WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str. 411 421 Lech STOLECKI KGHM Cuprum sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna po wstrząsie z dnia 21.5.26 roku o energii 1,9 E9 J Streszczenie W artykule określono oddziaływania dynamiczne wstrząsu górniczego z dnia 21.5.26 roku, wykorzystując pomiary drgań z terenu górniczego kopalni Rudna. Wykonano porównanie poziomu rejestracji uzyskiwanych dla wstrząsów o energiach rzędu E9, E8, E7 i E6 J. 1. Wstęp Problem oddziaływania dynamicznego wstrząsów górniczych na obiekty budownictwa górniczego i powierzchnię terenu jest bardzo złożony. Wynika to przede wszystkim z faktu zróżnicowanej budowy geologicznej górotworu, zróżnicowanego stanu technicznego obiektów, charakteru ich powiązania z otaczającym konstrukcję górotworem, jak również od samego charakteru wstrząsu sejsmicznego. Fala sejsmiczna wypromieniowana z epicentrum wstrząsu niesie ze sobą część energii odkształcenia uwolnionej w momencie załamania się stropu. Im wyższa energia zjawiska tym wyższy poziom drgań generowanych wstrząsem. Jeżeli intensywność fali, wyrażona jako oddziaływanie dynamiczne wstrząsów sejsmicznych na zabudowę powierzchni terenu, jest wysoka to może ona, działając na budowle naziemne, powodować ich uszkodzenia. Zatem oddziaływania dynamiczne odnotowane na powierzchni terenu są ściśle związane z poziomem energetycznym wstrząsów generowanych w czasie prowadzonej eksploatacji górniczej. Dlatego w problematyce ochrony powierzchnia zwraca się dużą uwagę na występowanie wstrząsów wysokoenergetycznych. Wstrząs z dnia 21.5.26 r. posiadał wysoką energię sejsmiczną 1,9 E9 J, a jego epicentrum zostało zlokalizowane bezpośrednio pod miastem Polkowice, czyli wstrząs ten stanowiąc źródło silnych wpływów dynamicznych na powierzchnię terenu mógł skutkować uszkodzeniami obiektów budowlanych zlokalizowanych w mieście Polkowice. 2. Charakterystyka sieci stanowisk pomiarowych rozlokowanych na obszarze górniczym kopalni Rudna Na terenie górniczym kopalni Rudna zlokalizowanych jest 18 kopalnianych, powierzchniowych sejsmicznych stanowisk pomiarowych. Na stanowiskach zamontowane są rejestratory typu ARP-2 (rejestracja pasma drgań,5 1 Hz i zakres rejestracji przyśpieszenia drgań do 3 m/s 2 ), typu WORS (rejestracja pasma drgań,5 1 Hz i zakres rejestracji 411
L. STOLECKI Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna przyśpieszenia drgań do 1 m/s 2 ) oraz stanowiska podłączone do kopalnianej sieci sejsmicznej (rejestracja pasma drgań,2 1 Hz i zakres rejestracji przyśpieszenia drgań do 3 m/s 2 ). Czujniki drgań stanowiące zintegrowany czujnik trójskładowy (2 składowe poziome wzajemnie do siebie prostopadłe oraz składowa pionowa) instalowano zgodnie z PN-85/B-217. Czujniki drgań montowano na poziomie gruntu zespalając go na sztywno ze specjalnie zabudowanym postumentem na powierzchni terenu lub w budynku. Składowe poziome drgań we wszystkich punktach obserwacyjnych są usytuowane równolegle do głównych osi budynku, wokół którego montowany był czujnik. W tabeli 2.1 zestawiono powierzchniowe stanowiska sejsmiczne ZG Rudna. Tabela 2.1. Stanowiska pomiarowe kopalni Rudna Table 2.1. Measuring positions of Rudna mine Stanowisko Numer stanowiska Parametr rejestrowany Lokalizacja czujnika pomiarowego Typ aparatury Współrzędne X Y Biedrzychów 1 5R przyspieszenie grunt ARP-2 27787 7499 Grodowiec 24 11R przyspieszenie grunt ARP-2 35393 1245 Guzice 4 4R przyspieszenie grunt ARP-2 33765 7731 Komorniki 52 12R przyspieszenie grunt ARP-2 33453 1671 Moskorzyn 5 7R przyspieszenie grunt ARP-2 35128 643 Pieszkowice 13 13R przyspieszenie grunt WORS 28511 12 Polkowice, ul. Akacjowa 4 1R przyspieszenie budynek/grunt ARP-2 3578 5882 Polkowice, ul. Fiołkowa 7 9R przyspieszenie grunt ARP-2 3847 458 Polkowice, ul. 3 Maja 7 3R przyspieszenie budynek/grunt ARP-2 3113 5543 Polkowice, ul. Miedziana 9 4R przyspieszenie grunt ARP-2 3864 5756 Polkowice, ul. Miedziana 9 4R' przyspieszenie piwnica ELOGOR 385 567 Polkowice, ul. Sosnowa 14 2R przyspieszenie budynek/grunt ARP-2 3531 6723 Trzebcz 31 13R przyspieszenie grunt ARP-2 32672 8284 Żelazny Most 16E 16E przyspieszenie korona/podstawa ARP-2 322 175 Żelazny Most 7W 7W prędkość korona/podstawa ARP-2 33216 12838 Żelazny Most 8W 8W przyspieszenie korona/podstawa ARP-2 3325 12795 Żelazny Most 2W 2W przyspieszenie korona/podstawa ARP-2 3396 133 Żuków 8 1R przyspieszenie grunt ARP-2 35346 1799 412
WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 7R 1R 11R 3P 9R 1P 3R 4R 2P 1R 2R 6R 2W 12R 13R 8W 7W wstrząs z dnia 21.5.26 r. o energii 1,9 E9 J Ż M 16E 5R 8R Rys. 2.1. Lokalizacje sejsmicznych stanowisk pomiarowych na obszarze górniczym kopalni Rudna Fig. 2.1. Location of seismic measuring positions on Rudna mine area Dodatkowo w pracy wykorzystano rejestracje ze stanowisk należących do gminy Polkowice (tabela 2.2), które są rozmieszczone w mieście Polkowice. Wykorzystano zapisy z trzech stanowisk sejsmicznych. Tabela 2.2. Stanowiska pomiarowe miasta Polkowice Table 2.2. Measuring positions of Polkowice town Lp. Stanowisko Numer stanowiska Parametr rejestrowany Rejestrator X Y Opis 1 Aquapark grunt 1P przyspieszenie R98X1 315 5 2 Hotel grunt 2P przyspieszenie R98X2A 35 552 3 Skalników grunt 3P przyspieszenie SNRC15A 3144 568 Polkowice, Aquapark Polkowice, ul. Hubala Polkowice, ul. Skalników 23 413
L. STOLECKI Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna 3. Zastosowana metodologia analiz rejestrowanych parametrów drgań Podstawowym rejestrowanym parametrem drgań na stanowiskach pomiarowych rozmieszczonych na obszarze ZG Rudna jest amplituda wielkości przyspieszenia drgań mierzona w paśmie częstotliwości,5 1 Hz (tylko na jednym stanowisku rejestrowana jest prędkość drgań). Sygnał zapisu przyspieszenia drgań stanowił bazę do dalszych analiz. Parametr prędkości drgań uzyskiwany był na drodze matematycznego całkowania sygnału przyśpieszenia uzyskując zapis wielkości amplitudy prędkości drgań w czasie. W pracy określano następujące parametry drgań. Całkowite PGA 1 dla pasma częstotliwości,5 1 Hz PGA 2 2 2 1 X Y Z t max( a ( t) a ( t) a ( )) (3.1) gdzie: a x (t), a y (t), a z(t) rejestracje przyspieszenia drgań w trzech kierunkach. Całkowite PGV 1 dla pasma częstotliwości,5 1 Hz PGV 2 2 2 1 X Y Z t max( v ( t) v ( t) v ( )) (3.2) gdzie: v x (t), v y (t), v z(t) rejestracje prędkości drgań w trzech kierunkach. Efektywny względny czas trwania wstrząsu określony z intensywności Ariasa (IA) w oparciu o wykres Husida dla składowych poziomych (t Ha) IA 2g gdzie: a(t) przyśpieszenie drgań w chwili t, T całkowita długość rejestracji, g przyśpieszenie ziemskie, IA intensywność Ariasa. T a t 2 dt (3.3) Określony w ten sposób czas trwania oznacza przedział czasu zawarty pomiędzy tymi momentami czasowymi, w których intensywność Ariasa osiąga 5% i 95% swojej wartości. 4. Rejestrowane parametry drgań gruntu Miarą rzeczywistych wpływów drgań wywołanych górniczymi wstrząsami sejsmicznymi są rejestrowane wielkości parametrów drgań gruntu na powierzchniowych stanowiskach 414
WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie sejsmicznych. W oparciu o zastosowaną metodologię analiz uzyskano wielkości rejestracji na poszczególnych stanowiskach, które zostały zebrane w tabeli nr 4.1. Tabela 4.1. Parametry drgań wstrząsu z dnia 21.5.26 r. Table 4.1. Parameters of vibration of mining tremor from 21.5.26 Lp. Stanowiska pomiarowe PGA 1 [mm/s 2 ] PGV 1 [mm/s] t Ha [s] r e [m] 1 Biedrzychów 1 56 24,5 6,7 ok. 317 2 Grodowiec 24 95 8, 13,5 ok. 7132 3 Guzice 4 28 15 7,5 ok. 2888 4 Komorniki 52 2 12,5 8, ok. 4559 5 Moskorzyn 5 29 16 7,8 ok. 4118 6 Polkowice, ul. Fiołkowa 7 66 34 7,4 ok. 23 7 Polkowice, ul. Akacjowa 4 grunt 18 72 5,9 ok. 98 8 Polkowice, ul. Akacjowa 4 budynek 18 71 6, ok. 98 9 Polkowice, ul. Miedziana 9 14 6 5, ok. 15 1 Polkowice, ul. 3 Maja 7 grunt 18 56 3,7 ok. 129 11 Polkowice, ul. 3 Maja 7 piwnica 95 24,5 4,4 ok. 129 12 Trzebcz 28 265 16 1,2 ok. 244 13 Żuków 8 115 7,7 14,3 ok. 5879 14 Żelazny Most 16E podstawa 85 8,5 13,1 ok. 1325 15 Żelazny Most 2W podstawa 72 5,9 12,8 ok. 7122 16 Żelazny Most 7W podstawa 75 4,3 12,8 ok. 6465 17 Żelazny Most 8W podstawa 92 4,7 1, ok. 639 18 Polkowice, ul. Miedziana 9 ELOGOR 18* 61* 4,8 ok. 15 19 Polkowice, Aquapark (grunt) 996 41 4,7 ok. 18 2 Polkowice, ul. Hubala Hotel (grunt) 14 63 3,7 ok. 135 21 Polkowice, ul. Skalników (grunt) 95 31 2,2 ok. 126 * wartości z dwóch składowych (X i Y) Do dalszych analiz wykorzystano rejestracje uzyskane z czujników zamontowanych bezpośrednio na gruncie. Na zamieszczonych poniżej wykresach 4.1 i 4.2 przedstawiono rejestracje wstrząsu uzyskane z analizowanych stanowisk pomiarowych. 415
L. STOLECKI Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna PGA 1 [mm/s 2 ] 25 2 15 1 rejestracje linia trendu y = 4E+7x -1,4526 R 2 =,9111 5 2 4 6 8 1 12 Rys. 4.1. Przyśpieszenie drgań (PGA1) wstrząsu z dnia 21.5.26 Fig. 4.1. The tremor from 21.5.26 acceleration of vibration (PGA1) 1 9 8 rejestracje linia trendu PGV 1 [mm/s] 7 6 5 4 3 y = 217366x -1,1694 R 2 =,88 2 1 2 4 6 8 1 12 Rys. 4.2 Prędkość drgań (PGV1) wstrząsu z dnia 21.5.26 Fig. 4.2. The tremor from 21.5.26 velocity of vibration (PGA1) 416
WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Uzyskane maksymalne wartości przyśpieszenia i prędkości drgań gruntu (a max = 18 mm/s 2, v max = 72 mm/s) wywołane analizowanym zjawiskiem pozwalają zaklasyfikować go do bardzo silnych wstrząsów górniczych. Prowadzona eksploatacja rud miedzi w LGOM generuje co pewien czas bardzo silne wstrząsy górnicze, dla których wyznaczona energia sejsmiczna osiąga rząd 1 9 J. Oddziaływania dynamiczne tych zjawisk wywołują na powierzchni terenu dużą ilość szkód materialnych wśród zamieszkałej tam ludności i są przyczyną niepokojów społecznych. W celu dokładniejszego scharakteryzowania wstrząsów o energiach rzędu 1 9 J, wykonano porównanie rejestracji tych zjawisk z wstrząsami górniczymi o energiach rzędu 1 8, 1 7 i 1 6 J. Do analiz wykorzystano grupę 71 wstrząsów z okresu 2 26, w skład których wchodziło: 196 rejestracji zjawisk o energiach rzędu 1 6 J, 34 rejestracje zjawisk o energiach rzędu 1 7 J, 148 rejestracji zjawisk o energiach rzędu 1 8 J, 53 rejestracje zjawisk o energiach rzędu 1 9 J. Na rysunkach 4.3 i 4.4 przedstawiono analizowane rejestracje drgań. Przedstawienie pomiarów w takiej formie ogranicza możliwość ich interpretacji. Dlatego analizowane dane zostały przedstawione w postaci linii trendu dla poszczególnych grup energetycznych. Wykresy te zostały przedstawione na rysunkach 4.5 i 4.6. 2 18 16 14 wstrząsy o energii rzędu E9 J wstrząsy o energii rzędu E8 J wstrząsy o energii rzędu E7 J wstrząsy o energii rzędu E6 J PGA 1 [mm/s 2 ] 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 Rys. 4.3. Rejestrowane wartości przyśpieszeń drgań gruntu Fig 4.3. Recorded values of acceleration of the ground vibration 417
L. STOLECKI Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna 8 7 6 wstrząsu o energii rzędu E9 J wstrząsy o energii rzędu E8 J wstrząsy o energii rzędu E7 J wstrząsy o energii rzędu E6 J PGV 1 [mm/s] 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 Rys. 4.4. Rejestrowane wartości prędkości drgań gruntu Fig. 4.4. Recorded values of velocity of the ground vibration PGA1 [mm/s 2 ] 2 18 16 14 12 1 8 6 E6 E7 E8 E9 4 2 2 4 6 8 1 Rys. 4.5. Linie trendu przyśpieszeń drgań w poszczególnych rzędach energii sejsmicznej (E6, E7, E8 i E9 J) 418
WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Fig. 4.5. Trend lines of acceleration of vibration for different energy levels (E6, E7, E8 and E9 J) 8 7 6 E6 E7 E8 E9 PGV 1 [mm/s] 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 Rys. 4.6. Linie trendu prędkości drgań w poszczególnych rzędach energii sejsmicznej (E6, E7, E8 i E9 J) Fig. 4.6. Trend lines of velocity of vibration for different energy levels (E6, E7, E8 and E9 J) Różnice rejestracji pomiędzy wstrząsami o energiach rzędu E6 i E7 J oraz E7 i E8 J swoim poziomem znacznie odbiegają od różnicy pomiędzy wstrząsami o energiach rzędu E8 i E9 J. Wykonane porównanie linii trendu poszczególnych grup energetycznych pozwala sformułować wniosek, że rejestrowane parametry przyspieszenia i prędkości drgań wstrząsów o energiach rzędu E9 J swoją dynamiką różnią się od parametrów uzyskiwanych dla zjawisk z pozostałych grupy energetycznych. W przypadku rejestrowanych wartości przyśpieszeń i prędkości drgań można stwierdzić, że ich wartości maksymalne dla poszczególnych zjawisk są zbliżone do wartości uzyskiwanych dla trzęsień ziemi. Porównując szkody generowane wstrząsami o energiach rzędu E9 J z trzęsieniami ziemi widoczna jest różnica w poziomie szkodliwości tych zjawisk. W większości przypadków wstrząsy o energiach rzędu E9 J są zlokalizowane bezpośrednio pod lub w bliskim otoczeniu obiektów budowlanych. Wykonane przeglądy tych obiektów po wstrząsach wykazują liczne szkody, lecz do chwili obecnej nie odnotowano żadnej szkody o charakterze konstrukcyjnym. W przypadku wstrząsu z dnia 21.5.26 roku również odnotowano wiele skarg ludności związanych z odniesionymi stratami, lecz żadnego z uszkodzeń nie można określić mianem uszkodzenia konstrukcyjnego, które groziłoby zniszczeniem obiektu budowlanego. Natomiast w przypadku trzęsień ziemi dochodzi do bardzo poważnych uszkodzeń obiektów budowlanych, czasami kończących się zniszczeniem obiektu. Pewien wpływ na taki stanu rzeczy ma proces wzmacniania konstrukcji obiektów budowlanych realizowany sukcesywnie od wielu lat przez ZG Rudna. Dodatkowo na brak zniszczeń o charakterze konstrukcyjnym może mieć wpływ różnica w czasie trwania zjawisk 419
L. STOLECKI Dynamiczne oddziaływania drgań na powierzchnię terenu ZG Rudna o energiach rzędu 1 9 J i trzęsień ziemi. Na rysunku 4.7 przedstawiono określone czasy trwania rejestracji uzyskanych dla wstrząsu z 21.5.26 r. o energii 1,9 E9 J. 2 18 16 14 12 czas trwania linia trendu y =,589x,62 R 2 =,7378 t Ha [s] 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Rys. 4.7. Rejestrowane czasy trwania (tha) wstrząsu górniczego z 21.5.26 r. Fig. 4.7. Recorded duration of tremor (tha) from 21.5.26 Jak widać, czasy trwania zjawiska odnotowane na stanowiskach znajdujących się najbliżej epicentrum wstrząsu (w odległości epicentralnej do 2 km), gdzie odnotowano maksymalne wartości przyśpieszenia i prędkości drgań zawierają się w przedziale od 2 do 6 sekund. W stosunku do czasów trwania uzyskiwanych dla trzęsień ziemi, jest to bardzo krótkie zjawisko. 5. Podsumowanie W przypadku zjawiska z dnia 21.5.26 r. o energii sejsmicznej 1,9 E9 J mieliśmy do czynienia z bardzo silnym wstrząsem górniczych. Najwyższe rejestrowane parametry drgań gruntu zostały zlokalizowane w promieniu do 13 m od źródła wstrząsu i przekroczyły poziom 1 mm/s 2 i 4 mm/s. Zgodnie z obowiązującymi zasadami oceny oddziaływań generowanych wstrząsami górniczymi (Dubiński, Mutke 21; Dubiński i in. 26) w strefie tej określonym wpływom dynamicznym przypisano odpowiednie stopnie skal: MSK-64 stopień VIII, GSI-24 stopień III. Wysokie stopnie tych skal (MSK-64 stosuje się 1 stopni, GSI-24 stosuje się 4 stopnie) potwierdzają wysoki poziom oddziaływań dynamicznych wywołany analizowanym wstrząsem. Zaobserwowane makroskopowo szkody w zabudowie i mieniu wywołane analizowanym wstrząsem są zgodne z opisem szkód III stopnia skali GSI-24, a różnią się od opisu szkód 42
WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie VIII stopnia skali MSK, gdzie przewiduje się: duże pęknięcia murów, zawalanie się ścian wewnętrznych w budynkach, w pojedynczych przypadkach zniszczenie konstrukcji nośnej budynku natomiast tak poważnych zniszczeń nie odnotowano w zabudowie miasta Polkowice. Celem charakterystyki parametrów drgań uzyskanych dla wstrząsu z 21.5.26 r. oraz innych zapisów zjawisk o energii rzędu E9 J, dokonano porównania tych rejestracji z parametrami uzyskiwanymi dla wstrząsów o energiach rzędu E6, E7 i E8 J. Rejestrowane parametry przyspieszenia i prędkości drgań wstrząsów o energiach rzędu E9 J swoją dynamiką znacznie odbiegają od parametrów uzyskiwanych dla zjawisk z pozostałych grupy energetycznych, a zbliżone są do wartości uzyskiwanych dla trzęsień ziemi. Natomiast czasy trwania wstrząsów są znacznie krótsze od czasów trwania trzęsień ziemi i to ten parametr przede wszystkim odróżnia maksymalne drgania generowane wysokoenergetycznymi wstrząsami górniczymi z rejonu LGOM od trzęsień ziemi. 6. Literatura [1] Dubiński J., Mutke G. 21: Opracowanie zasad interpretacji wyników pomiarów sejsmicznych i zasad prognozowania drgań sejsmicznych na powierzchni spowodowanych eksploatacją złóż rud miedzi w KGHM Polska Miedź S.A., GIG, Katowice. [2] Dubiński J., Jaśkiewicz K., Lurka A., Mutke G. 26: Instrukcja prowadzenia powierzchniowych pomiarów sejsmometrycznych, interpretacji wyników oraz oceny i prognozowania drgań sejsmicznych wywołanych wstrząsami górniczymi na powierzchni w LGOM w oparciu o skalę GSI 24, GIG, Katowice. Dynamic response of the Rudna mine region surface due to the seismic tremor of the energy of 1,9 E9 J occurred on 21 May 26 Dynamic effects of the mining tremor of 21.5.26 on the Rudna mine surface are presented. The comparison of tremors effects of different energy levels (E6, E7, E8 I E9 J) has been also performed. Przekazano: 8 marca 27 r. 421