GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI. Tom Zeszyt 2/3 KRYSTYNA STEC*, EL BIETA B ASZCZYK**

Transkrypt

1 GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom Zeszyt 2/3 KRYSTYNA STEC*, EL BIETA B ASZCZYK** Charakterystyka procesów zachodz¹cych w ogniskach wysokoenergetycznych wstrz¹sów wystêpuj¹cych w czasie eksploatacji œciany 17 w pok³adzie 361 w KWK Knurów Wprowadzenie Wstrz¹sy na Górnym Œl¹sku mo emy podzieliæ na wstrz¹sy czysto eksploatacyjne zwi¹zane bezpoœrednio z prowadzonym wydobyciem, których ogniska znajduj¹ siê w pok³adzie wêgla lub w warstwach stropowych (Stec 2005, 2007) oraz na wstrz¹sy o charakterze regionalnym, których ogniska zwi¹zane s¹ ze strukturami geologiczno-tektonicznymi i towarzysz¹cymi im strefami koncentracji naprê eñ naturalnych oraz os³abieñ górotworu w postaci ró nego rodzaju defektów (Zuberek i in. 1996). Aktywnoœæ sejsmiczna w skali regionalnej spowodowa jest zmianami uk³adu naprê eñ wynikaj¹cymi z sumowania siê naprê eñ resztkowych lub neotektonicznych z naprê eniami wywo³anymi bezpoœrednio podziemn¹ eksploatacj¹. Wstrz¹sy powstaj¹ w wyniku dzia³ania okreœlonych si³ na strukturê oœrodka skalnego, co powoduje charakterystyczny rozwój procesów dynamicznych i znajduje swoje odzwierciedlenie w charakterze promieniowania sejsmicznego oraz poœrednio w sejsmogramach rejestrowanych wstrz¹sów. Proces pêkania ska³ mo na okreœliæ na podstawie parametrów opisuj¹cych mechanizm ognisk, obliczanych metod¹ inwersji tensora momentu sejsmicznego (Aki, Richards 1980). W dotychczas przeprowadzonych badaniach stwierdzono wyraÿn¹ zmiennoœæ mechanizmów ognisk wstrz¹sów w zale noœci od cech tektonicznych rejonu, po³o enia ogniska wstrz¹su wzglêdem frontu œcianowego i istniej¹cych zasz³oœci eksploatacyjnych (Wiejacz 1995; Gibowicz 1996; Gibowicz i in. 1996; Zuberek i in. 1997, Teper 1998; Dubiñski i in. 1999; Dubiñski, Stec 2001; Stec 1999, 2005, 2007). Parametrami, ** Dr in., G³ówny Instytut Górnictwa, Katowice; k.stec@gig.katowice.pl ** Mgr in., KW S.A. Oddzia³ KWK Knurów

2 246 które równie szerzej opisuj¹ procesy geomechniczne zachodz¹ce w ognisku wstrz¹su s¹ parametry Ÿród³a obliczane po za³o eniu odpowiedniego modelu. Jednym z najprostszych, a jednoczeœnie najczêœciej u ywanych modeli jest model Brune a (Brune 1970). W modelu tym ognisko jest dyslokacj¹ ko³ow¹, przy czym przemieszczenie nastêpuje jednoczeœnie na ca³ej p³aszczyÿnie pêkania. Innymi s³owy, naprê enia s¹ roz³adowywane w sposób natychmiastowy a w czasie rozrywu powierzchnia pêkania jest równowa na powierzchni ca³kowicie odbijaj¹cej fale poprzeczne rozchodz¹ce siê prostopadle do powierzchni dyslokacji. Równoczesna analiza parametrów mechanizmu ognisk i parametrów Ÿród³a pozwala na wskazanie charakterystycznych cech ognisk wstrz¹sów i przez to podanie prawdopodobnej hipotezy ich przyczyn. 1. Warunki geologiczno-górnicze Analizy budowy geologicznej z³o a dokonano przede wszystkim pod k¹tem jej wp³ywu na stan zagro enia t¹paniami oraz aktywnoœæ sejsmiczn¹ górotworu indukowan¹ prowadzon¹ eksploatacj¹. W tym kontekœcie szczególnego znaczenia nabiera obecnoœæ w budowie geologicznej z³o a grubych, zwartych kompleksów ska³ cechuj¹cych siê du ¹ wytrzyma³oœci¹ i sztywnoœci¹. Warunki te spe³niaj¹ w pierwszym rzêdzie grube warstwy piaskowca, oraz bardzo wytrzyma³e warstwy i³owca. Istotn¹ jest tak e odleg³oœæ dziel¹ca te warstwy od wybieranego pok³adu, a tak e wzajemne usytuowanie warstw wzglêdem siebie. W profilu geologicznym rozpatrywanej czêœci z³o a wystêpuj¹ jedynie trzy znaczniejszej gruboœci warstwy piaskowca o mi¹ szoœci odpowiednio 10,5 m, 12,1 m oraz 36,0 m. S¹ one po³o one w odleg³oœci odpowiednio: 225,0 m, 363,8 m oraz 574 m nad pok³adem 361. Spoœród wymienionych, kryteria warstwy wstrz¹sogennej najpe³niej spe³nia warstwa piaskowca o mi¹ szoœci oko³o 36,0 m. Jest ona jednak po³o ona bardzo wysoko nad pok³adem 361, bo w odleg³oœci a 574 m. Bezpoœrednio nad pok³adem 361 brak jest grubych wstrz¹sogennych warstw piaskowca. Górotwór w tym rejonie zbudowany jest z naprzemianleg³ych, zwykle cienkich, warstw i³owca i i³owca zapiaszczonego, których mi¹ szoœæ waha siê przeciêtnie od 0,1 m do 2,5 m. W stropie pok³adu wystêpuj¹ tylko dwie warstwy piaskowca o mi¹ szoœci odpowiednio: 4,5 m i 1,5 m oraz cztery znaczniejszej gruboœci warstwy i³owca zapiaszczonego o mi¹ szoœci odpowiednio: 10,0 m, 5,4 m, 6,5 m oraz 6,2 m. S¹ one jednak poprzecinane cienkimi warstwami i³owca i i³owca zapiaszczonego. Górotwór nad pok³adem 361 ulega systematycznemu zawa³owi i nie wykazuje sk³onnoœci do zawisania i niebezpiecznej akumulacji energii sprê ystej. Pok³ad 361 w rozpatrywanej partii zalega na g³êbokoœci oko³o 850 m. Jego mi¹ szoœæ wynosi oko³o 1,8 m. W pok³adzie wystêpuj¹ przerosty w postaci cienkich, kilkucentymetrowych warstw ³upku. Sp¹g pok³adu tworzy warstwa piaskowca jasnoszarego, drobnoziarnistego mi¹ szoœci oko³o 12,2 m, poni ej której zalega warstwa i³owca szarego, zapiaszczonego o mi¹ szoœci oko³o 1,1 m, tworz¹ca strop pok³adu 362. W obszarze prowadzonego i projektowanego wybierania pok³adu 361 wystêpuj¹ krawêdzie eksploatacji zatrzymanej w wy ej zalegaj¹cych pok³adach 355, 357 i 359. Pionowa

3 247 odleg³oœæ do wymienionych pok³adów wynosi: 21 m do pok³adu 359, 65 m do pok³adu 357, 94 m do pok³adu 355. Analizowany rejon ze wschodu i po³udnia otacza strefa uskokowa o zrzutach od kilku do kilkudziesiêciu metrów. 2. Mechanizm ognisk Tensor momentu sejsmicznego opisuje uk³ad si³ reprezentuj¹cych Ÿród³o sejsmiczne jako liniow¹ kombinacjê par si³ z momentem. Pole przemieszczeñ wywo³ane przez ten system jest sum¹ przemieszczeñ wywo³anych przez poszczególne pary si³: u M G ki k ij Mij G j ki, j (1) gdzie: G ki,j funkcja Greena. Wprowadzaj¹c tensor momentu si³y jako funkcjê czasu i przyjmuj¹c, e rozmiary Ÿród³a s¹ ma³e w porównaniu do obserwowanych d³ugoœci fal sejsmicznych i zak³adaj¹c, e wszystkie sk³adowe tensora momentu sejsmicznego zale ¹ w jednakowy sposób od funkcji czasu s(t), pole przemieszczeñ mo e byæ zapisane nastêpuj¹co: gdzie: s(t) funkcja Ÿród³a. u (,) x t M [ G s()] t (2) k ij ki, j Tak wiêc pole przemieszczeñ u k jest funkcj¹ liniow¹ sk³adowych tensora momentu oraz wyrazów w nawiasach kwadratowych. Jeœli funkcja Ÿród³a jest funkcj¹ Diraca, wówczas jedynym wyrazem pozostaje M i,j opisuj¹cy dziewiêæ ogólnych par si³ równowa nych pokazanych na rysunku 1. Tensor M ij mo e byæ roz³o ony na czêœæ izotropow¹ i 3 dipole wektorowe: Równanie (2) mo na zapisaæ w postaci: M =1/3(m 1 + m 2 + m 3 )I +1/3(2a 1 a 1 a 2 a 2 a 3 a 3 )+ (3) +1/3m 2 (2a 2 a 2 a 3 a 3 a 1 a 1 )+1/3m 3 (2a 3 a 3 a 1 a 1 a 2 a 2 ) gdzie: I = ij macierz Kroneckera, a 1,2,3 wektory kierunkowe.

4 248 Rys. 1. Uk³ad dziewiêciu mo liwych par si³ równowa nych M ij dzia³aj¹cych w ognisku sejsmicznym (i = j dipole bez momentu; i j dipole z momentem) Fig. 1. The model of mine possible pair of forces, equivalent to M ij, acting at a seismic source (i = j dipoles without moment; i j dipoles with moment) Wyra enie 2a 1 a 1 a 2 a 2 a 3 a 3 przedstawia dipol kompresyjny o wartoœci 2 dzia³aj¹cy w kierunku wektora a 1 oraz 2 dipole dylatacyjne o jednostkowej wartoœci dzia³aj¹ce w kierunkach osi a 2 i a 3. Ten typ Ÿród³a zwany jest liniowym skompensowanym dipolem wektorowym. Tak wiêc uogólnione Ÿród³o dipolowe z symetrycznym tensorem momentu jest równowa ne centrum kompresji oraz trzem liniowo skompensowanym dipolom wektorowym nawzajem prostopad³ym. Liniowy skompensowany dipol wektorowy jest z kolei równowa ny dwóm podwójnym parom si³: 2a 1 a 1 a 2 a 2 a 3 a 3 =(a 1 a 1 a 2 a 2 )+(a 1 a 1 a 3 a 3 ) (4) gdzie podwójna para si³ jest opisana przez a 1 a 1 a 2 a 2. Tak wiêc dekompozycja tensora momentu sejsmicznego na czêœæ izotropow¹, na liniowy skompensowany dipol i na podwójn¹ parê si³ jest najczêœciej przyjmowanym opisem Ÿród³a sejsmicznego. W wyniku obliczeñ programem SMT (Wiejacz 1994) uzyskuje siê trzy modele ogniska wstrz¹su opisane przez trzy rodzaje tensora momentu sejsmicznego: tensor ogólny posiada sk³adow¹ izotropow¹ I opisuj¹c¹ zmiany objêtoœci w ognisku (eksplozja /+/ lub implozja / /), sk³adow¹ CLVD odpowiadaj¹c¹ jednoosiowemu œciskaniu / / lub rozci¹ganiu /+/ oraz sk³adow¹ œcinaj¹c¹ DBCP opisywan¹ przez podwójn¹ parê si³; tensor dewiatoryczny (zmiana postaci bez zmiany objêtoœci) posiada sk³adow¹ CLVD oraz sk³adow¹ œcinaj¹c¹ DBCP; tensor czystego œcinania posiada tylko sk³adow¹ DBCP œcinaj¹c¹.

5 249 Eksplozyjny lub implozyjny model ogniska odpowiada procesom objêtoœciowego niszczenia struktury oœrodka (np. wstrz¹sy wystêpuj¹ce po strzelaniach wstrz¹sowych lub w pok³adzie). Liniowy skompensowany dipol wektorowy odpowiada w przybli eniu jednoosiowemu œciskaniu lub rozci¹ganiu. Modelem tym opisywano nag³e przemiany fazowe w ogniskach g³êbokich trzêsieñ ziemi, rozrywy ska³ zwi¹zane z rozci¹ganiem w obecnoœci p³ynów pod wysokim ciœnieniem. ród³o sejsmiczne reprezentowane przez liniowy skompensowany dipol wektorowy mo e wyjaœniæ jeden z mechanizmów wstrz¹sów w obszarze filarów w g³êbokich kopalniach z³ota lub w kopalniach rud miedzi. Z kolei mechanizm opisany podwójn¹ par¹ si³ odpowiada wstrz¹som zwi¹zanym z pêkaniem ska³ stropowych w kopalniach wêgla kamiennego lub wystêpuj¹cych w strefach uskokowych. Obliczenia parametrów mechanizmu ognisk wykonano w oparciu o sejsmogramy Sieci Sejsmologicznej KWK Knurów dla 4 wstrz¹sów, które wyst¹pi³y w rejonie calizny, po wschodniej stronie œciany 17 eksploatowanej w pok³adzie 361. Obliczenia tensora momentu sejsmicznego zosta³y przeprowadzone przez inwersjê amplitud pierwszych wst¹pieñ fali P z uwzglêdnieniem kierunków pierwszych wychyleñ w domenie czasu przy pomocy programu SMT. Obliczenia wykonano dla g³êbokoœci ognisk od 100 do 1100 m n.p.m. Niestety nie uda³o siê okreœliæ prawdopodobnej g³êbokoœci wystêpowania ognisk poniewa b³¹d dopasowania rozwi¹zania dla poszczególnych zadawanych g³êbokoœci ognisk by³ bardzo zbli ony. Tabele 1 4 przedstawiaj¹ zestawienie parametrów sejsmologicznych analizowanych wstrz¹sów oraz wyniki obliczeñ parametrów mechanizmu. Trzy pierwsze wstrz¹sy dla pe³nego rozwi¹zania tensora momentu sejsmicznego charakteryzowa³y siê mechanizmem poœlizgowym odwróconym z bardzo du ym udzia³em sk³adowej œcinaj¹cej. Ognisko wstrz¹su z r. dla pe³nego rozwi¹zania zawiera³o 11% sk³adowej eksplozyjnej, 17% sk³adowej jednoosiowego rozci¹gania i 71% sk³adowej œcinaj¹cej (tab. 1). Drugi wstrz¹s z r. dla pe³nego rozwi¹zania wykaza³ poni ej 1% sk³adowej eksplozyjnej, 11% sk³adowej jednoosiowego rozci¹gania i 89% sk³adowej œcinaj¹cej (tab. 2). Wstrz¹s z r. dla pe³nego rozwi¹zania wykaza³ równie 86% sk³adowej œcinaj¹cej. Pozosta³e sk³adowe wynosi³y odpowiednio: 7% sk³adowa eksplozyjna i 7% sk³adowa jednoosiowego rozci¹gania (tab. 3). Mechanizm ogniska wstrz¹su z r. by³ typu poœlizgowego normalnego. Udzia³ sk³adowej œcinaj¹cej wynosi³ 80%, sk³adowej implozyjnej 8% i jednoosiowego œciskania 12% (tab. 4). Rozwi¹zanie mechanizmu ognisk dla pe³nego tensora na tle wycinka mapy pok³adowej przedstawia rysunek 2. Dla wstrz¹su z r. kierunek azymutu p³aszczyzny nodalnej mo na korelowaæ (w granicach b³êdu obliczeñ 20 ) z rozci¹g³oœci¹ uskoku Knurowskiego znajduj¹cego siê po wschodniej stronie pola eksploatacyjnego, a dla pozosta³ych wstrz¹sów kierunek azymutu p³aszczyzn nodalnych jest równoleg³y do rozci¹g³oœci strefy uskokowej, która ogranicza od po³udnia rejon œciany 17. Wyj¹tkowo du y udzia³ sk³adowej œcinaj¹cej w mechaniÿmie ognisk œwiadczy, e w tym rejonie by³o bardzo du e oddzia³ywanie naprê eñ pochodz¹cych od struktur tektonicznych. Typ mechanizmu odwrócony (przemieszczenie po p³aszczyÿnie pêkania w górê) mo e

6 250 wskazywaæ, e w wyniku wyrównania naprê eñ w strefie uskokowej na skutek odci¹ enia górotworu mog³o dojœæ do pêkniêcia warstw piaskowcowych zalegaj¹cych w du ej odleg³oœci nad pok³adem. Na tego typu procesy mo e wskazywaæ brak równowagi w rozk³adzie pola naprê eñ na du ym obszarze, poniewa zarówno w pó³nocno-zachodniej czêœci KWK Knurów, jak i po stronie wschodniej w KWK Budryk zosta³o wyeksploatowanych kilka pok³adów. Nale y równie zaznaczyæ, e analizowane wstrz¹sy nie spowodowa³y adnych skutków ani nie by³y odczute na dole w kopalni. Przeprowadzone badania mog¹ wskazywaæ zatem, e przyczyn¹ zaistnia³ych wstrz¹sów nie by³a tylko bezpoœrednia eksploatacja œciany 17 ale nast¹pi³o na³o enie siê naprê eñ eksploatacyjnych z naprê eniami rezidualnymi wystêpuj¹cymi w strefie uskokowej. Parametry mechanizmu ogniska wstrz¹su z r. Source mechanism parameters of the 12 th September 2007 TABELA 1 TABLE 1 0,35E+15 0,28E+13 M ij sk³adowe momentu sejsmicznego, M o skalarny moment sejsmiczny, M T ca³kowity moment sejsmiczny, I procentowy udzia³ sk³adowej izotropowej, CLVD procentowy udzia³ sk³adowej odpowiadaj¹c¹ jednoosiowemu œciskaniu / / lub rozci¹ganiu /+/, DBCP procentowy udzia³ sk³adowej œcinaj¹cej, A,B azymut p³aszczyzny A,B, A,B upad p³aszczyzny A,B, P,T azymut osi P,T, P,T upad osi P,T, Q wspó³czynnik jakoœci rozwi¹zania, ERR b³¹d sk³adowych tensora

7 251 Parametry mechanizmu ogniska wstrz¹su z r. Source mechanism parameters of the 26 th October 2007 TABELA 2 TABLE 2 Rozwi¹zanie dewiatoryczne Parametry mechanizmu ogniska wstrz¹su z r. Source mechanism parameters of the 7 th November 2007 TABELA 3 TABLE 3

8 252 Parametry mechanizmu ogniska wstrz¹su z r. Source mechanism parameters of the 29 th November 2007 TABELA 4 TABLE Rys. 2. Po³o enie ognisk wstrz¹sów i ich mechanizm na tle wycinka mapy pok³adowej Fig. 2. The location of tremor sources and their mechanism against a background of the coal seam map section

9 Fizyczne parametry Ÿród³a Dla modelu ogniska Brune a lub Madariagi okreœla siê dwa parametry (niskoczêstotliwoœciowy poziom spektralny 0, czêstotliwoœæ naro na f 0 ), na podstawie których oblicza siê fizyczne parametry ogniska: Czêstotliwoœæ naro na [Hz]: fo I (5) gdzie: 0 niskoczêstotliwoœciowy poziom spektralny, Moment sejsmiczny [Nm]: C C M 4 C d / F R (6) 0 gdzie: gêstoœæ oœrodka, C prêdkoœæ fali P lub fali S, d odleg³oœæ hipocentralna, F C czynnik radiacyjny fal sejsmicznych, R C wspó³czynnik uwzglêdniaj¹cy powiêkszenia amplitud fal na swobodnej powierzchni (dla fal SH równy jest 2). 3 Moment sejsmiczny obliczony z zale noœci (6) jest niezale ny od modelu Ÿród³a, natomiast okreœlenie rozmiarów ogniska zale y od przyjêtego modelu. Promieñ ogniska [m]: Promieñ ogniska r 0 uskoku ko³owego (ogniska) liczony w m jest okreœlony przez czêstotliwoœæ naro n¹ w nastêpuj¹cy sposób: 0 r kc f S, 2 P (7) 0 0 gdzie: k sta³a k = 1,32 (model Madariagi 1976) Spadek naprê eñ wyra ony w Pa obliczony z momentu sejsmicznego M 0 oraz promienia ogniska r 0 wynosi: M / 16r (8)

10 254 Energia spektralna [J]: gdzie: modu³ sztywnoœci oœrodka w ognisku. Œrednie przemieszczenie w ognisku [m]: Es 3k M /( 2 ) / r (9) D M r (10) Spektralne parametry Ÿród³a analizowanych wstrz¹sów obliczono z sejsmogramów Sieci Sejsmologicznej kopalni Knurów. Przy zastosowaniu programu SEJSGRAM przebiegi prêdkoœciowe poddano filtracji oraz ca³kowaniu na przebiegi przemieszczeniowe, a nastêpnie korekcie linii bazowej. Procedurê obliczeniow¹ poszczególnych parametrów Ÿród³a wykonano przy u yciu programu MULTILOK. Z przebiegów przemieszczeniowych obliczono widmo amplitudowe i na p³askiej czêœci widma wyznaczono poziom spektralny 0 oraz punkt przeciêcia czêœci p³askiej i nachylonej okreœlaj¹cy czêstotliwoœæ naro n¹ f 0 (rys. 3 6). Wyniki obliczeñ parametrów Ÿród³a (wartoœci uœrednione z wybranych nie przesterowanych kana³ów sieci sejsmologicznej dla fali S) przedstawia tabela 5. Otrzymane wartoœci parametrów Ÿród³a dla analizowanych wstrz¹sów wskazuj¹ na regionalny charakter tych zjawisk, których przyczyn¹ mo e byæ d¹ enie do wyrównania tektonicznych naprê eñ rezidualnych uaktywnionych prowadzon¹ eksploatacj¹ w strefie uskokowej. Czêstotliwoœæ naro na jest niska i wynosi³a œrednio 6 Hz. Moment sejsmiczny analizowanych zjawisk wynosi³ od 4, Nm dla wstrz¹su z r. do 4, Nm dla wstrz¹su z r. Najwiêkszym promieniem ogniska równym 102 m charakteryzowa³ Parametry Ÿród³a ognisk wstrz¹sów Source parameters of tremors TABELA 5 TABLE 5 Data Energia [J] x [m] y [m] Fala S M 0 [Nm] R 0 [m] f o [Hz] D [m] [Pa] ,20E ,8 1,38E-03 8,06E ,08E ,5 2,16E-03 2,26E ,52E ,8 4,24E-02 1,74E ,52E ,2 2,35E-03 3,35E+06

11 255 Rys. 3. Widmo przemieszczeniowe z zaznaczonym poziomem niskoczêstotliwoœciowym i czêstotliwoœci¹ naro n¹ wstrz¹su z r., godz. 5:53, energia J Fig. 3. Ground displacement spectrum of the 12 th September 2007, time 5:53, energy J mine tremor with the low frequency level and corner frequency indicate Rys. 4. Widmo przemieszczeniowe z zaznaczonym poziomem niskoczêstotliwoœciowym i czêstotliwoœci¹ naro n¹ wstrz¹su z r., godz. 3:01, energia J Fig. 4. Ground displacement spectrum of the 26 th October 2007, time 3:01 energy J mine tremor with the low frequency level and corner frequency indicate

12 256 Rys. 5. Widmo przemieszczeniowe z zaznaczonym poziomem niskoczêstotliwoœciowym i czêstotliwoœci¹ naro n¹ wstrz¹su z r., godz. 10:07, energia J Fig. 5. Ground displacement spectrum of the 07 th November 2007, time 10:07, energy J mine tremor with the low frequency level and corner frequency indicate Rys. 6. Widmo przemieszczeniowe z zaznaczonym poziomem niskoczêstotliwoœciowym i czêstotliwoœci¹ naro n¹ wstrz¹su z r., godz. 21:45, energia J Fig. 6. Ground displacement spectrum of the 29 th November 2007, time 21:45, energy J mine tremor with the low frequency level and corner frequency indicate

13 257 siê wstrz¹s z r. Pozosta³e wstrz¹sy mia³y promieñ 73, 72 i 82 m. Przemieszczenie w ognisku by³o od 1, m dla wstrz¹su z r. do 4, m dla wstrz¹su z r. Spadek naprê eñ, który oznacza ró nicê miêdzy naprê eniem w ognisku przed wstrz¹sem i naprê eniem po wstrz¹sie by³ bardzo wysoki i wynosi³ maksymalnie 1, Pa dla wstrz¹su z r. oraz 2, Pa dla wstrz¹su z r., 8, Pa dla wstrz¹su z r. i dla wstrz¹su z r. 3, Pa. Podsumowanie Dla czterech wysokoenergetycznych wstrz¹sów z rejonu œciany 17, pok³. 361, na podstawie sejsmogramów uzyskanych z sieci sejsmologicznej KWK Knurów obliczono mechanizm ognisk oraz parametry Ÿród³a. W mechaniÿmie ognisk wstrz¹sów dominowa³a sk³adowa œcinaj¹ca (od 71 do 89%) a azymuty p³aszczyzn nodalnych trzech z nich by³y równoleg³e do rozci¹g³oœci strefy uskokowej, która ogranicza od po³udnia rejon œciany 17. Azymut p³aszczyzny nodalnej jednego wstrz¹su by³ równoleg³y do uskoku Knurowskiego po³o onego na wschód od œciany 17. Wyniki tych obliczeñ wskazuj¹ na du y wp³yw struktur tektonicznych wystêpuj¹cych w rejonie œciany 17. Parametry Ÿród³a takie jak niska czêstotliwoœæ naro na (œrednio 6 Hz) oraz bardzo wysoki spadek naprê eñ (od 8, do 1, Pa) i bardzo du e przemieszczenie w ognisku (od 1, do 4, m) wskazuj¹ równie na oddzia³ywanie strefy uskokowej. Przeprowadzone badania wykaza³y, e przyczyn¹ zaistnia³ych wysokoenergetycznych wstrz¹sów by³o na³o enie siê naprê eñ eksploatacyjnych wywo³anych prowadzon¹ eksploatacj¹ oraz naprê eñ rezidualnych wystêpuj¹cych w strefie uskokowej po³o onej na wschód i po³udnie od eksploatowanej œciany 17. LITERATURA A k i K., R i c h a r d s P.G., 1980 Quantitative Seismology. Theory and Methods, Freeman, San Francisco. B r u n e J.N., 1970 Tectonic stress and the sperctra of seismic shear waves from the earthquakes, J. Geophys. Res., 75, D u b i ñ s k i J., S t e c K., 2001 Relationship between focal mechanism parameters of mine tremors and local strata tectonics. W: Dynamic rock mass response to mining. Red. G. Van Aswegen, R.J. Durrheim, W.D. Ortlepp. The South African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg, D u b i ñ s k i J., M u t k e G., S t e c K., 1999 Rozwi¹zania w sejsmologii górniczej poprawiaj¹ce efektywnoœæ oceny stanu zagro enia sejsmicznego. W: Geologia t. 25, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, G i b o w i c z S.J., 1996 Relations between source mechanism and the ratio of the S over P wave energy for seismic events induced by mining, Acta Montana, ser. A, No. 9 (100), G i b o w i c z S.J., D o m a ñ s k i B., W i e j a c z P., 1996 The focal mechanism and source parameters of seismic events induced by mining, Acta Montana, ser. A. No. 10 (102), M a d a r i a g a R., 1976 Dynamics of an expanding circular fault, Bull. Seism. Soc. Am., 66,

14 258 S t e c K., 1999 Analiza mechanizmów ognisk wstrz¹sów górniczych wystêpuj¹cych w GZW. W: Geomechaniczne i sejsmologiczne modele ognisk wstrz¹sów górniczych, Kraków, Wyd. GIG (ISBN X), S t e c K., 2005 Charakterystyka mechanizmu ognisk wstrz¹sów górniczych z Obszaru Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Wiadomoœci Górnicze 4, S t e c K., 2007 Characteristics of Seismic Activity of the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Geophysical Journal International, Blackwell Publishing Ltd, V 168, T e p e r L., 1998 Wp³yw nieci¹g³oœci pod³o a karbonu na sesjmotektonikê pó³nocnej czêœci Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Wyd. Uniw. Œl¹skiego, Katowice. W i e j a c z P., 1994 The SMT software, PAN, Warszawa, niepublikowane W i e j a c z P., 1995 Source mechanisms of seismic events inducend at Ziemowit coal mine: comparison with mining information. Publ. Inst. Geoph. Pol. Acad Sci., M-19, Z u b e r e k W.M., T e p e r L., I d z i a k A.F., S a g a n G., 1996 Tectonophysical approach to the description of mining induced seismicity in the Upper Silesia. W: Tectonophysics in Mining Areas. Red A. Idziak, Wyd. Uniw. Œl., Katowice, CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW ZACHODZ CYCH W OGNISKACH WYSOKOENERGETYCZNYCH WSTRZ SÓW WYSTÊPUJ CYCH W CZASIE EKSPLOATACJI ŒCIANY 17 W POK ADZIE 361 W KWK KNURÓW S³owa kluczowe Wstrz¹s górotworu, mechanizm ogniska, parametry Ÿród³a Streszczenie Wwynikuprowadzonychodkilkulatbadañnadgenez¹wstrz¹sów sejsmicznych w Górnoœl¹skim Zag³êbiu Wêglowym wyró niono grupê wstrz¹sów bezpoœrednio zwi¹zan¹ z prowadzon¹ eksploatacj¹, których ogniska znajduj¹ siê w pok³adzie wêgla lub w warstwach stropowych (Stec 2005, 2007) oraz wstrz¹sy o charakterze regionalnym, których ogniska zwi¹zane s¹ ze strukturami geologiczno-tektonicznymi i towarzysz¹cymi im strefami koncentracji naprê eñ naturalnych oraz os³abieñ górotworu (Zuberek i in. 1996). Procesy zachodz¹ce podczas zaistnienia wstrz¹sów mo na okreœliæ po obliczeniu parametrów mechanizmu ognisk (Aki, Richards, 1980) oraz parametrów Ÿród³a sejsmicznego (Brune 1970). W czwartym kwartale 2007 roku w KWK Knurów po wschodniej stronie œciany 17 eksploatowanej w pok³adzie 361 wyst¹pi³y cztery wysokoenergetyczne wstrz¹sy (energia tych zjawisk wynosi³a od do J), dla których obliczono parametry mechanizmu ogniska metod¹ inwersji tensora momentu sejsmicznego (Wiejacz 1994) oraz parametry Ÿród³a stosuj¹c program SEJSGRAM i MULTILOK. W mechaniÿmie ognisk analizowanych wstrz¹sów dominowa³a wyraÿnie sk³adowa œcinaj¹ca (od 71 do 89%) a azymuty p³aszczyzn nodalnych by³y równoleg³e do rozci¹g³oœci strefy uskokowej, która ogranicza od wschodu i po³udnia rejon œciany 17 (rys. 1). Wyj¹tkowo du y udzia³ sk³adowej œcinaj¹cej œwiadczy, e w tym rejonie jest bardzo du e oddzia³ywanie naprê eñ pochodz¹cych od struktur uskokowych. Typ mechanizmu ogniska poœlizgowy-odwrócony mo e wskazywaæ, e mog³o dojœæ do wyrównania naprê eñ w tym rejonie na skutek odci¹ enia górotworu, ze wzglêdu na to, e w rejonie eksploatowanej œciany 17, zarówno w pó³nocno-zachodniej czêœci KWK Knurów, jak i po stronie wschodniej w KWK Budryk zosta³o wybranych kilka pok³adów. Eksploatowana œciana 17 graniczy³a z w¹skim pasem nienaruszonego górotworu. Otrzymane wartoœci parametrów Ÿród³a takie jak niska czêstotliwoœæ naro na (œrednio 6 Hz) oraz bardzo wysoki spadek naprê eñ (od 8, do 1, Pa) i bardzo du e przemieszczenie wognisku(od1, do 4, m) wskazuj¹ równie na regionalny charakter tych zjawisk. Na podstawie uzyskanych wyników badañ mo na wnioskowaæ, e przyczyn¹ tych wysokoenergetycznych wstrz¹sów by³o na³o enie siê naprê eñ eksploatacyjnych wywo³anych prowadzon¹ eksploatacj¹ oraz naprê eñ rezidualnych wystêpuj¹cych w strefie uskokowej po³o onej na wschód i po³udnie od eksploatowanej œciany 17.

15 259 CHARACTERISTICS OF THE PROCESSES TAKING PLACE AT THE SOURCES HIGH ENERGY TREMORS OCCURRING DURING MINING OF COALFACE NO 17 IN COAL SEAM NO 361 OF THE KNURÓW COAL MINE Key words Mine Tremors, Focal Mechanism, Source Parameters Abstract Following the studies on the origin of seismic events in the Upper Silesian Coal Basin which have been carried out for several years, two types of mine tremors were distinguished. The first is directly coupled to the current mining operation, with the sources located in coal seams or the roof strata (Stec 2005, 2007), the second appears to be of regional character, with the sources connected with the geological and tectonic structures, including the zones of natural stress concentrations and the zones of ground weakness in the form of tectonic structures and various kinds of fractures (Zuberek et al. 1996). The processes which took place during the occurrences of mine tremors can be determined by calculating the source mechanism parameters (Aki, Richards 1980) and the seismic source parameters (Brune 1970). In the fourth quarter of 2007, four high energy mine tremors (ranging from Jto J)occurredtothe east of longwall coal face No. 17 being mined in coal seam No. 361 of Knurów coal mine. The source mechanism parameters of these tremors were calculated using the seismic moment tensor inversion method (Wiejacz, 1994) and the seismic source parameters were calculated using SEJSGRAM and MULTILOK programmes respectively. In the source mechanism of these tremors, the shear component was predominant (ranging from 71% to 89%), and the nodal planes azimuths were parallel to the strike of the fault zone bordering on longwall coalface No. 17 to the east and south (Fig. 2). The unusually high contribution of the shear component shows a very strong interaction with the faults structure related stresses in this area. The reverse-slip fault type of source mechanism can indicate that it may have come to the stress equilibration in the area as a result of rock mass relief since several coal seams have been extracted around the coal face No. 17 mined, both in the north-western part of the Knurów coal mine and in the eastern side of the Budryk coal mine. The coal face No. 17, which was being mined, bordered the narrow strip of intact rock masses. The obtained values of source parameters such as low corner frequency (averaging 6 Hz), very high stress drops (ranging from Pa to Pa), and very large displacements in the source (ranging from mto m) have also indicated the regional character of seismic events. As a result of the performed study, it can be concluded that the reason why such high energy mine tremors took place was the overlapping of the mining induced stresses and the residual stresses occurring in the fault zone located east and south of the mined longwall coalface No. 17.