Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla

Materiały Warsztatów str. 381 393 Zenon PILECKI* / **, Jerzy KŁOSIŃSKI** * Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków ** Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla Streszczenie W pracy przedstawiono założenia metodyczne profilowania tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla w strefie przyociosowej wyrobisk chodnikowych. Podkreślono, że tłumienie może być interesującym parametrem uzupełniającym pomiar refrakcyjnej prędkości fali w pokładzie węgla. Wskazano na przydatność zmian współczynnika tłumienia ze względu na jego dużą wrażliwość na zmiany stanu naprężenia i deformacji w pokładzie węglowym w porównaniu do prędkości fali typu P. W pracy przedstawiono przykład profilowania zmian współczynnika tłumienia i prędkości refrakcyjnej fali sejsmicznej typu P w pokładzie węgla 713/2 w KWK Marcel. Wyniki profilowania posłużyły do określenia zasięgu i wielkości anomalnych stref naprężeń w eksploatowanym pokładzie oraz oceny charakteru strefy spękań w ociosie wyrobiska. 1. Wprowadzenie Parametry sejsmiczne są wielkościami fizyczno-mechanicznymi charakteryzującymi sposób propagacji fal w różnych ośrodkach geologicznych. Do podstawowych parametrów zaliczane są prędkości fali P i S. Dla celów inżynierskich parametry sejsmiczne są określane na podstawie różnego rodzaju technik pomiarów sejsmicznych (Marcak, Pilecki 2003). Sposoby wyznaczenia i wykorzystania tych parametrów były przedmiotem licznych publikacji krajowych i zagranicznych. W ostatnich kilkunastu latach podejmowane są badania dla szerszego wykorzystania parametrów związanych z tłumieniem fal sejsmicznych. Znajomość tłumienia może być szczególnie przydatna dla dokładniejszego określenia właściwości mechanicznych ośrodka. Zagadnienie to jest złożone, gdyż tłumienie w istotny sposób zależy od stanu naprężenia i deformacji pierwotnej i wtórnej ośrodka, jego porowatości, czy wypełnienia medium ciekłym i gazowym. Właściwości tłumiące można opisać dwoma parametrami: współczynnikiem tłumienia α i współczynnikiem dobroci Q. W górnictwie węgla kamiennego metoda refrakcyjnego profilowania sejsmicznego jest wykorzystywana m.in. do oceny względnych przyrostów naprężeń w wyrobiskach zagrożonych tąpaniami (Dubiński 1989). Technika ta generalnie umożliwia ilościową ocenę efektu oddziaływania różnych czynników kształtujących stan naprężenia i deformacji. Metoda profilowania sejsmicznego jest metodą stosunkowo szybką i łatwą w realizacji dla przyjętych schematów pomiarowych, przy stosowaniu obecnej aparatury pomiarowej i specjalistycznego oprogramowania interpretacyjnego. Dla potrzeb profilowania wykorzystuje się 381

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla oprogramowanie typowe dla inżynierskich zastosowań profilowań refrakcyjnych. Pozwala ono na efektywne rozpoznanie przebiegu sejsmicznej granicy między silnie spękaną strefą ociosową (plastyczną) a strefą nienaruszoną (sprężystą). Wyznaczanie prędkości refrakcyjnej fali P wymaga obliczeń metodą inwersji. W przypadku obliczeń współczynnika tłumienia wystarczy poprawna identyfikacja fali refrakcyjnej na zapisie falowym. Praca omawia założenia metodyczne profilowania tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla wykonywanych w ociosach wyrobisk chodnikowych. Przedstawiono również przykład wyznaczania współczynnika tłumienia sejsmicznego w pokładzie 713/2 w rejonie ściany M-3 w KWK Marcel. 2. Wybrane zagadnienia tłumienia fal sejsmicznych Tłumienie sejsmiczne w ośrodku rzeczywistym jest procesem niesprężystym. W trakcie jego przebiegu zachodzi ciągła utrata energii sejsmicznej wskutek niesprężystych deformacji. Według Johnstona i in. (1979; za Bartonem 2007) tłumienie wewnętrzne związane z pochłanianiem energii sejsmicznej w skałach i masywach skalnych jest efektem: niesprężystości szkieletu skalnego, dyssypacji energii sejsmicznej w wyniku tarcia wewnętrznego pomiędzy powierzchniami ziaren, mikroszczelin czy porów, relaksacji energii w wyniku ruchów cieczy na granicy z szkieletem skalnym, względnych ruchów szkieletu skalnego w sąsiedztwie cieczy w skałach nasyconych ciekłym medium, przepływów nieustalonych typu squirt z mikroszczeliny do przestrzeni porowej i wewnątrz przestrzeni porowej z jej przewężeń do części centralnej, ruchów gazów w przestrzeniach porowych i mikroszczelinach, W skali pomiarów sejsmicznych Sheriff (1968) opisuje tłumienie jako proces: zmniejszania się wielkości amplitudy fali na drodze jej propagacji, zmniejszania amplitudy lub energii bez zmiany kształtu fali, zmniejszenia energii sygnału sejsmicznego z odległością, które nie jest związane z geometrycznym rozchodzeniem się, ale jest związane z cechami fizycznymi ośrodka, które powodują pochłanianie i rozpraszanie. W ogólnym ujęciu w pomiarach sejsmicznych zanikanie amplitudy sygnału ze wzrostem odległości od źródła związane jest z geometrycznym rozchodzeniem się fali oraz stratami energii sejsmicznej wskutek pochłaniania i rozpraszania. Efekt geometryczny jest zjawiskiem zaniku amplitudy fali w miarę oddalania się frontu falowego od źródła w wyniku zmniejszania się gęstości energii sejsmicznej. Rozpraszanie jest efektem lokalnego rozdzielenia energii sejsmicznej z zachowaniem sumarycznej wielkości na niejednorodnościach ośrodka, w wyniku którego powstają różnego rodzaju fale nazywane dyfrakcyjnymi. Pochłanianie zwane też absorpcją związane jest z lokalną stratą energii sejsmicznej wskutek różnych przemian energetycznych w ośrodku niesprężystym. W trakcie propagacji fali sprężystej przez ośrodek, część jej energii mechanicznej jest zamieniana na ciepło (poprzez tarcie i lepkość) na granicach ziaren i mikrospękań. W trakcie jak skała podlega ściskaniu i rozciąganiu podczas przechodzenia przez nią fali sejsmicznej, medium ciekłe i gazowe wypełniające pory i mikropęknięcia przemieszcza się w sposób wymuszony. Na zmniejszanie się amplitudy fali ma wpływ ruch medium, zwłaszcza na 382

granicach kontaktowych z elementami szkieletu ośrodka skalnego. Amplitudy fal o wyższych częstotliwościach ulegają większemu zanikowi ze względu na bardziej intensywne drgania. Przyjmując izotropowy charakter ośrodka efekt zaniku amplitudy A fali objętościowej z odległością od źródła r można opisać zależnością: 1 1 1 r2 A( r ) r1 = A( r2 ) r 2 gdzie: α współczynnik tłumienia, r 1, r 2 punkty pomiaru amplitudy wyrażone w odległościach od źródła. exp[ α ( r )] (2.1) Amplituda fal powierzchniowych ze względu na dyssypację geometryczną maleje z odległością jak 1/r 0,5, a amplituda fal objętościowych jak 1/r. Natomiast energia sejsmiczna maleje odpowiednio jak 1/r i 1/r 2 (rys. 2.1). Część druga równania (2.1) jest odpowiedzialna za tłumienie związane z pochłanianiem i rozpraszaniem. Rys. 2.1. Sposób zanikania fal z odległością (Woods 1968) Fig. 2.1. Decay of wave front in increasing distance (Woods 1968) Wszystkie wymienione czynniki mogą mieć wpływ na wielkość amplitudy na obrazie falowym. W ośrodku niejednorodnym, zwłaszcza w spękanym i zdeformowanym pokładzie węgla, rozdzielenie tych czynników jest trudne. W przypadku pomiarów sejsmicznych, w intensywnie spękanej strefie ociosowej wyrobisk w pokładzie węgla wydaje się, że największy wpływ na tłumienie fal sejsmicznych ma pochłanianie związane z efektem tarcia na powierzchniach mikrospękań i rozluźnionych kontaktach 383

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla międzyziarnowych. Taki pogląd prezentuje Barton (2007) w odniesieniu do stanu deformacji ośrodka umożliwiającego przemieszczenia powierzchni kontaktowych. W takich warunkach istotny wpływ na efekt działających sił tarcia ma stan naprężenia. Niewątpliwie w pokładzie węgla zachodzi również strata części energii sejsmicznej związanej z ruchem gazów i cieczy znajdujących się w strukturze węgla. Część energii sejsmicznej ulega rozproszeniu w silnie niejednorodnym i zdeformowanym pokładzie węgla. Tłumienie będzie się zwiększać w miarę wzrostu wytężenia pokładu. Reasumując, w niejednorodnym i niesprężystym pokładzie węgla tłumienie istotnie zależy od stanu naprężenia i deformacji. Można przyjąć, że dla fal płaskich w pokładzie węgla zmniejszanie się amplitudy jest łącznym efektem pochłaniania i rozpraszania energii sejsmicznej i ma charakter wykładniczy w funkcji odległości: α r A( r) = A 0 e (2.2) gdzie: A amplituda w odległości r od źródła, A 0 amplituda źródła, α współczynnik tłumienia (posiada wymiar 1/m). Wyznaczenie współczynnika tłumienia α jest trudne ze względu na skomplikowane pole falowe w spękanym pokładzie węgla w otoczeniu wyrobisk górniczych. W takim ośrodku może powstawać wiele rodzajów fal: bezpośrednie, odbite, refrakcyjne (refragowane), czy kanałowe. Dla obliczeń współczynnika tłumienia α należy wydzielić konkretny rodzaj fali w profilowaniach tłumienia falę refrakcyjną typu P. Można również przyjąć, że decydujący wpływ na tłumienie w pokładzie węgla ma efekt pochłaniania. Uważa się, że efekt rozpraszania jest skomplikowany, gdy rozmiary niejednorodności L i długości fal λ są porównywalne w zakresie (Aki i Wu; za Kornowskim 2002): 0,1 < L/λ <10 W przypadku gdy główne częstotliwości fal sejsmicznych (w refrakcyjnych profilowaniach sejsmicznych) mieszczą się w granicach od 10 do 150 Hz, to niejednorodności istotne osiągają rozmiary od kilku do kilkudziesięciu metrów, czyli większych rozmiarów deformacje w pokładzie pochodzenia geologiczno-tektonicznego lub górniczego (uskoki, ścienienia, szczeliny w polu naprężeń wtórnych, itp.). Wyznaczanie zmian współczynnika tłumienia α jako parametru opisującego stan naprężenia i deformacji w pokładzie węgla ma tą istotną zaletę, że jest bardziej wrażliwy w porównaniu do prędkości fali typu P. Na rysunku 2.2 przedstawiono przykład zmian prędkości fali typu P i tłumienia wyrażonego przez wielkość 1000/Q (Q współczynnik dobroci) w zależności od odkształcenia próbki piaskowca. Eksperyment pokazuje, że tłumienie zmienia się w granicach do 19%, natomiast prędkość tylko do 0,7%. Podobny efekt pomierzono na próbkach węgla w stanie suchym i nasyconym wodą (rys. 2.3). Zmiany wartości współczynnika tłumienia są zdecydowanie większe w porównaniu do zmian prędkości fali typu P (odpowiednio 23% i 91% maksymalnie). Należy również zaobserwować, że ze wzrostem wartości naprężenia przyrosty zmian prędkości fali są coraz mniejsze. Natomiast przyrosty zmian współczynnika tłumienia ze wzrostem naprężenia maleją w mniejszym stopniu, zwłaszcza dla próbek zawodnionych, redukujących przestrzeń głównie mikrospękań. 384

Rys. 2.2. Zmiany tłumienia (1000/Q) i prędkości fali P ze wzrostem odkształcenia na cylindrycznej próbce piaskowca w zakresie częstotliwości od 500 do 9000 Hz (Winkler, Nur 1982) Fig. 2.2. Variations of attenuation (1000/Q) and velocity with strain increase, based on cylindrical samples of sandstone in the range of frequency from 500 to 9000 Hz (Winkler, Nur 1982) a) b) Rys. 2.3. Zmiany prędkości fali P (a) i współczynnika dobroci (jakości) dla fali P (b) w zależności od obciążenia dla zawodnionych i suchych próbek węgla; oznaczenia niewypełnione próbki suche, oznaczenie wypełnione próbki zawodnione (Yu i in. 1993) Fig. 2.3. The changes of P-wave velocity (a) and seismic quality of P-wave Q (b) with load increases for dry and saturated coal samples; dotes filled black for saturated and not filled for dry samples (Yu et al. 1993) 3. Podstawowe założenia metodyczne profilowania tłumienia 3.1. Metodyka pomiarowa Podstawowym celem profilowania sejsmicznego jest rozpoznanie refrakcyjnej prędkości fali typu P i jej tłumienia w strefie nienaruszonej (w rzeczywistości nieznacznie spękanej) 385

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla wykonaniem i istnieniem wyrobiska, zwanej z punktu widzenia mechaniki górotworu strefą sprężystą (rys. 3.1). W strefie tej, w jej początkowej części występuje maksimum prędkości w związku z maksimum naprężeń obwodowych (rys. 3.1b). Mogą one mieć duży wpływ na prędkość i tłumienie fali refrakcyjnej. W praktyce zapis falowy jest silnie zniekształcony i wyznaczenie fali refrakcyjnej typu P jest utrudnione (rys. 3.1c). Rys. 3.1. Schemat profilowania sejsmicznego w ociosie wyrobiska; (a) sposób propagacji refrakcyjnej fali typu P; (b) charakterystyka prędkości fali P w funkcji odległości od ociosu; (c) przykładowy obraz falowy Fig. 3.1. Scheme of seismic profiling along excavation sidewall; (a) P-wave propagation; (b) characteristic of P-wave velocity in function of distance from excavation sidewall; (c) exemplary wavefield W zależności od warunków propagacji fali w pokładzie węgla w dostosowaniu do energii źródła fali długość rozstawów może osiągać do 115 m dla 24 czujników. Odstęp między geofonami należy przyjąć od 2 do 5 m w zależności od możliwości identyfikacji fali refrakcyjnej. Falę sejsmiczną wzbudza się za pomocą udaru 5 kg młotem. Dla wzmocnienia sygnału i ograniczenia szumu należy stosować co najmniej 5-krotne składanie. Nawet na dłuższych odcinkach rejestracje są czytelne w przypadku niskiego poziomu tła sejsmicznego i dużych wzmocnień aparatury rzędu ponad 100 db. Geofony można instalować w różny sposób, przy czym kontakt z górotworem ma zapewnić wyraźne i niezniekształcone wejścia fal re- 386

frakcyjnych. Czujniki zamocowane na krótkich około 40 cm długości kotwiach w strefie nieodspojonej zapewniają wystarczająco przydatne dla interpretacji obrazy falowe. Czas rejestracji i próbkowanie sygnału należy każdorazowo testować w konkretnym rejonie pomiarowym. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń sugeruje się dobór próbkowania z taktem 0,125 ms i czas rejestracji 0,5 sekundy. 3.2. Metodyka interpretacji Zarejestrowane trasy sejsmiczne po sortowaniu i składaniu są filtrowane częstotliwościowo, a następnie wyznacza się czasy wejścia fali bezpośredniej i refrakcyjnej (związanej z granicą calizny). Sposób wyznaczenia współczynnika tłumienia α polega na: odczytaniu maksymalnej wartości amplitudy fali refrakcyjnej, znormalizowaniu maksymalnych amplitud względem największej wartości. Tak przetworzone dane można przedstawić w formie graficznej w układzie odległość od źródła i logarytm naturalny znormalizowanej amplitudy fali P A p, np. ln (A P /A P max ). Współczynnik kierunkowy uśrednionych liniowo punktów pomiarowych jest współczynnikiem tłumienia α. Dla poprawy dokładności wyznaczenia współczynnika tłumienia należy uśredniać od 3 do 5 punktów pomiarowych z krokiem odległości między kolejnymi punktami wzbudzenia fali (PS). Krok ten wynosi 1 punkt, jeżeli PS-y wykonywane są między każdą parą geofonów. Profilowanie tłumienia wykonuje się wraz z profilowaniem prędkości refrakcyjnej zgodnie z metodą J. Dubińskiego (1989) uaktualnioną w pracy Dubińskiego i Konopki (2000). Metoda ta została udoskonalona poprzez zastąpienie prostoliniowych granic refrakcyjnych granicami nieliniowymi (np. Tor i in. 2006). W etapie interpretacji przyjmuje się dwuwarstwowy model ośrodka zbudowany ze strefy spękań oraz calizny. Do obliczenia modelu prędkościowego i zasięgu strefy spękań wykorzystuje się metodę czasu wzajemnego (reciprocal traveltimes method). Korekty modelu dokonuje się metodą analizy odwrotnej. Poprzez zmianę położenia granic sejsmicznych modelu dopasowuje się hodografy obliczone do obserwowanych. Dokładność obliczeń weryfikuje się poprzez minimalizację średniego błędu kwadratowego. 4. Przykład profilowania tłumienia sejsmicznego w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2 4.1. Zakres badań Badania przeprowadzono w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2 w chodniku ścianowym M-4 w odległości od 70 m do 185 m przed frontem ściany oraz w chodniku ścianowym M-3 w odległości od 135 m do 250 m przed frontem ściany (rys. 4.1). Wykonano 230 mb profili sejsmicznych (2 rozstawy po 115 m). 4.2. Warunki geologiczne w rejonie pomiarów Pokład 713/2 ma grubość średnio 1,7 m. Generalnie, wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie węgla pokładu 713/2 R c = 20,6 MPa, energetyczny wskaźnik naturalnej skłonności węgla do tąpań WET = 2,38. W bezpośrednim stropie pokładu 713/2 zalega 6,45 m warstwa 387

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla piaskowca (R c = 55,2 MPa), nad którą zalega 0,35 m warstwa pokładu 713/1. W spągu pokładu występuje 1,5 m warstwa łupku ilastego (R c = 37,3 MPa). Pokład 713/2 w rejonie badań zaliczony jest do I stopnia zagrożenia tąpaniami. W analizowanym rejonie krawędzie podbudowy nie występują, natomiast krawędzie nadbudowy wytworzone są w pokładach: 707/1-2 (46 54m powyżej), 705/2-3 (85 95m powyżej). Rys. 4.1. Szkic sytuacyjny z rejonu pomiarów profilowania sejsmicznego z zaznaczeniem położenia profili w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2 w KWK Marcel Fig. 4.1. Scheme of seismic profiling surveys in the M-3 longwall area, seam 713/2 in Marcel hard coal mine 4.3. Wyniki i analiza profilowań sejsmicznych Na rysunku 4.2 przedstawiono wykres zmian współczynnika tłumienia (4.2a) i pomierzony zasięg strefy spękań (4.2b) w chodniku ścianowym M-4 wzdłuż profilu I I, natomiast na rysunku 4.3 zmiany prędkości fali podłużnej P. Podobne wykresy zostały opracowane dla profilu II II w chodniku ścianowym M-3 na rysunku 4.4 i 4.5. 388

Rys. 4.2. Wyniki profilowania zmiany współczynnika tłumienia refrakcyjnej fali P (a) i szerokości strefy spękań (b) w chodniku ścianowym M-4 w pokładzie 713/2 w KWK Marcel Fig. 4.2. Changes of refraction P wave attenuation coefficient (a) and fracture zone width (b) in the M-4 gallery, seam 713/2 in the Marcel hard coal mine Rys. 4.3. Wyniki profilowania sejsmicznego prędkości fali typu P wykonanego w chodniku ścianowym M-4 w pokładzie 713/2 w KWK Marcel Fig. 4.3. Results of seismic profiling of P-wave velocity carried out in the M-4 gallery, seam 713/2 in the Marcel hard coal mine 389

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla Rys. 4.4. Zmiany współczynnika tłumienia refrakcyjnej fali P (a) i szerokości strefy spękań (b) w chodniku ścianowym M-3 w pokładzie 713/2 w KWK Marcel Fig. 4.4. Changes of refraction P wave attenuation coefficient (a) and fracture zone width (b) in the M-3 gallery, seam 713/2 in the Marcel hard coal mine Rys. 4.5. Wyniki profilowania sejsmicznego prędkości fali typu P wykonanego w chodniku ścianowym M-3 w pokładzie 713/2 w KWK Marcel Fig. 4.5. Results of seismic profiling of P-wave velocity carried out in the M-3 gallery, seam 713/2 in the Marcel hard coal mine 390

Profil I I Współczynnik tłumienia fali sejsmicznej na profilu przyjmuje wartości od 0,15 m -1 do 0,23 m -1, przy czym widoczny jest odcinek profilu ze wzrostem wartości współczynnika tłumienia na metrażu od 45 m do 65 m, w strefie potencjalnego oddziaływania krawędzi pokładu 707/2, a także występowania uskoku o zrzucie ok. 1,5 m (rys. 4.2). Prędkości fali P zmieniają się od 2160 m/s do 2355 m/s (rys. 4.3). Na profilu można zaobserwować dwa charakterystyczne odcinki: pierwszy od 0 do ok. 50 m, drugi od ok. 50 m do 115 m. Na pierwszym odcinku prędkości fali P są zbliżone do prędkości odniesienia i zmieniają się od 2160 m/s do 2260 m/s z minimum w punkcie 15 m. Na drugim odcinku od ok. 50 m do 115 m występuje wzrost prędkości w caliźnie węglowej w zakresie od 2260 m/s do 2355 m/s przy czym największa wartość występuje na ok. 68 m, w rejonie krawędzi pokładu 707/2. W tym miejscu wyznaczono anomalię prędkości A1 = 12,0%. Wielkość anomalii świadczy o słabym wzroście naprężeń w granicach od 20 do 60%. Zasięg oddziaływania krawędzi należy przyjąć od 45 m do 90 m profilu, przy czym granica od strony wschodniej jest trudna do ustalenia ze względu na wysoki poziom prędkości na wybiegu pola ściany M-3 od strony pozostawionego filara ochronnego. Analizując względną wielkość odprężenia w porównaniu do wielkości maksymalnych prędkości obliczono anomalię A2 = 8,3% (rys. 4.3). Anomalia ta wskazuje na słabe odprężenie i przypuszczalny spadek naprężeń od 25 55%. Na profilu I I zasięg strefy spękań zmienia się od 1,2 do 2,7 m. Należy podkreślić, że wyniki pomiaru prędkości fali sejsmicznej i jej tłumienia wskazują na słabe oddziaływanie krawędzi pokładu 707/2. W przypadku pomierzonych zmian współczynnika tłumienia, w strefie jego maksymalnego wzrostu można się spodziewać sumarycznego wpływu krawędzi pokładu 707/2 i strefy uskokowej. Profil II II Współczynnik tłumienia fali sejsmicznej na tym profilu przyjmuje wartości od 0,09 m 1 do 0,23 m 1 (rys. 4.4). Zauważalna strefa wyższych wartości współczynnika tłumienia z maksymalną wartością ok. 0,23 m 1 występuje pod zrobami pokładu 707/2. Pod calizną pokładu 707/2 na metrażu od 70 m do 105 m zauważalny jest spadek wartości współczynnika tłumienia z minimalną wartością 0,09 m 1. Prędkości fali P na profilu II II zmieniają się od 2130 m/s do 2330 m/s (rys. 4.5). Podobnie jak na pierwszym profilu, można zaobserwować dwa charakterystyczne odcinki: pierwszy od 0 do ok. 48 m, drugi od ok. 48 m do 115 m. Na pierwszym odcinku prędkości fali P są zbliżone do prędkości odniesienia i zmieniają się od 2150 m/s do 2200 m/s. Na drugim odcinku od ok. 48 m do 115 m występuje wzrost prędkości w caliźnie węglowej w zakresie od 2200 m/s do 2330 m/s, przy czym największa wartość występuje na ok. 68 m, w rejonie krawędzi pokładu 707/2. Wyznaczona w tym miejscu anomalia prędkości A3 = 12,7%. Wielkość anomalii świadczy o słabym wzroście naprężeń w granicach od 20 do 60%. Zasięg oddziaływania krawędzi należy przyjąć od 45 m do 85 m profilu, przy czym granica od strony wschodniej podobnie jak dla profilu I I jest trudna do ustalenia. Względna wielkość odprężenia, w porównaniu do wielkości maksymalnych prędkości, została określona anomalią A4 = 8,9%. Anomalia ta wskazuje na słabe odprężenie i przypuszczalny spadek naprężeń od 25 do 55%. Na analizowanym profilu II II szerokość strefy spękań zmienia się od 1,0 do 2,6 m. 391

Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla Należy podkreślić, że wyniki pomiaru prędkości fali sejsmicznej i jej tłumienia na profilu II II potwierdzają stan naprężenia i deformacji pomierzony na profilu I I i wskazują na słabe oddziaływanie krawędzi pokładu 707/2. Prawdopodobnie zaobserwowany wzrost współczynnika tłumienia na profilu I I w większej części był spowodowany oddziaływaniem krawędzi niż strefy uskokowej. Należy również zauważyć, że zmiany współczynnika tłumienia (na profilu I I 44%, a na profilu II II 166%) są dużo większe w porównaniu do zmian prędkości fali P (na profilu I I 8%, a na profilu II II 9%). 5. Podsumowanie Tłumienie fal w typowych profilowaniach sejsmicznych w pokładzie węgla w spękanych strefach ociosowych wyrobisk chodnikowych charakteryzuje, podobnie jak prędkość refrakcyjna fali P, stan naprężenia i deformacji. Przypuszczalnie największy wpływ na tłumienie energii sejsmicznej w pokładzie węgla w strefie ociosowej wyrobiska ma efekt pochłaniania związany z przemianami energetycznymi w wyniku tarcia wewnętrznego. W omawianej technice pomiaru współczynnika tłumienia efekt rozpraszania energii sejsmicznej, jedynie w szczególnych przypadkach występowania deformacji pokładu o większych wymiarach, mógłby mieć wpływ na wyniki pomiaru. Należy podkreślić, że z dotychczasowych doświadczeń wynika, że współczynnik tłumienia w porównaniu do prędkości fali sejsmicznej typu P wykazuje większą wrażliwość na zmiany stanu naprężenia i deformacji. Ocena zasięgu strefy spękań wynikająca z przyjęcia dwuwarstwowego modelu w interpretacji pomiaru profilowania może być przydatnym wskaźnikiem oceny jakości strefy buforowej wokół wyrobiska chodnikowego w aspekcie zagrożenia tąpaniami. Zagadnienie to ma istotne znaczenie w profilaktyce tąpaniowej dla ochrony wyrobiska przed dynamicznym oddziaływaniem wstrząsów górotworu oraz do analizy stopnia wytężenia pokładu węgla w sąsiedztwie wyrobiska. Przedstawione zagadnienie wymaga dalszych badań, a zwłaszcza zebrania doświadczeń w różnych warunkach geologiczno-górniczych. Literatura [1] Barton N. 2007: Rock Quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy, Taylor & Francis, London. [2] Dubiński J. 1989: Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Seria Dodatkowa. [3] Dubiński J., Konopko W. 2000: Tąpania ocena, prognoza, zwalczanie, Wyd. GIG, Katowice. [4] Johnston D. H., Toksöz M. N., Timur A. 1979: Attenuation of seismic waves in dry and saturated rocks: II. Mechanisms. Geophysics 44 (4), 691 711. [5] Kornowski J. 2002: Podstawy sejsmoakustycznej oceny i prognozy zagrożenia sejsmicznego w górnictwie, Wyd. GIG, Katowice. [6] Marcak H., Pilecki Z. 2003 (red.): Wyznaczanie właściwości utworów fliszu karpackiego metodą sejsmiczną dla potrzeb budownictwa tunelowego, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków. [7] Tor A., Chmiel P., Pilecki Z., Jakubów A., Skatuła R., Szreder Z., Kłosiński J. 2006: Kontrola efektywności strzelań torpedujących za pomocą profilowań sejsmicznych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG 6 (142), 62 64. [8] Sheriff R. E. 1968: Glossary of terms used in geophysical exploration. Geophysics 32 (1), 183 228. 392

[9] Winkler K.W., Nur A. 1982: Seismic attenuation: effects of pore fluids and frictional sliding. Geophysics 47 (1), 1 15. [10] Woods R. D. 1968: Screening of surface waves in soils. J. Soil Mechanics and Foundation Division 94 (4), 951 979. [11] Yu G., Vozoff K., Durney F.W. 1993: The influence of confining pressure and water saturation on dynamic elastic properties of some Permian coals. Geophysics 58 (1), 30 38. Profiling of seismic wave attenuation in hard coal seam In the paper methodology of profiling of seismic wave attenuation in hard coal seam in sidewall zone of drifts has been presented. It has been underlined, that the seismic attenuation can be interesting parameter supporting the interpretation of refracted P-wave velocity. Usefulness of attenuation coefficient is resulted from its great sensitivity for stress and deformation changes in coal seam comparing to P-wave velocity. In the paper, an example of profiling of attenuation coefficient and P-wave velocity in coal seam 713/2 in Marcel coal mine has been described. Profiling results were used for determining the range of stress anomalies in coal seam and to estimate the character of fracture zone in the sidewalls of excavations. Przekazano: 31 marca 2007 r. 393