WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str. 275 282 Joanna KRZEJA*, Aleksandra PIERZYNA** * Główny Instytut Górnictwa, Katowice ** K.W. S.A. KWK Bobrek-Centrum, Bytom Sposób ciągłej i automatycznej oceny tłumienia przed frontem ściany wydobywczej na przykładzie kopalni Bobrek-Centrum Streszczenie Praca ta stanowi porównanie kilku sposobów (modeli) wyznaczania współczynnika tłumienia przy pomocy stacjonarnych obserwacji sejsmoakustycznych przed frontem ściany wydobywczej w kolejnych skrawach. Na poligon doświadczalny wybrano rejon ściany 1/503 KWK Bobrek-Centrum w związku z prowadzonymi przez kopalnię na przełomie października i listopada 2006 r. udanymi próbami zastosowania uproszczonego wariantu metody. 1. Wprowadzenie Dwa lata temu w Laboratorium Sejsmoakustyki GIG przy współudziale pracowników KWK Bobrek-Centrum powstał sposób oszacowania efektywnej wartości współczynnika α absorpcji energii fal sejsmicznych przed frontem ściany wydobywczej w kopalni. Przez ostatni okres czasu metodę tą doświadczalnie stosowano w kilku ścianach kopalni Bobrek-Centrum. W międzyczasie założenia metody zostały zmodyfikowane tzn. model ściany z tłumieniem został kilkukrotnie przedefiniowany, ulegając coraz to lepszemu urealnieniu, a kolejne etapy (zmiany) zostały przez autorów nazwane modelami i w publikacji tej funkcjonują jako model 1, model 2 oraz model 3. Ze względu na znaczny wzrost skomplikowania obliczeń, w stosunku do wersji pierwotnej, metoda została oprogramowana w Laboratorium Sejsmoakustyki GIG. Cechy charakterystyczne tej metody to: a) Ocena wartości współczynnika tłumienia (α) jest całkowicie zautomatyzowana i praktycznie pozbawiona kosztów: program komputerowy estymuje wartości (α) po każdym kolejnym skrawie na podstawie rutynowych obserwacji za pomocą stacjonarnej sieci sejsmoakustycznej. b) Metoda zapewnia ciągłość oceny i dobrą rozdzielczość w dziedzinie czasu (jednostką czasu jest skraw ). c) Warunkiem estymacji współczynnika tłumienia (α) jest zarejestrowanie przez geofony, w danym chodniku przyścianowym, za okres danego skrawu co najmniej dwóch 275
J. KRZEJA, A. PIERZYNA Sposób ciągłej i automatycznej oceny tłumienia niesprzecznych wartości umownej energii sejsmoakustycznej. Oznacza to, że w danym chodniku muszą być co najmniej dwa sprawnie działające geofony. d) W przypadku rzeczywistego, eksploatowanego pokładu węgla, ośrodek zawsze musi być traktowany jako niejednorodny i bardzo złożony, co powoduje, że w warunkach in situ badać można jedynie efektywną (czyli uśrednioną w czasie, w przestrzeni i w paśmie obserwowanej częstotliwości) wartość α. Związek anomalii tłumienia z zagrożeniem sejsmicznym należy, w dzisiejszym stanie naszej wiedzy, traktować jako korelacyjny, tzn. nietypowo małe wartości tłumienia świadczą o dużej lokalnej wartości naprężenia co może świadczyć o dużym zagrożeniu i odwrotnie, nietypowo duże wartości α wskazują na istnienie licznych nieciągłości na drodze propagacji fali, zatem na niewielkie naprężenie. Celem tej publikacji było przedstawienie, na podstawie stacjonarnych obserwacji sejsmoakustycznych prowadzonych w ścianie 1/503 KWK Bobrek-Centrum, wyników eksperymentalnego wyznaczania wartości współczynnika tłumienia w oparciu o kilka przyjętych modeli oraz próba skorelowania otrzymanych wartości z warunkami górniczo-geologicznymi w tym wyrobisku. 2. Modele zastosowane do wyznaczenia alfa przed frontem ściany wydobywczej Formułując instrukcję stosowania (biernej) metody sejsmoakustycznej do oceny stanu zagrożenia tąpaniami zakładano, ze względu na brak możliwości lokalizowania, że większość ognisk AE występuje w rejonie skrzyżowania (chodnika w którym są geofony z obserwowaną ścianą), zatem w większości przypadków r ij d ij gdzie, w czasie j-tego skrawu, d ij to zawsze znana odległość i-tego geofonu od skrzyżowania. Zgodnie z tym modelem który dalej nazywamy punktowym można estymować średnią, efektywną wartość współczynnika tłumienia, za pomocą równania ' k E [( A 2 ln ) ] ' kb E α j 2 [d jb d ja] gdzie: ' ' k A k500(a) wzmocnienie kanału A (dla częstotliwości 500Hz), E ja energia umowna zarejestrowana w czasie j-tego skrawu na kanale A, d ja odległość geofonu A od skrzyżowania w czasie j-tego skrawu. Na tym modelu (tzw. modelu punktowym) oparto sposób szacowania współczynnika tłumienia przed frontem ściany wydobywczej. Wyniki otrzymane po uruchomieniu tej metody w kopalni Bobrek-Centrum wykazały użyteczność nawet takiego prostego modelu. Szczególny przypadek zastosowania wyniki z obserwacji ściany 1 w pokładzie 503 zostanie przedstawiony i omówiony w następnych rozdziałach. Chcąc zmienić zbyt rygorystyczne założenia do modelu punktowego, wprowadzono kilka modyfikacji: dopuszczono źródła AE wzdłuż całego, skrawanego kombajnem, ociosu ściany, wprowadzono charakterystykę kierunkową czujników, ja jb (2.1) 276
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie przyjęto, że energia zbioru zdarzeń jest jedna, a tylko obserwacje (różnymi geofonami) dają różne jej wartości. Tak sformułowane założenia były już przedstawiane i publikowane np. na ubiegłorocznej konferencji Warsztaty Górnicze (Kurzeja, Zadrużny 2006) w przypadku estymacji energii AE na podstawie energii umownej. W referacie tym przedstawiono szczegółowe wyprowadzenie wzoru na energię AE i powtarzanie tego w tym artykule wydaje się autorom niecelowe. Równanie wiążące energię umowną E (Δt j, i) zarejestrowaną w j-tym skrawie na i-tym kanale, z energią fizyczną E można w postaci P j wyemitowaną w tym czasie z rozciągłego źródła P przedstawić E P j LhE ( t j, i) (2.2) e C 0,22d I (, d ) AP i, j 0 j ij gdzie: e C AP stała aparaturowa, która jest lub może być, mierzona w procesie kalibracji wzmocnienie energii przez samą aparaturę minikomputera ARES i przez konwerter A/C, h wysokość ściany, L długość ściany, α współczynnik tłumienia, I 0 funkcja określona równaniem (2.3), którą należy interpretować jako uogólnioną transmitancję drogi przebytej przez falę od punktu źródłowego do geofonu włącznie z charakterystyką kierunkową geofonu. L 1 x 2 I ( j, d j, i ) rij exp( 2 r ij )(0,111 dx (2.3) r 0 ) 0 ij W przypadku, gdy w chodniku przyścianowym (A), przed frontem skrawanej ściany, rejestrują jak to jest normalnie praktykowane dwa geofony, to równanie (2.2) dla tych dwóch przypadków (czujników) można zapisać w postaci E u P 1 e 1 ( AP 1 0 d1 E Lh) C 0,22d I (, ) (2.4a) E u P 1 e 2 ( AP 2 0 d2 E Lh) C 0,22d I (, ) (2.4b) gdzie niewiadomymi są E P oraz α, przy czym nas interesuje w tym zadaniu tylko wartość α. Zadanie polega więc na wyznaczaniu, po każdym skrawie wartości α, dla obszaru ściany przylegającego do każdego z chodników przyścianowych niezależnie, na podstawie rutynowych obserwacji sejsmoakustycznych i można je rozwiązać minimalizując po wszystkich dopuszczalnych wartościach α wyrażenie 2 2 d1i0(, d1) E1 d2i0(, 2)] f ( ) [ E d (2.5) 277
J. KRZEJA, A. PIERZYNA Sposób ciągłej i automatycznej oceny tłumienia Zagadnienie wyliczenia poszukiwanej wartości współczynnika (α) tłumienia, składa się z dwóch części: jedną jest obliczenie zależnej od parametrów d i, α całki (2.3) zwracając uwagę, że wartość α jest w zadaniu naszym niewiadomą a drugą część stanowi minimalizacja funkcji celu f(α). Całkę obliczano posługując się standardową metodą Simpsona, natomiast do rozwiązania zadania minimalizacji wykorzystano algorytm Neldera-Meada z Numerical Recipes pod nazwą Amoeba. W celu uzyskania zmniejszenia rozrzutu wyników który jest nieunikniony w przypadku pomiarów zakłóconych pracą ludzi i urządzeń zastosowano filtrację wyników z kolejnych skrawów. Tak przygotowana metoda została oprogramowana pod nazwą model 1. Ze względu jednak na nieścisłości logiczne (ten sam fragment ociosu opisywany był równocześnie dwoma różnymi współczynnikami tłumienia, każdy wyznaczony dla innego chodnika przyścianowego) przedstawiony model 1 stał się bazą dla dwóch innych modeli, w których sprzeczność tę usunięto w różny sposób. W modelu 2 ściana została (teoretycznie) podzielona na dwie równe części osią symetrii zakładając, że sygnały rejestrowane w każdym z chodników pochodzą odpowiednio tylko z tych części ściany, które ograniczone zostały tymi chodnikami. Metoda obliczeniowa (przedstawiona w modelu 1) zostaje bez zmian, tylko zamiast całej długości ściany wprowadzano do obliczeń jej połówkową wartość. W takiej sytuacji zakłada się, że czujniki obserwują tylko połowę ociosu i tłumienie oddzielnie liczone jest dla każdej z połówek ściany. W modelu 3 rozwiązano tę sytuację w nieco inny sposób. Założono, że w dwóch częściach ściany (w części przylegającej do chodnika podścianowego i w części przyległej do chodnika nadścianowego, niezależnie od nazwy) różne warunki naprężeniowe powodują występowanie różnych wartości efektywnego współczynnika absorpcji α, a czujniki w jednym i drugim chodniku obserwują całą ścianę. W tym przypadku (dla modelu 3) oprogramowanie umożliwia równoczesne wyznaczenie dwóch wartości współczynnika tłumienia, tzn. dla jednej i drugiej części ściany. Wszystkie trzy modele zostały wykorzystane do wyznaczania współczynnika tłumienia z kolejnych skrawów dla poligonu doświadczalnego, którym została ściana 1 w pokładzie 503 KWK Bobrek-Centrum. 3. Warunki geologiczno-górnicze w rejonie ściany 1 w pokładzie 503 Parcela ściany 1 zlokalizowana jest we wschodniej części pola północnego obszaru górniczego Bobrek-Centrum, w niecce bytomskiej. W tej części złoża warstwy karbońskie zapadają łagodnie z północy i zachodu do osi niecki, biegnącej w linii południowy wschód północny zachód, na północ od szybów głównych Józef i Bolesław. W południowo- -wschodniej części parceli ściany 1 przebiega strefa uskokowa. Strefa ta przechodzi z obszaru Centrum do Bobrek, zrzuca warstwy skalne w kierunku południowo-wschodnim o 1 4 m i wygasa w filarze ochronnym szybów głównych. W północno-zachodniej części parceli ścian 1 i 2 w pokładzie 503 przebiega druga strefa uskokowa, która przechodzi z obszaru byłej KWK Powstańców Śląskich Bytom I do Ruchu Bobrek, zrzuca warstwy skalne w kierunku północno-zachodnim do 6 m i wygasa w centralnej części pola północnego kopalni. Pokład 503 w analizowanym rejonie zalega na głębokości od 640 m na północy do 760 m na południu. Jego grubość waha się od 2,1 do 3,8 m. W pozostałej do wybrania części pola 278
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie ściany 1 pokład 503 zalega na głębokości 760 770 m; miąższość pokładu wynosi 0,6 2,7 m. Nachylenie pokładu wynosi od 0º (w dnie niecki) do 12 (w rejonie przecinek ścianowych). Pokład upada w kierunku południowym i południowo-wschodnim. Odległości zalegania pokładów: 416, 417, 418, 419 i 501 nad pokładem 503 wg otworu B-4 (bez uwzględnienia wybrania pokładów) wynoszą odpowiednio: 122 m, 97 m, 85 m, 63 m i 32 m. Poniżej pokładu 503, w odległościach: 17 m, 67 m, 93 m, 107 m i 114 m, zalegają pokłady: 504, 506, 507, 509 i 510. Bezpośrednio nad pokładem 503 oraz pod pokładem 503 w odległościach: 27 m i 57 m (licząc od środka warstwy wstrząsogennej) zalegają pakiety mocnych i zwięzłych skał (piaskowce i łupki piaszczyste z niewielkimi przerostami łupków ilastych), których miąższości wynoszą odpowiednio ok.: 28 m, 29 m i 20 m. Ściana 1 na przeważającej części wybiegu prowadzona była, w różnym zakresie, w zasięgu oddziaływaniu krawędzi oraz resztek w pokładach: 416, 417, 418, 419, 501, 504, 506, 507, 509 i 510. W zasięgu ich oddziaływania znajdował się początek wybiegu ściany oraz pas ściany przyległy do dowierzchni 1 badawczej na ok. ⅔ wybiegu. Pokład 503 w rejonie prowadzonych robót górniczych zaliczony jest do: III stopnia zagrożenia tąpaniami, I i II stopnia zagrożenia wodnego, klasy B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego, V grupy skłonności do samozapalenia. Jest to pokład niemetanowy, ale ściana 1 objęta jest granicami pola I kategorii zagrożenia metanowego, z uwagi na dopływ powietrza z wyrobiska objętego granicami pola I kategorii. 4. Korelacja otrzymanych wyników α z warunkami górniczo-geologicznymi w ścianie 1 w pokładzie 503 (25.10.2006 20.11.2006) W dniach od 25 października do 20 listopada 2006 roku przeprowadzono eksperyment pomiarowy polegający na tym, że na bieżąco, zgodnie z opracowaną metodologią, ze skrawu na skraw wyznaczano wartości współczynnika tłumienia zgodnie z równaniem (2.1), oddzielnie dla dowierzchni badawczej 1 i 2. Po zmodyfikowaniu metody stosując modele 1, 2 i 3 oraz wykorzystując zebrane informacje o zarejestrowanych dla kolejnych skrawów wartościach energii umownych oraz odległościach czujników od frontu ściany przeliczono ponownie wartości współczynników tłumienia. zyskane wartości α przedstawiono na rysunkach 4.1a i 4.1b. Rysunek 4.1.a dotyczy wyników uzyskanych w przypadku dowierzchni 1 badawczej, a rysunek 4.1b dla przeciwległego chodnika (dowierzchni 2 badawczej). Analiza otrzymanych wyników pokazuje, że charakter zmienności współczynnika α jest bardzo podobny tzn. na wszystkich przebiegach widać wyraźny spadek tłumienia między 20 a 30 skrawem, a następnie ponowny jego wzrost. Tę anomalię tłumienia otrzymano zarówno dla wartości tłumienia mierzonych czujnikami zainstalowanymi w dowierzchni 1, jak i w dowierzchni 2. W związku z powyższym przeprowadzono analizę warunków górniczo-geologicznych dla badanego obszaru (zgodnie z kolejnymi skrawami) ściany 1/503. Szkic przedmiotowego fragmentu ściany 1 w pokładzie 503 wraz z zaznaczonymi krawędziami pokładów zalegających w jego otoczeniu przedstawiono na rys. 4.2. 279
J. KRZEJA, A. PIERZYNA Sposób ciągłej i automatycznej oceny tłumienia 0.02 α [m -1 ] 0.015 0.01 0.005 a) 0 0 10 20 30 40 50 60 j, nr skrawu 0.025 0.02 α [m -1 ] 0.015 0.01 0.005 b) 0 0 10 20 30 40 50 60 j, nr skrawu Rys. 4.1. Wartości współczynnika tłumienia estymowane czteroma modelami podczas kolejnych skrawów w ścianie 1/503 KWK Bobrek-Centrum (25.10.2006 20.11.2006) a) dowierzchnia 1 badawcza b) dowierzchnia 2 badawcza - - - - - - model 1, model 2, model 3, model punktowy Fig. 4.1. The attenuation ratio (using 4 models) for two galleries at the longwall 1/503 in Bobrek-Centrum coal-mine W dniu 25.10.2006 r., gdy rozpoczęto pomiary współczynnika tłumienia α, ściana 1 w pokładzie 503 znajdowała się nad obszarem wybrania pokładów dolnosiodłowych: 507, 509 warstwa górna i 510 warstwa dolna oraz pod wybranymi pokładami: 418, 419 i 501. Po przejściu frontem ściany wąskiego pasa resztkowego pokładu 501 stan zagrożenia tąpaniami w tym okresie kształtował się na poziomie słabym i związany był głównie z nakładającym się oddziaływaniem krawędzi eksploatacji pokładów 501, 509 i 510 (przy dowierzchni 1 badawczej). Sytuacja ta utrzymywała się przez pierwszych 20 skrawów ściany 1 (do 31.10.2006 r.). Następnie ściana 1 między 20 i 30 skrawem (do 6.11.2006 r.) znajdowała się w rejonie wpływu krawędzi 509 warstwa górna. W kolejnych skrawach ściana stopniowo wychodziła znad obszaru wybranych pokładów dolnosiodłowych (pokład 509 i 510). Podczas tej fazy eksploatacji następował wzrost aktywności sejsmicznej, objawiający się generalnie wzrostem ilości wstrząsów o energiach rzędu 10 2 10 4 J. Wstrząsy te nie spowodowały jednak wzrostów zagrożenia ani skutków w wyrobiskach górniczych. Stan zagrożenia wg metody kompleksowej i poszczególnych metod szczegółowych cały czas nie przekraczał stanu słabego. 280
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Kolejny etap eksploatacji, tj. od skrawu 30, to okres stopniowego spadku zagrożenia tąpaniami, prawdopodobnie spowodowany oddaleniem się frontu od wpływu krawędzi pokładu 509 oraz prowadzenia ściany 1 pod wybranym pasem pokładu 501. Jedynie odcinek wschodni ściany od strony dowierzchni 1 charakteryzował się niewielkim spadkiem współczynnika tłumienia, co spowodowane było wchodzeniem tej części ściany pod pas resztkowy pokładu 501 oraz uskokiem o zrzucie 0,9 2,7 m. Z przeprowadzonej analizy widać wpływ oddziaływania pokładów dolnosiodłowych (507, 509 i 510), mimo znacznych ich odległości od pokładu 503, na wyznaczone wartości tłumienia oraz pośrednio na zasadzie korelacji na zagrożenie w ścianie 1. 509 w.d. 501 25.10.2006 31.10.2006 Dowierzchnia 2 bad. 6.11.2006 509 w.g. 510 Dowierzchnia 1 bad. 501 15.11.2006 Rys. 4.2. Szkic sytuacji górniczo-geologicznej w rejonie ściany 1/503 KWK Bobrek-Centrum (25.10.2006 r. 20.11.2006 r.) Fig. 4.2. The longwall 1/503 in the Bobrek-Centrum coal-mine (25.10.2006 20.11.2006) 281
J. KRZEJA, A. PIERZYNA Sposób ciągłej i automatycznej oceny tłumienia 5. Podsumowanie Zastosowane modele ściany z tłumieniem, pomimo wielu uproszczeń, dobrze korelowały tłumienie z warunkami górniczo-geologicznymi, co stwierdzono na przykładzie ściany 1 w pokładzie 503 kopalni Bobrek-Centrum, w badanym okresie czasu. Pomimo niewielkich rozbieżności (w ramach badanych modeli) w wyznaczonych wartościach tłumienia α zasadniczy charakter ich zmienności pozostał taki sam (rys. 4.1) tzn. na podstawie ich przebiegów można było dostrzec jednoznaczny spadek wartości tłumienia pomiędzy 20 a 30 skrawem tj. w dniach od 31 października do 6 listopada 2006 r., co najwyraźniej było odzwierciedleniem wpływu oddziaływania krawędzi sąsiednich pokładów. Pomimo że stosowana przez kopalnię metoda kompleksowa oceny stanu zagrożenia jak i metody szczegółowe nie wykazały stanu silnego zagrożenia (stan nie przekraczał w przedmiotowym okresie zainteresowania stanu słabego zagrożenia), to traktując (podobnie jak w tomografii prędkościowej) związek tłumienia z naprężeniami jako korelacyjny, można na podstawie wartości tłumienia próbować identyfikować strefy koncentracji naprężeń. Przedstawione w referacie wyniki zachęcają do kontynuacji prowadzenia badań w tym kierunku. Literatura [1] Kornowski J., Kurzeja J. (2005): Estymacja energii AE na podstawie energii umownej i modelu rozkładu intensywności emisji, [W:] Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z cyklu,,zagrożenia naturalne w górnictwie, Kazimierz Dolny, 20 22 czerwca 2005, red. nauk. E. Pilecka, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 373 390. [2] Kurzeja J., Zadrużny A. (2006): Estymacja energii AE rejestrowanej aparaturą PRS w kopalni Staszic, [W:] Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze z cyklu,,zagrożenia naturalne w górnictwie, Kraków Tomaszowice, 12 14 czerwca 2006, red. nauk. E. Pilecka, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, 139 204. The method of rating attenuation in front of mining longwall with example from the Bobrek-Centrum coal-mine In this paper we compare some results of a few methods estimating of attenuation of seismic (AE) waves energy in front of mining longwall at the Bobrek-Centrum coal-mine. The methods use the routinely observed AE energy and estimate the α value applying more or less simplified attenuation relation and assumptions on the distribution of AE sources in the longwall. The results although preliminary look very promising and are confirmed with an analysis of mining and geological situation. Przekazano: 12 marca 2007 r. 282