New criteria to assess seismic and rock burst hazard in coal mines

• Autorzy: Mutke G. , Dubiński J. , Lurka A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0049

Warianty tytułu

PL

Nowe kryteria dla oceny zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents new criteria of seismic and rock burst hazard assessment in Polish hard coal mines where longwall mining system is common practice. The presented criteria are based on the results of continuous recording of seismic events and analysis of selected seismological parameters: spatial location of seismic event in relation to mining workings, seismic energy, seismic energy release per unit coal face advance, b-value of Gutenberg-Richter law, seismic energy index EI, seismic moment M0, weighted value of peak particle velocity PPVW. These parameters are determined in a moving daily time windows or time windows with fixed number of seismic tremors. Time changes of these parameters are then compared with mean value estimated in the analyzed area. This is the basis to indicate the zones of high seismic and rock burst hazard in specific moment in time during mining process. Additionally, the zones of high seismic and rock burst hazard are determined by utilization of passive seismic tomography method. All the calculated seismic parameters in moving time windows are used to quantify seismic and rock burst hazard by four level scales. In practice, assessment of seismic and rock burst hazard is used to make daily decision about using rock burst prevention activities and correction of further exploitation of monitored coal panel.

PL

Zagrożenie sejsmiczne i związane z nim genetycznie zagrożenie tąpnięciem w dalszym ciągu należą do najgroźniejszych zagrożeń naturalnych występujących w polskich kopalniach węgla kamiennego. W ostatnich latach w kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) rocznie rejestrowano 1000÷1500 wstrząsów o energii sejsmicznej Es ≥ 1•105J (magnituda lokalna ML ≥ 1.7), a najsilniejsze z nich osiągały energię Es = 4 •109J (ML = 4.1). W latach 1991-2010 odnotowano w GZW 101 tąpnięć, z których około 66% miało miejsce w wyrobiskach chodnikowych, powodując ich uszkodzenia lub całkowite zniszczenie, a w niektórych przypadkach również wypadki śmiertelne. Przedstawiono podstawowe parametry sejsmologiczne stosowane w kraju i w świecie do oceny zagrożenia sejsmicznego. Opisano podstawowe zasady metody kompleksowej oceny stanu zagrożenia tąpnięciem, w skład której wchodzi metoda sejsmologiczna bieżącej (pomiarowej) oceny stanu zagrożenia. Od wielu lat, wraz z ciągłym rozwojem bazy aparaturowej i możliwości w zakresie cyfrowej rejestracji sejsmogramów oraz przetwarzania i interpretacji danych pomiarowych wzrasta znaczenie metod sejsmicznych, które są dzisiaj powszechnie stosowane w polskich kopalniach zagrożonych tąpaniami. Ciągła obserwacja zjawisk sejsmicznych indukowanych w trakcie rozwoju procesu eksploatacji pokładów węgla umożliwiła, w oparciu o zgromadzoną bazę danych, opracowywanie nowych kryteriów zagrożenia sejsmicznego oraz zagrożenia tąpnięciem, które winny wyraźnie poprawić efektywność metody sejsmologii górniczej. W artykule przedstawiono nowe kryteria oceny stanu bieżącego zagrożenia tąpaniami zaproponowane do stosowania w polskich kopalniach węgla kamiennego, które prowadzą eksploatację systemem ścianowym. Kryteria te są oparte na wynikach ciągłej rejestracji sejsmologicznej, połączonej z bieżącą analizą zarejestrowanych wstrząsów i obliczaniem wybranych parametrów sejsmologicznych. Parametry te to położenie ognisk wstrząsów w stosunku do wyrobisk eksploatacyjnych, energia sejsmiczna wstrząsów, suma energii sejsmicznej wyzwolona na każde 5m postępu ściany eksploatacyjnej, wartość wagowanego parametru amplitudy prędkości drgań PPVW, moment sejsmiczny M0, indeks energii EI oraz parametr b rozkładu wstrząsów według relacji Gutenberga-Richtera. Wartości powyższych parametrów są określane dla każdej doby lub w przesuwających się co dobę oknach czasowych lub oknach zawierających określoną liczbę wstrząsów, a następnie porównywane, raz na dobę, z ich wartościami średnimi wyznaczonymi dla obserwowanego rejonu eksploatacji lub z opracowanymi wartościami kryterialnymi. W ten sposób wyznaczane są, dla danego momentu czasu, strefy w których możne wystąpić potencjalnie wysokie zagrożenie sejsmiczne i zagrożenie tąpaniami. Ponadto, w strefach o podwyższonym naprężeniu oraz w strefach o skomplikowanej sytuacji górniczo-geologicznej, charakteryzujących się zaszłościami starej eksploatacji oraz zaburzeniami geologicznycmi, wykonywane są dodatkowo doraźne obliczenia pola prędkości fal sejsmicznych z wykorzystaniem metody tomografii pasywnej. Należy podkreślić, że wszystkie obliczane wartości powyższych parametrów są skwantyfikowane i określają wartości kryterialne w czterostopniowej skali oceny stanu zagrożenia sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem (tabela 2). Stopnie zagrożenia zostały skwantyfikowane w oparciu wyniki pomiarów sejsmologicznych wykonywanych na bieżąco w sposób ciągły i są wyrażone w formie kryteriów empirycznych, opracowanych na podstawie analizy dużego zbioru danych sejsmicznych oraz obserwacji makroskopowych w wyrobiskach górniczych. Należy podkreślić, że w czasie występowania wysokich stanów zagrożenia sejsmicznego lub zagrożenia tąpnięciem, opracowana metoda pozwala wyznaczyć obszary o podwyższonym stanie zagrożenia, umożliwiając zaprojektowanie i zastosowanie odpowiedniej w miejscu i czasie profilaktyki tąpaniowej. Ważnym aspektem w ocenie stanu zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami jest problem ciągłego przemieszczania się stref zagrożenia (stref podwyższonych naprężeń) w czasie prowadzonej eksploatacji. Dla uchwycenia nie tylko miejsc potencjalnego zagrożenia, ale również określenia w jakim momencie czasu pojawia się strefa potencjalnego zagrożenia, zaproponowano analizę parametrów kryterialnych w przesuwających się oknach czasowych z dobowym raportowaniem wyników. W artykule przedstawiono dotychczasowe kryteria oceny stanu zagrożenia tąpnięciem – tabela 1 (Barański i in., 2007), stosowane aktualnie przez większość kopalń w polskim górnictwie węglowym. Kryteria te w części przypadków nie prowadziły do zadawalających i w pełni wiarygodnych wskazań, ze względu na małą liczbę analizowanych parametrów sejsmologicznych oraz brak sekwencyjnej analizy ich zmian w czasie prowadzonej eksploatacji. Wady te uwzględnia nowe podejście metodyczne do oceny stanu zagrożenia. Nowe kryteria oceny stanu zagrożenia sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem przedstawiono w tabeli 2. Zakwalifikowanie do określonego stanu zagrożenia wymaga spełnienia wartości kryterialnych przez więcej niż połowę parametrów sejsmicznych, przypisanych do określonego stanu zagrożenia i rodzaju wyrobiska. Skuteczność przedstawionych nowych kryteriów oceny stanu sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem, opartych o sekwencyjną analizę wybranych parametrów kryterialnych w przemieszczających się co dobę oknach czasowych, została pokazana na przykładach obliczeniowych rzeczywistych sytuacji pomiarowych uzyskanych podczas eksploatacji pokładu węgla 510 ścianą nr. 6 oraz pokładu 503 ścianą nr. 3 w KWK Bobrek-Centrum. Przeprowadzono dyskusję opracowanych kryteriów dowodząc, że stosowanie do oceny stanu zagrożenia tąpaniami różnych parametrów wstrząsów jest niezbędne, aby na bieżąco obserwować to zagrożenie w zależności od różnych mechanizmów wstrząsów i dla różnych sytuacji górniczo-geologicznych. Analiza jednego parametru kryterialnego może często doprowadzić do błędnych wniosków i niskiej wiarygodności wykonanej oceny stanu zagrożenia. Z tej przyczyny w najnowszej wersji metody sejsmologicznej zaproponowanej do stosowania w polskich kopalniach węgla kamiennego, uwzględniono pięć niezależnych parametrów sejsmologicznych opisanych w tabeli 2.

Słowa kluczowe

EN

mining seismology; rock burst; seismic event; seismic criterion; rock burst hazard assessment

PL

sejsmologia górnicza; tąpnięcie; wstrząs sejsmiczny; kryterium sejsmiczne; ocean zagrożenia tąpnięciem

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 3
• Strony: 743--760
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Mutke G.

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

autor

Dubiński J.

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

autor

Lurka A.

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

Bibliografia

• [1] Barański A., Drzewiecki J., Kabiesz J., Konopko W., Kornowski J., Krzyżowski A., Mutke G., 2007. Zasady stosowania „Metody kompleksowej i metod szczegółowych oceny stanu zagrożenia tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego”. Wyd. GIG, seria: Instrukcje, No. 20.
• [2] Barański A., Dubinski J., Lurka A., Mutke G., Stec K., 2012. Metoda sejsmologii górniczej oceny stanu zagrożenia tąpaniami. W: Zasady stosowania metody kompleksowej metody oceny stanu zagrożenia tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego. Wyd. GIG, seria: Instrukcje, nr. 22.
• [3] Brady B.G., Brown E.T., 1985. Rock Mechanics for Underground Mining. George Allen and Unwin.
• [4] Bischoff M., Cete A., Fritschen R., Meier T., 2010. Coal mining induced seismicity in the Ruhr area, Germany. Pure and Applied Geophysics, 167, 63-75.
• [5] Bukowska M., 2012. The rockbursts in the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Journal of Mining Science, Vol. 48, Iss. 3, p. 445-456.
• [6] Bukowska M., 2013. Post-peak failure modulus in problems of mining geomechanics. Journal of Mining Science, Vol. 49, Iss. 5, p. 731-740.
• [7] Cała M., Roth A., Roduner A., 2013. Large scale field tests of rock bolts and high-tensile steel wire mesh subjected to dynamic loading. [In:] Eurock 2013 – Rock mechanics for resources, energy and environment: Wrocław, September 23-26, 2013 , eds. Marek Kwaśniewski, Dariusz Łydżba. London: CRC Press, Taylor & Francis Group, cop... p. 721-726.
• [8] Drzewiecki J., 2001. Movement dynamics of detached roof strata ahead of the longwall coalface. [In:] Fifth International Symposium on Rock burst and Seismicity in Mines. Dynamic rock mass response to mining. The South African Institute of Mining and Metallurgy.
• [9] Drzewiecki J., Makowka J., 2013. A model of rock mass fracturing ahead of the longwall face as a consequence of intensity of exploitation. Acta Geodynamica et Geomaterialia, Vol. 10, No. 2(170), p. 137-145.
• [10] Dubiński J., 1989. Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego. Prace Naukowe GIG.
• [11] Dubiński J., Mutke G., 1996. Characteristics of mining tremors within the near-wave field zone. PAGEOPH., Balkema. Vol. 147, No. 2, 249-261. DOI: 10.1007/BF00877481.
• [12] Dubiński J., Konopko W., 2000. Tąpania – Ocena – Prognoza – Zwalczanie. Wyd. GIG. Katowice.
• [13] Dubiński J., Mutke G., 2012. Application of PPV method for the assessment of stability Hazard of underground excavations subjected to rock mass tremors. AGH Journal of Mining and Geoengineering. Quarterly of AGH University of Science and Technology. Vol. 36, No. 1, p.125-132.
• [14] Gibowicz S.J. Kijko A., 1994. An Introduction to Mining Seismology. Academic Press.
• [15] Gutenberg B., Richter C.F., 1954. Seismicity In the Earth and associated phenomena. Princeton University Press. 273.
• [16] Hatherly P., 2013. Overview on the application of geophysics in coal mining. International Journal of Coal Geology, 114, p. 74-84.
• [17] Holub K., 1995. Analysis of b-value in the frequency-energy distributions. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc. M-19 (281).
• [18] Idziak A.F., 1999. A study of spatial distribution of induced seismicity in the Upper Silesian Coal Basin. Natural Hazards, 19, p. 97-105.
• [19] Konecny P., 1989. Mining-induced seismicity (rock bursts) in the Ostrava-Karvina Coal Basin, Czechoslovakia. Gerl. Beitr. Geophysik., 98, No. 6, p. 525-547.
• [20] Kwiatek G., Plenkers K., Nakatani M., Yabe Y., Dresen G., 2011. Frequency Magnitude characteristics down to magnitude -4.4 induced seismicity recorded at Mponeng Gold Mine, South Africa. BSSA, Vol. 100, No. 3, p. 1165-1173.
• [21] Lizurek G., Rudzinski L., Plesiewicz B., 2015. Mining Induced Seismic Event on an Inactive Fault. Acta Geophysica, Vol. 63, Iss. 1, p. 176-200. DOI: 10.2478/s11600-014-0249-y.
• [22] Lurka A., 2002. Seismic hazard assessment in the Bielszowice coal mine using the passive tomography. [In:] Seismogenic Process Monitoring (eds. H. Ogasawara, T. Yanagidani & M. Ando), A.A. Balkema Publishers.
• [23] Lurka A., 2009. Wybrane teoretyczne i praktyczne zagadnienia tomografii pasywnej w górnictwie podziemnym. Prace Naukowe GIG, nr 879.
• [24] Marcak H., Mutke G., 2013. Seismic activation of tectonic stresses by mining. Journal of Seismology, Vol. 17, Iss. 4, p. 1139-1148. DOI 10.1007/s10950-013-9382-3.
• [25] Maxwell S.C., Young R.P., 1993. Associations between temporal velocity changes and induced seismicity. Geophys. Res. Lett., 20. 2929-2932.
• [26] Mc Garr A., Green R.W.E., Spottiswoode S.M., 1981. Strong ground motion of mine tremors: source implications for near-source ground motion parameters. Bull. Seismol. Soc. Am., 71. 295-319.
• [27] Mendecki A.J. (ed.), 1997. Seismic monitoring in Mines. Chapmann & Hall, London.
• [28] Mutke G., Lurka A., Mirek A., Bargiel K., Wrobel J., 2001. Temporal changes in seismicity and passive tomography images: a case study of Rudna copper ore mine-Poland. [In:] 5th Intern. Symp. Rockbursts and Seismicity in Mines - Dynamic rock mass response to mining. The South African Institute of Mining and Metallurgy, 237-330.
• [29] Mutke G., Pierzyna A., 2010. Czasowe zmiany parametru „b” relacji Gutenberga-Richtera dla oceny zagrożenia sejsmicznego w ścianie 2 i 3 w pokładzie 503 w KWK „Bobrek-Centrum”. Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik, Nr 4/3/2010, s. 298-309.
• [30] Mutke G., 2008. Stability of the underground mine workings in the near-field zone of seismic events. [In:] 21st World Mining Congress 2008 – New Challenges and Vision for Mining . Underground Mine Environment. 7-12 September 2008 – Poland – Cracow. University of Since & Technology (AGH), p. 89-97.
• [31] Pierzyna A., 2014. Ocena stanu zagrożenia wstrzasami górniczymi z wykorzystaniem relacji Gutenberga-Richtera (Assessment of the level of mining tremors hazard used the Gutenberg-Richter Law). Rozprawa doktorska (Doctor thesis). Central Mining Institute – GIG. Katowice. Poland (in Polish).
• [32] Pytlik A., 2013. Stanowiskowe badania przepustowości zaworów bezpieczeństwa stojaków obudowy zmechanizowanej przy impulsowym wzroście ciśnienia symulującym tąpnięcie. Przegląd Górniczy, No 7.
• [33] Rotkegel M., 2013. ŁPw steel arch support – designing and test results. Journal of Sustainable Mining, 12(1), 34-40. DOI:10.7424/jsm130107.
• [34] Stec K., 2007. Characteristic of seismic activity of the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Geophysical Journal International, 168, 757-768.
• [35] Utsu T., 1965. A method for determining the value of b in formula log N = a – bM, showing the magnitude-frequency relation for earthquakes. Geophys. Bull. Hokkaido Univ., 13.
• [36] Wehling-Benatelli S., Becker D., Bischoff M., Friederich W., Meier T., 2013. Indications for different types of brittle failure due to active coal mining using waveform similarities of induced seismic events. Solid Earth, 4, 405-422. DOI:10.5194/se-4-405-2013.
• [37] Van Aswegen G., Butler A., 1993. Applications of quantitative seismology in SA gold mines. Proceedings 3rd International Symposium in Rockbursts and Seismicity in Mines (R.P. Yang ed.) – Kingston, Canada. Balkema. Rotterdam, p. 261-266.
• [38] Zipf R.K., 2007. Failure mechanics of multiple-seam mining interactions. Proc.: New Technology for Ground Control in Multiple-seam Mining, Mark C.&Tuchman R.J. (ed.), Niosh, Pittsburgh, USA, p. 73-88.