Badanie możliwości zwiększenia skuteczności strzelań prewencyjnych w kopalniach rud miedzi

Podobne dokumenty
Metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych w kopalniach węgla kamiennego. Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Kabiesza

Ocena możliwości uzyskania konstruktywnej interferencji drgań pochodzących od robót strzałowych

METODY ROZPOZNAWANIA STANU AKTYWNOŚCI SEJSMICZNEJ GÓROTWORU I STRATEGIA OCENY TEGO ZAGROŻENIA

Aktywność sejsmiczna w strefach zuskokowanych i w sąsiedztwie dużych dyslokacji tektonicznych w oddziałach kopalń KGHM Polska Miedź S.A.

STRATEGIA PROWADZENIA ROBÓT GÓRNICZYCH W CELU OGRANICZENIA AKTYWNOŚCI SEJSMICZNEJ POLA EKSPLOATACYJNEGO

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

1. Zagrożenie sejsmiczne towarzyszące eksploatacji rud miedzi w Lubińsko-Głogowskim Okręgu Miedziowym

Analiza wpływów sejsmicznych na środowisko szybu przy prowadzeniu robót górniczych za pomocą materiałów wybuchowych studium przypadku

KSMD APN 2 lata pracy w kopalniach odkrywkowych

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

DRGANIA ELEMENTÓW KONSTRUKCJI

Możliwości weryfikacji energii sejsmicznej wstrząsów wysokoenergetycznych w LGOM

AKTYWNA PROFILAKTYKA TĄPANIOWA STOSOWANA W WYBRANYM ODDZIALE EKSPLOATACYJNYM O/ZG RUDNA KGHM POLSKA MIEDŹ S.A.W LATACH

Podstawy fizyki wykład 7

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna po wstrząsie z dnia roku o energii 1,9 E9 J

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

OKREŚLENIE NISZCZĄCEJ STREFY WPŁYWÓW DLA ZJAWISK SEJSMICZNYCH. 1. Wprowadzenie. Jan Drzewiecki* Górnictwo i Geoinżynieria Rok 32 Zeszyt

Wykład FIZYKA I. 5. Energia, praca, moc. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wpływ warunków górniczych na stan naprężenia

Analiza efektywności rejestracji przyspieszeń drgań gruntu w Radlinie Głożynach

WPŁYW ZAKŁÓCEŃ PROCESU WZBOGACANIA WĘGLA W OSADZARCE NA ZMIANY GĘSTOŚCI ROZDZIAŁU BADANIA LABORATORYJNE

Zastosowanie elektronicznych systemów inicjacji ładunków MW w profilaktyce tąpaniowej w warunkach kopalń LGOM

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

2. Kopalnia ČSA warunki naturalne i górnicze

Zagrożenie tąpaniami w polskich kopalniach węgla kamiennego i rud miedzi

The study of seismic effects and modern systems of blasting explosives

Strefa spękań w podziemnych przodkowych robotach strzelniczych Crack zone in underground blasting works

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 3. Dwuekspozycyjny hologram Fresnela

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Prawa optyki geometrycznej

ANALIZA ZALEŻNOŚCI MIĘDZY GEOMECHANICZNYMI PARAMETRAMI SKAŁ ZŁOŻOWYCH I OTACZAJĄCYCH NA PRZYKŁADZIE WYBRANYCH REJONÓW GÓRNICZYCH KOPALŃ LGOM. 1.

BADANIE WPŁYWU WYDOBYCIA NA SEJSMICZNOŚĆ W KOPALNIACH WĘGLA KAMIENNEGO

Próba określenia rozkładu współczynnika tłumienia na wybiegu ściany 306b/507 w KWK Bielszowice metodą pasywnej tłumieniowej tomografii sejsmicznej

Charakterystyka parametrów drgań w gruntach i budynkach na obszarze LGOM

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Badanie widma fali akustycznej

(13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1. Fig 1 E21F 17/04 E21C 39/00

PRZEGLĄD GÓRNICZY 2014

WPŁYW OPÓŹNIEŃ MILISEKUNDOWYCH PRZY PROWADZENIU STRZELAŃ EKSPLOATACYJNYCH NA CZĘSTOTLIWOŚCIOWE CHARAKTERYSTYKI DRGAŃ GRUNTU I BUDYNKÓW

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

TEMAT: OBSERWACJA ZJAWISKA DUDNIEŃ FAL AKUSTYCZNYCH

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Akademia Górniczo Hutnicza Wydział Górnictwa i Geoinżynierii METRYKA STRZAŁOWA

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Opóźnienia milisekundowe a minimalizacja oddziaływania robót strzałowych na zabudowania w otoczeniu

WARUNKI OPTYMALIZACJI TECHNOLOGII ROBÓT STRZAŁOWYCH W ODKRYWKOWYCH ZAKŁADACH GÓRNICZYCH

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Wpływ zaburzeń tektonicznych na przebieg deformacji masywu skalnego w obrębie eksploatowanego pola

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Zjawisko interferencji fal

Drgania i fale II rok Fizyk BC

AKTYWNOŚĆ SEJSMICZNA W GÓROTWORZE O NISKICH PARAMETRACH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH NA PRZYKŁADZIE KWK ZIEMOWIT

Wyboczenie ściskanego pręta

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

mgr inż. Dariusz Janik* mgr inż. Dariusz Juszyński* Streszczenie

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

PL B BUP 12/13. ANDRZEJ ŚWIERCZ, Warszawa, PL JAN HOLNICKI-SZULC, Warszawa, PL PRZEMYSŁAW KOŁAKOWSKI, Nieporęt, PL

Treści nauczania (program rozszerzony)- 25 spotkań po 4 godziny lekcyjne

ANALIZA DRGAŃ POWIERZCHNI TERENU WYWOŁANYCH PĘKANIEM WARSTW SKALNYCH**

Rozkład nauczania fizyki w klasie II liceum ogólnokształcącego w Zespole Szkół nr 53 im. S. Sempołowskiej rok szkolny 2015/2016

DYNAMIKA ŁUKU ZWARCIOWEGO PRZEMIESZCZAJĄCEGO SIĘ WZDŁUŻ SZYN ROZDZIELNIC WYSOKIEGO NAPIĘCIA

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

W tym module rozpoczniemy poznawanie właściwości fal powstających w ośrodkach sprężystych (takich jak fale dźwiękowe),

Reakcja budynków na wstrząsy górnicze z wysokoczęstotliwościową modą drgań gruntu

OKREŚLENIE LOKALIZACJI CHODNIKA PRZYŚCIANOWEGO W WARUNKACH ODDZIAŁYWANIA ZROBÓW W POKŁADZIE NIŻEJ LEŻĄCYM**

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Wektory, układ współrzędnych

Widmo fal elektromagnetycznych

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

2. Analiza spektralna pomierzonych drgań budynku

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

ANALIZA ODLEGŁOŚCI I CZASU MIĘDZY WSTRZĄSAMI ZE STRZELAŃ TORPEDUJĄCYCH A SAMOISTNYMI O ENERGII RZĘDU E4 J W WARUNKACH KW SA KWK,,PIAST

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

Ruch drgający i falowy

WSTĘPNE MODELOWANIE ODDZIAŁYWANIA FALI CIŚNIENIA NA PÓŁSFERYCZNY ELEMENT KOMPOZYTOWY O ZMIENNEJ GRUBOŚCI

Kinematyka: opis ruchu

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Praca, moc, energia INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

Rys. 1 Geometria układu.

Szczegółowy rozkład materiału z fizyki dla klasy II gimnazjum zgodny z nową podstawą programową.

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

Transkrypt:

121 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 4 (77) 2015, s. 121-132 Badanie możliwości zwiększenia skuteczności strzelań prewencyjnych w kopalniach rud miedzi Józef Kabiesz 1), Adam Lurka 1) 1) Główny Instytut Górnictwa, Katowice, jkabiesz@gig.eu, alurka@gig.eu Streszczenie Techniki strzelnicze są powszechnie wykorzystywane w górnictwie w procesach technologicznych oraz jako metody profilaktyki niektórych zagrożeń. Ich skuteczność jest zależna między innymi od intensywności oddziaływania drgań wywoływanych odpalaniem ładunków materiałów wybuchowych na górotwór. Jedną z możliwości poprawy tego oddziaływania jest stworzenie warunków do wystąpienia celowego efektu superpozycji tych drgań w wyznaczonym obszarze górotworu. Przedmiotem artykułu są rozważania nad teoretyczną możliwością i praktycznymi uwarunkowaniami uzyskania tego zjawiska w trakcie prowadzenia w kopalniach rud miedzi tzw. strzelań grupowych. Słowa kluczowe: technika strzelnicza, profilaktyka zagrożenia sejsmicznego, superpozycja drgań Feasibility study on increasing effectiveness of preventive blasting in copper ore mines Abstract Blasting techniques are commonly utilized in underground mines during the mining process and as preventive tools of underground mining hazard. Its efficiency depends, among other factors, on intensity of seismic vibrations produced by blasting. One of the possibilities to improve this intensity is to bring about superposition effect of seismic vibrations produced by several blasting in selected area of the rock mass. Theoretical and practical aspects of seismic wave interference produced by group blasting during mining process in copper ore mines are presented in the paper. Key words: blasting technique, seismic hazard prevention, seismic wave interference Wstęp Występujące w podziemnym górnictwie zagrożenia naturalne wpływają na bezpieczeństwo pracy oraz efektywność produkcji. Z tych względów niezbędne jest stosowanie w praktyce górniczej odpowiednich metod i środków, ograniczających przejawy ich występowania. Najbardziej rozpowszechnionymi przedsięwzięciami, poza systemami eksploatacji, są techniki strzelnicze. W odniesieniu do kopalń KGHM Polska Miedź S.A. są to tzw. strzelania grupowe, a także coraz częściej strzelania torpedujące. Poza funkcjami technologicznymi ich zasadniczymi celami są: wygene-

122 rowanie silnych wstrząsów sejsmicznych oraz dezintegracja struktury skał. Ich osiąganie jest uwarunkowane oddziaływaniem efektów strzelań na górotwór. Zwiększenie efektywności oddziaływania strzelań jest możliwe poprzez optymalne sumowanie efektów odpalania ładunków MW w poszczególnych otworach strzałowych. Dla uzyskania takiego stanu konieczne jest rozważenie szansy na wystąpienie zjawiska sumowania drgań generowanych tymi strzelaniami oraz zastosowanie precyzyjnego i złożonego reżimu ich przeprowadzania. Najważniejsze aspekty analizy tych uwarunkowań oraz sposób ich praktycznej realizacji są tematem niniejszego referatu. Zamieszczono w nim rozważania dotyczące możliwości uzyskania konstruktywnej interferencji pakietów drgań generowanych odpalaniem ładunków MW, stosowania innych miar efektów ich nakładania się, sterowania lokalizacją obszarów interferencji, ustalania odpowiednich metryk strzałowych (chronologii odpalania poszczególnych ładunków), organizacyjnych i technicznych warunków tak realizowanych robót strzałowych itp. 1. Wybrane efekty odpalania MW w otworach strzałowych Przemiana w trakcie detonacji (wybuchu) stałego (ciekłego) materiału wybuchowego (MW) w produkty gazowe oraz ciepło jest źródłem dynamicznego ich oddziaływania na otaczające środowisko (górotwór). Charakter tego oddziaływania obejmuje procesy cieplne oraz mechaniczne, w wyniku których środowisko bezpośrednio przyległe do źródła detonacji ulega strukturalnej dezintegracji, chemicznym i fizycznym przemianom, w tym także trwałej i/lub okresowej utracie równowagi mechanicznej (http://www.cotojest.info/rownowaga_632.html). Występujące w bliskiej odległości od źródła wybuchu efekty dezintegracji struktury skał są w górnictwie wykorzystywane w podstawowych procesach technologicznych (drążenie wyrobisk, urabianie kopaliny użytecznej itp.), rzadziej w celach związanych np. z profilaktyką zagrożeń górniczych (odmetanowanie, wywoływanie zawału itd.). Wynika to z niewielkiego zasięgu wytwarzanych spękań w skale, w stosunku do osi otworu strzałowego (rys. 1 i 2). Rys. 1. Zasięgi stref zniszczenia i spękań wokół otworu strzałowego [4] Rys. 2. Spękania wokół otworów strzałowych o średnicy 64 mm [13]

123 Według Changshou [2] zależność pomiędzy długościami promienia strefy miażdżenia R crush a promienia strefy spękanej R crack opisywany jest formułą: cd 21 2 R crack Rcrush (1) Td cd dynamiczna wytrzymałość skały na ściskanie, Td dynamiczna wytrzymałość skały na rozciąganie, współczynnik Poissona. Wartość długości promienia zniszczenia R d zawiera się pomiędzy wartościami R crush a R crack. W praktyce zasięg strefy spękań dla skał o przeciętnych wartościach parametrów wytrzymałościowych (np. piaskowce) i MW typu ANFO wynosi kilkadziesiąt centymetrów, a strefy miażdżenia odpowiednio mniej. 1 4.1E-05 15x [1] m/sek -4.1E-05 4.4E-05 15y [2] m/sek -4.4E-05 0.00013 15z [3] m/sek -0.00014 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0. czas [sek] Rys. 3. Przykładowy zapis (składowe x, y, z) drgań wywołanych odpaleniem otworu strzałowego w kopalni rud miedzi Utrata równowagi mechanicznej może obejmować większe obszary górotworu wskutek propagacji sprężystych drgań. W górnictwie są to rozprzestrzeniające się od otworu strzałowego w warstwach skalnych, specyficzne fale sejsmiczne o określonych parametrach i czasie trwania (rys. 3). Fale te są skutkiem przemian energetycznych zachodzących w skałach są nośnikiem i źródłem rozprzestrzeniającej się energii potencjalnej i kinetycznej. 2. Oddziaływanie drgań na górotwór Efekty związane z rozprzestrzeniającymi się drganiami są z reguły traktowane jako szkodliwy skutek prowadzenia robót strzałowych. Wynika to z ich negatywnego oddziaływania na wyrobiska górnicze, infrastrukturę techniczną i górotwór. Lecz efekty te mogą także wywoływać skutki pożądane, wpływając na występujące w górotworze i najczęściej wywoływane robotami górniczymi chwiejne (krytyczne) stany równowagi. Docierające do takich obszarów drgania mogą w praktyce wyzwalać stany nierównowagi, definiowane w ogólności jako proces, w którym niewielka zmiana przyczyny powoduje bardzo dużą zmianę skutku [3].

124 W praktyce duża zmiana skutku oznaczać może kontrolowane wyzwolenie wysokoenergetycznego wstrząsu sejsmicznego. Wzajemny związek pomiędzy tymi zjawiskami należy rozpatrywać w dwóch aspektach; krytycznych naprężeniowo-deformacyjnych stanów stropowych warstw skalnych oraz chwiejnej równowagi uwolnionych obszarów górotworu, szczególnie zlokalizowanych w pobliżu skutków prowadzonych robót górniczych. Rozprzestrzeniająca się fala sejsmiczna (drgania górotworu), jak już wspomniano, jest nośnikiem energii oraz okresowych przemieszczeń punktów ośrodka (górotworu). Docierając do obszarów silnie zdeformowanych, w których zgromadzona jest podkrytyczna ilość energii sprężystej, może ona przyczynić się do przekroczenia krytycznego progu wytężenia, czego skutkiem może być dynamiczna dezintegracja struktury skał (warstw) znajdujących się w tym obszarze i wygenerowanie wstrząsu. Równowaga mechaniczna uwolnionych fragmentów górotworu zapewniona jest zwykle przez siły tarcia, występujące na kontaktach płaszczyzn wydzielających je z górotworu. Mogą to być płaszczyzny uskoków tektonicznych, płaszczyzny uwarstwienia, spękań o dużym rozwarciu itp. [8]. Fala sejsmiczna docierająca do takich obszarów, znajdujących się w chwiejnym stanie równowagi mechanicznej, wymusza przemieszczenia jego części. W płaszczyznach kontaktu może zwiększać się ich rozwartość, która prowadzi zwykle do drastycznego obniżenia wartości występujących tam sił tarcia. Skutkiem tego jest zwiększenie stopnia swobody takiej części górotworu i jej przemieszczenie się w kierunku wytworzonych pustek eksploatacyjnych. Zgromadzona energia potencjalna przekształca się w energię kinetyczną. Poruszający się wydzielony fragment warstw zostaje następnie wyhamowany, a efektem tego jest udar generujący wstrząs sejsmiczny, tym silniejszy, im większa masa bierze udział w takim procesie, im większą uzyskuje prędkość przemieszczania się oraz im gwałtowniej zostaje wyhamowana. Oczywiście, przedstawione wyżej obydwa scenariusze mogą występować i niejednokrotnie występują jednocześnie w odniesieniu do tej samej sytuacji geologiczno-górniczej. W pierwszym z nich największe znaczenie dla uzyskania pożądanych efektów (wygenerowania silnego wstrząsu sejsmicznego) ma energia przenoszona przez drgania, natomiast w drugim ich maksymalna amplituda przemieszczeń. Dla zwiększenia wartości tych parametrów drgań w kopalniach rud miedzi stosuje się technikę tzw. strzelań grupowych [7]. Polega ona na tym, że jednocześnie jest odpalanych wiele przodków (komór, pasów), przez co zwiększa się ilość MW i siłę odpalanego ładunku. Skuteczność takiego postępowania, mierzona stosunkiem liczb sprowokowanych wstrząsów o energiach E 10 6 J do całkowitej liczby wstrząsów, wahała się w 2010 r. od 31% w kopalni Rudna, 45% w kopalni Lubin do 86% w kopalni Polkowice Sieroszowice i jest zmienna w poszczególnych latach [1]. Istnieje także jeszcze inna możliwość zwiększania siły oddziaływania skutków strzelań (drgań wywoływanych górniczymi robotami strzałowymi) na górotwór. Jest to sposób, polegający na takim ustaleniu chronologii odpalania otworów strzałowych, aby w wybranej przestrzeni górotworu uzyskać efekt nakładania się nimi wywoływanych drgań. W klasycznej fizyce znane jest powszechnie zjawisko interferencji koherentnych fal (rys. 4), wykorzystywane często np. w różnych precyzyjnych metodach pomiarowych [14].

125 Rys. 4. Interferencja fal w zależności od długości fali i wzajemnej odległości źródeł (https://upload.wikimedia.org/ wikipedia/commons/f/f1/ Wavepanel.png) Drgania generowane strzelaniami nie są spójne (patrz rys. 3), wobec czego w takich warunkach nie można oczekiwać wystąpienia zjawiska pełnej interferencji. Należy ograniczać się do prób uzyskania efektów nakładania się drgań w zakresie mniejszej regularności rozkładu przestrzennego amplitudy wypadkowej fali. Jest to sytuacja analogiczna do spotykanej w wielu zagadnieniach akustyki [11] czy optyki [12], gdzie mamy do czynienia z niespójnymi falami i związanymi z nimi zjawiskami superpozycji. 3. Warunki uzyskania superpozycji drgań generowanych robotami strzałowymi Znane są powszechnie podstawowe zależności i kryteria opisujące zjawisko interferencji fal koherentnych. Mogą one być pomocne dla ustalenia warunków superpozycji drgań generowanych robotami strzałowymi, wobec czego poniżej, w odniesieniu do fal sejsmicznych, podano podstawowe z nich [5, 6]. Jednowymiarowe równanie falowe: 2 2 u 1 u 2 c 2 t x u funkcja falowa opisująca zmienność amplitud drgań w czasie i przestrzeni, c prędkość propagacji fali, a jego rozwiązaniem jest funkcja: f ( x (2) ct ) g( x ct ) (3) f i g dowolne funkcje opisujące zmienność amplitud w czasie i przestrzeni, t czas. Dwie interferujące fale można opisać zależnościami: f1 A1cos( t 1 ) f2 A2cos( t 2 ) (4)

126 f 1, f 2 czasowa zmienność amplitud drgań w tym samym punkcie przestrzeni dla dwóch źródeł drgań, częstość drgań, A 1, A 2 maksymalne amplitudy drgań dla fali 1 i 2, fazy drgań dla fali 1 i 2. 1, 2 Sumaryczna amplituda W: n it i k W e Ak e k 1 e liczba Eulera, i jednostka urojona o właściwości i 2 =-1. Z zależności (5) wynika, że zmiana faz składowych drgań wpływa na maksymalną amplitudę drgań wypadkowych. Stanowi to przesłankę, że możliwa jest taka synchronizacja fal, która prowadzi do ich interferencji. W przypadku fal sejsmicznych mamy do czynienia z falami podłużnymi o charakterze wektorowym. W związku z tym wzór (5) przyjmie postać: n it ik W e Ak e k 1 A k wektorowa wartość amplitudy. W praktyce synchronizacja fal sejsmicznych (drgań wywoływanych robotami strzałowymi) może być realizowana poprzez ustalenie czasów ich przebiegów ze źródła do wybranego punktu w górotworze po krzywoliniowym torze w takiej sekwencji, aby dotarły one do niego w tym samym czasie. Czas przebiegu fali sejsmicznej w ośrodku niejednorodnym (w górotworze) opisuje formuła Fermata: min ds t (7) V x,y, z krzywa, po której czas przejścia fali jest minimalny [10]. (5) (6) 4. Wyniki modelowania intensywności interferencji drgań sejsmicznych Zobrazowanie rozkładu potencjalnej interferencji drgań falowych pochodzących z wielu źródeł inicjacji przeprowadzono w ośrodku odpowiadającym rzeczywistym warunkom występującym w jednym z oddziałów kopalni rud miedzi. Dla odwzorowania niejednorodności panujących w nim warunków wykonano badania geotomografii krzywoliniowej, których skutkiem było odwzorowanie pola prędkości podłużnych fal sejsmicznych rys. 5 [9].Ujawniło ono obszary lokalnych większych i mniejszych wartości prędkości fali podłużnej, dla których wyznaczono krzywoliniowe trasy przebiegów promieni sejsmicznych pomiędzy miejscami inicjacji drgań (otworami strzałowymi) a stanowiskami ich rejestracji. Jednocześnie promienie te określają

127 czasy przejścia poszczególnych fal, co jest niezbędne dla wspomnianego już ustalenia chronologii odpalania poszczególnych otworów strzałowych dla uzyskania superpozycji drgań. Jednocześnie w trakcie tych badań stwierdzono, że dominujące częstotliwości drgań zawierają się w przedziale od 10 Hz do 40 Hz. Rys. 5. Rozkład prędkości fali P uzyskany z badania tomografii krzywoliniowej Rys. 6. Trasy przebiegu promieni sejsmicznych dla pola prędkości z rys. 5 a) b) Rys. 7. Intensywność interferencji drgań o częstotliwości 10 Hz dla 2 (a) i 4 źródeł (b) a) b) Rys. 8. Intensywność interferencji drgań o częstotliwości 40 Hz dla 2 (a) i 4 źródeł (b) Na bazie tych danych odtworzono dla dwóch i czterech źródeł sejsmicznych obrazy intensywności interferowania drgań sejsmicznych o takich właśnie częstotliwościach, co przedstawiają rys. 7 i 8. Przez intensywność interferencji należy rozumieć

128 wartość całki po czasie ze strumienia energii sejsmicznej dla wygenerowanego przez MW pakietu falowego, co ilustrują znormalizowane wartości (i kolory) skali po lewej stronie każdego rysunku. Wykonane modele i ich graficzne zobrazowanie ujawniło, że: ze wzrostem liczby źródeł sejsmicznych wzrasta kierunkowość interferencji. Przejawia się ona tym, że zwiększanie liczby źródeł drgań wyraźnie preferuje interferencję przestrzenną w określonych kierunkach; zauważalny jest wpływ niejednorodności ośrodka w postaci zaburzenia symetrii rozkładów wartości wskaźnika intensywności interferencji; sterowanie fazami drgań poszczególnych źródeł sejsmicznych pozwala wzmacniać drgania w wybranym miejscu analizowanego obszaru. 5. Badanie zdolności drgań sejsmicznych do superpozycji Doprowadzenie do konstruktywnej interferencji drgań podłużnych fal sejsmicznych pochodzących od strzelań materiałem wybuchowym jest zagadnieniem złożonym, głównie z powodu braku zachowania monochromatyczności czy też pseudomonochromatyczności fal sejsmicznych. W związku z tym klasyczna interferencja, taka jak w optyce w postaci prążków interferencyjnych, jest niemożliwa do uzyskania. W badaniach interferencji, czyli nakładania się podłużnych fal sejsmicznych od strzelań materiałem wybuchowym, mamy konstruktywną interferencję w tym sensie, że zostaje wzmocniona gęstość strumienia energii sejsmicznej zsumowana za okres trwania pakietu falowego, natomiast nie występuje efekt wzmocnienia amplitud, tak jak w klasycznej interferencji w optyce. Niemniej jednak obydwie koncepcje nakładania się fal są fizycznie do siebie podobne i częściowo uzasadniają wykorzystywanie pojęć z zakresu interferencji w optyce. Jednym z takich pojęć jest koherencja sygnału i związana z tym analiza częstotliwościowa sygnałów sejsmicznych w postaci transformaty Fouriera. 5.1. Czas koherencji Charakterystyka częstotliwościowa rejestrowanych sygnałów sejsmicznych jest istotnym parametrem określającym sposób propagacji i sumowania się amplitud fali sejsmicznej, w tym także fali sejsmicznych powstającej w wyniku strzelań materiałem wybuchowym. Niemniej jednak każdy z powstających sygnałów sejsmicznych ma jeszcze dodatkowo cechę, która jest związana wewnętrznie z tym sygnałem i określa przez jaki czas dany konkretny sygnał sejsmiczny jest w stanie sumować się sam ze sobą. Czas ten określany jest mianem czasu koherencji sygnału i jest bardzo istotnym parametrem przy rozpatrywaniu efektu interferencji w optyce. W celu określenia czasów koherencji poszczególnych sygnałów sejsmicznych, należy kolejno określić ich autokorelację, obliczyć transformatę Hilberta, wyznaczyć ich obwiednie oraz funkcje autokoherencji [6]. Pomijając analizy w etapach pośrednich można wskazać, że czas autokoherencji jest określony przez zależność (8). Na rys. 9 przedstawiono przykładowe przebiegi funkcji autokoherencji, wyznaczonej dla rejestracji drgań pochodzących od strzelań technologicznych w kopalni rudy miedzi.

129 2 2 2 2 d zd () funkcja autokoherencji, z analityczna postać przebiegu czasowego sygnału rzeczywistego f(t). (8) Rys. 9. Przykładowe funkcje autokoherencji sejsmogramów generowanych robotami strzałowymi Odpowiadające im czasy autokoherencji uwidoczniono w tabeli 1. Można także podać, że zakres zmienności tego parametru dla eksperymentalnie rejestrowanych i analizowanych drgań zawierał się w większości przypadków w przedziale 0,2- -1,2 s. Czas koherencji wyznacza okres, jaki badany sygnał jest w stanie interferować sam ze sobą lub z sygnałami o podobnym przebiegu. Biorąc pod uwagę, że płaszczyzna (przestrzeń) nakładania się drgań jest iloczynem czasu koherencji i prędkości fali sejsmicznej (równej w prezentowanym przypadku około 5200 m/s) badane sygnały sejsmiczne mogą nakładać się wzajemnie na odległościach rzędu kilku kilometrów.

130 Tabela 1. Czasy koherencji Kanał Czas koherencji ; s 40 0,238 41 0,096 42 0,203 43 0,314 44 0,303 45 0,170 46 0,205 47 0,499 48 0,655 5.2. Czas synchronizacji drgań Przez czas synchronizacji drgań rozumieć należy bezwzględne różnice czasu odpalenia ładunków MW względem przebiegów fal sejsmicznych od miejsca inicjacji wybuchu do obszaru, w którym zachodzić powinna superpozycja drgań. Różnica czasów przebiegów wynika ze zmiennej odległości pomiędzy tymi punktami oraz prędkości rozprzestrzeniania się fal. Czas przejścia fal (drgań)wyznaczyć można z bezpośredniego pomiaru lub wyznacza się z pola prędkości otrzymanego w procedurach krzywoliniowej tomografii sejsmicznej. Różnice tych czasów wyznaczają opóźnienia czasów odpalania ładunków MW, a ich uporządkowany zestaw tworzy harmonogram odpalania poszczególnych z nich (poszczególnych przodków). W zaawansowanych analizach superpozycji drgań niespójnych pojawia się dodatkowy element (składnik) czasu opóźnienia (zwłoki) odpalania ładunków MW. Wynika on z optymalizacji przesunięcia drgań względem siebie w aspekcie maksymalizacji wartości wypadkowego strumienia energii docierającej w określonym czasie do obszaru nakładania się drgań. 5.3. Miara efektu superpozycji Ze względu na różnice w inicjowaniu drgań górotworu (różnice w charakterystykach oddziaływania odpalanych ładunków MW na otoczenie skały) oraz jego niejednorodność drgania te w praktyce są niespójne. W praktyce skutkuje to niemożliwością uzyskania efektu ich interferencji, co pociąga za sobą także konieczność zmiany parametru oceny intensywności występującej superpozycji. W wyniku przeprowadzonych rozważań i badań [6] uznano, że parametrem takim może być strumień energii docierający do obszaru nakładania się drgań. Jego nadmiarowe wartości w stosunku do wynikających z techniki strzelań niezsynchronizowanych mogą wskazywać na wzrost intensywności drgań w przedmiotowym obszarze górotworu. Wartość strumienia energii można wyznaczyć z zależności [6]: t 2 2 const V dt (9) t 1 t

131 const stała, wartość przyjęta jako równa 1, v(t) absolutna wartość wektora prędkości drgań cząstek ośrodka, t 1 początkowy czas impulsu sejsmicznego, t 2 końcowy czas impulsu sejsmicznego. Dla przykładowych prób strzelań eksperymentalnych, przeprowadzonych w warunkach in situ [5], przeciętne wartości wyniosły dla strzelań niezsynchronizowanych 7,01 10-11 J/m 2, a dla zsynchronizowanych 12,77 10-11 J/m 2. Oznacza to wzrost wartości energii o 55%. Podsumowanie Jednym z podstawowych zadań każdego podziemnego zakładu górniczego jest zwalczanie naturalnych zagrożeń górniczych. W kopalniach rud miedzi jest to przede wszystkim zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami, a ważnym środkiem przeciwdziałania im są roboty strzelnicze. W niniejszym artykule wskazano, że istnieje możliwość poprawy ich skuteczności, doprowadzając do superpozycji wywoływanych przez nie drgań. Jest to możliwe poprzez zróżnicowanie czasów odpalania poszczególnych otworów strzałowych względem czasu odpalenia wyznaczonego, pierwszego chronologicznie ładunku MW. Czas ten wynika z różnic czasów przejścia fal od punktu inicjacji do obszaru superpozycji. Wykazano, że pomimo ich niespójności możliwa i celowa jest taka synchronizacja odpalania poszczególnych otworów strzałowych, aby w wyznaczonym obszarze rejestrować wzrosty wartości strumienia energii tam docierającej wraz z przemieszczającymi się drganiami. W praktyce jest to możliwe poprzez zastosowanie elektronicznych systemów inicjacji odpalania ładunków MW. Bibliografia [1] Butra J., Kudełko J., 2011, Rockburst hazard evaluation and prevention methods in Polish copper Mines. Cuprum, Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud, nr 4(61), Wrocław, s. 5-16. [2] Changshou Sun, 2013, Damage zone prediction for rock blasting, Department of Mining Engineering, The University of Utah, December 2013. [3] Gawęcki A., 2003, Mechanika materiałów i konstrukcji prętowych, cz. czwarta: Wybrane problemy nieliniowe i niesprężyste, Alma Mater (http://www.ikb.poznan.pl/almamater/ biblioteka/podreczniki_akademicki/ag_mechanika_materialow/19.pdf). [4] Hustrulid W., 1999, Blasting Principles for Open Pit Mining, vol. 1 General Design Concepts, A.A. Balkema, Rotterdam. [5] Kabiesz J., Lurka A., 2014, Ocena możliwości uzyskania konstruktywnej interferencji drgań pochodzących od robót strzałowych (Possibility to obtain constructive interference of blast work induced vibrations), Przegląd Górniczy, nr 12, 56-67. [6] Kabiesz J., Lurka A., Drzewiecki J., (w druku), Selected methods of rock structure disintegration to control mining hazards, Archives of Mining Sciences, vol. 60, iss. 3. s. 807-824. [7] Kłeczek Z., 2004, Grupowe strzelanie przodków jako element profilaktyki tąpaniowej w kopalniach rud miedzi LGOM, Górnictwo i Geoinżynieria, r. 28, z. 3/1. s.153-159. [8] Liszkowski J, Stochlak J. (red), 1976, Szczelinowatość masywów skalnych. Praca zbiorowa, Wyd. Geologiczne, Warszawa. [9] Lurka A., 2009, Wybrane teoretyczne i praktyczne zagadnienia tomografii pasywnej w górnictwie podziemnym, Prace Naukowe GIG, nr 879. [10] Lurka A., Kabiesz J., (w druku), Constructive interference of seismic vibrations generated by blasting teoretical approach, Journal of Suistanable Mining.

132 [11] Makarewicz R., 2004, Dźwięki i fale, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań. [12] Meyer-Arendt J.R., 1977, Wstęp do optyki, PWN, Warszawa. [13] Olsson, M., Bergqvist, I., 1995, Crack propagation in rock from multiple hole blasting Part 1, Swedish Rock Engineering Research, SveBeFo Report no. 18, Stockholm. [14] Ratajczyk F., 2002, Instrumenty optyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław. Źródła internetowe: http://www.cotojest.info/rownowaga_632.html (dostęp 27.07 2015) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/wavepanel.png (dostęp 27.07 2015)