Geophysical and analytical determination of overstressed zones in exploited coal seam: a case study

• Autorzy: Chlebowski Dariusz , Burtan Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.1007/s11600-021-00547-z

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A variety of geophysical methods and analytical modeling are applied to determine the rockburst hazard in Polish coal mines. In particularly unfavorable local conditions, seismic profling, active/passive seismic tomography, as well as analytical state of stress calculating methods are recommended. They are helpful in verifying the reliability of rockburst hazard forecasts. In the article, the combined analysis of the state of stress determined by active seismic tomography and analytical mod eling was conducted taking into account the relationship between the location of stress concentration zones and the level of rockburst hazard. A longwall panel in the coal seam 501 at a depth of ca.700 m in one of the hard coal mines operating in the Upper Silesian Coal Basin was a subject of the analysis. The seismic tomography was applied for the reconstruction of P-wave velocity felds. The analytical modeling was used to calculate the vertical stress states basing on classical solutions ofered by rock mechanics. The variability of the P-wave velocity feld and location of seismic anomaly in the coal seam in relation to the calculated vertical stress feld arising in the mined coal seam served to assess of rockburst hazard. The applied methods partially proved their adequacy in practical applications, providing valuable information on the design and performance of mining operations.

Słowa kluczowe

EN

underground mining; hard coal mining; rockburst hazard; state of stress; analytical modeling; seismic tomography; P-wave feld

PL

górnictwo podziemne; wydobycie węgla kamiennego; zagrożenie tąpaniami; stan naprężenia; modelowanie analityczne; tomografia sejsmiczna

• Wydawca: Instytut Geofizyki PAN ; Springer
• Czasopismo: Acta Geophysica
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 69, no. 2
• Strony: 701--710
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz.

Twórcy

autor

Chlebowski Dariusz

• AGH University of Science and Technology, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4211-2716

autor

Burtan Zbigniew

• AGH University of Science and Technology, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7589-0912

Bibliografia

• 1. (A-G) Agos-Gemes Sp. z o.o. (2009–2010) Badania geofizyczne dla oceny stanu naprężeń i zagrożenia tąpaniami w rejonie projektowanej ściany nr 09a w pokładzie 501 w polu B1: I, II, III, IV seria (materiały niepublikowane) [Geophysical surveys for the assessment of stress and burst hazard in the area of the designed longwall no. 09a in deposit 501 in the field B1—I, II, III, IV series (unpublished materials)]
• 2. Bańka P (2004) Determination of potential level of rockburst hazard based on the result of analytical predictions of stress distributions and the level of induced seismicity. Acta Geodyn et Geomater 11(1):19–26
• 3. (BN-T) Biuro Naukowo-Techniczne Geotech II (2008) Ocena stanu naprężeń i zagrożenia tąpaniami oraz wskazanie zasad profilaktyki tąpaniowej w polu ściany nr 09a w pokładzie 501 pole B1 (materiały niepublikowane) [Stress and burst hazard assessment and indication sof the principles of burst prevention in the longwall area 09a in deposit 501 area B1 (unpublished materials)]
• 4. Cai W, Dou L, Cao A, Gong S, Li Z (2014) Application of seismic velocity tomography in underground coal mines: a case study of Yima mining area Henan, China. J Appl Geophys 109:140–149
• 5. Cao A, Dou L, Cai W, Gong S, Liu S, Zhao Y (2016) Tomographic imaging of high seismic activities in underground island longwall face. Arab J Geosci 9:1–10
• 6. Chlebowski D (2009) Wpływ wybranych parametrów geomechanicznych na kształtowanie się przemieszczeń i naprężeń pionowych w sąsiedztwie uskoku [The influence of selected geomechanical parameters on the formation of vertical displacements and stresses in the vicinity of the fault]. Przegląd Górniczy, nr 1–2:1–7
• 7. Chlebowski D (2013) Analityczne modelowanie eksploatacji skrępowanej w aspekcie identyfikacji stref zagrożonych tąpaniami [Analytical modeling of constrained exploitation in the aspect of identification of burst hazard areas], Rozprawy-Monografie, nr 290, Wydawnictwo AGH
• 8. Czarny R, Pilecki Z, Nakata N, Pilecka E, Krawiec K, Harba P, Barnaś M (2019) 3D S-wave velocity imaging of a subsurface disturbed by mining using ambient seismic noise. Eng Geol 251:115–127
• 9. Dou L, Chen T, Gong S, He H, Zhang S (2012) Rockburst hazard determination by using computed tomography technology in deep workface. Saf Sci 50:736–740
• 10. Dubiński J (1989) Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego [Seismic method of anticipating assessment of rockburst hazard in hard coal mines], Prace naukowe Głównego Instytutu Górnictwa
• 11. Gil H (1991) The theory of strata mechanics, Wydawnictwo PWN
• 12. Goszcz A, Dubiński J, Dworak J (1989) Praktyczne aspekty zastosowania tomografii sejsmicznej w górnictwie podziemnym [Practical aspects of the application of seismic tomography in underground mining]. Wybrane zagadnienia lokalizacji ognisk wstrząsów górniczych i geotomografii sejsmicznej, Główny Instytut Górnictwa, pp 86–120
• 13. He H, Dou L, Li X, Qiao Q, Chen T, Gong S (2011) Active velocity tomography for assessing rock burst hazards in a kilometer deep mine. Min Sci Technol 21(5):673–676
• 14. Hosseini N, Oraee K, Shahriar K, Goshtasbi K (2012) Passive seismic velocity tomography on longwall mining panel based on simultaneous iterative reconstructive technique (SIRT). J Cent South Univ 19:2297–2306
• 15. Karfakis MG, Wu X (1995) Prediction of bump hazards associated with coal mining under competent roofs. In: Rock Mechanics, Daemen & Schultz (eds), AA Balkema Publishers
• 16. Kłeczek Z (1994) Geomechanika górnicza [Mining Geomechanics], Śląskie Wydawnictwo Techniczne
• 17. Kłeczek Z, Małoszewski J, Parysiewicz S, Zorychta A (1987) Geomechaniczne kryteria zagrożeń tąpaniami przy eksploatacji pokładów węgla kamiennego [Geomechanical criteria of rock burst hazard during exploitation of hard coal seams], Główny Instytut Górnictwa
• 18. Kłeczek Z, Zorychta A (1990) Wpływ zaszłości eksploatacyjnych na stan naprężenia górotworu zagrożonego tąpaniami [Influence of the exploitation remnants on the stress state of the rock mass at risk of rock burst], Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Górnictwo, z. 185
• 19. Kormendi A, Bodoky T, Hermann L, Dianiska L, Kalman T (1986) Seismic measurements for safety in mines. Geophys Prospect 34(7):1022–1037
• 20. Krajewski C, Dresen L, Gelbke C, Ruter H (1989) Iterative tomographic methods to locate seismic low-velocity anomalies: a model study. Geophys Prospect 37:717–751
• 21. Li X, Gong S, Dou L, Chai Y (2020) Detection of stress redistribution in a complex isolated coal pillar with active SVT technology. Arab J Geosci 13:1–12
• 22. Lo T, Inderwiesen PL (1994) Fundamentals of seismic tomography, Society of Exploration Geophysicists
• 23. Luxbacher K, Westman E, Swanson P, Karfakis M (2008) Three-dimensional time-lapse velocity tomography of an underground longwall panel. Int J Rock Mech Min Sci 45(4):478–485
• 24. Marcak H, Pilecki Z (2019) Assessment of the subsidence ratio be based on seismic noise measurements in mining terrain. Arch Min Sci 64(1):197–212
• 25. (Materials) Materiały wewnętrzne kopalni (2010) (materiały niepublikowane) [Own materials of the mine (unpublished materials)]
• 26. Mutke G, Dubiński J, Lurka A (2015) New criteria to assess seismic and rock burst hazard in coal mines. Arch Min Sci 60(3):743–760
• 27. Nolet G (1987) Seismic Tomography. D. Reidel Publishing Company, Dordrecht
• 28. Pietuchow IM, Linkov MA (1979) The theory of post-failure deformations and the problem of stability in rock mechanics. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 16(2):57–76
• 29. Pilecki Z (1999) Dynamic analysis of mining tremor impact on excavation in coal mine, Proc. FLAC Symp. on Numerical Modeling in Geomechanics, Detournay & Hart (eds), 1–3 Sept. 1999, Minneapollis, USA, 397–400
• 30. Ruban AD, Chernyakov AB, Zagorskii LS, Navikov AN (1993) Tomographic methods of wave-field reconstruction in problems of geomechanical monitoring. J Min Sci 29:228–234
• 31. Sałustowicz A (1968) Zarys mechaniki górotworu [Fundamentals of strata mechanics], Wydawnictwo Śląsk
• 32. Szreder Z, Pilecki Z, Kłosiński J (2008) Effectiveness of recognition of exploitation edge influence with the help of profiling of attenuation and velocity of seismic wave, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, 2/3, 215–226
• 33. Wang S, Lam K, Au S, Tang C, Zhu W, Yang T (2006) Analytical and numerical study on the pillar rockbursts mechanism. Rock Mech Rock Eng 39(5):445–467
• 34. Wang G, Gong S, Li Z, Dou L, Cai W, Mao Y (2016) Evolution of stress concentration and energy release before rock bursts: two case studies from Xingan Coal mine Hegang, China. Rock Mech Rock Eng 49:3393–3401
• 35. Yang J, Chen W, Tan X, Yang D (2018) Analytical estimation of stress distribution in interbedded layers and its implication to rockburst in strong layer. Tunn Undergr Space Technol 81:289–295
• 36. Zhao C, Hebblewhite BK, Galvin JM (2000) Analytical solutions for mining induced horizontal stress in floors of coal mining panels. Comput Methods Appl Mech Eng 184:125–142
• 37. Zorychta A (2003) Geomechaniczne modele górotworu tąpiącego [Geomechanical models of bursting rock mass], Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• 38. Zorychta A, Burtan Z (2008) Uwarunkowania i kierunki rozwoju technologii podziemnej eksploatacji złóż w polskim górnictwie węgla kamiennego [Conditions and future directions for technological developments in the coal mining sector], Gospodarka Surowcami Mineralnymi t. 24 z. 1/2, 53–70
• 39. Zorychta A, Chlebowski D (1998) Wpływ wybranych parametrów naturalnych i technologicznych na zagrożenie tąpaniami w warunkach oddziaływania zaszłości eksploatacyjnych [Influence of selected natural and technological parameters on the rock burst hazard in the conditions of exploitation remnants]. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa, nr 26:149–164
• 40. Zorychta A, Burtan Z, Chlebowski D (1999) Metoda określania stanu zagrożenia tąpaniami w sąsiedztwie dyslokacji tektonicznych [The method for determining the state of burst hazard in the vicinity of tectonic dislocations]. Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud, Cuprum, nr 10:13–26