The application of seismic interferometry for estimating a 1D S-wave velocity model with the use of mining induced seismicity

• Autorzy: Czarny R. , Pilecki Z. , Drzewińska D.

Identyfikatory

DOI

10.1016/j.jsm.2018.09.001

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main objective of this paper is to present the usefulness of the seismic interferometry method to determine the S-wave velocity model of the rock mass affected by exploitation in the KGHM Rudna copper ore mine. The research aim was achieved on the basis of seismic data, acquired from seismograms, of 10 strong seismic events of magnitude greater than 2.6. They were recorded by a pair of seismometers deployed on mining terrain. In the first stage, the Rayleigh wave between seismometers was estimated. Then, the group velocity dispersion curves of fundamental and first higher modes were identified. Finally, inversion of the dispersion curves to a 1D S-wave velocity model up to 500m in depth was obtained. The velocity model was determined for the part of the rock mass partially affected by mining. The results confirm similar rock mass structure and velocities of the subsurface layers as those obtained by the archival 3D model. In both models, a high degree of correlation in the boundary location between the overburden of the Cenozoic formations and the bedrock of the Triassic formations was observed. The applied methodology can be used to estimate the S-wave velocity model in other mining regions characterized by strong seismicity.

Słowa kluczowe

EN

seismic interferometry; induced seismicity; Rayleigh surface wave; S-wave velocity; mining terrain

PL

interferometria sejsmiczna; sejsmiczność indukowana; fala powierzchniowa Rayleigha; prędkość fali S; teren górniczy

• Wydawca: Elsevier ; Główny Instytut Górnictwa
• Czasopismo: Journal of Sustainable Mining
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 17, iss. 4
• Strony: 209--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz.

Twórcy

autor

Czarny R.

• The Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Wybickiego 7A, 31-261, Krakow, Poland

autor

Pilecki Z.

• The Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Wybickiego 7A, 31-261, Krakow, Poland

autor

Drzewińska D.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059, Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Curtis, A., Gerstoft, P., Sato, H., Snieder, R., & Wapenaar, K. (2006). Seismic interferometry - turning noise into signal. The Leading Edge, 25(9), 1082-1092. https://doi.org/10.1190/1.2349814.
• 2. Czarny, R. (2017). Ocena budowy i właściwości sprężystych górotworu metodą interferometrii sejsmicznej [Assessment of elastic properties and structure of rock mass using seismic interferometry method] (Doctoral dissertation) Kraków: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
• 3. Czarny, R., Marcak, H., Nakata, N., Pilecki, Z., & Isakow, Z. (2016). Monitoring velocity changes caused by underground coal mining using seismic noise. Pure and Applied Geophysics, 173(6), 1907-1916. https://doi.org/10.1007/s00024-015-1234-3.
• 4. Dec, J., & Pietsch, K. (2012). Możliwości sejsmicznej identyfikacji stref akumulacji gazu w utworach weglanowych cechsztynu monokliny przedsudeckiej [A possibility of seismic identification of gas accumulations in zechstein carbonate formations of the fore-sudetic monocline]. Gospodarka Surowcami Mineralnymi-Mineral Resources Management, 28(3), 93-112.
• 5. Drzęźla, B. (1978). Rozwiązanie pewnego przestrzennego zadania liniowej teorii sprężystości w zastosowaniu do prognozowania deformacji górotworu pod wpływem eksploatacji górniczej wraz z oprogramowaniem [The solution of a certain spatial task of linear elasticity theory in application to the prediction of rock mass deformation influenced by mining exploitation and the software]. 90. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Górnictwo.
• 6. Dubiński, J. (1989). Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego [Seismic method of the advanced risk assessment of mining tremors in hard coal mines]. Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Seria dodatkowa, Katowice: Główny Instytut Górnictwa.
• 7. Dubiński, J., & Konopko, W. (2000). Tąpania: Ocena, prognoza, zwalczanie [rockbursts: Assessment, forecasting and combating]. Katowice: Główny Instytut Górnictwa.
• 8. Dubiński, J., Pilecki, Z., & Zuberek, W. (Eds.). (2000). Badania geofizyczne w kopalniach - przeszłość, teraźniejszość i zamierzenia na przyszłość [Geophysical research in mines - past, present and future plans]. Kraków: Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN.
• 9. Dubiński, J., Stec, K., & Drzewiecki, J. (1994). Mechanizm niszczenia skał stropowych w świetle obserwacji geomechanicznych i sejsmologicznych [The mechanism of the destruction of roof rocks in the light of geomechanical and seismological observations]. Sympozjum naukowo-techniczne tapania ’94 rozwiązania inżynierskie w problematyce tąpań, ustroń 23-25 listopada 1994 r (pp. 125-133). Katowice: Główny Instytut Górnictwa.
• 10. Dunkin, J. W. (1965). Computation of modal solutions in layered, elastic media at high frequencies. Bulletin of the Seismological Society of America, 55(2), 335-358.
• 11. Dziewonski, A., Bloch, S., & Landisman, M. (1969). A technique for the analysis of transient seismic signals. Bulletin of the Seismological Society of America, 59(1), 427-444.
• 12. Foti, S., Lai, C. G., Rix, G. J., & Strobbia, C. (2014). Surface wave methods for near-surface site characterization. CRC Press.
• 13. Galetti, E., & Curtis, A. (2012). Generalised receiver functions and seismic interferometry. Tectonophysics, 532-535, 1-26. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2011.12.004.
• 14. Gibowicz, S. J., & Kijko, A. (1994). An introduction to mining seismology. Elsevier.
• 15. Goszcz, A. (1989). Wybrane zagadnienia z problematyki wstrząsów górniczych i tąpań [Selected issues of mining tremors and rock bursts]. Katowice: Główny Instytut Górnictwa.
• 16. Głowacka, E. (1992). Application of the extracted volume of a deposit as a measure of deformation for seismic hazard evaluation in mines. Tectonophysics, 202(2-4), 285-290. https://doi.org/10.1016/0040-1951(92)90114-L.
• 17. Głowacka, E., & Pilecki, Z. (1991). Seismo-acoustic anomalies and evaluation of seismic hazard at marcel coal mine. Acta Geophysica, 39(1), 47-59.
• 18. Harba, P., & Pilecki, Z. (2017). Assessment of time-spatial changes of shear wave velocities of flysch formation prone to mass movements by seismic interferometry with the use of ambient noise. Landslides, 14(3), 1225-1233. https://doi.org/10.1007/s10346-016-0779-2.
• 19. Hosseini, N., Oraee, K., Shahriar, K., & Goshtasbi, K. (2012). Passive seismic velocity tomography on longwall mining panel based on simultaneous iterative reconstructive technique (SIRT). Journal of Central South University, 19(8), https://doi.org/10.1007/s11771-012-1275-z.
• 20. Isakow, Z., Pilecki, Z., & Kubańska, A. (Eds.). (2015). System LOFRES sejsmiki pasywnej z wykorzystaniem szumu sejsmicznego [LOFRES system of passive seismology with the use of seismic noise]. Katowice: Instytut Technik Innowacyjnych EMAG.
• 21. Isakow, Z., Pilecki, Z., & Sierodzki, P. (2014). Nowoczesny system LOFRES niskoczęstotliwościowej sejsmiki pasywnej [Modern system LOFRES for lowfrequencies passive seismics]. Przeglad Gorniczy, 70(7), 92-96.
• 22. Krawiec, K., & Czarny, R. (2017). Comparison of an empirical S-wave velocity model and a calculated stress-strain model for a rock mass disturbed by mining. AG 2017 - 3rd international conference on applied Geophysics, E3S web of conferences: 24https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172403001.
• 23. Marcak, H., Pilecki, Z., & Czarny, R. (2014a). Interferometria sejsmiczna w zagadnieniach górniczych [Seismic interferometry in mining issues]. Kraków: Wydawnictwo IGSMiE PAN.
• 24. Marcak, H., Pilecki, Z., Isakow, Z., & Czarny, R. (2014b). Możliwości wykorzystania interferometrii sejsmicznej w górnictwie [The possibility of using seismic interferometry in mining industry]. Przeglad Gorniczy, 70(7), 74-83.
• 25. Marcak, H., & Zuberek, W. M. (1994). Geofizyka górnicza [Mining geophysics]. Katowice: Śląskie Wydawnictwo Techniczne.
• 26. Mutke, G., Chodacki, J., Muszynski, L., Kremers, S., & Fritschen, R. (2015). Mining seismic instrumental intensity scale MSIIS-15 - verification in coal basins. AIMS 2015 - fifth international symposium: Mineral resources and mine development (pp. 551-560). RWTH Aachen University.
• 27. Mutke, G., Masny, W., & Prusek, S. (2016). Peak particle velocity as an indicator of the dynamic load exerted on the support of underground workings. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 13(4), 367-378. https://doi.org/10.13168/AGG.2016.0019 184.
• 28. Olivier, G., Brenguier, F., Campillo, M., Lynch, R., & Roux, P. (2015a). Body-wave reconstruction from ambient seismic noise correlations in an underground mine. Geophysics, 80(3), KS11-KS25. https://doi.org/10.1190/geo2014-0299.1.
• 29. Olivier, G., Brenguier, F., Campillo, M., Roux, P., Shapiro, N. M., & Lynch, R. (2015b). Investigation of coseismic and postseismic processes using in situ measurements of seismic velocity variations in an underground mine. Geophysical Research Letters, 42(21), 1-9. https://doi.org/10.1002/2015GL065975.
• 30. Olszewska, D., Lasocki, S., & Leptokaropoulos, K. (2017). Non-stationarity and internal correlations of the occurrence process of mining-induced seismic events. Acta Geophysica, 65(3), 507-515. https://doi.org/10.1007/s11600-017-0024-y.
• 31. Piestrzyński, A. (Ed.). (2007). Monografia KGHM polska miedź S.A. [Monograph of KGHM polska miedź S.A.] (wyd. 2). Lubin: KGHM CUPRUM sp. z o.o. CBR.
• 32. Pilecki, Z. (2008). The role of geophysical methods in the estimation of sinkhole threat in the post-mining areas of shallow exploitation in the Upper Silesian Coal Basin, Poland. Gospodarka Surowcami Mineralnymi-Mineral Resources Management, 24(3/1), 27-40.
• 33. Pilecki, Z., & Isakow, Z. (2014). Projekt LOFRES - sejsmika pasywna LFS z wykorzystaniem szumu sejsmicznego [LOFRES project - low frequencies passive seismicity by use of seismic noise]. Przeglad Gorniczy, 70(7), 69-73.
• 34. Popiołek, E. (2009). Ochrona terenów górniczych [Protection of mining areas]. Katowice: Wydwanictwa AGH.
• 35. Popiołek, E., Hejmanowski, R., Krawczyk, A., & Perski, Z. (2002). The application of satellite radar interferometry to the examination of the areas of mining exploitation. Surface Mining - Braunkohle and Other Minerals, 54, 74-82.
• 36. Popiołek, E., & Pilecki, Z. (Eds.). (2005). Ocena przydatności do zabudowy terenów zagrożonych deformacjami nieciągłymi za pomocą metod geofizycznych [Assessment of suitability for building areas threatened with discontinuous deformations by means of geophysical methods]. Kraków: Wydawnictwo IGSMiE PAN.
• 37. Sambridge, M. (1999). Geophysical inversion with a neighbourhood algorithm - I. Searching a parameter space. Geophysical Journal International, 138(2), 479-494. https://doi.org/10.1046/j.1365-246X.1999.00876.x.
• 38. Slizowski, J., Pilecki, Z., Urbanczyk, K., Pilecka, E., Lankof, L., & Czarny, R. (2013). Site assessment for astroparticle detector location in evaporites of the Polkowice-Sieroszowice copper ore mine, Poland. Advances in High Energy Physics461764. https://doi.org/10.1155/2013/461764.
• 39. Snieder, R. (2004). Extracting the Green's function from the correlation of coda waves: A derivation based on stationary phase. Physical Review A, 69(4), 46610. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.046610.
• 40. Szreder, Z., & Barnas, M. (2017). Assessment of the impact of an overlying coal seam edge using seismic profiling of refracted P-wave velocities. AG 2017 - 3rd international conference on applied Geophysics, E3S web of conferences: 24, (pp. 3001-). . https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172401007.
• 41. Szreder, Z., Pilecki, Z., & Klosinski, J. (2008). Efektywność rozpoznania oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych metodami profilowania tłumienia oraz prędkości fali sejsmicznej [Effectiveness of the recognition of exploitation edge influence with the help of the profiling of attenuation and the velocity of seismic wave]. Gospodarka Surowcami Mineralnymi-Mineral Resources Management, 24(2/3), 215-226.
• 42. Tatara, T. (2012). Odporność dynamiczna obiektów budowlanych w warunkach wstrząsów górniczych [Dynamic resistance of building structures under mining shock conditions]. Kraków: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki.
• 43. Tsai, V. C. (2009). On establishing the accuracy of noise tomography travel-time measurements in a realistic medium. Geophysical Journal International, 178(3), 1555-1564. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2009.04239.x.
• 44. Wathelet, M. (2008). An improved neighborhood algorithm: Parameter conditions and dynamic scaling. Geophysical Research Letters, 35(9), 1-5. https://doi.org/10.1029/2008 GL033256.