że wpływ wstrząsów na obiekty na powierzchni jest niewielki. 3. Analiza efektywności rejestracji przyspieszenia drgań gruntu Zagadnienia projektowania konstrukcji budowlanych na obszarach zagrożonych wstrząsami górniczymi wymagają znajomości charakterystyk wymuszenia kinematycznego na obiekt, zgodnych z normami budowlanymi. Wyróżnia się pośrednie metody opisu drgań wymuszających (oparte na zależnościach empirycznych) oraz bezpośrednie polegające na pomiarze drgań w terenie. Przyjmuje się, że najlepszą miarą drgań ośrodka jest pomiar wielkości ich przyspieszenia. Analizę efektywności rejestracji dokonano w oparciu o posiadane od 2000 r. dane wielkości przyspieszenia. W okresie tym zarejestrowano około 440 wstrząsów pochodzących z obszaru górniczego KWK Anna, KWK Rydułtowy i KWK Marcel, z czego; 6 o energii rzędu 10 7 J, 67 o energii rzędu 10 6 J, 137 o energii rzędu 10 5 J, 132 o energii rzędu 10 4 J, 93 o energii rzędu 10 3 J i 7 o energii rzędu 10 2 J. Powyższe dane zostały zarejestrowane na trójskładowym stanowiska pomiarowym. W pierwszej kolejności zestawiono ilości zarejestrowanych wstrząsów z ilością zarejestrowanych wielkości przyspieszenia w tych samych rejonach (rys. 3.1). Poziom pomierzonych wielkości przyspieszeń przedstawiono na wykresie ich maksymalnych wielkości, w przedziałach energetycznych wstrząsów wywołujących te przyspieszenia (rys. 3.2). W następnej kolejności obliczono ilość zarejestrowanych wstrząsów w funkcji odległości od stanowiska pomiarowego, w przedziałach 200 m i w klasach energetycznych. Wyniki tych obliczeń zestawiono w postaci wykresu (rys. 3.3) oraz na poglądowej mapie powierzchni obszaru górniczego (rys. 3.4). Na rysunku 3.1. przedstawiono rozkład ilościowy zarejestrowanych zjawisk w porównaniu z ilością wstrząsów rejestrowanych przez sieć sejsmometryczną na dole kopalni. Jak wynika z wykresu, wszystkie wstrząsy o energii większej lub równej 10 6 J zostały zarejestrowane na stanowisku powierzchniowym. W analizowanych rejonach rejestrowana jest także większość 350

3 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie wstrząsów o energiach rzędu 10 5 J. Ilość rejestracji dla wstrząsów o energiach mniejszych lub równych 10 4 J maleje w zależności od energii i odległości epicentralnej. Ilość zarejestrowanych wstrząsów ,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 Rząd energii [J] na dole kopalni na powierzchni (przyśpieszenia) Rys Rozkład ilościowy zarejestrowanych wstrząsów i przyspieszeń w poszczególnych rzędach energii sejsmicznej Fig The quantitative distribution of registered shocks and accelerations selected by seismic energy Wielkość maksymalnych amplitud rejestrowanych przyspieszeń przedstawiono na rysunku 3.2. Maksymalne przyspieszenie [mm/s 2 ] ,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 Rząd energii [J] Rys Maksymalne zarejestrowane (w skali MSK) przyspieszenia w poszczególnych rzędach energii sejsmicznej Fig Maximal registered (the MSK in scale) the acceleration selected by seismic energy Należy zaznaczyć, że maksymalne wartości pomierzone mogą być różne od wartości maksymalnych w epicentrum lub w obszarze o wyższym współczynniku amplifikacji. Stanowisko pomiarowe zainstalowane jest w miejscu gdzie współczynnik amplifikacji ma wartość 1,4 natomiast jego maksymalne wartości 1,6 występują w północno-wschodnim narożniku obszaru górniczego Pszów i na północ od niego tj. w obszarze górniczym Rydułtowy. Do obliczeń maksymalnych amplitud poza punktem pomiarowym zastosowano wzór empiryczny Mutkego (1991). Na podstawie tego wzoru dla wszystkich dotychczas zarejestrowanych wstrząsów obliczono maksymalną wartość przyspieszenia, która wynosi 330 mm/s 2. Wynik tych obliczeń jest zgodny z dotychczasową prognozą wykonaną metodą pośrednią. 351

4 P. KALETA, T. KABZA Analiza rejestracji przyspieszeń drgań gruntu... W celu określenia zasięgu skutecznej rejestracji wstrząsów, zsumowano ilości rejestrowanych przyspieszeń w 200 m odcinkach odległości epicentrum wstrząsu od stanowiska pomiarowego dla poszczególnych przedziałów energii wstrząsów (rys. 3.3). Ilości te przedstawiono w stosunku do ilości rejestrowanych wstrząsów przez sieć sejsmometryczną na dole kopalni. Ilość zarejestrowanych wstrząsow [% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Odległość epicentrum wstrząsu od stanowiska pomiarowego [ ^2 10^3 10^4 10^5 10^6 10^7 Rys Udział procentowy ilości rejestracji przyspieszeń w stosunku do ilości wstrząsów, w przedziałach odległości epicentrum od stanowiska pomiarowego, dla poszczególnych rzędów energii Fig Percentage the number of registration of accelerations in relation to number of shocks, in intervals of distance epicentre from measuring station selected by seismic energy Na podstawie zestawienia określono krytyczne odległości rejestracji przyspieszeń w poszczególnych klasach energetycznych wstrząsów. Spadek ilości rejestrowanych przyspieszeń w stosunku do ilości wstrząsów, począwszy od pewnej odległości krytycznej, spowodowany jest przede wszystkim procesami tłumienia i geometrycznego rozchodzenia się fali sejsmicznej w warunkach budowy geologicznej górotworu. Wpływ na ilość rejestracji mogą mieć też takie czynniki jak, charakter mechanizmu ogniska wstrząsu oraz związana z nim kierunkowość propagacji fal sejsmicznych. W wyniku tej analizy otrzymano informacje o efektywności rejestracji drgań na stanowisku pomiarowym dla konkretnych warunków. Odległości krytyczne dla określonych przedziałów energetycznych przedstawiają się następująco: J wszystkie rejestracje do 4400 m (poza tą odległością w najbliższym sąsiedztwie nie jest prowadzona eksploatacja indukująca wstrząsy wysokoenergetyczne), J wszystkie rejestracje do 2800 m, częściowa rejestracja do 4800 m, J wszystkie rejestracje do 1000 m, częściowa rejestracja do 3800 m, J częściowa rejestracja do 2000 m, J częściowa rejestracja do 1200 m, J częściowa rejestracja do 600 m. Wyniki oszacowania tych odległości przedstawiono na poglądowej mapie powierzchni obszaru górniczego, na którym zaznaczono obszar prowadzonej i projektowanej eksploatacji górniczej (rys. 3.4). 352

5 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie ^7 J RYDUŁTOWY RYBNIK O.G. RYDUŁTOWY ^5 J RADLIN Szyb Chrobry I Szyb Chrobry II Szyb Jan 10^6 J O.G. PSZÓW AMAX-99 10^5 J Głożyny 10^2 J O.G. RADLIN PSZÓW LEGENDA stanowisko pomiarowe AMAX-99 obszar prowadzonej i projektowanej eksploatacji zasięg wszystkich rejestracji dla poszczególnych rzędów energii zasięg częściowej rejestracji dla poszczególnych rzędów energii WODZISŁAW ŚLĄSKI Radlin II ^3 J 10^4 J Rys Zasięg efektywnej rejestracji wstrząsów dla poszczególnych rzędów energii Fig The range of effective registration of shocks selected by seismic energy Z rysunku wynika, że umiejscowienie stanowiska pomiarowego w stosunku do prowadzonej i projektowanej eksploatacji górniczej z punktu widzenia efektywności rejestracji przyspieszeń jest możliwie optymalne. Pomiar na omawianym stanowisku umożliwia rejestracje wszystkich wstrząsów o energii większej lub równej 10 6 J oraz większość wstrząsów o energii 10 5 J. Dokonana analiza może być pomocna przy projektowaniu sieci pomiarowej na powierzchni terenu górniczego. W warunkach koncentracji eksploatacji podziemnej na małej powierzchni, jednopunktowe stanowisko pomiarowe, umieszczone optymalnie, pozwala na rejestrację istotnych wartości przyspieszeń. Tym niemniej dla pełnego obrazu rozkładu wielkości przyspieszenia cząstek gruntu na powierzchni zastosowanie większej ilości stanowisk z pewnością jest korzystniejsze. Instalacja kolejnych stanowisk sejsmometrycznych i organizacja sieci pomiarowej w dostosowaniu do warunków rejestracji pozwoliłaby również na opracowanie zależności empirycznych, z uwzględnieniem procesów losowych w rejestracji zjawisk i mogłaby służyć dokładniejszej prognozie wpływów eksploatacji górniczej na obiekty powierzchniowe. 4. Wnioski 1. Umiejscowienie stanowiska pomiarowego w odniesieniu do aktualnie prowadzonej i projektowanej eksploatacji górniczej z punktu widzenia efektywności rejestracji przyspieszeń jest możliwie optymalne. Istotne w aspekcie ochrony powierzchni 353

6 P. KALETA, T. KABZA Analiza rejestracji przyspieszeń drgań gruntu... przyspieszenia rejestrowane są w 100% dla obszaru objętego wpływami wstrząsów górniczych. 2. Pomiar umożliwia rejestrację przyspieszeń dla wszystkich wstrząsów o energii rzędu 10 7 J lokalizowanych w obszarze kopalni i kopalń sąsiadujących. Dla wstrząsów o energii rzędu 10 6 J odległość krytyczna wynosi około 2800 m, a dla wstrząsów o energii rzędu 10 5 J około 1000 m. 3. Wyniki przedstawionej analizy mogą być wykorzystane przy projektowaniu sieci pomiarowej na powierzchni terenu górniczego. Optymalne umieszczenie stanowisk pomiarowych jest istotne dla prawidłowej oceny losowych zjawisk sejsmicznych. Literatura [1] Mutke G. 1991: Metoda prognozowania parametrów drgań podłoża generowanych wstrząsami górniczymi w obszarze GZW. Rozprawa doktorska, Główny Instytut Górnictwa, Katowice. [2] Cianciara B. 1998: Wybrane zagadnienia oddziaływania wstrząsów górniczych na powierzchnię ziemi. Mat. Konf. Warsztaty 1998 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [3] Dokumentacja pt.: Projekt techniczny (tzw. kompleksowy) eksploatacji pokładów zagrożonych tąpaniami w KWK Anna na lata Politechnika Śląska, Gliwice, 2000, (niepublikowane). [4] Dokumentacja pt.: Optymalizacja sieci sejsmologicznej dla obszaru górniczego KWK Anna. Agencja informacyjna INFO - ZEW, Katowice, 2000, (niepublikowane). [5] Dubiński J, Mutke G. 2001: Ocena oddziaływania wstrząsów górniczych na powierzchnię. Badania geofizyczne w kopalniach, red. J. Dubiński, Z. Pilecki, W. M. Zuberek, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [6] Dokumentacja pt.: Prognoza oddziaływania wstrząsów górniczych na obiekty powierzchniowe na terenie górniczym kopalni Anna. Drzęźla B. i in., Gliwice, 2002, (niepublikowane). [7] Mutke G., Kubek E., Grycman J, Kabza T. 2002: Analiza rejestracji przyspieszeń drgań gruntu wywołanych wstrząsami w kopalni Anna. Mat. Konf. Warsztaty nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie. Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [8] Lasocki. S., Olszewska D. 2003: Wpływ niejednorodnych efektów lokalnych na dokładność prognozy rozprzestrzeniania się drgań przykład z terenu miasta Polkowice. Mat. Konf. Warsztaty 2003 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, Analysis of effectiveness registration of ground vibrations accelerations in Radlin Głożyny The analysis results registration accelerations of ground vibrations on Radlin Głożyny measuring station were presented. This analysis was executed under angle of effectiveness and range of registration of tremors induced by current and projected exploitation in the "Rydułtowy - Anna mine. Przekazano: 25 marca 2004 r. 354