Geomechanical and tectonophysical conditions of mining-induced seismicity in the Upper Silesian Coal Basin in Poland: a case study

• Autorzy: Dubiński Józef , Stec Krystyna , Bukowska Mirosława

Identyfikatory

DOI

10.24425/ams.2019.126278

Warianty tytułu

PL

Geomechaniczne i tektonofizyczne uwarunkowania sejsmiczności indukowanej w górnośląskim zagłębiu węglowym w Polsce – studium przypadku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the Carboniferous rock mass of the Upper Silesian Coal Basin, large changes in the geomecha-nical conditions often occur over relatively short distances. These conditions relate to rock properties that are primarily responsible for the occurrence of geodynamic phenomena in the rock mass. The main factor influencing the manifestation of these phenomena is tectonic stress developed during Variscan and subsequent Alpine orogenesis. This stress contributed to creating tectonic structures in the Carboniferous formations and influenced the properties of the rocks themselves and the rock mass they form. As a result of the action of the stresses, compaction zones (main stresses were compressive) were formed, along with zones in which one of the main stresses was tensile. For the compaction zones in the Carboniferous rocks, the following geomechanical parameters have been calculated: uniaxial compressive strength, Young’s modulus and post-critical modulus. The local stress field was determined according to the focal mechanism in selected areas (Main and Bytom troughs) to characterize changes in geomechanical properties of the rocks that are responsible for high-energy tremors (E≥ 106 J, ML≥ 2.2).

PL

W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym w górotworze karbońskim występuje często duża zmien-ność warunków geomechanicznych na względnie niewielkich odległościach. Warunki te odniesione do właściwości skał są w pierwszej kolejności odpowiedzialne za występowanie zjawisk geodynamicz-nych w górotworze. Głównym czynnikiem wpływającym na te właściwości są naprężenia tektoniczne rozwinięte podczas orogenezy warescyjskiej i alpejskiej. Naprężenia te uczestniczyły w tworzeniu struktur tektonicznych w górotworze karbońskim i oddziaływały na właściwości skał i całego górotworu. W wyniku takiego działania powstały strefy kompakcji (gdzie główne naprężenia były ściskające) oraz strefy, w których jedno z naprężeń głównych było rozciągającym. Dla stref kompakcji zostały określone takie parametry geomechaniczne jak: wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, moduł Younga i modułpokrytyczny. Lokalne pole naprężeń wyrażone kierunkami naprężeń głównych wyznaczano na podstawie parametrów mechanizmu ognisk wstrząsów w rejonie niecki głównej i niecki bytomskiej i porównano z wyznaczonymi parametrami geomechanicznymi skał. Przeprowadzone analizy pozwalają na wnioskowanie, że mechanizm ognisk wysokoenergetycznych wstrząsów (E≥ 106 J, ML≥ 2.2) w przybliżeniu odzwierciedla występujący w górotworze układ naprężeń, który miał wpływ na zróżnicowanie wartości parametrów geomechanicznych skał.

Słowa kluczowe

EN

geomechanical properties; mining induced seismicity; focal mechanism; local stress field

PL

parametry geomechaniczne; górnicza sejsmiczność indukowana; mechanizm ogniska; lokalne pole naprężeń

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 64, no. 1
• Strony: 163--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dubiński Józef

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166, Katowice, Poland

autor

Stec Krystyna

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166, Katowice, Poland

autor

Bukowska Mirosława

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166, Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Aki K., Richards P.G., 1980. Quantitative Seismology – Theory and Methods. San Francisco, WH Freeman.
• [2] Anderson E.M., 1951. The Dynamics of Faulting. Oliver & Boyd.
• [3] Angelier J., 2002. Inversion of earthquake focal mechanisms to obtain the seismotectonic stress IV – a new method free of choice among nodal lines. Geophys. J. Int. 150, 588-609.
• [4] Arnold R., Townend J., 2007. A Bayesian approach to estimating tectonic stress from seismological data. Geophys. J. Int. 170, 3, 1336-1356. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2007.03485.x.
• [5] Bukowska M., (ed.), 2009. A Complex Method for Assessing Susceptibility to Rock Bumps in the Upper Silesian Coal Basin. GIG, Katowice, in Polish.
• [6] Bukowska M., 2012. The rockbursts in the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Journal of Mining Science 48, 3, 445-456. DOI: 10.1134/S1062739148030070.
• [7] Bukowski P., Augustyniak I., 2013. Changes in the structure of water inflow into coal mines in Poland. 13th International Multidisciplinary Scientific Geoconference on “Geoconference on Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining SGEM”. Albena, Bulgaria. VOL II, Book Series: International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM, 25-32.
• [8] Bukowski P., 2015. Evaluation of water hazard in hard coal mines in changing conditions of functioning of mining industry in Upper Silesian Coal Basin – USCB (Poland). Arch. Min. Sci. 60, 2, 455-475.
• [9] Buła Z., Żaba J., Habryn R., 2008. Rejonizacja tektoniczna Polski – Polska południowa (blok górnośląski i blok małopolski) (Tectonic regionalization of Poland – Southern Poland (Upper Silesian Block, Małopolska Block)). Przegląd Geologiczny 56, 10, 912-920, in Polish.
• [10] Dubiński J., Wierzchowska Z., 1973. Metody obliczeń energii wstrząsów górotworu na Górnym Śląsku. Prace GIG, Komunikat nr 591, Katowice, in Polish.
• [11] Fojtíková L., Vavryčuk V., Cipciar A., Madarás J., 2010. Focal mechanisms of micro-earthquakes in the Dobrá Voda seismoactive area in the Malé Karpaty Mts. (Little Carpathians), Slovakia. Tectonophys. 492, 1213-229.
• [12] Gephart J.W., Forsyth D.W., 1984. An improved method for determining the regional stress tensor using earthquake focal mechanism data: application to the San Fernando earthquake sequence. J. Geophys. Res. 89, 9305-9320.
• [13] Gołda A., Śladowski G., Wieczorek K., 2015. Mechanizmy ognisk wstrząsów górniczych zarejestrowanych w trakcie eksploatacji pokładu 209 ścianą 911 w bloku D KWK „Ziemowit”. Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud 1, 74, 67-82, in Polish.
• [14] Goszcz A., 1980. Wpływ napięć tektonicznych na niektóre własności skał i warunki górnicze w północno-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Influence of tectonic stresses on certain properties of rocks and mining conditions in the Northeastern part of Upper Silesian Coal Basin). Zesz. Nauk. AGH, Geologia 27, 9-92, in Polish.
• [15] Goszcz A., 1985. Kompakcja tektoniczna jako przyczyna naturalnej skłonności skał do wstrząsów górniczych i tąpań (Tectonic compaction as the natural cause the proneness of rockbursts). Przegląd Górniczy 7-8, 239-244, in Polish.
• [16] Goszcz A., Dworak J., 1982. Określenie skłonności do tąpań na podstawie analizy tektonofizycznej oraz parametrów sprężystych pokładu metodą sejsmiczną w wyrobiskach górniczych (Determining bump susceptibility in mine workings with a seismic method based on tectonophysical analysis and elastic parameters of a seam). Archiwum Górnictwa 27, 1-2, 45-56, in Polish.
• [17] Gzowskij M.W., 1975. Osnowy tektonofiziki. Nauka, in Russian.
• [18] Hofstetter A., Dorbath C., Dorbath L., Braeuer B., Weber M., 2016. Stress tensor and focal mechanisms in the Dead Sea basin. J. Seism. 20, 2, 669-699.
• [19] Kabiesz J., 2016. Koincydencja górniczych zagrożeń naturalnych. Wyd. GIG, Katowice, ISBN 987-83-65503-00-8.
• [20] Kisiel L., 1973. Reologia skał. Podstawy Naukowe. Wyd. Ossolineum, in Polish.
• [21] Knopoff L., Randall M.J., 1970. The compensated linear-vector dipole. A possible mechanism for deep earthquakes. J. Geophys. Res. 75, 1957-1963.
• [22] Kotas A., 1982. Zarys budowy geologicznej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Outline of geology of Upper Silesia Coal Basin). Przewodnik LIV Zjazdu PTG. Warszawa. Wyd. Geologiczne, 45-73, in Polish.
• [23] Kozłowska M., Orlecka-Sikora B., Rudziński Ł., Cielesta S., Mutke G., 2016. Atypical evolution of seismicity patterns resulting from the coupled natural, human-induced and coseismic stresses in a longwall coal mining environment. Int. J. Rock Mech. and Min. Sci. 86, 5-15, DOI: 10.1016/j.ijrmms.2016.03.024.
• [24] Kwiatek G., Martínez-Garzón P., Bohnhoff M., 2016. HybridMT: A MATLAB/shell environment package for seismic moment tensor inversion and refinement. Seismol. Res. Lett. 87, 4, 964-976, DOI:10.1785/0220150251.
• [25] Lurka A., Stec K., 2015. Charakterystyka i sejsmologiczne metody analizy aktywności sejsmicznej Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Przegląd Górniczy 1, 83-93, in Polish.
• [26] Marcak H., Mutke G., 2013. Seismic activation of tectonic stresses by mining. J. Seism. 17, 4, 1139-1148, DOI:10.1007/s10950-013-9382-3.
• [27] McKenzie D., 1969. The relation between fault plane solutions for earthquakes and the directions of the principal stresses. Bull. Seismol. Soc. Amer. 59, 591-601.
• [28] Michael A.J., 1987. Use of focal mechanisms to determine stress: a control study. J. Geophys. Res. 92, B1, 357-368.
• [29] Reches Z., 1987. Determination of the tectonic stress tensor from slip along faults that obey the Coulomb yield condition. Tectonics 6, 6, 849-861.
• [30] Sanford A.R., 1959. Analytical and experimental study of simple geologic structures. Geol. Soc. Amer. Bull. 70, 1, 19-52.
• [31] Stec K., 2007. Characteristics of seismic activity of the Upper Silesian coal basin in Poland. Geophys. J. Int. 168, 2, 757-768, DOI: 10.1111/j.1365-246X.2006.03227.x.
• [32] Stec K., 2012. Focal mechanisms of mine-induced seismic events an explanation of geomechanical processes in the area of longwall 6, seam 510 in hard coal mine “Bobrek-Centrum”. Arch. Min. Sci. 57, 4, 871-886, DOI: 10.2478/v10267-012-0057-7.
• [33] Stec K., 2015. Geomechanical conditions of causes of high-energy rock mass tremors determined based on the analysis focal mechanisms. J. Sust. Min. 1, 55-65, DOI:org/10.1016/j.jsm.2015.08.008.
• [34] Teper L., 1998. Wpływ nieciągłości podłoża karbonu na sejsmotektonikę północnej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Influence of discontinuities in Carboniferous bed on seismotectonics of the northern part of Upper Silesia Coal Basin). Wyd. Uniwersytetu Śląskiego, Katowice, in Polish.
• [35] Vavryčuk V., 2014. Iterative joint inversion for stress and fault orientations from focal mechanisms. Geophys. J. Int. 199, 1, 69-77. DOI:10.1093/gji/ggu224.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019)