Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu na wynik określania energii sejsmicznej wstrząsów

Transkrypt

1 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Grzegorz MUTKE*, Adam MIREK** * Główny Instytut Górnictwa, Katowice ** Wyższy Urząd Górniczy, Katowice Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu na wynik określania energii sejsmicznej wstrząsów Streszczenie Zasadniczą częścią kopalnianych sieci sejsmologicznych wpływającą na określenie wielkości drgań górotworu wywołanych wstrząsami są sejsmometry. Do poprawnego wyznaczenia energii sejsmicznej wstrząsu i innych jego parametrów charakteryzujących ognisko, niezbędna jest wiarygodna informacja o rzeczywistych amplitudach drgań podłoża. W kopalni Bełchatów oraz w polskich kopalniach węgla kamiennego, powszechnie stosowane są sejsmometry SPI-70. Niestety, sejsmometry te tracą swoją pierwotną charakterystykę z czasem ich eksploatacji, co może być źródłem błędnego określania amplitud prędkości drgań podłoża. W takim przypadku obliczenia energii sejsmicznej byłyby błędne, gdyby sejsmometry SPI-70 nie były remontowane co pewien czas. Drugim czynnikiem mającym duży wpływ na wiarygodne określenie energii sejsmicznej wstrząsu jest prawidłowe zamontowanie sejsmometru na podłożu i uwzględnienie w obliczeniach rodzaju tego podłoża. Aby poprawnie obliczać energię sejsmiczną przy wykorzystaniu sejsmometrów SPI-70, niezbędne jest ich systematyczne sprawdzanie i wyznaczanie kalibracji, co najmniej raz na dwa lata, a w razie stwierdzenia nieprawidłowych wskazań należy poddać je naprawie. W polskim górnictwie stosowane są również dużo bardziej stabilne i mniej zawodne technicznie sejsmometry Willmore a MK-II i MK-III (Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna GIG i zakłady górnicze KGHM) oraz odpowiednie sondy geofonowe przystosowane do pomiarów sejsmologicznych. 1. Wpływ sejsmometru na parametry do wyznaczania energii sejsmicznej wstrząsów górniczych W polskich kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Weglowego, LGOM oraz KWB Bełchatów jednym z podstawowych parametrów oceny zagrożenia sejsmicznego jest energia sejsmiczna wstrząsów. Energia ta jest obliczana według algorytmów, które wykorzystują amplitudy prędkości drgań oraz czas trwania fal bezpośrednich. Parametry te rejestrowane są przez lokalne kopalniane sieci sejsmologiczne, przy czym zasadniczym urządzeniem sieci sejsmologicznych, które bezpośrednio odzwierciedlają wartości tych parametrów są sejsmometry. Sejsmometry poruszając się zgodnie z ruchem podłoża, zamieniają go na wielkość napięcia elektrycznego proporcjonalnego do amplitudy prędkości drgań i przesyłają je dalej torami transmisji do rejestratora. Jeśli sejsmometr jest wykalibrowany i pracuje zgodnie z pierwotnymi parametrami, to na rejestratorze otrzymujemy wiarygodne rzeczywiste amplitudy drgań podłoża i możemy poprawnie wyznaczyć energię sejsmiczną wstrząsu. W kopalni Bełchatów oraz w polskich kopalniach węgla kamiennego, powszechnie stosowane są sejsmo- 403

2 G. MUTKE, A. MIREK Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu... metry SPI-70. Sejsmometry te nie są najwyższej klasy i tracą swoją pierwotną charakterystykę z czasem ich eksploatacji, co może być źródłem błędnego określania amplitud prędkości drgań podłoża. Dlatego bardzo ważne jest okresowe sprawdzanie stanu technicznego sejsmometrów, szczególnie typu SPI-70, i wykonywanie przynajmniej raz na dwa lata lub nawet co rok ich kalibracji. Dopiero wówczas możemy być pewni, że wyznaczana energia sejsmiczna nie jest błędna z powodu mierników drgań nie w pełni sprawnych technicznie. Należy pamiętać, że energia sejsmiczna jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy prędkości drgań, co oznacza że dwukrotny błąd w wyznaczeniu tej amplitudy powoduje czterokrotny błąd w wyznaczonej energii sejsmicznej. Innym parametrem mającym wpływ na wyznaczoną energię sejsmiczną ma czas trwania grupy fal bezpośrednich, które zaznaczamy na sejsmogramie przed rozpoczęciem procesu obliczania energii [2,3,7,8]. Również i w tym przypadku tylko sprawny sejsmometr i właściwie tłumiony może zapewnić prawidłowy odczyt. 2. Charakterystyki sejsmometru SPI-70 Szczególnie w kopalniach głębinowych, sejsmometry często pracują w bardzo trudnych warunkach (temperatura, wilgoć, zapylenie itp). Niestety, sejsmometry SPI-70 ze względu na swoją nieszczelną obudowę są bardzo podatne na działanie zewnętrznych warunków atmosferycznych. Powietrze o dużej zawartości wilgotności i pyłów penetrując obudowę sejsmometru systematycznie niszczy jego mechanizmy wewnętrzne. Uszkodzeniu ulegają głównie: cewka, lamelki (zawiesia masy magnetycznej), sprężyna, magnes i okablowanie. Zwarta cewka powoduje wzrost tłumienia masy sejsmicznej sejsmometru i spadek jego czułości. Charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa dla niskich częstotliwości jest wtedy zaniżona tj. niskie częstotliwości są gorzej przenoszone. Naderwane lamelki osłabiają zawieszenie masy magnetycznej w wyniku czego, podczas rejestracji drgań górotworu, w zapisach pojawiają się dodatkowe rezonanse boczne. Wraz z upływem czasu i pracy w trudnych warunkach klimatycznych następuje osłabienie pola magnetycznego w szczelinie magnesu. Osłabienie pola magnetycznego w szczelinie powoduje osłabienie czułości sejsmometru, a także jego niedotłumienie. Objawa się ono tym, że w zapisach sejsmicznych pojawia się częstotliwość rezonansowa wahadła. Im bardziej czułość spada tym większy jest udział tych częstotliwości w sygnale wyjściowym (rys. 2.3). Należy przyjąć (w wyniku obserwacji praktycznych), że sejsmometr SPI-70 ze stażem pracy około 10 lat traci na swojej czułości około 40%. Wartość ta może być większa lub mniejsza zależnie od tego w jakich warunkach sejsmometr był eksploatowany, a także od dobroci materiału z jakiego wykonany jest rdzeń magnesu. Pod tym względem zdecydowanie lepszy okazuje się być sejsmometr Willmor MK-II i MK-III, stosowany w kopalniach miedzi oraz w Górnośląskiej Regionalnej Sieci Sejsmologicznej GIG (GRSS GIG). Wyjaśnienie przyczyny ewentualnych błędnych wskazań sejsmometru SPI-70 przedstawiono na rysunkach. Na rysunku 2.1. widoczne są typowe drgania wejściowe na sejsmometr wywołane wstrząsem górotworu. Sygnał wyjściowy z sejsmometru na drgania z rysunku 2.1. pokazano na kolejnych dwóch rysunkach. Na rysunku 2.2 widoczny jest prawidłowy obraz przebiegu czasowego. Sejsmometr jest sprawny technicznie (współczynnik elektromechaniczny wynosi P = 150 Vs/m dla częstotliwości powyżej 1 Hz a poniżej 1 Hz nie są zauważalne rezonanse) i tłumienie sejsmometru jest optymalne D = 0,7. Sygnał napięciowy na wyjściu U = 0,09 V pomnożony przez współczynnik wzmocnienia daje rzeczywiste wielkości amplitud wejściowych i nie zauważa się sztucznie wytworzonych drgań rezonansowych w ogonie tego zapisu. Natomiast 404

3 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie na rysunku 2.3 widoczne są rezonanse na niskich częstotliwościach (jest to wpływ zbyt niskiego tłumienia sejsmometru) oraz czterokrotnie mniejszy sygnał wyjściowy, U = 0,023 V (wywołany rozmagnesowaniem cewek w sejsmometrze). W efekcie taka rejestracja może dać błędną informację o amplitudzie drgań podłoża, w tym przypadku czterokrotnie mniejszą od rzeczywistej, a dodatkowo w zapisie widoczne są długo ciągnące się drgania niskoczęstotliwościowe (może to być przyczyną wybrania zbyt długiego odcinka sejsmogramu do obliczania energii sejsmicznej). Rys Sygnał wejściowy na sejsmometr (amplitudy prędkości drgań podłoża m/s) Fig Amplitude velocity input function for SPI-70 seismometer Rys Charakterystyka poprawnie działającego sejsmometru SPI-70 rysunek górny oraz sygnał wyjściowy (poprawny pod względem amplitudy) Fig Frequency response function for SPI-70 seismometer (upper figure) and amplitude response function for SPI-70 seismometer in good efficiency 405

4 G. MUTKE, A. MIREK Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu... Rys Charakterystyka niesprawnie działającego sejsmometru SPI-70 rysunek górny (mały współczynnik elektromechaniczny oraz pik rezonansowy na częstotliwości około 0,8 Hz) oraz sygnał wyjściowy o amplitudzie zaniżonej około 4-krotnie w stosunku do wejściowego (na częstotliwości piku rezonansowego rejestrują się w ogonie sejsmogramu szumy niskoczęstotliwościowe) Fig Frequency and amplitude response functions for SPI-70 seismometr in bad efficiency (to small damping factor and to highe resonance at 0,8 Hz). We can see also long tail at low resonance frequency noise (bottom figure) Czterokrotne zaniżenie amplitud prędkości drgań wyjściowych spowoduje szesnastokrotny błąd w obliczanej energii sejsmicznej. Na przykładzie przedstawiono przypadek dość skrajny, ale możliwy do zaistnienia w praktyce, o ile sejsmometr SPI-70 nie będzie odpowiednio często sprawdzany i remontowany. Opisane przypadki podatności na błędne działanie sejsmometru SPI-70 biorą się z niedoskonałości jego konstrukcji i nie najlepszych materiałów użytych do jego budowy. Dużo stabilniejsze są sejsmometry Willmore MK-III i MK-II, stosowane w zagłębiu miedziowym i w GRSS GIG. Sejsmometry te pracują nieprzerwanie w GRSS GIG od roku 1975 i do tej pory nie uległy rozmagnesowaniu ani nie straciły swoich pierwotnych parametrów z przyczyn warunków atmosferycznych. Obecnie wchodzą również specjalnie przystosowane do sejsmologii, sondy geofonowe niskoczęstotliwościowe (1 Hz), mające podobną charakterystykę przenoszenia sygnału co sejsmometry. Sondy te są odporne na czynniki zewnętrzne i dodatkowo łatwiejsze w montażu. Przykładem takiej sondy jest sonda DML-2001 w wersji jedno- lub trójskładowej, która może zastąpić w praktyce sejsmometr krótkookresowy. Sonda ta nie wymaga przy montażu, budowy specjalnych komór i można ją bardzo łatwo przemieszczać w miarę rozwoju frontu eksploatacyjnego. 406

5 WARSZTATY 2004 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 3. Wpływ posadowienia sejsmometru na parametry drgań podłoża Drugim elementem mającym wpływ na parametry do wyznaczania energii sejsmicznej jest prawidłowe posadowienie sejsmometru na odpowiednim podłożu [1, 3, 4, 6]. Amplitudy prędkości drgań od tego samego wstrząsu są różne w zależności od budowy geologicznej podłoża na którym sejsmometr jest posadowiony. Z reguły sejsmometry posadowione na słabszych i bardziej spękanych skałach (np. w pokładzie węgla), rejestrują inne amplitudy drgań niż sejsmometry posadowione na twardej skale [5]. Wyznaczenie energii sejsmicznej jest związane z amplitudami drgań i własnościami skał w miejscu rejestracji, czyli w miejscu posadowienia sejsmometru. Prawidłowe obliczenia uzyskuje się dla rejestracji na twardej skale. Posadowienie sejsmometru na innym podłożu, dającym odmienne wielkości rejestrowanych amplitud (tzw. zjawisko amplifikacja drgań), musi być uwzględnione w procesie obliczania energii wstrząsu przez wprowadzenie tzw. współczynnika podłoża. Niestety ten element nie jest z reguły uwzględniany w procesie obliczeniowym, co ma wpływ na ilościowe oznaczenie energii niektórych wstrząsów. Nie należy również zapominać o prawidłowym ustawieniu sejsmometru w poziomie. Zbyt duże odchylenie sejsmometru od poziomu powoduje odchylenie wahadła od poziomu linii zerowej. Zmiana ta często pociąga za sobą zmianę czułości sejsmometru i tłumienia, co wpływa na wielkość rejestrowanej amplitudy drgań. 4. Podsumowanie W artykule opisano szereg czynników mogących wpłynąć na błędne rejestracje drgań podłoża przez sejsmometry. Szczególnie czułe na powstanie takich błędów są sejsmometry SPI-70, zbudowane z nie najlepszych materiałów. Sejsmometry te są dość powszechnie stosowane w polskich kopalniach węgla kamiennego i w KWB Bełchatów. Jedynym sposobem uniknięcia błędów pomiarowych jest systematyczne sprawdzanie sprawności technicznej sejsmometrów SPI-70, ich bieżące remonty oraz częste wykonywanie kalibracji. Tylko w takim przypadku można mieć pewność, że nie popełnimy błędów przy wyznaczaniu energii sejsmicznej wstrząsów górotworu. Dużo bardziej stabilne i niezawodne technicznie są sejsmometry Willmore MK-III i MK-II stosowane w zagłębiu miedziowym i w GRSS GIG. Nową jakość w kopalnianych sieciach sejsmologicznych mogą wnieść specjalistyczne niskoczęstotliwościowe sondy geofonowe, które w przyszłości mogą zastępować drogie i uciążliwe w utrzymaniu sejsmometry SPI-70. Literatura [1] Aki K., Richards P. G. 1980: Quantitative Seismology Theory and Methods. vol. 1, 2, W. H. Freeman and Co., San Francisco. [2] Dubiński J. 1995: Poradnik Geofizyka, Sejsmologia. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, nr. 8. [3] Dubiński J., Wierzchowska Z. 1973: Metody obliczeń wstrząsów górotworu na górnym Śląsku. Komunikat GIG nr. 591, Katowice. [4] Dubiński J. and Mutke G. 1996: Characteristics of mining tremors within the near-wave field zone., Pageoph., Vol. 147, No.2, [5] Dubiński J., Mutke G., Lurka A. i Siata R. 1996: Wpływ spękanego pokładu węglowego na amplitudy prędkości drgań i przyrost naprężeń dynamicznych. Prace Naukowe GIG, seria konferencje, nr. 16, Katowice. [6] Gibowicz S. J. and Kijko A 1994: An Introduction to Mining Seismology. Academic Press, New York. 407

6 G. MUTKE, A. MIREK Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu... [7] Mutke G. 2001: Empiryczna ocena maksymalnych prędkości drgań (PPV) wywołanych wstrząsami na wyrobiska górnicze w kopalniach węgla kamiennego GZW, W: Materiały Konferencyjne: Tąpania 2001: Miary oceny stanu zagrożenia tąpaniami i skuteczności profilaktyki, Prace Naukowe GIG, s. Konferencje N o 39, [8] Stec K. 2001: Metody obliczania energii sejsmicznej rozwój metod i stan aktualny. W: Badania geofizyczne w kopalniach, Wyd. IGSMiE PAN Kraków. Influence of the seismometer technical conditions and geological conditions on the seismic energy mining tremors results The essential instrument for observation of mining tremors motion is the seismometer. To calculate seismic energy and other seismic source parameters, we need real ground motion velocity. In the Polish coal mines and in the Bełchatów open pit mine, SPI-70 seismeters are used to measured ground motion. Unfortunately, the SPI-70 seismometers have been losing their parameters and have been giving unreal ground motion, after they were used for a few years. In that case is not possible to calculate exact seismic energy of the tremors. The second factor which influence on the seismic energy result is suitable fastening the seismometer on the rock. We have to be very carefull and we must test SPI-70 seismometer every two years, to calculate seismic energy correctly. In the Polish cooper mines and Upper Silesian Regional Seismic Network there are using more stable and better seismometrs, called Wilmore MK-III and MK-II. Przekazano: 25 kwietnia 2004 r. 408