WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 143 154 Stanisław SPECZIK* Cezary BACHOWSKI*, Józef DUBIŃSKI**, Grzegorz MUTKE**, Krzysztof JAŚKIEWICZ*** *KGHM Polska Miedź S.A., Lubin, **Główny Instytut Górnictwa, Katowice, ***CBPM CUPRUM Sp. z o.o., Wrocław Korelacja rejestrowanych przyspieszeń drgań z obserwowaną intensywnością dla wstrząsów z obszaru LGOM Streszczenie Od wielu lat istnieje problem z wiarygodną oceną skutków drgań wywołanych wstrząsami górniczymi na zabudowę powierzchniową, infrastrukturę techniczną oraz budowle geotechniczne. Obecnie stosowana w LGOM i na Górnym Śląsku do tego celu skala MSK, opiera się na przypisaniu poszczególnym stopniom intensywności drgań, odpowiednich wartości amplitud przyspieszenia i prędkości w określonym przedziale częstotliwości. Badania przeprowadzone przez autorów artykułu dowodzą, że stopnie intensywności drgań przypisane na podstawie danych pomiarowych nie korelują się ze stopniami intensywności drgań określonymi na podstawie skutków zaobserwowanych w budynkach. Intensywność drgań określana dla wstrząsów górniczych z danych pomiarowych jest wyższa od intensywności faktycznie obserwowanej. Korelację obserwowanych stopni intensywności z rejestrowanymi przyspieszeniami drgań badano dla wstrząsów z lat 2000 2002, a wyniki obserwacji naniesiono na skalibrowaną mapę topograficzną w programie MapInfo. Przedstawiono nowy wzór empiryczny do prognozowania przyspieszenia drgań powierzchni w LGOM w zakresie przyspieszeń niskoczęstotliwościowych do 10 Hz. 1. Wprowadzenie Wstrząsy górnicze w LGOM są odczuwalne na powierzchni już od połowy lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Ze względu na eksploatację złoża w filarze miasta Polkowice, wiele silnych zjawisk sejsmicznych ma swoje ogniska położone bezpośrednio pod miastem. Powoduje to określone skutki zarówno w charakterystyce drgań powierzchni, jak również w odczuwaniu tych drgań przez mieszkańców. Zrozumiałe jest zaniepokojenie władz lokalnych o bezpieczeństwo użytkowania obiektów budowlanych poddanych wpływom dynamicznym. Niestety, pozostające w dyspozycji skale intensywności drgań słuszne w przypadku trzęsień Ziemi, nie dają wiarygodnego oszacowania ryzyka sejsmicznego na powierzchni dla wstrząsów górniczych występujących w LGOM. Stosowanie tych skal (w tym najbardziej powszechnej skali MSK) powoduje, że zawyżone oceny intensywności skutków prowadzą do atmosfery dużego niepokoju. Z drugiej strony nie istnieje żadna alternatywna skala, pozwalająca w sposób wiarygodny i wystarczająco udokumentowany oceniać zagrożenie sejsmiczne od wstrząsów górniczych. Taki stan rzeczy prowadzi do przekonania, że należy opracować nową skalę oceny skutków drgań odpowiednią dla specyfiki wstrząsów górniczych. Skala taka jest 143

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... oczekiwana przez samorządy terenowe, sądy, mieszkańców oraz przez górnictwo rud miedzi. Założeniem nowej skali jest to, że zostanie ona opracowywana nie tylko na podstawie obserwacji empirycznych, ale będzie również uwzględniała wymagania w zakresie projektowania obiektów budowlanych i związaną z tym potrzebę wyznaczania poziomych sił bezwładności. 2. Określanie intensywności i przyspieszenia drgań powierzchni w obszarze LGOM Intensywność drgań W celu określenia intensywności wstrząsu w danym miejscu stosuje się tzw. skale makrosejsmiczne. Jedną z nich jest dwunastostopniowa skala MSK-64, stosunkowo najlepiej dopasowana do oceny wpływów drgań od wstrząsów górniczych w warunkach GZW i LGOM. Najsłabszym wstrząsom przypisuje się w tej skali intensywność I, a najsilniejszym intensywność XII. Jej idea polega na przypisaniu poszczególnym stopniom o danej intensywności, towarzyszących im, charakterystycznych zjawisk obserwowanych w formie odczuć ludności oraz zmian zachodzących w otoczeniu, skutków w zabudowie oraz zmian w środowisku geologicznym i przyrodzie. Skale intensywności uwzględniają w swojej ocenie wszystkie elementy związane zarówno z transmisją drgań w ośrodku skalnym oraz w budynkach jak i z odpornością budynków i ich elementów na zaistniałe drgania wymuszające. Zawierają w sobie elementy wpływu lokalnej amplifikacji drgań przez nadkład utworów czwartorzędowych oraz przez lokalną topografię i tektonikę terenu, jak również wpływ kierunkowości radiacji amplitud drgań ze źródła. Wadą skal makrosejsmicznych jest z kolei subiektywność odczuć drgań przez ludzi a w przypadku budynków, trudności z oddzieleniem uszkodzeń wynikłych tylko na skutek wstrząsu, od uszkodzeń wywołanych innymi czynnikami. Ponadto obserwacje makroskopowe mogą być opisywane tylko w obszarach zamieszkałych, co również wpływa na jakość materiału wykorzystywanego do analizy. Na terenach górniczych dochodzi jeszcze jeden problem związany z obserwacjami makroskopowymi. Istnieje bowiem możliwość prawna dochodzenia odszkodowania od przedsiębiorcy, co często powoduje zgłaszanie wszelkich uszkodzeń budynków jako wynik wstrząsów górniczych. Mając świadomość wszystkich wymienionych mankamentów obserwacji makroskopowych, trzeba powiedzieć, że są one jedynym źródłem empirycznej oceny skutków drgań na środowisko powierzchniowe, w tym budynki. Informacje makrosejsmiczne zbierane są w postaci ankiet opracowanych w poszczególnych punktach terenu. Wyniki ankiety służą do sporządzania mapy tzw. izosejst, czyli linii jednakowych intensywności. We wstępie skali MSK budynki podzielono na trzy grupy obiektów o różnej odporności na wstrząsy (grupy obiektów A, B i C), definicję statystycznej ilości oraz klasyfikację uszkodzeń budynków (stopnie szkód 1-5), a także wyszczególnienie elementów otoczenia podlegającego oddziaływaniu wstrząsów (ludzie i otoczenie, budynki i przyroda), (Willmore i Karnik 1970; Drzęźla, Dubiński i Mutke 2001). Przykładowo, dla zwykłych budynków z cegły (grupa B) intensywność w stopniu VI oznacza możliwość powstania drobnych rys w tynku w pojedynczych obiektach (do 5 % populacji obiektów), intensywność w stopniu VII oznacza dla tych budynków możliwość zaistnienia drobnych pęknięć ścian, ześlizgiwanie się dachówek itp., a intensywność w stopniu VIII oznacza możliwość wystąpienia w dużej grupie budynków ciężkich uszkodzeń (np. szerokie i głębokie pęknięcia ścian). Z kolei dla budynków zbrojonych (grupa C), intensywność w stopniu VI nie wywołuje żadnych skutków, w stopniu VII oznacza możliwość powstania drobnych rys w tynku, a intensywność w stopniu VIII oznacza dla tych budynków możliwość 144

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie zaistnienia drobnych pęknięć ścian w dużej grupie budynków i ciężkich uszkodzeń w obiektach pojedynczych. W artykule dokonano makrosejsmicznej oceny intensywności drgań dla wstrząsów zaistniałych w obszarze LGOM w latach 2000 2002. Ze względu na wystąpienie w dniu 20.02.2002 r., bardzo silnego wstrząsu pod miastem Polkowice, osobno opracowano opis intensywności drgań po tym zdarzeniu i osobno dla pozostałych wstrząsów. Do analizy wykorzystano informacje zgłaszane przez mieszkańców, materiały gromadzone i opracowywane przez działy szkód górniczych i CUPRUM. Założono, że materiał ten pozwoli na zweryfikowanie faktycznie obserwowanych stopni intensywności drgań ze stopniami określanymi na podstawie rejestrowanych przyspieszeń. Przyspieszenie drgań Przyspieszenie drgań jest aktualnie podstawowym parametrem oceny wstrząsów na zabudowę powierzchniową. Wartość tego parametru wykorzystywana jest zarówno do oceny skutków przy zastosowaniu skal intensywności jak i do obliczeń projektowych przy wykorzystaniu względnego spektrum odpowiedzi. Do oceny poziomu i charakterystyki drgań od zaistniałych wstrząsów górotworu służą przede wszystkim wyniki pomiarów sejsmometrycznych. Podkreślić jednak należy, że oszacowanie ryzyka sejsmicznego dokonuje się z reguły dla całych obszarów. Nie jest bowiem możliwe zainstalowanie pomiarowych stanowisk sejsmometrycznych we wszystkich, wymaganych względami ochrony powierzchni lub metodyki, miejscach takiego obszaru. Stąd też punktowe, bezpośrednie pomiary drgań służą do opracowania odpowiednich zależności empirycznych, umożliwiających opracowanie map ryzyka sejsmicznego. Charakterystykę drgań warstwy przypowierzchniowej opisuje się wówczas jako funkcję znanych parametrów ogniska wstrząsu (energia sejsmiczna i lokalizacja wstrząsu) oraz budowy geologicznej na drodze transmisji drgań i w punkcie ich odbioru. W obszarze kopalń LGOM obserwacje sejsmometryczne są prowadzone od kilkunastu lat, przy czym ich poziom był zróżnicowany w określonych okresach czasu. Podkreślić należy, że w ostatnich latach sieć punktów pomiarowych znacznie się rozwinęła, zarówno pod względem ilościowym jak i jakościowym. Obserwacje są obecnie prowadzone nie tylko przez zakłady górnicze, ale również przez gminy górnicze (np. gmina Polkowice). W wyniku tych prac powstało wiele wzorów empirycznych do szacowania parametrów drgań (amplitud przyspieszenia lub amplitud prędkości). Często były one opracowywane na wysoce niejednorodnym materiale pomiarowym. Stąd należy zauważyć, że wzory te często posiadają wyraźne ograniczenia w ich stosowaniu, bądź to dotyczące zakresu energii sejsmicznej bądź też odległości epicentralnej względnie obszaru, którego dotyczą. Z tej przyczyny opracowano nowy wzór empiryczny, znacznie poprawiający wiarygodność prognozy w obszarze LGOM. Ze względu na różne charakterystyki drgań wstrząsów wysoko i niskoenergetycznych, a zarazem na podstawową reakcję budynków na drgania z zakresu do 10 Hz, opracowany został wzór empiryczny do prognozy przyspieszeń drgań w zakresie mody niskoczęstotliwościowej, czyli do 10 Hz. Wzór ten został nazwany DML-2000 (opracowany w GIG przez Dubińskiego, Mutke i Lurkę). Do konstrukcji wzoru wykorzystano zapisy 75 silnych wstrząsów rejestrowanych na 19 stanowiskach pomiarowych. Stanowiska te usytuowane były w różnych miejscach LGOM, które z pewnością charakteryzowały się odmienną budową warstw przypowierzchniowych (stref małych prędkości). Nie można więc było traktować amplifikacji drgań jako wartości znanej. Amplifikacja drgań zawarta jest 145

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... w wynikach pomiarów sejsmometrycznych. Taki zbiór danych rejestracyjnych nie jest najlepszym zbiorem, bo musi powodować dość duży rozrzut rejestrowanych wartości. Jednak aktualnie nie dysponuje się w LGOM rejestracjami specjalnie ukierunkowanymi i pozwalającymi na ilościowe opisanie zjawiska amplifikacji drgań. Ten problem jest ciągle aktualny i wymaga podjęcia oraz wykonania specjalistycznych pomiarów i analiz naukowych. Do opracowania przedmiotowego wzoru DML-2000 metodą analizy regresji przyjęto model Joiner-Boore (1981), zakładający wzrost poziomu drgań z energią sejsmiczną i spadek z odległością epicentralną. W przypadku aktualnych danych pomiarowych z obszaru LGOM, zastosowanie regresji nieliniowej nie prowadzi do istotnej poprawy wiarygodności prognozy, jak to ma miejsce w obszarze GZW (Mutke 1991). Obliczony model regresyjny otrzymany z danych pomiarowych a gr w różnych miejscach LGOM i obowiązujący w całym zakresie zmienności parametru r odległość epicentralna (300 8700 m) i E energia sejsmiczna (10 6 2,5 10 9 J), jest następujący: log a gr = 2,54 + 0,225log E 0,614log r (2.1) a gr maksymalne wypadkowe przyspieszenia drgań gruntu z trzech składowych (wektor geometryczny w chwili czasu), mm/s 2, E energia sejsmiczna wstrząsu, J, r - odległość epicentralna, m. Parametry dla oceny regresji wielokrotnej są dla tego wzoru następujące: - współczynnik korelacji wielokrotnej, R = 0,685; - współczynnik determinacji, R 2 = 0,470; - błąd standardowy estymaty Log a gr SEE = 0,257; - błąd standardowy wyrazu wolnego wynosi 0,29; - błąd standardowy współczynnika przy log E wynosi 0,03; - błąd standardowy współczynnika przy log r wynosi 0,096. W celu lepszego wglądu w rozrzut danych wokół obliczonej krzywej regresji, w tablicy 2.1 zamieszczono 95 % przedziały ufności dla zmiennej zależnej a gr, obliczonej dla różnych wartości odległości i energii sejsmicznej. Fakt istnienia często znacznych różnic dla dolnego i górnego przedziału ufności wynika w dużej mierze z wpływu zjawiska amplifikacji drgań na wyniki pomiarów. Drugą przyczyną, szczególnie w odległościach epicentralnych, jest z pewnością silna kierunkowość radiacji amplitud drgań z ogniska wstrząsu. Mimo rozpiętości niektórych przedziałów ufności, wzór DML-2000 wydaje się być aktualnie jednym z najlepiej opisujących przyspieszenia niskoczęstotliwościowe w LGOM. Dla porównania, na rysunku 2.1 przedstawiono krzywe regresji dla najpopularniejszych wzorów z obszaru LGOM, występujących w literaturze i dokumentacjach badawczych. Obliczenia odnoszą się do wstrząsu o energii sejsmicznej E=1,5 10 9 J (czyli odpowiadającej zjawisku z 20 lutego 2002 r.). Wyraźnie widoczna jest dla niektórych zależności ograniczoność ich stosowania (uzyskiwanie nierealnych wartości w strefie, którą można z pewnym przybliżeniem uznać za epicentralną) oraz znaczące rozbieżności (najczęściej wynikające z ograniczonej różnymi warunkami stosowalności wzoru). Na rysunku tym naniesiono także krzywą opisującą zależność DML-2000 (oznaczoną na rys. GIG-MSK). Krzywa ta obejmuje już cały zakres energii sejsmicznych zaistniałych w LGOM oraz zapisy zarówno w strefie epicentralnej jak i w odległościach dalszych. 146

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Tablica 2.1. Analiza 95 % przedziałów ufności dla zmiennej zależnej agr obliczonej dla różnych wartości odległości epicentralnej r i energii sejsmicznej E Table 2.1. Analysis of 95 % confidence interval of dependent variable computed for different value of epicentral distance and seismic energy Wartość a gr[mm/sek] Dolna granica 95% przedziału ufności [mm/sek] Górna granica 95% przedziału ufności [mm/sek] 147 Odległość r [m] Energia sejsmiczna [J] 172 129 229 500 10 6 289 223 375 500 10 7 486 358 659 500 10 8 816 548 1216 500 10 9 112 87 144 1000 10 6 189 158 225 1000 10 7 317 260 386 1000 10 8 533 397 715 1000 10 9 73 55 97 2000 10 6 123 104 147 2000 10 7 207 180 239 2000 10 8 348 279 436 2000 10 9 57 41 79 3000 10 6 96 78 119 3000 10 7 161 138 189 3000 10 8 271 219 335 3000 10 9 42 28 62 5000 10 6 70 53 93 5000 10 7 118 95 147 5000 10 8 198 157 251 5000 10 9 Z przedstawionej analizy stosowanych wzorów empirycznych można zauważyć, jak różną prognozę izolinii przyspieszenia drgań powierzchni otrzyma się dla zjawiska o tej samej energii sejsmicznej. W szczególności duże różnice i często nierealne wyniki prognozy, otrzymywane są w rejonie epicentralnym. Analizując wzór DML-2000 i wyniki rzeczywistych przyspieszeń, widoczna jest znaczna poprawa prognozy drgań niskoczęstotliwościowych w przypadku stosowania tego wzoru. 3. Korelacja danych makrosejsmicznych z bazą danych o wstrząsach zarejestrowanych na stanowiskach powierzchniowych Pomimo dużej ilości stanowisk sejsmometrycznych do pomiaru przyspieszenia drgań i coraz bardziej wiarygodnej prognozy tego parametru dla zaistniałych i przewidywanych wstrząsów, istnieje ogromny problem z oceną skutków tych drgań na zabudowę powierzchniową. Okazuje się, że znajomość przyspieszenia drgań nie daje aktualnie w pełni wiarygodnej informacji o faktycznym zagrożeniu. Odnosi się to zarówno do ocen inżynierskich opracowywanych na podstawie skal intensywności (w tym najczęściej stosowanej skali MSK), jak również do ocen odporności budynków określanych na podstawie obliczeń. W tej części

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... artykułu zaprezentowano wyniki badań opisujące stopień zgodności intensywności drgań w skali MSK w korelacji z rejestrowanym przyspieszeniem. Krzywe regresji dla energii sejsmicznej E=1.5E9 J wg różnych wzorów empirycznych mm/s 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Rys. 2.1. Zależność przyspieszenia drgań w LGOM od odległości epicentralnej dla wstrząsu o energii sejsmicznej E=1,5 10 9 J dla różnych wzorów empirycznych Fig. 2.1. Regression curves between acceleration and epicentral distance of seismic event E=1,5*10 9 J for different empirical relationships used in the LGOM area Jak wiadomo istotą skali MSK jest charakterystyka intensywności oddziaływania drgań na człowieka, obiekty budowlane i przyrodę (Dubiński i Gerlach 1973; Drzęźla, Dubiński i Mutke 2001). Ze względu na niedogodności, jakie stwarza jedynie werbalny opis tej charakterystyki, dla skali MSK znaleziono związek intensywności z amplitudami przyspieszenia i prędkości drgań podłoża oraz zakresem ich częstotliwości wywoływanych trzęsieniami Ziemi (Willmore i Karnik 1970; Gibowicz 1985). W konsekwencji poszczególnym stopniom intensywności przypisano przyspieszenie drgań w paśmie częstotliwości 2 10 Hz oraz prędkość drgań w paśmie częstotliwości 0,4 2 Hz (Willmore i Karnik 1970). Przykładowo VI stopień intensywności drgań to przyspieszenia z zakresu 250 500 mm/s 2, VII stopień z zakresu 500 1000 mm/s 2, a VIII stopień z zakresu 1000 2000 mm/s 2. Przedmiotem analizy dla opracowania przedmiotowej korelacji były rejestracje wstrząsów z powierzchniowych stanowisk sejsmometrycznych uzyskane w okresie lat 2000 2002. Materiał pomiarowy został podzielony na następujące dwa zbiory : wstrząsy bez silnego zjawiska z dnia 20.02.2002r. o energii sejsmicznej E = 1,5 10 9 J, tylko powyższy silny wstrząs. Na każdym stanowisku pomiarowym określano maksymalne amplitudy przyspieszenia (0-pik i wymagane przez skalę MSK, tj. filtrowane w paśmie do 10 Hz). Materiały opisujące makroskopowe skutki wstrząsów w zabudowie powierzchniowej, uzyskano ze zgłoszeń mieszkańców oraz z działów szkód górniczych poszczególnych Zakładów Górniczych KGHM Polska Miedź S.A., a w szczególności z ZG Rudna. Na poniższym rysunku 3.1 przedstawiono 148 km LUBIN POLKOWICE RUDNA KOPEĆ LASOCKI KAZIMIERCZYK RL GIG - MSK

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie sumaryczny rozkład izolinii przyspieszenia drgań podłoża, odfiltrowanego w paśmie do 10Hz, dla analizowanego okresu 2000 2002 i z wyłączeniem wstrząsu z dnia 20.02.2002 r. Na mapie tej naniesiono również stopnie intensywności, określone na podstawie zaobserwowanych skutków w budynkach i w oparciu o odczucia ludzi, zebrane w obszarze LGOM, również w okresie czasu 2000 2002 r. Rys. 3.1. Izolinie maksymalnych przyspieszeń MSK (w zakresie częstotliwości do 10Hz) oraz izolinie intensywności drgań, naniesione na topograficzną mapę obszaru LGOM za okres 2000 2002 r. (z wyłączeniem danych o wstrząsie z dnia 20.02.2002 r. o energii sejsmicznej E=1,5*10 9 J) Fig. 3.1. Distribution of MSK ground acceleration (frequency up to 10 Hz) and MSK intensity presented on the topographic map. Result for mining tremors that have occurred from 2000 to 2002 in the LGOM area (exlcuded event of seismic energy E=1,5*10 9 J that has occurred 02.20.2002) Analiza drgań na podstawie przefiltrowanych rejestracji przyspieszenia drgań, odpowiednich dla wymagań skali MSK, prowadzi ewidentnie do zawyżenia oceny faktycznie zaistniałych skutków wstrząsu o 1 2 stopnie (np. na rys. 3.1. widoczne są obszary, w których przyspieszenia MSK przekraczają 500 mm/s 2 (oznacza to VII stopień intensywności określony z przyspieszeń), a faktycznie zaobserwowana intensywność nie przekroczyła stopnia V-VI. Podobną analizę przeprowadzono dla przyspieszeń nie filtrowanych w paśmie do 10 Hz (tzw. przyspieszenia 0-pik). W tym przypadku wyniki korelacji są jeszcze gorsze i różnice oceny intensywności wynoszą nawet 2-3 stopnie (rys. 3.2). Analogiczna analiza przeprowadzona dla silnego wstrząsu z dnia 20. 02. 2002 r. o energii sejsmicznej E=1,5 10 9 J, wykazała zawyżenie oceny o około 1 stopień (rys. 3.3). Przedstawiony materiał badawczy jednoznacznie dowodzi, że oceny skutków drgań górniczych na podstawie zarejestrowanych przyspieszeń w praktyce korelują się słabo lub wcale z faktycznie zaistniałymi szkodami. Obserwowane skutki wstrząsów w budynkach LGOM nigdy nie spowodowały uszkodzeń konstrukcyjnych (nawet wstrząs z 20 lutego 2002 r.). Ocena drgań dokonana wyłącznie na podstawie zarejestrowanych przyspieszeń prowadzi do konkluzji, że w budynkach miasta Polkowice powinny wystąpić poważne 149

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... uszkodzenia elementów konstrukcyjnych co faktycznie nie miało miejsca. Wynika stąd wniosek, że istnieje pilna potrzeba opracowania nowej, wiarygodnej skali oceny skutków drgań górniczych na zabudowę powierzchniową obszaru LGOM. Rys. 3.2. Izolinie maksymalnych przyspieszeń MSK (w zakresie częstotliwości 0-pik ) oraz izolinie intensywności drgań, naniesione na topograficzną mapę obszaru LGOM, za okres 2000 2002 r. (z wyłączeniem danych o wstrząsie z dnia 20.02.2002 r. o energii sejsmicznej E=1,5*10 9 J) Fig. 3.2. Distribution of peak ground acceleration (frequency up to 100 Hz) and MSK intensity presented on the topographic map. Result for mining tremors that have occurred from 2000 to 2002 in the LGOM area (excluded event of seismic energy E=1,5*10 9 J that has occurred 02.20.2002) Rys. 3.3. Izolinie maksymalnych przyspieszeń MSK (w zakresie częstotliwości do 10Hz ) oraz izolinie intensywności drgań, naniesione na topograficzną mapę obszaru LGOM, za okres 2000 2002 r., dla wstrząsu z dnia 02.02.2002 r. o energii sejsmicznej E=1,5*10 9 J) Fig. 3.3. Distribution of MSK ground acceleration (frequency up to 10 Hz) and MSK intensity presented on the topographic map. Result for mining tremor of seismic energy E=1,5*10 9 J, that has occurred 02.20.2002) 150

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 4. Analiza wybranych rejestracji silnych zapisów wstrząsów górniczych z obszaru LGOM W obszarze LGOM rozmieszczonych jest kilkadziesiąt stanowisk akcelerometrycznych zainstalowanych w gruncie i w budynkach. Liczne rejestracje wskazują niejednokrotnie wartości amplitudy przyspieszenia 0-pik tak wysokie, że budzą one zrozumiałe zaniepokojenie mieszkańców co do odporności budynków. Nawet analiza drgań w ograniczonym paśmie częstotliwości do 10 Hz, wskazuje czasami na VII lub nawet VIII stopień intensywności drgań wg. skali MSK (drgania o takiej intensywności w skali MSK oznaczają odpowiednio znaczące szkody w budynkach oraz lokalne ich zniszczenie). Przykładem takim może być tutaj silny wstrząs z dnia 28.03.2003 r., którego akcelerogram zarejestrowany w gruncie przy ul. Kolejowej w Polkowicach przedstawia rysunek 4.1. Określone na jego podstawie, zgodnie z wymaganiami skali MSK, amplitudy przyspieszenia drgań wyniosły 1072 mm/s 2 (wypadkowe amplitudy maksymalne w chwili czasu do 10 Hz), co oznacza VIII stopień intensywności (zniszczenie budynku). W rzeczywistości nie obserwowano w obiekcie żadnych szkód po zaistnieniu tego wstrząsu, co mogło klasyfikować faktycznie zaistniałą intensywność do V lub co najwyżej VI stopniu intensywności. Po filtracji tercjowej akcelerogramu zarejestrowanego na fundamencie budynku przy ul. Kolejowej, dla tercji o częstotliwości środkowej 5 Hz otrzymano przyspieszenie a SWD=515 mm/s 2. Według stosowanej w latach ubiegłych skali SWD II (obecnie skale SWD już nie obowiązują na terenach górniczych), takie wartości klasyfikowały wstrząs w strefie drgań o dużej szkodliwości dla budynku. Podobnie jak to miało miejsce w skali MSK również i tutaj ma miejsce zdecydowane zawyżenie oceny. Przyczyn zawyżania oceny skutków drgań przy stosowaniu skali MSK i także innych skal stosowanych dla oceny skutków trzęsień Ziemi może być wiele. Wydaje się, że jedną z nich może być wybór przyspieszenia drgań podłoża jako parametru do korelowania wstrząsu z jego skutkami. Przyspieszenie drgań jest bowiem bardzo czułym parametrem na lokalne zmiany i niejednorodności w podłożu (geologiczne, tektoniczne, topograficzne itp.), co jest przyczyną generowania wtórnych fal o słabej energii, ale wysokim piku przyspieszenia. Wiele doświadczeń praktycznych wskazuje, że dużo poprawniejszym fizycznie parametrem do korelacji skutków są amplitudy prędkości drgań (proporcjonalne do energii wstrząsu i mniej czułe na lokalne zaburzenia występujące w podłożu). Z drugiej strony wstrząsy górnicze różnią się w sposób dość istotny od trzęsień Ziemi. Częstotliwość drgań dominujących dla wstrząsów górniczych układa się z reguły w rejonie częstotliwości drgań własnych budynków lub najczęściej powyżej tej częstotliwości. Natomiast w trzęsieniach Ziemi sytuacja jest dokładnie odwrotna, tzn. częstotliwość drgań gruntu jest dużo niższa od częstotliwości drgań własnych budynków. Jest to prawdopodobnie tylko jeden z podstawowych czynników powodujących odmienne oszacowania stopni intensywności dla wstrząsów górniczych i dla trzęsień Ziemi. Istnieją przesłanki wskazujące, że drugim takim czynnikiem będzie z pewnością czas trwania drgań o znaczących amplitudach (analogiczny do używanego w trzęsieniach Ziemi czasu trwania fazy silnych drgań obliczanych jako skumulowana intensywność (Arias a, Arias 1970; Zembaty 2002). Tak więc można stwierdzić, że w nowej skali górniczej winno się znaleźć jeszcze kilka innych parametrów, które uwzględniają specyfikę drgań wywoływanych przez górnicze wstrząsy górotworu. Powyższe rozważania w całej rozciągłości potwierdza analiza wspomnianego już wstrząsu z dnia 20.02.2002 r. o energii sejsmicznej E=1,5 10 9 J, który spowodował w mieście Polkowice liczne, jednak nie konstrukcyjne uszkodzenia w budynkach. Przykład rejestracji 151

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... tego wstrząsu na stanowisku pomiarowym zlokalizowanym w gruncie na ul. Kolejowej w Polkowicach przedstawia rysunek 4.2. Przyspieszenie określone według wymagań skali MSK wynosi dla tego wstrząsu, a MSK=1090 mm/s 2, natomiast przyspieszenie określone zgodnie z wymaganiami skali SWD dla tercji 4 Hz wynosi a SWD=603 mm/s 2. Same wartości amplitud przyspieszenia są więc bardzo podobne do tych jakie uzyskano dla wstrząsu z dnia 28.03.2003 r. 2.8 1 m/sek^2-2.8 2.8 2 m/sek^2-2.8 2.8 3 m/sek^2-2.8 1 2 3 4 5 czas [sek] Rys. 4.1. Akcelerogram wstrząsu z dnia 28.03.2003 r. zarejestrowany w gruncie przy ulicy Kolejowej. Przyspieszenie pikowe: Składowa 1 pozioma X=1600 mm/s 2 ; składowa 2 pozioma Y=1000 mm/s 2 ; składowa 3 pionowa Z=2800 mm/s 2. czas rejestracji t = 5s; przyspieszenie amsk = 1072 mm/s 2 Fig. 4.1. An example of accelerogram for a tremor registered at Kolejowa str. that occurred 02.28.2003. Horizontal peak acceleration X=1600 mm/s 2 and Y=1000 mm/s 2, vertical acceleration Z=2800 mm/s 2 1 1 m/sek^2-1 1 2 m/sek^2-1 1 3 m/sek^2-1 1 2 3 4 5 czas [sek] Rys. 4.2. Akcelerogram wstrząsu z dnia 20.02.2002 r. zarejestrowany w gruncie przy ul. Kolejowej. Składowa 1 pozioma X=1000 mm/s 2, składowa 2 pozioma Y=800 mm/s 2, składowa 3 pionowa Z > 1000 mm/s 2. Czas rejestracji trzęsienia 5s Fig. 4.2. An example of accelerogram for a tremor registered at Kolejowa Str. that occurred 02.20.2002. Horizontal peak acceleration X=1000 mm/s 2 and Y=800 mm/s 2, vertical acceleration Z > 1000 mm/s 2 152

WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Różnica pomiędzy tymi wstrząsami polega na dłuższym czasie trwania fazy silnych drgań (wstrząs z dnia 28.03.2003 r. to praktycznie tylko jedno pikowe wymuszenie na budynek, natomiast wstrząs z 20.02.2002r. charakteryzuje się kilkoma pikami (fazami) o wysokich wartościach amplitud i dłuższym czasie trwania fazy silnych drgań (porównaj rys. 4.1 i rys. 4.2). 5. Podsumowanie Obecnie w LGOM prowadzone są liczne powierzchniowe rejestracje przyspieszeń drgań wywołanych wstrząsami górotworu. Opracowano nowy wzór empiryczny pozwalający na bardziej wiarygodną prognozę przyspieszenia drgań w funkcji energii sejsmicznej zjawiska i odległości epicentralnej. Badania przedstawione w artykule wykazały jednak, że parametr przyspieszenia nie wystarcza do poprawnej oceny skutków drgań w budynkach. Wobec słabej korelacji przyspieszenia drgań wywołanego wstrząsami górniczymi ze skalami intensywności stosowanymi w trzęsieniach Ziemi, istnieje pilna potrzeba opracowania nowej, wiarygodnej górniczej skali oceny wpływów dynamicznych na powierzchnię obszaru LGOM. Skali takiej oczekuje nie tylko przemysł górniczy, ale również lokalne władze i mieszkańcy. Temat ten został podjęty przez KGHM Polska Miedź S.A., Główny Instytut Górnictwa i CBPM Cuprum, w ramach projektu celowego ustanowionego przez Komitet Badań Naukowych. Artykuł opracowano w oparciu o badania, realizowane w projekcie celowym nr 6T1200632002C/05870 pt. System oceny oddziaływań sejsmicznych na powierzchnię wywołanych przez eksploatację złoża rud miedzi w zakładach górniczych LGOM. Literatura [1] Arias A. 1970: A Measure of Earthquake Intensity, in Seismic Design for Nuclear Power Plants (R. J. Hansen ed.), M.I.T., Press, 438 483. [2] Boor D. M., Joyner W. B 1981: The empirical prediction of ground motion. Bull. Seismol. Soc. Am. 72, 543 560. [3] Campbell K. W. 1981: Near-source attenuation of peak horizontal acceleration, Bull. Seism. Soc. Am., vol. 71, No. 6. [4] Dubiński J., Gerlach Z. 1983: Ocena oddziaływania górniczych wstrząsów górotworu na środowisko naturalne. Przegląd górniczy nr 3, 135 142. [5] Dubiński J., Mutke G. 2001: Reakcja budynku na wstrząsy górnicze z wysokoczęstotliwościową modą drgań gruntu. Mat. Konf. Warsztaty 2001, Kraków. [6] Dubiński J., Mutke G. 1997: Wstrząsy Górnicze. Rozdz. 10 z pracy zb. pod redakcją J. Kwiatka.: Ochrona terenów górniczych, GIG, Katowice, 533 581. [7] Drzęźla B., Dubiński J., Mutke G. 2001: Skale makrosejsmiczne ich istota i zasady stosowania do oceny skutków wstrząsów górniczych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 6(82), 10 16. [8] Gibowicz S. 1985: Problemy oceny zagrożenia sejsmicznego na terenach górniczych, II Krajowe Sympozjum Ochrona Powierzchni Przed Szkodami Górniczymi, SITG Katowice, 56 70. [9] Lasocki S., Szybiński M., Matuszyk J., Mirek J., Pielesz A. 2000: Prognozowanie drgań powierzchni wywołanych wstrząsami górniczymi przegląd krytyczny. Mat. Konf. p.n. Warsztaty 2000. Inst. Gosp. Sur. Min. i En. PAN, Kraków, 261 279. [10] Mutke G. 1991: Metoda prognozowania parametrów drgań podłoża generowanych wstrząsami górniczymi w obszarze GZW. Rozprawa doktorska, Główny Instytut Górnictwa, Katowice. 153

S. SPECZIK, C. BACHOWSKI, J. DUBIŃSKI, G. MUTKE, K. JAŚKIEWICZ Korelacja... [11] Siskind D. E., Stagg M. S., Kopp J. W. & Dowding C. H. 1980: Structure Response and Damage Produced by Ground Vibration From Surface Mine Blasting. Bureau of Mines Report of Investigations nr RI 8507, 1 74. [12] Willmore & Karnik (eds) 1970: Manual of Seismological Observatory Practice, International Seismological Centre Edinburgh, Scotland [13] Zembaty Z. 2002: Wstrząs górniczy z 20 lutego 2002 w Polkowicach. Ocena intensywności zjawiska na powierzchni gruntu. Politechnika Opolska. Correlation of the ground motion acceleration with intensity of mining tremors The problem due to assessment of damaging effect induced by mining tremors on the surface has been existing since many years. The MSK intensity scale is applied in LGOM and Upper Silesia at present. The basis of the MSK scale is the acceleration and velocity of ground motion. The results presented by authors prove, that intensity obtained from records are higher than observed intensity. Study was performed for mining tremors that occurred from 2000 to 2002. Results were laid on topographic maps using MapInfo software. The new empirical relationship for a low frequency ground acceleration prognosis (up to 10 Hz) in the LGOM area was presented in this paper. Przekazano: 15 marca 2003 154