4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
4.1. Charakterystyka sejsmiczności obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Józef Dubiński, Adam
Węglowego
4.1.1. Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna
Monitoring sejsmiczny jest podstawą badania fi-zyki zjawisk dynamicznych w kopalniach oraz cha-rakterystyki sejsmiczności obszaru. Z tego względu Główny Instytut Górnictwa utworzył Górnośląską Regionalną Sieć Sejsmologiczną (GRSS). Pierwsze obserwacje w latach pięćdziesiątych ubiegłego wie-ku prowadzono z zastosowaniem aparatury optycz-nej. W połowie lat siedemdziesiątych zakupiono system obserwacji w firmie Racal Thermionic.
Składał się on z sejsmometrów Willmore’a, radio-wej transmisji przekazywania danych z terenu oraz z analogowego rejestratora (WIERZCHOWSKA, 1981).
Na początku lat dziewięćdziesiątych minionego wieku rejestrator analogowy zastąpiono rejestrato-rem cyfrowym produkcji GIG. Zarejestrowane wstrząsy są analizowane za pomocą specjalistycz-nych programów komputerowych SEJSGRAM i MULTILOK (LURKA i in., 1997). Obecnie system obserwacji GRSS składa się z trzech stanowisk trójskładowych (drgania rejestrowane w płaszczyź-nie poziomej — dwuskładowe, i pionowej) oraz dziewięciu stanowisk jednoskładowych (drgania re-jestrowane tylko w płaszczyźnie pionowej), rozlo-kowanych w obszarze GZW (rys. 4.1).
Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna umożliwia rejestrację zjawisk o energii sejsmicznej E³ 105 J z obszaru ok. 2000 km2 (MUTKE, STEC, 1997). Są to również wstrząsy, których nie zareje-strowała żadna kopalniana sieć sejsmologiczna. Na podstawie analizy zarejestrowanych sejsmogramów
opracowywany jest bank danych, zawierający pod-stawowe parametry sejsmologiczne wstrząsów gó-rotworu o energii sejsmicznej E³ 105 J. Bank zawiera takie dane, jak: czas wystąpienia zjawiska dynamicznego, energia wstrząsu, magnituda, na-zwa kopalni, współrzędne epicentrum (PASZTA, UDZIELA, WIERZCHOWSKA, 1950—1970; MUTKE, STEC, 1990—2007). Katalog wstrząsów z lat 1974—2006 zawiera ok. 66 tys. wstrząsów o ener-gii E³ 105 J.
Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna jest nadrzędna w stosunku do kopalnianych sieci sejsmologicznych. Z uwagi na duże odległości mię-dzy stanowiskami pomiarowymi rejestracje silnych wstrząsów nie są przesterowane, co pozwala na po-prawne obliczanie energii sejsmicznej i innych pa-rametrów źródła. Informacje z bazy danych o wstrząsach oraz bezpośrednie cyfrowe zapisy wstrząsów znajdują zastosowanie między innymi do prowadzenia badań nad genezą sejsmiczności w GZW oraz rozwojem metod oceny zagrożenia sejsmicznego w skali lokalnej. Należy tu wymienić tak ważne tematy badawcze, jak:
— badanie drgań w bliskim polu falowym i ich związek ze stabilnością wyrobisk górniczych (DUBIŃSKI, MUTKE, 1996; MUTKE, 2001), co po-zwoliło na opracowanie empirycznego geofi-zycznego kryterium wystąpienia tąpnięcia, ro-zumianego jako uszkodzenie lub zniszczenie wyrobisk górniczych na skutek obciążeń dyna-micznych wywołanych bliskim wstrząsem góro-tworu (MUTKE, 2007a, b; MUTKE, 2008);
— zastosowanie tomografii pasywnej do oceny za-grożenia sejsmicznego i wykazanie związku między sejsmicznością w kopalniach GZW a strefami podwyższonych wartości prędkości fal sejsmicznych oraz wysokimi gradientami pola prędkości (DUBIŃSKI i in., 1998; LURKA, 2002, 2004; DUBIŃSKI, MUTKE, 2005);
— badania dotyczące genezy wstrząsów górotworu w GZW, w których wykazano związek
sej-4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
smiczności z eksploatacją górniczą (W IERZ-CHOWSKA, 1961, 1962);
— badania związane z lokalizacją przestrzenną ognisk wstrząsów, w których wykazano lokali-zację hipocentrów wstrząsów w otoczeniu pro-wadzonej eksploatacji, zarówno w samym po-kładzie węgla, jak i w skałach nadległych oraz położonych pod poziomem prowadzonej eksplo-atacji (MUTKE, STEC, 2007; LURKA, MUTKE, 2008);
— badania związane z oceną zagrożenia sejsmicz-nego w GZW na powierzchni (MUTKE, 1991;
MUTKE, DWORAK, 1992; DUBIŃSKI, MUTKE, 2001; DUBIŃSKI, MUTKE, 2007).
Bankiem danych o wstrząsach górotworu z ob-szaru GZW oraz cyfrowymi rejestracjami wstrząsów posłużono się również w niniejszym projekcie, jako danymi wejściowymi do badania rozkładów epicentrów wstrząsów oraz do oblicze-nia pola prędkości w obszarze GZW metodą tomo-grafii pasywnej.
4.1.2. Charakterystyka sejsmiczności obszaru GZW
Obszar Górnośląskiego Zagłębia Węglowego na-leży do jednych z najaktywniejszych sejsmicznie rejonów górniczych na świecie. Poziom intensyw-ności zjawisk sejsmicznych jest bardzo zróżnicowa-ny — od niewyczuwalzróżnicowa-nych przez ludzi, do silzróżnicowa-nych o charakterze słabych trzęsień ziemi. Aktywność sejsmiczna, oddziałując na wyrobiska górnicze, powoduje występowanie zagrożenia tąpaniami (MUTKE, 2007a). Najsilniejsze wstrząsy, o energii sejsmicznej E > 107 J, mogą powodować występo-wanie zagrożenia dla obiektów budowlanych i in-nych form środowiska naturalnego (MUTKE, STEC, 1997).
W rejonach prowadzonej eksploatacji górniczej w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym aktywność sejsmiczna nie występuje równomiernie na całym obszarze. Epicentra wstrząsów górotworu lokali-zują się w kilku rejonach należących do różnych jednostek strukturalnych charakteryzujących się stosunkowo głębokim zaleganiem pokładów węgla (poniżej 500 m), występowaniem w ich otoczeniu mocnych i grubych kompleksów piaskowcowych 46 4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
Rys. 4.1. Mapa rozmieszczenia stanowisk sejsmometrycznych Górnośląskiej Regionalnej Sieci Sejsmologicznej GIG
oraz silnie rozwiniętą tektoniką. Aktywność sej-smiczna oraz lokalizacja silnych wstrząsów ulegają okresowym zmianom, w zależności od usytuowa-nia rejonów eksploatacji, lokalnych warunków geo-logiczno-górniczych, a także stopnia koncentracji wydobycia. Na rys. 4.2 przedstawiono zestawienie wstrząsów o energii sejsmicznej E³ 105 J i tąp-nięć z wielkością wydobycia węgla w latach 1977—2007.
Analiza wykresu z rys. 4.2 dowodzi, że najwię-cej wstrząsów wysokoenergetycznych wystąpiło w latach, w których wydobycie było największe (powyżej 150 mln t). Natomiast w okresie gdy wy-dobycie węgla zmalało do poziomu ok. 100 mln t/r., aktywność sejsmiczna również uległa obniże-niu. Zaprezentowane wyniki wyraźnie wskazują na istotny związek sejsmiczności z eksploatacją, tzn.
są indukowane eksploatacją.
Analiza najsilniejszych wstrząsów górotworu z lat 1980—2007, oparta na rejestracjach GRSS, wykazała, że w zlikwidowanych kopaniach nie wy-stępowały wstrząsy o energii sejsmicznej powyżej 105 J, co jest kolejnym argumentem pomiarowym za ścisłą zależnością występowania wstrząsów wy-sokoenergetycznych od intensywności prowadzonej eksploatacji.
Liczba wysokoenergetycznych wstrząsów w la-tach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubieg-łego wieku była bardzo wysoka, wynosiła średnio 3500 zjawisk rocznie. Od 1989 r. miała miejsce wyraźna tendencja zniżkowa, jeśli chodzi o liczbę występujących wstrząsów o energii E³ 105 J.
Aktywność sejsmiczna nie jest charakterystycz-na dla wszystkich kopalń Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Rysunek 4.3 przedstawia położenie ognisk wstrząsów z lat 1977—2006 na tle obszarów górniczych i struktur tektonicznych. Epicentra wstrząsów górotworu bardzo wyraźnie grupują się w sześciu obszarach należących do różnych jedno-stek strukturalnych i cechujących się stosunkowo głębokim zaleganiem pokładów węgla, występowa-niem w ich otoczeniu mocnych i grubych
komplek-sów piaskowcowych oraz silnie rozwiniętą tekto-niką (STEC, 2007a, b).
Wyróżniono sześć rejonów geologicznych, przy-pisując im poszczególne obszary górnicze:
— niecka bytomska — kopalnie: „Bobrek”, „Mie-chowice”, „Centrum”, „Szombierki”, „Powstań-ców Śląskich”, „Rozbark”, „Pstrowski”, „Anda-luzja” i „Julian”;
— południowe skrzydło siodła głównego — kopal-nie: „Katowice”, „Kleofas”, „Mysłowice”,
„Wieczorek”, „Wesoła”, „Wujek”, „Staszic”,
„Bielszowice”, „Halemba”, „Makoszowy”, „Po-kój”, „Wawel”, „Polska”, „Wirek”, „Śląsk”,
„Sośnica”;
— północne skrzydło siodła głównego — kopal-nie: „Barbara Chorzów”, „Siemianowice”;
— niecka kazimierzowska — kopalnie: „Porąbka--Klimontów”, „Kazimierz-Juliusz” i „Niwka--Modrzejów”;
— niecka główna — kopalnie: „Czeczott”, „Piast”,
„Ziemowit”, „Jaworzno”;
— niecka jejkowicka — kopalnie: „Anna”, „Jas--Mos”, „Marcel”, „Rymer”, „1. Maja”, „Ry-dułtowy” i „Zofiówka”.
Najwyższa aktywność sejsmiczna występowała w obszarze niecki bytomskiej oraz południowego skrzydła siodła głównego. Likwidacja większości kopalń w rejonie niecki bytomskiej i zmniejszenie wydobycia spowodowały w ostatnich latach znacz-ne obniżenie aktywności sejsmiczznacz-nej w tym obsza-rze.
Należy również podkreślić, że ogniska najsil-niejszych wstrząsów górniczych zlokalizowane są najczęściej w rejonie dużych stref uskokowych, gdy w pobliżu prowadzona jest eksploatacja górnicza.
Świadczy to o występowaniu w rejonie tych usko-ków residualnych naprężeń tektonicznych. Najwyż-szą aktywność sejsmiczną indukowaną eksploatacją górniczą na strukturach tektonicznych obserwowa-no na młodym, trzeciorzędowym uskoku kłodnic-kim.
4.1. Charakterystyka sejsmiczności obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego 47
Rys. 4.2. Zestawienie liczby wstrząsów, liczby tąpnięć i wielkości wydobycia węgla kamiennego w GZW w latach 1977—2007 [tys. t]
Literatura
DUBIŃSKI J., KONOPKO W., 2000: Tąpania, ocena, prognoza, zwalczanie. Katowice, Wydawnictwo GIG.
DUBIŃSKIJ., LURKAA., MUTKE G., 1998: Zastosowanie meto-dy tomografii pasywnej do oceny zagrożenia sejsmicznego w kopalniach. Prz. Górn., 3, s. 1—7.
DUBIŃSKI J., MUTKE G., 1996: Characteristics of mining tre-mors within the near-wave field zone. PAGEOPH., 147, 2, s. 249—261.
DUBIŃSKI J., MUTKE G., 2001: Ocena oddziaływania wstrząsów górniczych na powierzchnię. W: Badania geofi-zyczne w kopalniach. Kraków, IGSMiE PAN, s. 135—146.
DUBIŃSKI J., MUTKE G., 2005: Study of temporal changes of P-Wave velocity in Polish copper mines in high seismic ac-tivity zones. In: Controlling Seismic Risk — Sixth Interna-tional Symposium on Rockburst and Seismicity in Mines Proceedings. Eds. Y. POTVIN, M. HUDYMA. Australian Cen-tre for Geomechanics (ACG), s. 631—634.
DUBIŃSKI J., MUTKE G., 2007: Górnicza skala intensywności GSI-GZW do oceny skutków oddziaływania wstrząsów gór-niczych w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym na obiekty budowlane i na ludzi. W: „Prace Naukowe GIG”. Seria:
Górnictwo i Środowisko. 3/2007. Katowice, Wydawnictwo GIG, s. 199— 211.
LURKAA., 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.
LURKA A., 2004: Zwiększanie informatywności technik tomo-graficznych w procesach eksploatacji złóż. Arch. Górn.
PAN [Kraków], s. 495—509.
LURKAA., MUTKEG., 2008: Poprawa dokładności lokalizacji składowej pionowej hipocentrów wstrząsów górniczych (Improvement of vertical component location of seismic events in underground mines. Mineral Resources Manage-ment). Vol. 24—2/3. IGSMiE PAN, s. 261—270.
LURKA A., MUTKE G., MIREK A., 1997: Lokalizacja ognisk wstrząsów z uwzględnieniem zjawiska wieloznaczności.
Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnic-twie, 9.
MUTKE G., STEC K., 1990—2007: Biuletyn najsilniejszych wstrząsów górotworu w Górnośląskim Zagłębiu Węglo-wym. Praca Statutowa GIG z lat 1990—2007 [niepubliko-wane].
MUTKE G., 1991: Metoda prognozowania parametrów drgań podłoża generowanych wstrząsami górniczymi w obszarze GZW. Katowice, Główny Instytut Górnictwa [Rozprawa doktorska].
MUTKE G., 2001: Parametry drgań wstrząsów górniczych w bliskim polu falowym jako kryteria uszkodzenia wyrobisk podziemnych. W: Badania geofizyczne w kopalniach. Red.
J. DUBIŃSKI, Z. PILECKI, W. ZUBEREK. Kraków, IGSMiE PAN, s. 125—134.
MUTKE G., 2007a: Charakterystyka drgań wywołanych wstrząsami górniczymi w odległościach bliskich źródła
sej-48 4. Sejsmiczność obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
Rys. 4.3. Rozkład ognisk wstrząsów o energii E³ 105J w okresie 1977—2006 na tle mapy tektonicznej Górnego Śląska (mapa wg Z. BUŁA, A. KOTAS, 1994)
smicznego w aspekcie oceny zagrożenia tąpnięciem. Pr.
GIG, 872.
MUTKEG., 2007b: Ocena zagrożenia tąpaniami w kopalniach podziemnych uwzględniająca parametry drgań blisko ognisk wstrząsów — doświadczenia z polskich kopalń.
Górnictwo i Geoinżynieria. Kwartalnik AGH, 31, z. 3/1, s. 439—450.
MUTKEG., 2008: Stability of the underground mine workings in the near-field zone of seismic events. In: 21st World ning Congress 2008 — New Challenges and Vision for Mi-ning. Underground Mine Environment. 7—12 September 2008 — Poland — Crocow. University of Since & Techno-logy [AGH], s. 89—97.
MUTKEG., DWORAKJ., 1992: Czynniki warunkujące efekt sej-smiczny wstrząsów górniczych na powierzchniowe obiekty budowlane w obszarze GZW. Wybrane zagadnienia geofi-zycznych badań w kopalniach — Lubiatów 1991. Publs.
Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci., M-16 (245), s. 115—130.
MUTKEG., STECK., 2007: Analiza mechanizmu i parametrów źródła wstrząsu z dnia 9.02.2007 r. o energii sejsmicznej E = 1*109 J — regionalny charakter zjawiska. Pr. GIG, 3/2007, s. 337—346.
PASZTAE., UDZIELAB., WIERZCHOWSKAZ., 1950—1970: Naj-silniejsze wstrząsy górotworu na Górnym Śląsku. Pr. GIG, 1—14 [niepublikowane].
STEC K., 2007a: Aktywność sejsmiczna Górnośląskiego Za-głębia Węglowego — 30 lat ciągłej obserwacji przez Gór-nośląską Regionalną Sieć Sejsmologiczną. Prz. Górn.
[Katowice], 7—8/2007, s. 14—22.
STEC K., 2007b: Characteristics of Seismic Activity of the Upper Silesian Coal Basin in Poland. Geophysical Journal International, Blackwell Publishing Ltd, V 168, s. 757—
768.
WIERZCHOWSKA Z., 1961: Przyczyny wstrząsów na Górnym Śląsku. Komunikat GIG 268.
WIERZCHOWSKA Z., 1962: Nowe poglądy na pochodzenie wstrząsów ziemi na Górnym Śląsku. Prz. Górn., 7/8, s. 418—422.
WIERZCHOWSKAZ., 1981: Regionalna Sieć Mikrosejsmologicz-na Mikrosejsmologicz-na Górnym Śląsku. Prz. Górn., 5, s. 222—228.
Józef Dubiński, Adam Lurka, Grzegorz Mutke, Krystyna Stec