Possibility of more precise analytical prediction of rock mass energy changes with the use of passive seismic tomography readings

• Autorzy: Bańka P. , Jaworski A.

Warianty tytułu

PL

Możliwość zwiększenia dokładności analitycznych prognoz zmian energetycznych w górotworze poprzez wykorzystanie wskazań pasywnej tomografii sejsmicznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Selection of rock layers, which deformation is linked to changes of tremors and rock burst hazard status, becomes a common problem during the application of analytical prediction methods. The article presents a possibility of more precise analytical prediction of potential tremor hazard formation during mining exploitation, based on passive seismic tomography results. With a use of exploitation area model, utilization possibility of longitudinal wave's velocity field was presented, which is determined based on tremors recording used for rock stratum selection, in which occuring energy processes may have fundamental influence on the observed seismic and rock burst hazard level.

PL

W trakcie stosowania analitycznych metod prognozowania często problemem staje się wytypowanie warstw skalnych, z deformowaniem których należy wiązać zmiany stanu zagrożenia wstrząsami i tąpaniami. W artykule zasygnalizowano możliwość zwiększenia dokładności analitycznych prognoz kształtowania się poziomu potencjalnego zagrożenia wstrząsami robót górniczych w oparciu o wyniki pasywnej tomografii sejsmicznej. Dla przykładowego rejonu eksploatacji pokazano możliwość wykorzystania pola prędkości fali podłużnej określanego na podstawie rejestracji wstrząsów do wytypowania warstw skalnych, w których zachodzące procesy energetyczne mogą mieć zasadniczy wpływ na obserwowany poziom zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami, Do wyznaczania zmian energetycznych zachodzących we wstrząsogennych warstwach skalnych zastosowano funkcję określającą potencjał sprężystości w ogólnym przypadku stanu naprężenia i odkształcenia. Taki ilościowy analityczny opis zmian energetycznych dotyczy jedynie energii sprężystej akumulowanej w górotworze w następstwie naruszania go dowolnie wykształtowaną eksploatacją, nic nie mówi o jej dyssypacji i przemianach, a w konsekwencji nie określa ilości energii wyzwalanej w procesie niszczenia określonej objętości skał. W procesie niszczenia ośrodka skalnego ta potencjalna energia sprężysta przechodzi między innymi w kinetyczną energię fal sprężystych utożsamianą z energią sejsmiczną rejestrowanych wstrząsów. Tak więc, chociaż rozpatrujemy jedynie zależne od parametrów eksploatacji zmiany energii potencjalnej (energii odkształcenia sprężystego), to przekładają się one choć w nieznanym nam ilościowym stopniu na poziom zagrożenia sejsmicznego (tąpaniami). Liczne obliczenia testowe pozwoliły stwierdzić istnienie jakościowych związków pomiędzy obliczanymi zmianami energii właściwej a obserwowanym w typowych sytuacjach przebiegiem sejsmiczności indukowanej. O poziomie sejsmiczności indukowanej najczęściej decydują procesy zachodzące nie w jednej, a w szeregu warstwach wstrząsogennych. Obiektywne przeszkody w praktyce uniemożliwiają najczęściej określenie z wystarczającą dokładnością współrzędnej głębokościowej wstrząsów, co pozwoliłoby je przypisać do określonej warstwy skalnej. W zależności od przestrzennej konfiguracji zaszłości eksploatacyjnych, zmiany potencjalnej energii sprężystej mogą mieć bardzo różnorodny charakter, zależny od głębokości zalegania warstwy, w której są one obliczane. Na rys. 2 pokazano przykładowo zmiany wartości właściwej energii sprężystej (unormowane do 1), wzdłuż linii równoległych do wyrobiska przyścianowego analizowanej ściany 3, obliczone w przedziale głębokości 400-800 m z krokiem 100 m. Szacunki wykonano dla 1200 m odcinka dotychczasowego biegu ściany. Dla analogicznego odcinka wybiegu ściany 3 wykonano obliczenia metodą tomografii pasywnej. Prędkości rozchodzenia się fali podłużnej określono dla kolejnych miesięcznych (dwumiesięcznych - w przypadku małej ilości indukowanych wstrząsów) okresów biegu ściany, uzyskując różne obrazy pola prędkości. Na rys. 3 zaprezentowano syntetyczną mapę, powstałą w wyniku wybrania w każdym z jej punktów maksymalnej wartości oszacowanej prędkości. Wartości, podobnie jak na rys. 2, zostały następnie unormowane do 1. ' Wyniki zaprezentowanej analizy wskazują, że największy udział w obserwowanym poziomie zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami mają warstwy położone około 200 m nad i 100 m pod eksploatowanym pokładem. Zgodnie z wynikami regresji krokowej, udział pozostałych warstw jest pomijalnie mały. Opracowany sposób może być wykorzystywany do sporządzenia jakościowych, uwzględniających zmiany energetyczne zachodzące w wytypowanych warstwach skalnych, prognoz zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami na wybiegach prowadzonych i projektowanych wyrobisk ścianowych. Wykorzystanie równania regresji (8) umożliwia również sporządzanie ilościowych oszacowań zmian poziomu zagrożenia (w częściach złoża, w obrębie których można założyć niezmienność własności wytrzymałościowych warstw skalnych).

Słowa kluczowe

EN

analytical prediction; induced seismic activity; passive seismic tomography

PL

prognozy analityczne; sejsmiczność indukowana; pasywna tomografia sejsmiczna

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 4
• Strony: 723--731
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Bańka P.

autor

Jaworski A.

• Institute of Mining, Faculty of Mining and Geology, Technical University of Silesia, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 2, Poland

Bibliografia

• Bańka P., 2009. Pasywna tomografia sejsmiczna - wybrane zagadnienia. Wyd. Pol. Śl., Gliwice.
• Bańka P., Jaworski A., 2004. Wskazania analitycznych metod prognostycznych a ocena potencjalnego stanu zagrożenia tąpaniami. Z.N. Pol. Śl., s. Górnictwo, Gliwice, z. 261, 87-97.
• Dębski w., 2006. Tomography imaging through the Monte Carlo sampling. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., M-29 (395), 93-106.
• Drzęźla B., Białek J., Jaworski A., 1988. Metoda prognozowania rozkładów naprężeń w strefach oddziaływania zaszłości eksploatacyjnych. Publ. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., M-10 (213), 49-57.
• Dubiński J., Lurka A., Mutke G., 1997. Praktyczne aspekty wykorzystania tomografii pasywnej do oceny zagrożenia sejsmicznego w kopalniach. Prace Naukowe GIG, Nr 21,83-89.
• Dymek F., 1969. Przemieszczeniowe zadania brzegowe przestrzennej teorii sprężystości i jego zastosowanie do zagadnień mechaniki górotworu. Archiwum Górnictwa, T. XIV, z. 3, s. 263-280.
• Gibowicz S.J., Kijko A., 1994. An Introduction to Mining Seismology. Academic Press.
• Gil H., 1991. The Theory of Strata Mechanics. PWN, Warszawa.
• Kasina Z., 2001. Podstawy teoretyczne tomografii sejsmicznej i możliwości jej wykorzystania w problematyce górniczej. Praca zbiorowa pod red. J. Dubińskiego, Z. Pileckiego i W.M. Zuberka pt.: Badania geofizyczne w kopalniach. IGSMiE PAN, Kraków, s. 317-327.
• Luxbacher K., Westman E., Swanson P., Karfakis M., 2008. Three-dimensional time-lapse velocity tomography of an underground longwall panel. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 45, 478-485.
• Price K., Storn R., 2010. Differential Evolution (DE) for Continous Function Otimization (an algorithm by Kenneth Price and Rainer Storn). Differential Evolution Homepage Http://www.icsi.berkeley.edu/-storn/code.html