ANALIZA AKTYWNOŚCI SEJSMICZNEJ W WYBRANYCH POLACH EKSPLOATACYJNYCH ZG POLKOWICE-SIEROSZOWICE Z ZASTOSOWANIEM NARZĘDZI GIS

podziemna eksploatacja rud miedzi zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami zastosowanie GIS w górnictwie cyfrowa baza danych Karolina ADACH*, Anna GOGOLEWSKA* ANALIZA AKTYWNOŚCI SEJSMICZNEJ W WYBRANYCH POLACH EKSPLOATACYJNYCH ZG POLKOWICE-SIEROSZOWICE Z ZASTOSOWANIEM NARZĘDZI GIS Przeprowadzono analizę aktywności sejsmicznej towarzyszącej eksploatacji złoża rud miedzi w bloku D-IE i filarze oporowym upadowych A5/4 A7 w kopalni Polkowice-Sieroszowice oraz oceniono stan zagrożenia tąpaniami. Wykorzystano przestrzenną i opisową bazę danych GIS zbudowaną dla tych pól eksploatacyjnych przy pomocy oprogramowania firmy ESRI. 1. WSTĘP Tąpania są powszechnym zjawiskiem związanym z eksploatacją złóż różnych surowców. Zaczęły się pojawiać już w XVIII wieku (kopalnia rud ołowiu w Derbyshire w Anglii), a obecnie występują na całym świecie w podziemnym górnictwie węglowym, w górnictwie rud oraz soli (Goszcz, 1999; Kidybiński, 2002). W kopalniach rud miedzi LGOM zagrożenie w postaci wstrząsów sejsmicznych i tąpań, pojawiło się już w pierwszych latach eksploatacji złoża. Pierwszy wstrząs górniczy zarejestrowano w 1968 roku w kopalni Lubin, a pierwsze tąpnięcie w 1972 roku w kopalni Polkowice (Goszcz, 1999; Butra, 2010). Od tego czasu, pomimo stosowania w szerokim zakresie różnorodnych metod profilaktyki zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami jest podstawowym niebezpieczeństwem w polskich kopalniach rud miedzi. Tąpania są przyczyną wielu wypadków wśród pracowników niejednokrotnie ze skutkiem śmiertelnym, a ich rezultaty w postaci uszkodzenia wyrobisk, obudowy, zniszczenia maszyn i urządzeń powodują ogromne straty materialne oraz zakłócają ciągłość ruchu zakładu górniczego. Na wysoki stan zagrożenia tąpaniami wpływa rosnąca głębokość eksploatacji, występowanie w stropie warstw skalnych o wysokiej wytrzymałości zdolnych do kumulowania energii sprężystej, duże zaangażowanie tektoniczne złoża oraz rosnący zakres prowadzenia robót w skrępowanych warunkach górniczych (Butra i in., 2006; Butra i Pytel, 2008). Ciągła rejestracja oraz analizowanie aktywności sejsmicznej jest jedną z podstawowych metod oceny stanu zagrożenia tąpaniami. W powiązaniu z innymi metodami umożliwia ona dostosowanie sposobu prowadzenia robót i metod

profilaktyki tąpaniowej do panujących w polach coraz trudniejszych warunków geologiczno-górniczych. Przeprowadzanie tego typu analiz wymaga sprawnego zarządzania ogromnymi zasobami danych. W dobie informatyzacji rozwój narzędzi i funkcji systemów geoinformacyjnych pozwala racjonalnie wykonywać potrzebne analizy. W pracy przeprowadzono analizę aktywności sejsmicznej w powiązaniu z rozwojem eksploatacji oraz ocenę stanu zagrożenia tąpaniami dla dwóch pól eksploatacyjnych kopalni Polkowice-Sieroszowice. Do tego celu wykorzystano przestrzenną i opisową bazę danych GIS zbudowaną dla bloku D-IE w oddziale G-54 i dla filara oporowego A5/4 A7 w oddziale G-41 przy pomocy programu ArcGIS w wersji 9.3 firmy ESRI. 2. ZJAWISKA DYNAMICZNE I PROFILAKTYKA TĄPANIOWA Wstrząsy sejsmiczne powstają wskutek naruszenia stanu równowagi w górotworze, w czego wyniku ze skał uwalniana jest energia potencjalna. Niewielka część tej energii zamienia się w energię sejsmiczną, która w postaci fal sprężystych rozchodzi się od ogniska wstrząsu. Wstrząsy sejsmiczne można podzielić na dwie grupy: wstrząsy samoistne (naturalne) oraz indukowane. Wstrząsy samoistne spowodowane są siłami natury takimi jak wulkanizm, plutonizm, procesy diastroficzne i geotermiczne, natomiast wstrząsy indukowane związane są z działalnością człowieka i noszą nazwę wstrząsów górniczych (Goszcz, 1999). W świetle obowiązujących w Polsce przepisów prawa geologicznego i górniczego wstrząs górotworu oznacza wyładowanie energii sprężystej zakumulowanej w górotworze, objawiające się drganiem górotworu i zjawiskami akustycznymi, niepowodujące pogorszenia funkcjonalności wyrobisk i bezpieczeństwa ich użytkowania (Butra i in., 2009). Szczególnym przypadkiem wstrząsu jest tąpnięcie. Obowiązuje wiele definicji tego zjawiska, których wspólną cechą jest gwałtowne zniszczenie lub uszkodzenie wyrobiska (Dubiński i Konopko, 2000). Zgodnie z prawem, tąpnięcie to zjawisko dynamiczne spowodowane wstrząsem górotworu, w wyniku którego wyrobisko lub jego odcinek uległo gwałtownemu zniszczeniu lub uszkodzeniu, w następstwie czego nastąpiła całkowita lub częściowa utrata jego funkcjonalności lub bezpieczeństwa jego użytkowania. Ze względu na trudności w jednoznacznym określeniu minimalnego uszkodzenia wyrobiska, kwalifikującego zdarzenie jako tąpnięcie, dla celów praktycznych wprowadzono pojęcie odprężenia górotworu. Zjawisko odprężenia górotworu według przepisów jest to wyładowanie energii sprężystej nagromadzonej w górotworze, powodujące drgania górotworu, zjawiska akustyczne, spękanie skał wokół wyrobiska, przemieszczenie skał do wyrobisk w przypadku, gdy nie doszło do zmniejszenia stateczności obudowy i utraty funkcjonalności wyrobisk. Przestawione powyżej zjawiska (wstrząs, odprężenie i tąpnięcie) genetycznie są tożsame, różnią się jedynie skutkami wywołanymi

w wyrobiskach górniczych (Dubiński i Konopko, 2000; Butra i in., 2009; Butra, 2010). Na podstawie długoletnich badań wydzielono trzy grupy czynników wpływających na kształtowanie się stanu zagrożenia sejsmicznego w kopalniach rud miedzi: czynniki geologiczne (głębokość eksploatacji, stratygrafia i litologia warstw skalnych, geomechaniczne własności górotworu, tektonika złoża), górnicze (system eksploatacji i sposób kierowania stropem, parametry frontu eksploatacyjnego, eksploatacja w skrępowanych warunkach górniczych) i organizacyjne (błędy przy wykonywaniu robót, błędy wykonywania profilaktyki oraz braki w szkoleniu i niewystarczająca dyscyplina załogi (Dubiński i Konopko, 2000). Metody zwalczania zagrożenia tąpaniami dzieli się na aktywne oraz pasywne. Metody aktywne opierają się głównie na robotach strzałowych, których celem jest wywołanie zjawiska dynamicznego w czasie nieobecności załogi w polach eksploatacyjnych. Do metod aktywnych zalicza się: grupowe strzelania urabiające przodków, strzelania urabiająco-odprężające w caliźnie oraz strzelania odprężające w stropie i spągu (Butra, 2002). Metody pasywne ograniczania stanu zagrożenia tąpaniami dzieli się na technologiczne i organizacyjno-techniczne. Metody technologiczne polegają na odpowiednim dostosowaniu technologii eksploatacji (systemu eksploatacji, sposobu kierowania stropem, sposobu likwidacji przestrzeni wybranej) do lokalnych warunków geologiczno-górniczych, a metody organizacyjnotechniczne mają na celu ochronę załogi przed skutkami zjawisk dynamicznych (wprowadzenie stref szczególnego zagrożenia tąpaniami, ograniczenie liczby pracowników w tych strefach, ustalenie czasów wyczekiwania po robotach strzałowych) (Butra i in., 2009). Elementem profilaktyki tąpaniowej są również metody oceny stanu górotworu, stosowane przez odpowiednie służby kopalniane doraźnie lub w sposób ciągły. Umożliwiają zlokalizowanie stref niestabilnych w górotworze, będących często źródłem wysokoenergetycznych wstrząsów. Pozwalają one ocenić stan zagrożenia zjawiskami dynamicznymi oraz skuteczność stosowanej technologii eksploatacji i profilaktyki tąpaniowej. W zakres stosowanych obserwacji i pomiarów stanu górotworu wchodzą: badania własności wytrzymałościowych skał budujących górotwór, obserwacje wizualno-akustyczne, rejestracja i analiza aktywności sejsmicznej górotworu, pomiary wzbudzonej aktywności sejsmoakustycznej, pomiary konwergencji wyrobisk, pomiary rozwarstwień skał otaczających wyrobisko, badania rozwarstwień stropu wziernikami peryskopowymi, pomiary deformacji otworów wiertniczych, pomiary niwelacyjne osiadania stropu, tomografia pasywna oraz metody analityczne (Dubiński i Konopko, 2000). Spośród wyżej wymienionych metod w kopalniach rud miedzi do oceny lub prognozy stanu zagrożenia tąpaniami powszechnie wykorzystywana jest metoda sejsmologii górniczej. Obserwacje sejsmiczne prowadzone są w sposób ciągły na wszystkich zmianach. Na podstawie informacji z sieci sejsmometrów określa się lokalizację ognisk wstrząsów, wyznacza się energię zjawisk, przeprowadza się analizę

ilościową, jakościową i czasową aktywności sejsmicznej danego rejonu oraz koreluje się aktywność sejsmiczną z panującymi w danym polu warunkami geologicznogórniczymi i aktualnie prowadzoną eksploatacją. Wykonuje się również analizę geofizyczną zarejestrowanych zjawisk. Obserwacje sejsmiczne prowadzi się również w celu kontrolowania skuteczności stosowanych aktywnych metod zwalczania zagrożenia tąpaniami, kontroli czasów wyczekiwania po robotach strzałowych oraz dostosowania sposobu prowadzenia robót górniczych do warunków panujących w polach eksploatacyjnych (Marcak i Zuberek, 1994). 3. METODYKA BUDOWY SYSTEMU INFORMACJI GEOGRAFICZNEJ W celu przeprowadzenia analiz aktywności sejsmicznej w powiązaniu z przebiegiem eksploatacji oraz oceny stanu zagrożenia tąpaniami w wybranych polach eksploatacyjnych w kopalni Polkowice-Sieroszowice, wykonano projekt GIS przy pomocy programu ArcGIS w wersji 9.3, firmy ESRI. Do zarządzania danymi (gromadzenie, wektoryzacja, segregacja, przetwarzanie i wizualizacja) wykorzystano cztery aplikacje wchodzące w skład oprogramowania ArcGIS Desktop: ArcCatalog, ArcMap, ArcToolbox i ArcScene. Projekt GIS zrealizowano w czterech etapach: określenie celów projektu, budowa bazy danych GIS, analiza przestrzenna i prezentacja wyników. Tworzenie bazy danych projektu GIS jest najważniejszym, a zarazem najbardziej pracochłonnym etapem wykonywania projektu. Podstawę do opracowania graficznej i opisowej bazy danych GIS dla bloku D-IE oraz filara oporowego upadowych A5/4-A7 stanowiły dane sejsmologiczne z Kopalnianej Stacji Geofizyki Górniczej przy ZG Polkowice-Sieroszowice. Przebieg eksploatacji w obu polach odtworzono wykorzystując materiały udostępnione przez Dział Tąpań, Obudowy i Kierowania Stropem kopalni Polkowice-Sieroszowice. Były to mapy papierowe obrazujące stan frontu eksploatacyjnego na grudzień każdego roku dla bloku D-IE i filara oporowego A5/4-A7 oraz niektóre warstwy z aktualnej cyfrowej mapy kopalni Polkowice-Sieroszowice w formacie.dgn (stan na wrzesień 2009 r.). Wszystkie otrzymane warstwy odniesione były do lokalnego układu współrzędnych Pieszkowice, tak więc cały projekt GIS wykonano również w tym układzie współrzędnych. Graficzną i opisową bazę danych wykonano w trzech etapach. W pierwszym etapie utworzono bazę wstrząsów sejsmicznych, w drugim etapie dostosowano do potrzeb projektu pliki otrzymane w formie cyfrowej, a w trzecim etapie odtworzono przebieg eksploatacji w rozpatrywanych polach. Zastosowano plikową strukturę geobazy. Wszystkie czynności związane z zarządzaniem danymi wykonano przy użyciu aplikacji ArcCatalog. Bazę wstrząsów sejsmicznych kopalni Polkowice-Sieroszowice (27 425 zjawisk sejsmicznych) zbudowano w aplikacji MS Excel, a następnie wyeksportowano do pliku bazodanowego o rozszerzeniu.dbf4. Po przeliczeniu współrzędnych XY

epicentrów zjawisk sejsmicznych z układu sejsmicznego na układ współrzędnych Pieszkowice, utworzono plik shape przedstawiający lokalizację epicentrów wstrząsów w formie punktów. Następnie utworzono tabelę atrybutów zawierającą 24 kolumny różnych typów oraz uzupełniono ją danymi opisowymi (rys. 1). Rys. 1. Tabela atrybutów bazy wstrząsów sejsmicznych kopalni Polkowice-Sieroszowice (Adach, 2010) Fig. 1. Attribute table of Polkowice-Sieroszowice seismic events database (Adach, 2010) W drugim etapie tworzenia bazy danych dostosowano do potrzeb projektu warstwy otrzymane w wersji elektronicznej. Polegało to na przekonwertowaniu plików z formatu.dgn na pliki shape oraz na selekcjonowaniu, segregowaniu i łączeniu poszczególnych warstw. Następnie pliki shape uzupełniano o dane opisowe. Powyższa procedura pozwoliła uzyskać 11 warstw. Trzeci etap budowy bazy danych graficznych i opisowych obejmował wektoryzację rastrów. W tym celu zeskanowanym mapom pokładowym nadano odniesienie przestrzenne, a następnie zwektoryzowano każdy raster, uzyskując w ten sposób 35 plików shape przedstawiających stan rozcinki oraz likwidacji na koniec grudnia każdego roku. Analizę aktywności sejsmicznej w wybranych polach eksploatacyjnych wykonywano stosując różnego rodzaju narzędzia i funkcje oprogramowania ArcGIS. Z bazy danych wstrząsów sejsmicznych wyselekcjonowano nowe warstwy zawierające zjawiska sejsmiczne w określonym przedziale czasowym. Wykorzystano do tego funkcję aplikacji ArcMap Wybierz Według Atrybutów definiując odpowiednie zapytanie i kryterium wyboru. Każdej warstwie wstrząsów sejsmicznych nadawano odpowiednią symbolizację. Najczęściej wykorzystywano zróżnicowanie wielkości symbolu w zależności od klasy energii wstrząsu. Zjawiska dynamiczne ze skutkami opatrywano dodatkowo odpowiednimi etykietami i nadawano kolor zależny od rodzaju zjawiska. Przykładowe okno projektu aplikacji ArcMap przedstawiono na rysunku 2. W aplikacji ArcScene (rys.3) wykonano model 3D przebiegu frontu eksploatacji w wybranych polach wydobywczych w latach 2005-2009 w powiązaniu z występującą w tym okresie aktywnością sejsmiczną.

Rys. 2. Przykładowe okno widoku projektu w ArcMap (Adach, 2010) Fig. 2. Example of project window in ArcMap (Adach, 2010) Rys. 3. Przykładowe okno widoku projektu w ArcScene (Adach, 2010) Fig 3. Example of project window in ArcScene (Adach, 2010) Wyniki przeprowadzonych analiz zaprezentowano w formie kompozycji mapowych, zawierających oprócz samej mapy, zestawienia i wykresy. Zostały one wykonane w taki sposób, aby przekazywały jak najwięcej informacji dotyczących analizowanego problemu. 4. CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH PÓL EKSPLOATACYJNYCH Analizę aktywności sejsmicznej oraz ocenę stanu zagrożenia tąpaniami przeprowadzono w dwóch wybranych polach wydobywczych w obszarze górniczym Sieroszowice I w kopalni Polkowice-Sieroszowice: blok D-IE oraz filar oporowy upadowych A5/4 A7.

Blok D-IE należy do Pola D wybieranego przez oddział G-54. Jest polem zamykającym eksploatowanym od marca 2005 roku, w którym roboty górnicze prowadzone są w dwustronnym otoczeniu rozległych zrobów (rys.4a). Na prawym skrzydle front przesuwa się wzdłuż starych zrobów kopalni Rudna, a lewe skrzydło prowadzone jest wzdłuż zrobów piętra D2E. Złoże bilansowe występuje w dolnej część serii węglanowej cechsztynu oraz stropowej części czerwonego spągowca i obejmuje: piaskowiec szary, kwarcowy, drobnoziarnisty, łupek miedzionośny ilasty i dolomityczno-ilasty oraz dolomit smugowany ciemnoszary, kryptokrystaliczny. Strop zbudowany jest z warstw skalnych wchodzących w skład serii węglanowej cechsztynu, a spąg bezpośredni budują szare piaskowce czerwonego spągowca. Rozciągłość złoża zorientowana jest w kierunku NW-SE, a upad (2-3º) w kierunku NE. Górotwór jest słabo zaangażowany tektonicznie. Złoże zalega na głębokości od 925 m do 1010 m. Średnia długość frontu ograniczona zrobami wynosi około 500 m, a wysokość furty eksploatacyjnej 2,0-2,8 m. W bloku D-IE złoże wybierane jest w III stopniu zagrożenia tąpaniami. Do listopada 2008 roku eksploatacja prowadzona była systemem komorowo-filarowym z ugięciem stropu i z ruchowym filarem zamykającym (J-UGR-PS) oraz systemem komorowo-filarowym z ugięciem stropu i wygrodzeniem w zrobach dróg wentylacyjno-transportowych (J-UGW-PS). W 2008 r. zlikwidowano ruchowy filar zamykający, a dalszą eksploatację prowadzono systemem J-UG-PS oraz systemem J-UGW-PS na prawym skrzydle frontu. a Rys. 4. Położenie bloku D-IE (a) oraz filara oporowego A5/4 A7 (b) Fig. 4. D-IE panel (a) and A5/4 A7 protective pillar (b) location b Filar oporowy upadowych A5/4 A7 eksploatowany przez oddział G-41 otoczony jest rozległymi zrobami. Szerokość filara wynosi około 480 m, a upadowe A-5/4 A7 zlokalizowane są, w przybliżeniu w 1/3 szerokości (rys.4b). Filar przecięty jest skośnie dwunitkowymi chodnikami A-139 A-140. Złoże w omawianym obszarze obejmuje dolną część serii skał węglanowych cechsztynu, czyli: łupek miedzionośny ilasty i dolomityczno-ilasty, dolomit ilasty ciemnoszary oraz dolomit

smugowaty ciemnoszary. W stropie występują skały serii węglanowej cechsztynu, a w spągu szary piaskowiec czerwonego spągowca. Złoże zapada pod niewielkim kątem 1-2 o w kierunku NE, a jego rozciągłość zorientowana jest w kierunku NW-SE. Górotwór jest słabo zaangażowany tektonicznie, niemniej jednak pomiędzy przecinkami 18 i 19 występuje uskok o zrzucie 1,2-2,8 m. Złoże zalega na głębokości 850-1000 m. Wybierane jest furtą 2,2-2,8 m. Średnia długość frontu wynosi 450 m. Początkowo złoże wybierano systemem komorowo-filarowym z ugięciem stropu dla filarów oporowych (J-UGO-PS), a w lutym 2006 roku zmieniono system eksploatacji na system komorowo-filarowy z ugięciem stropu dla filarów oporowych z likwidacją filarów technologicznych za postępem frontu (J-UGOL-PS). 5. ANALIZA AKTYWNOŚCI SEJSMICZNEJ I OCENA STANU ZAGROŻENIA TĄPANIAMI Zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami scharakteryzowano na podstawie ilości wstrząsów sejsmicznych w poszczególnych klasach energetycznych, ich sumarycznej energii i wskaźnika wydatku energii sejsmicznej na ilość wydobytej rudy w powiązaniu z sytuacją górniczą w polu eksploatacyjnym. Kształtowanie się aktywności sejsmicznej górotworu w trakcie prowadzenia robót górniczych w bloku D-IE w latach 2002-2009 przedstawiono na rysunku 5. Zaprezentowane dane wskazują na systematyczny wzrost ilości rejestrowanych wstrząsów oraz wydatku energii sejsmicznej do 2006 roku, w którym osiągają wartości maksymalne. W kolejnych latach poziom aktywności sejsmicznej obniżył się w stosunku do 2006 roku, ale nadal pozostawał na dość wysokim poziomie. Względnie wysoki stan zagrożenia tąpaniami w bloku D-IE w porównaniu z innymi polami eksploatacyjnymi kopalni Polkowice-Sieroszowice może być wynikiem oddziaływania rozległych zrobów, głównie tych znajdujących się na prawym skrzydle wyeksploatowanych obszarów kopalni Rudna.

160 151 4,72E+08 1,00E+09 Ilość wstrząsów 140 120 100 80 60 40 20 2,92E+07 6,24E+07 5,62E+07 6,40E+06 92 74 59 38 5,19E+01 25 16 14 6 54 4,74E+02 61 8,81E+07 2,33E+02 6,30E+02 41 19 19 7,19E+07 8,15E+07 95 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 9,56E+01 29 1,00E+02 1,00E+01 Emisja energii sejsmicznej [J] 0 1,00E+00 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Ilość wstrząsów>=e3 Ilość wstrząsów>=e5 Emisja energii sejsmicznej [J] Wskaźnik wydatku energii sejsmicznej na 1 Mg rudy [J/Mg] Rys. 5. Rozkład aktywności sejsmicznej w bloku D-IE w ZG Polkowice-Sieroszowice w latach 2002-2009 Fig. 5. Seismic activity in D-IE panel in Polkowice-Sieroszowice mine over 2002-2009 years W 2006 roku wystąpiło 151 wstrząsów sejsmicznych, z czego aż 36% stanowiły wstrząsy wysokoenergetyczne, które są najczęściej przyczyną tąpnięć. Ilość zjawisk sejsmicznych wzrosła o 64% w stosunku do poprzedniego roku a wielkość wyemitowanej przez górotwór energii sejsmicznej wzrosła z 5,62 10 7 do 4,72 10 8 J, czyli o niemal 740%. Wystąpiły 2 wstrząsy w klasie energii E8, które spowodowały odprężenia górotworu. Epicentrum pierwszego z nich (17.05.2006), położone było na prawym skrzydle bloku D-IE, w strefie roboczej frontu eksploatacyjnego, a epicentrum drugiego wstrząsu (15.12.2006) nie zostało zlokalizowane. Ponadto w 2006 roku w polu zamykającym zarejestrowano 5 wstrząsów w klasie energii E7, z których jeden wywołał odprężenie górotworu na lewym skrzydle bloku D-IE. Analizując przebieg krzywej wydatku energii sejsmicznej w poszczególnych miesiącach 2006 roku (rys.6) można zauważyć również, że po każdym wstrząsie o bardzo wysokiej energii rzędu E7 lub E8 następowało rozładowanie energii sprężystej zakumulowanej w górotworze i w kolejnych miesiącach obserwowano spadek sumarycznej energii emitowanej przez górotwór. Wysoki stan zagrożenia tąpaniami w 2006 roku związany był prawdopodobnie z rozpoczęciem właściwej rozcinki bloku D-IE w dwustronnym otoczeniu rozległych zrobów. W miarę postępu rozcinki, gdy wybieg pola zamykającego przekroczył krytyczną dla kopalń LGOM wartość 300 m, wystąpiło prawdopodobnie załamanie przesklepionego stropu zasadniczego nad przestrzenią wybraną. Doszło również do połączenia rozległych zrobów, funkcjonujących do tej pory samodzielnie na obu skrzydłach pola zamykającego.

Rys. 6. Zestawienie aktywności sejsmicznej oraz stan rozcinki w bloku D-IE w ZG Polkowice-Sieroszowice w 2006 roku Fig. 6. Seismic activity in D-IE panel in Polkowice-Sieroszowice mine in 2006 W kolejnych latach można zaobserwować spadek aktywności sejsmicznej w bloku D-IE. W 2007 roku wystąpiło o 60% mniej zjawisk dynamicznych niż w roku poprzednim, a emisja energii sejsmicznej zmalała o 82%. Można zauważyć również prawie trzykrotny spadek wielkości wydobycia w porównaniu z poprzednim rokiem. Miało to związek z odprężeniem górotworu, które wystąpiło w grudniu 2006 roku oraz występowaniem w stropie serii zaburzeń tektonicznych powodujących gwałtowne zmniejszenie prędkości postępu frontu w 2007 roku. Dodatkowym czynnikiem sprzyjającym obniżeniu aktywności sejsmicznej było stopniowe wychodzenie linii rozcinki z dwustronnego otoczenia zrobów, czyli wyrównanie linii frontu w bloku D-IE z krawędzią rozcinki prowadzonej po rozciągłości w piętrze D2E. W 2008 roku w bloku D-IE, ilość wstrząsów wysokoenergetycznych pozostała na tym samym poziomie, co w 2007 roku, spadła natomiast ponownie wielkość wydobycia. Wskaźnik wydatku energii sejsmicznej na 1 Mg wydobytej rudy wzrósł z 2,33 102 do 6,30 102 J/Mg. 29 października 2008 roku na prawym skrzydle bloku D-IE wystąpiło najgroźniejsze zjawisko dynamiczne, czyli tąpnięcie samoistne. Spowodowało ono rozległe skutki w wyrobiskach górniczych na całej szerokości frontu eksploatacji (500 m) oraz wywołało 13 wypadków lekkich. Tąpnięcie mogło być spowodowane wyrównaniem linii rozcinki i zrobów bloku D-IE z linią piętra D2E prowadzonego po rozciągłości. W 2009 roku w bloku D-IE zwiększono prawie ośmiokrotnie wielkość wydobycia. W wyniku tego, pomimo że poziom aktywności sejsmicznej wyrażony wielkością emisji energii sejsmicznej był wyższy, niż w 2008,

wartość wskaźnika zagrożenia sejsmicznego spadła z 6,30 10 2 do 9,56 10 1 J/Mg. Zarejestrowano 95 wstrząsów, z czego 31% stanowiły wstrząsy wysokoenergetyczne. Wystąpiły 2 odprężenia górotworu zlokalizowane na prawym skrzydle bloku D-IE. Rozkład ilościowo-energetyczny aktywności sejsmicznej oraz zjawiska dynamiczne ze skutkami w wyrobiskach świadczą o zwiększeniu stanu zagrożenia tąpaniami w 2009 roku, pomimo że blok D-IE nie był już polem zamykającym, gdyż na lewym skrzydle znajdowała się calizna piętra D3E. Wynika to prawdopodobnie z oddziaływania starych zrobów kopalni Rudna położonych wzdłuż prawego skrzydła bloku D-IE. Aktywność sejsmiczną w filarze oporowym A5/4-A7 w latach 2002-2005 przedstawiono rysunku 7. Można zauważyć, że w początkowo w latach 2002-2004 roboty górnicze prowadzone były przy niskiej aktywności sejsmicznej górotworu. Rejestrowano jedynie wstrząsy klasy E3 i E4. Pierwszy wstrząs wysokoenergetyczny o energii E 10 5 J wystąpił w maju 2004 roku. W kolejnych latach obserwuje się wzrost aktywności sejsmicznej górotworu spowodowany wejściem z robotami rozcinkowymi w obręb filara oporowego i rozpoczęciem właściwej eksploatacji w obustronnym otoczeniu rozległych zrobów. W 2005 roku zarejestrowano 22 wstrząsy o energii E 10 3 J, wśród których 50% stanowiły wstrząsy wysokoenergetyczne. Ilość zjawisk sejsmicznych wzrosła o 340% w stosunku do roku 2004, a wielkość wyemitowanej przez górotwór energii sejsmicznej wzrosła z 7,11 10 6 do 1,85 10 8 J/Mg. W dniu 13 lipca w 2005 roku w filarze oporowym A5/4 A7 wystąpił wstrząs o energii E=1,53 10 8 J, który spowodował odprężenie górotworu w środkowej części filara (rys.8). Był to wstrząs typu stropowego, sprowokowany robotami strzałowymi, który wystąpił podczas przechodzenia frontem eksploatacyjnym uskoku o zrzucie około 2 m. Prowadzenie eksploatacji w sąsiedztwie dyslokacji tektonicznych może być przyczyną występowania wstrząsów o bardzo wysokich energiach.

Ilość wstrząsów 60 50 40 30 20 10 0 57 1,00E+09 1,85E+08 1,22E+08 8,14E+07 1,00E+08 7,11E+06 3,36E+07 44 1,00E+07 1,20E+07 1,00E+06 36 3,83E+05 32 1,00E+05 9,50E+03 1,00E+04 22 23 1,00E+03 6,38E+02 3,52E+02 15 2,75E+02 8,97E+01 2,80E+02 11 12 3,99E+01 1,00E+02 8 5 6 1,00E+01 3 1 0 0 1,00E+00 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Emisja energii sejsmicznej [J] Ilość wstrząsów>=e3 Emisja energii sejsmicznej [J] Ilość wstrząsów>=e5 Wskaźnik wydatku energii sejsmicznej na 1 Mg rudy Rys. 7. Rozkład aktywności sejsmicznej w filarze oporowym A5/4 A-7 w ZG Polkowice-Sieroszowice w latach 2002-2009 Fig. 7. Seismic activity in A5/4 7 protective pillar in Polkowice-Sieroszowice mine over 2002 2009 years Rys. 8. Zestawienie aktywności sejsmicznej oraz stan rozcinki w filarze oporowym A5/4 7 w ZG Polkowice-Sieroszowice w 2005 roku Fig. 8. Seismic activity in A5/4 7 protective pillar in Polkowice-Sieroszowice mine in 2005

W latach 2006-2007 w filarze oporowym A5/4-A7, widoczny jest dalszy wzrost aktywności sejsmicznej górotworu. W roku 2006 wystąpiło o 100% więcej wstrząsów o energii E 103 J w porównaniu do 2005 roku oraz nastąpił spadek wyemitowanej przez górotwór energii sejsmicznej z 1,85 108 do 3,36 107 J, gdyż najsilniejszy odnotowany wstrząs należał do klasy energii E7. Natomiast w 2007 roku zarejestrowano o 30% wstrząsów o energii E 103 J oraz o 92% wstrząsów wysokoenergetycznych więcej w porównaniu do roku poprzedniego. Wystąpiły aż 4 zjawiska o energii w klasie E7, co spowodowało wzrost o 1150% emisji energii sejsmicznej. Jedno z tych zjawisk zrejestrowane 4 lipca, spowodowało samoistne odprężenie górotworu. Ten wzrost aktywności sejsmicznej, objawiający się zarówno wzrostem ilości wstrząsów o energii E 103 J, jak i wielkości wyemitowanej przez górotwór energii sejsmicznej oraz wartości wskaźnika zagrożenia sejsmicznego związany był prawdopodobnie z przechodzeniem linią frontu eksploatacyjnego przez stare chodniki A-139 i A-140 oraz z prowadzeniem robót upodatniających w części złoża pomiędzy upadową A-5/4 a P-03 oraz filarów wielkogabarytowych pomiędzy upadowymi A-5/4 i A-7 (rys.9).. Rys. 9. Zestawienie aktywności sejsmicznej oraz stan rozcinki w filarze oporowym A5/4-7 w ZG Polkowice-Sieroszowice w 2007 roku Fig. 9. Seismic activity in A5/4 7 protective pillar in Polkowice-Sieroszowice mine in 2007 W 2008 roku w filarze oporowym A5/4-A7, w czasie kontynuacji rozcinki części złoża pomiędzy upadowymi A-5/4 i A-7 utrzymywał się dość wysoki poziom aktywności sejsmicznej. Wystąpiły 2 zjawiska dynamiczne ze skutkami w wyrobiskach górniczych wywołane wstrząsami o energii rzędu 107 J. Pierwsze z nich zarejestrowano w styczniu. Było to odprężenie górotworu sprowokowane robotami strzałowymi, zlokalizowane w środkowej części filara, w strefie roboczej frontu. Po tym zjawisku aktywność sejsmiczna w filarze oporowym upadowych A-5/4-A7

znacznie spadła i w okresie od lutego do maja wstrząsy nie przekraczały energii rzędu 10 5 J. W czerwcu wystąpiło drugie zjawisko dynamiczne ze skutkami w wyrobiskach. Było to samoistne odprężenie górotworu. Emisja energii sejsmicznej w tym miesiącu wzrosła z 3,90 10 4 do 1,20 10 7 J. Nie spowodowało to jednak obniżenia aktywności sejsmicznej, a wręcz przeciwnie, w lipcu wydatek energii sejsmicznej oraz wskaźnik zagrożenia tąpaniami wzrosły i osiągnęły maksymalną w 2008 roku wartość. Po wstrząsie o energii 2,20 10 7 J nastąpiło rozładowanie naprężeń nagromadzonych w górotworze i znaczne obniżenie stanu zagrożenia tąpaniami. W okresie od lipca do końca roku 2008 wystąpił już tylko jeden wstrząs wysokoenergetyczny w klasie energii E5. W 2009 roku aktywność sejsmiczna w filarze oporowym upadowych A-5/4 A7, pomimo zbliżania się frontem eksploatacyjnym do wiązki chodników A-143 A-145, obniżyła się w stosunku do roku poprzedniego. W trakcie prowadzenia rozcinki wystąpiło 6 wstrząsów wysokoenergetycznych, 4 w klasie energii E5 oraz 2 w klasie E6. Żaden z nich nie spowodował skutków w wyrobiskach górniczych. Epicentra wstrząsów o najwyższych energiach (w klasie E6) zlokalizowane były w caliźnie przed frontem rozcinki, co może być niepokojące, gdyż wstrząsy występujące w caliźnie mogą powodować tąpnięcia naprężeniowe. 6. PODSUMOWANIE Zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami towarzyszy eksploatacji złoża rud miedzi w kopalni Polkowice-Sieroszowice od początku jej istnienia. W celu jego ograniczenia stosowany jest szeroki zakres metod profilaktyki, które obejmują działania związane z oceną stanu zagrożenia tąpaniami oraz zwalczaniem tąpań. Metody oceny stanu górotworu pozwalają ocenić stan zagrożenia zjawiskami dynamicznymi oraz skuteczność stosowanej technologii eksploatacji i profilaktyki tąpaniowej. W dobie informatyzacji rozwój narzędzi i funkcji systemów geoinformacyjnych ułatwia wykonywanie niezbędnych analiz. W pracy przeprowadzono analizy aktywności sejsmicznej w bloku D-IE oraz w filarze oporowym upadowych A5/4 A7, na podstawie których stwierdzono, że: - w obu analizowanych polach eksploatacja prowadzona była w strefie oddziaływania rozległych powierzchni zrobów, co mogło być przyczyną występującego w określonym momencie wysokiego stanu zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami, - dodatkowo roboty górnicze w obu polach były utrudnione przez przecinające je uskoki, a w filarze oporowym przez strefy upodatnione w postaci wiązek chodników A-139 A-140 oraz A-143 A-145, - rozcinanie filarów wielkogabarytowych wydzielonych wcześniej wykonanymi wyrobiskami korytarzowymi generowało wstrząsy o wysokich energiach, - po wystąpieniu wstrząsu o bardzo wysokiej energii rzędu E8 nastąpiło rozładowanie energii sejsmicznej zakumulowanej w górotworze i w kolejnych miesiącach zaobserwowano spadek aktywności sejsmicznej,

- wielkość emisji energii sejsmicznej prawie całkowicie pochodziła od wstrząsów wysokoenergetycznych. W latach 2005-2009 w bloku D-IE wystąpiło 7 zjawisk dynamicznych ze skutkami w wyrobiskach, w tym 6 odprężeń sprowokowanych robotami strzałowymi i najbardziej niebezpieczne z dynamicznych przejawów ciśnienia górotworu, tąpnięcie samoistne. W filarze A5/4 A7 w analizowanym okresie czasu miały miejsce 4 zjawiska ze skutkami. Były to dwa odprężenia samoistne i dwa sprowokowane. W obu polach zdecydowana większość zjawisk dynamicznych ze skutkami w wyrobiskach spowodowana była wstrząsami sejsmicznym o energiach rzędu E7 lub E8. W kopalniach rud miedzi LGOM od początku prowadzenia eksploatacji prowadzone są działania mające na celu ograniczenie zagrożenia tąpaniami. Jednak nadal brak jest możliwości prognozy wystąpienia zjawisk dynamicznych, która obejmuje określenie miejsca zagrożenia, oszacowanie maksymalnego wydatku energetycznego oraz przybliżonego czasu wystąpienia wstrząsu. Wynika z tego konieczność doskonalenia oraz poszukiwania nowych metod profilaktyki tąpaniowej. LITERATURA ADACH K., Analiza aktywności sejsmicznej towarzyszącej eksploatacji złoża rud miedzi w warunkach skrępowanych w O/ZG Polkowice-Sieroszowice z zastosowaniem narzędzi GIS. Praca dyplomowa (niepublikowana). Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii Politechniki Wrocławskiej, 2010. BUTRA J., Rozwój metod profilaktyki tąpaniowej w górnictwie rud miedzi. Mat. konf. Międzynarodowego Sympozjum Naukowo-Technicznego Tąpania 2002 stan badań i profilaktyki, Ustroń. Katowice 2002. BUTRA J., MROZEK K., OSADCZUK T., Aktualny stan zagrożenia tąpaniami w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. Mat. konf. XXIX Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu. Kraków 2006. BUTRA J., PYTEL W., Eksploatacja złoża zagrożonego tąpaniami w świetle modelowania numerycznego. Rudy i Metale Nieżelazne, Nr 2, 2008. BUTRA J., DĘBKOWSKI R., SZPAK M., Przyczyny i profilaktyka zagrożenia zjawiskami dynamicznymi w kopalniach rud miedzi. Mat. Międzynarodowego Kongresu Górnictwa Rud Miedzi. Lubin 2009. BUTRA J., 2010: Eksploatacja złoża rud miedzi w warunkach zagrożenia tąpaniami i zawałami. Wyd. KGHM CUPRUM Centrum Badawczo-Rozwojowe. Wrocław 2010. DUBIŃSKI J., KONOPKO W., Tąpania ocena prognoza zwalczanie. Wyd. Głównego Instytutu Górnictwa. Katowice 2000. GOSZCZ A., Elementy mechaniki skał oraz tąpania w polskich kopalniach węgla i miedzi. Wyd. IGSMiE PAN. Kraków 1999. MARCAK H., ZUBEREK W., Geofizyka górnicza. Wyd. Śląskie Wydawnictwo Techniczne. Katowice 1994. KIDYBIŃSKI A., Problematyka tąpań w górnictwie światowym. Mat. konf. MIĘDZYNARODOWEGO Sympozjum Naukowo-Technicznego Tąpania 2002 stan badań i profilaktyki, Ustroń. Katowice 2002.

underground copper mining, seismic and rockburst hazard, GIS application in mining SEISMIC ACTIVITY ANALYSIS WITH GIS METHODS IN THE POLKOWICE- SIEROSZOWICE MINE In this paper rockburst hazard and rockburst prevention methods in underground cooper mines were characterized. Seismic activity in D-IE panel and A5-4 A7 protective pillar in Polkowice-Sieroszowice mine was depicted and analyzed. Moreover, rockburst hazard was estimated. To achieve this goal spatial and descriptive databases for those two mining fields were created. Analysis was performed using ArcGIS 9.3, GIS software.