Mechanizmy ognisk wstrząsów górniczych
zarejestrowanych w trakcie eksploatacji pokładu 209
ścianą 911 w bloku D KWK „Ziemowit”
Adrian Gołda1), Grzegorz Śladkowski1), Krzysztof Wieczorek1) 1)
KW S.A. Oddział KWK „Ziemowit”,
a.golda@kwsa.pl, g.sladowski@kwsa.pl, krzysztof.wieczorek@kwsa.pl
Streszczenie
Rozwój systemów sejsmologicznych, który nastąpił na przestrzeni ostatnich lat, pozwala na budowę sieci obserwacyjnych, zapewniających dużą ilość danych pomiarowych, umożliwiają-cych prowadzenie rzetelnych analiz procesów zachodząumożliwiają-cych w ogniskach wstrząsów. Niniejszy artykuł prezentuje wyniki analiz mechanizmów ognisk wstrząsów górniczych towa-rzyszących eksploatacji pokładu 209 ścianą 911 w KWK „Ziemowit”, które przeprowadzono w oparciu o rejestracje prowadzone za pomocą rozbudowanej oddziałowej sieci sejsmolo-gicznej, dedykowanej specjalnie dla ściany 911. Eksploatacji pokładu 209 ścianą 911 towa-rzyszyła okresowo wysoka aktywność sejsmiczna, a w pobliżu pola ściany występowały liczne zaszłości eksploatacyjne pokładów nadległych (205/4, 206/1 i 207) oraz strefy dyslokacji tektonicznych. Integralną częścią artykułu jest porównanie uzyskanych wyników z wynikami wcześniej prowadzonych analiz, dotyczących mechanizmów ognisk wstrząsów górniczych, zawartych w poprzednich publikacjach autorów, oraz wstrząsów rejestrowanych w czasie eksploatacji pokładu 209 ścianą 913 (bliskie sąsiedztwo ściany 911), pokładu 207 (w rejonie zaszłości eksploatacyjnych), a także z rejonu stref uskokowych w sąsiedztwie eksploatacji pokładów 308 i 209 [5, 6, 8]. W artykule opisano również specyfikę górotworu, w obrębie którego KWK „Ziemowit” prowadzi eksploatację. Omówiono także aktywność sejsmiczną towa-rzyszącą eksploatacji pokładu 209 w bloku D. Do wyznaczenia mechanizmów ognisk wstrząsów sejsmicznych metodą inwersji tensora momentu sejsmicznego użyto programu FOCI.
Słowa kluczowe: mechanizmy ognisk wstrząsów górniczych, tensor momentu sejsmicznego,
wstrząsy górnicze
Focal mechanisms of mine tremors based on seismic activity
during the exploitation 209 seam by the longwall face no. 911
in block D Coal Mine “Ziemowit”
Abstract
Seismological systems development that occurred in recent years allows for the construction of observation networks provide a large amount of measurement data that enable a reliable analysis of the processes occurring in outbreaks mine tremors. This article presents the results of analyzes focal mechanisms of mining tremors based on seismic activity during the exploitation 209 seam by the longwall face no. 911 Coal Mine “Ziemowit”, which was based on registrations conducted through an extensive seismological network dedicated specifically for the longwall face no. 911. An integral part of the article is to compare the obtained results with the results of previously conducted studies on the mechanisms of mining tremors con-tained in previous publications of authors, on the mining tremors recorded during the exploi-tation 209 seam by the longwall face no. 911 (proximity to the longwall no. 911), the 207
seam (in the area of former exploitation of 206/1 seam) and the fault zone positioned adja-cent the exploitation 308 and 209 seams. The article describes the specificity of the rock mass within which the Coal Mine “Ziemowit” leads the operation. Also discusses the opera-tion of seismic activity associated exploitaopera-tion 209 seam in block D. The focal mechanisms of mine tremors was determined by the seismic moment tensor inversion using FOCI software.
Key words: focal mechanisms of mine tremors, seismic moment tensor, mine tremors
Wstęp
Kumulacja naprężeń, występujących w górotworze naruszonym robotami górniczymi, w wyniku której dochodzi do rozwoju procesów dynamicznych, skutkuje powstaniem wstrząsów towarzyszących eksploatacji górniczej. Jak wykazują badania, wa-runki górniczo-geologiczne w rejonie objętym eksploatacją (tektonika, zaszłości eksploatacyjne) mają wyraźny wpływ na mechanizm tych wstrząsów, zdetermino-wany układem sił działających w ich ognisku [1, 2, 13]. Układ ten odpowiada za wystąpienie ruchu przesuwnego mas wzdłuż płaszczyzny, zwanej płaszczyzną ogniskową lub płaszczyzną pękania. W ognisku wstrząsu występuje charaktery-styczny rozkład emisji sejsmicznych fal przestrzennych P i S oraz powstają ściśle zdeterminowane przestrzennie obszary kompresji i dylatacji, których położenie wy-znacza się w oparciu o kierunki wychylenia („+” lub „-„) pierwszego wstąpienia fali podłużnej P na sejsmogramach wstrząsów. Obszary te rozdzielone są dwiema orto-gonalnymi płaszczyznami nodalnymi, na których amplituda przemieszczeń jest rów-na zeru [2].
Najpowszechniejszą metodą wyznaczania ognisk wstrząsów jest obecnie meto-da inwersji tensora momentu sejsmicznego, opisującego układ sił reprezentujących źródło sejsmiczne jako liniową kombinację par sił z momentem. Inwersja polega na obliczeniu składowych tensora, uzyskanych w wyniku jego dekompozycji. Poszcze-gólne składowe tensora odpowiadają za zmiany objętościowe w źródle (EXPL), obrót w źródle w obrębie nieruchomego ośrodka (mechanizm niemający uzasadnie-nia fizycznego), jednoosiowe ściskanie lub rozciąganie (CLVD) oraz ruch przesuwa-czy na jednej z płaszprzesuwa-czyzn nodalnych (DBCP).
Charakter ogniska wstrząsu określony jest procentowym udziałem poszczegól-nych składowych tensora, a ustalenie jego dominującego typu odbywa się w oparciu o wartość tzw. współczynnika dopasowania oraz błąd dopasowania tensora.
W artykule zawarto wyniki kolejnej analizy mechanizmów ognisk wstrząsów gór-niczych towarzyszących eksploatacji w KWK „Ziemowit”. Tym razem skupiono się na wysokoenergetycznych wstrząsach, które rejestrowano w czasie eksploatacji pokładu 209 ścianą 911. Eksploatacja pokładu 209 była już przedmiotem badań autorów – analizowano mechanizmy ognisk wstrząsów towarzyszących wybieraniu ściany 913, której pole znajdowało się w niedalekim sąsiedztwie pola ściany 911. Korelacja wyników tej analizy z wynikami uzyskanymi dla wstrząsów z rejonu ściany 911 stanowi element niniejszego artykułu. Ponadto odniesiono się do badań me-chanizmów wstrząsów opisanych w innych publikacjach autorów, które skupiały się na wyznaczaniu mechanizmów ognisk wstrząsów lokalizowanych w rejonie eksploa-tacji pokładu 207, prowadzonej w otoczeniu zaszłości eksploatacyjnych pokładu 206/1 [8] oraz w rejonie stref silnych dyslokacji tektonicznych [5].
1. Warunki geologiczno-górnicze w rejonie pokładu 209 – blok D
1.1. Budowa geologiczna złoża
Pokład 209, należący stratygraficznie do grupy łękowej i serii warstw łaziskich w rejonie ściany 911, zalega na głębokości od 585 m do 610 m i ma zmienne nachy-lenie w kierunku południowo-zachodnim w zakresie 1- 4. Miąższość pokładu w polu ściany wynosi 4,01-4,36 m, z przerostem łupku laterytowego o miąższości do 0,12 m oraz z przerostem łupku ilastego zalegającego poniżej laterytu o miąższości 0,06-0,29 m. Spąg pokładu stanowi łupek ilasty o miąższości od 0,2 m do 2,0 m, poniżej zalega piaskowiec średnioziarnisty. W stropie bezpośrednim zalega łupek ilasty o miąższości od 0,0 do 3,0 m, powyżej znajdują się piaskowce różnoziarniste. Strop zasadniczy to piaskowiec różnoziarnisty o miąższości ok. 43,8 m, nad którym zalega nieeksploatowany pokład 208 o grubości od 0,0 do 1,7 m. Ponad pokładem 208 występuje około 74-metrowa ława różnoziarnistych piaskowców. Ponad tą ławą, w odległości pionowej ok. 120 m od pokładu 209, zalegał wybrany w latach 1984- -1992 pokład 207. Nad pokładem 207 zalega seria różnoziarnistych piaskowców z wiązkami pokładów węgla 206 i 205, z których eksploatowano pokłady 206/1 i 205/4, odległe odpowiednio około 215-225 m i 265-289 m od pokładu 209.
Rys. 2. Profil geologiczny pokładu 209 w bloku D w rejonie ściany 911
1.2. Własności geomechaniczne skał
Parametry wytrzymałościowe skał i pokładu są następujące:
średnia wytrzymałość węgla pokładu 209 na jednoosiowe ściskanie Rc wy-nosi 23,8 MPa (od 22,3 do 30,3 MPa),
wytrzymałość łupku ilastego i piaskowców stropu bezpośredniego (w prze-dziale 0-10 m) wynosi około 26,4 MPa (18,7 do 29,9 MPa),
wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie Rc skał spągowych wynosi 24,6, wskaźnik WTG dla pokładu 209 wynosi 5,98.
1.3. Sytuacja górnicza w rejonie pokładu 209 w bloku D
Eksploatacja pokładu 209 w bloku D prowadzona jest od 2011 roku, a ściany wybie-rane są kolejno od południa w kierunku północnym. Ściana 911 była piątą z kolei w tym rejonie, jednocześnie pierwszą prowadzoną z południowego wschodu na północny zachód. Poprzednio wybrane ściany 914a-912 prowadzono w kierunku przeciwnym.
W bloku D prowadzono wcześniej eksploatację pokładów nadległych, w związku z czym nad polem eksploatacyjnym ściany 911 i w jego sąsiedztwie występują kra-wędzie eksploatacji oraz pozostawione fragmenty pokładów:
205/4 – eksploatacja w latach 1983-1986 na wysokość1,9-2,1 m, 206/1 – eksploatacja w latach 1985-1988 na wysokość około 2,3 m, 207 – eksploatacja w latach 1989-1992 na wysokość około 2,9-3,2 m. Ze względu na dużą odległość pomiędzy pokładami 205/4, 206/1 i 207 a pokładem 209 (odpowiednio około 270 m, 220 m i 120 m), zaszłości eksploatacji związane z wy-bieraniem tych pokładów nie miały znaczącego wpływu na stan naprężeń w pokładzie 209, co zostało wielokrotnie potwierdzone wynikami badań geofizycznych obejmujących pola ścian wybieranych w tym rejonie (aktywna tomografia sejsmiczna).
W rejonie eksploatacji pokładu 209 ścianą 911 nie prowadzono eksploatacji po-kładów niżej leżących.
1.4. Aktywność sejsmiczna w rejonie ściany 911
Pokład 206/1
Aktywność sejsmiczna w trakcie eksploatacji pokładu 206/1 kształtowała się na ni-skim lub umiarkowanym poziomie. Zarejestrowano 47 wstrząsów o energii rzędu 104 J oraz 290 wstrząsów o energii rządu 102-103 J. W trakcie wybierania pokładu 206 w bloku D nie zarejestrowano wstrząsów wysokoenergetycznych. Zestawienie liczby wstrząsów i wyemitowanej energii zarejestrowanych w trakcie wybierania pokładu 206/1 w bloku D, przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Aktywność sejsmiczna towarzysząca eksploatacji pokładu 206 w bloku D w rejonie ściany 913
Ściana eksploatacji Lata E02 E03 E04 E05 E06 energii Suma
207 1986-1987 3 174 39 1,41E+06
208 1988-1989 113 8 5,96E+05
RAZEM 1986-1989 3 287 47 0 0 2,00E+06
Pokład 207
Eksploatacja pokładu 207 w bloku D generowała wyższą aktywność sejsmiczną niż eksploatacja pokładu 206/1. Zarejestrowano 1 wstrząs o energii rzędu 105 J, 176 wstrząsów o energii rzędu 104 J oraz 3253 wstrząsów o energii rzędu 102-103 J. Zestawienie ilościowe wstrząsów i wyemitowanej energii w trakcie wybierania po-kładu 207 przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Aktywność sejsmiczna towarzysząca eksploatacji pokładu 207 w bloku D w rejonie ściany 913
Ściana Lata
eksploatacji E02 E03 E04 E05 E06
Suma energii 701 1986-1987 6 3 5,50E+04 702 1986-1987 25 8 1 2,92E+05 705 1991-1992 55 239 51 1,52E+06 706 1990-1991 90 311 58 1,74E+06 707 1989-1990 123 551 10 8,63E+05 708 1988-1990 10 1157 11 3,33E+06 709 1987-1989 6 680 35 2,42E+06 RAZEM 1986 -1992 284 2969 176 1 0 1,02E+07 Pokład 209
Eksploatacji pokładu 209 w bloku D towarzyszy zdecydowanie wyższa aktywność sejsmiczna, niż miało to miejsce w przypadku pokładów wyżej leżących. Decydujący o takim obrazie sejsmiczności był splot takich czynników, jak: głębokość zalegania pokładu (~600 m) oraz sąsiedztwo krawędzi pokładów nadległych, które zgodnie z doświadczeniami kopalni potwierdzonymi badaniami geofizycznymi nie mają zna-czącego wpływu na stan naprężeń na horyzoncie pokładu 209, natomiast ich obec-ność powoduje wzrost aktywności sejsmicznej w rejonie.
Ściany 914a i 914 wybierane jako pierwsze w tym rejonie, charakteryzowała sto-sunkowo niewysoka aktywność sejsmiczna, która gwałtownie wzrosła w czasie eks-ploatacji pokładu 209 kolejnymi ścianami 913, 912 i 911. Zaznaczyć należy, że po-cząwszy od 2012 roku stacja geofizyki wyposażona została w aparaturę pomiarową typu SOS, której możliwości pozwalały na tworzenie oddziałowych sieci obserwacyj-nych, umożliwiających detekcję zjawisk o niewielkich energiach, w wyniku czego wzrosła liczba rejestrowanych wstrząsów o najniższych energiach (rzędu E2 J) [11]. Zestawienie ilościowe wstrząsów i wyemitowanej energii w trakcie wybierania pokładu 209 przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Aktywność sejsmiczna towarzysząca eksploatacji pokładu 209 w bloku D
Ściana Lata
eksploatacji E02 E03 E04 E05 E06 E07
Suma energii 914a 2011-2012 506 119 39 2 2,61E+06 914 2012 1974 249 57 8 5,60E+06 913 2012-2013 5109 611 232 47 2,77E+07 912 2013-2014 2916 481 274 57 7 5,74E+07 911 2014 1854 271 128 60 16 1 1,01E+08 RAZEM 2011-2013 12359 1731 730 174 23 1 1,94E+08
Aktywność sejsmiczna w rejonie ściany 911 od początku eksploatacji była okre-sowo wysoka. W początkowym okresie biegu wstrząsy wysokoenergetyczne lokali-zowano zarówno w polu ściany, jak i na północ od niego, w rejonie krawędzi pokła-dów nadległych oraz strefy uskokowej. Na dalszym wybiegu dominowały wstrząsy lokalizowane w polu ściany oraz (w końcowym okresie eksploatacji) w słupie ściany w rejonie strefy uskokowej, gdzie dodatkowo ma miejsce nałożenie się krawędzi pokładów 205/4, 206/1 i 207. Zarejestrowaną aktywność sejsmiczną w trakcie eks-ploatacji pokładu 209 w bloku D, zaprezentowano na rys. 3.
Rys. 3. Aktywność sejsmiczna rejestrowana w czasie eksploatacji pokładu 209 w bloku D (wstrząsy powyżej E4 J)
Lokalizację ognisk wstrząsów wysokoenergetycznych z rejonu ściany 911 przed-stawiono na rys. 4. Rysunek 5 przedstawia natomiast rozkład energii sejsmicznej wyemitowanej w czasie eksploatacji pokładu 209 ścianą 911, z uwzględnieniem wszystkich zarejestrowanych wstrząsów.
Rys. 4. Aktywność sejsmiczna rejestrowana w czasie eksploatacji pokładu 209 w bloku D (wstrząsy powyżej E5 J)
Rys. 5. Rozkład energii sejsmicznej wyemitowanej w czasie eksploatacji pokładu 209 ścianą 911
2. Analiza mechanizmów ognisk wstrząsów
Analiza mechanizmów wstrząsów, której wyniki przedstawiono w niniejszej pracy, została zrealizowana w oparciu o metodę inwersji amplitud w domenie czasu dla fali podłużnej P, z uwzględnieniem kierunków pierwszych wychyleń.
Wykorzystano zapisy wstrząsów zarejestrowanych przez system obserwacji sej-smologicznej SOS [3], stanowiący podstawowy system monitoringu Stacji Geofizyki Górniczej KWK „Ziemowit” [11]. Z uwagi na to, że aparatura pozwala na obsługę maksymalnie 64 kanałów transmisyjnych, możliwe było stworzenie podsieci obser-wacyjnej (sieci oddziałowej), dedykowanej specjalnie do obserwacji ściany 911. Konfiguracja sieci sejsmologicznej pozwoliła na wykorzystanie w prowadzonej anali-zie zapisów z 38 stanowisk pomiarowych. Średnio dla każdego wstrząsu wyznaczo-no 31 czasów wejścia fali P. Obliczenia przeprowadzowyznaczo-no dla wszystkich 17 wstrzą-sów o energiach większych od 1106 J, zarejestrowanych w czasie eksploatacji po-kładu 209 ścianą 911.
Dane do analizy przygotowano z wykorzystaniem programu SEJSGRAM autor-stwa GIG Katowice, który umożliwia między innymi zapis sejsmogramów do pliku w formacie ASCI, natomiast do lokalizacji ognisk wstrząsów użyto programu MUL-TILOK. Zarówno SEJSGRAM, jak i MULTILOK wykorzystywane są w stacji geofizyki górniczej do bieżącej analizy rejestrowanych wstrząsów.
Zasadniczą część obliczeń wykonano programem FOCI – wykorzystano moduł inwersji tensora momentu sejsmicznego, który umożliwia między innymi [9]:
wyznaczenie położenia płaszczyzn uskoku (azymut Φ, kąt zapadania δ i bieg λ),
wyznaczenie kierunków osi naprężeń,
dekompozycję tensora na trzy składowe: eksplozyjną/implozyjną (charakte-ryzuje zmianę objętości w ognisku wstrząsu), jednoosiowe ściska-nie/rozciąganie oraz składową ścinającą (opisującą poślizg na uskoku).
Analiza przeprowadzona w programie FOCI, oparta na współczynnikach jakości rozwiązań i błędach wyznaczenia składowych tensora, wskazuje, że prawdopodob-na głębokość wystąpienia ognisk wstrząsów zawiera się w wąskim przedziale od -170 m do -260 m p.p.m. (średnio -200 m – około 130 m nad pokładem 209). Głębo-kość ta odpowiada warstwie grubego piaskowca z zlepieńcami, znajdującej się po-nad wybranym pokładem 207 (Rc>35 MPa).
Wyniki obliczeń dla rozwiązania pełnego tensora mechanizmu ognisk przedsta-wiono w tabeli 4.
Tabela 4. Wyniki obliczeń mechanizmów ognisk analizowanych wstrząsów górniczych Lp. Data Czas En e rg ia , [J ] Płaszczyzny
nodalne Osie naprężeń
Graficzny mo-del ogniska Składowe tensora, [%] A Φo/δo λo B Φo/δo λo P Φo/δo T Φo/δo EXPL CLVD DB C P 1. 2014-04-01 19:07:33 2 ,0 E+ 0 6 169/78 113 256/26 29 240/29 106/52 -4,4 39,1 56,4 2. 2014-04-03 07:59:41 3 ,0 E+ 0 6 271/71 100 64/21 65 353/25 196/63 25,9 44,8 29,4 3. 2014-04-12 01:25:26 2 ,0 E+ 0 6 284/78 -90 103/12 -91 194/57 14/33 -29,2 -54,7 16,1 4. 2014-04-18 19:33:25 1 ,0 E+ 0 7 1/90 -110 271/20 0 252/42 110/42 -17,2 10,6 72,2 5. 2014-05-12 17:14:47 8 ,0 E+ 0 6 152/60 122 280/43 47 219/10 112/61 12,0 62,9 25,1 6. 2014-05-15 22:13:31 4 ,0 E+ 0 6 280/83 96 59/9 50 5/38 196/52 7,5 -22,6 69,9
7. 2014-05-19 06:29:58 2 ,0 E+ 0 6 143/73 -105 6/23 -49 32/59 245/26 -5,9 -10,8 83,3 8. 2014-06-29 03:39:46 8 ,0 E+ 0 6 279/73 96 80/18 72 4/27 198/62 29,2 29,2 41,6 9. 2014-06-27 14:37:40 5 ,0 E+ 0 6 300/88 114 34/24 6 7/38 232/43 17,5 16,8 65,8 10. 2014-07-02 15:53:47 7 ,0 E+ 0 6 272/71 104 54/23 55 351/25 202/61 23,4 -23,0 53,6 11. 2014-07-15 12:05:07 1 ,0 E+ 0 6 129/82 -114 21/25 -19 13/48 239/33 7,9 0,9 91,1 12. 2014-07-17 04:01:48 9 ,0 E+ 0 6 292/80 114 43/25 23 2/31 227/49 22,3 4,6 73,1 13. 2014-07-23 00:08:05 1 ,0 E+ 0 6 21/76 58 270/35 155 135/24 256/49 10,2 23,4 66,4 14. 2014-07-23 13:07:39 2 ,0 E+ 0 6 137/80 -106 17/19 -32 28/52 241/33 16,6 28,0 55,4
15. 2014-07-24 22:49:11 2 ,0 E+ 0 6 141/83 -99 12/12 -40 40/52 239/37 8,7 50,2 41,1 16. 2014-07-26 00:03:36 2 ,0 E+ 0 6 297/85 117 37/27 11 4/35 233/44 20,2 -3,5 76,3 17. 2014-07-30 00:16:20 2 ,0 E+ 0 6 30/86 -86 165/6 -134 304/49 116/41 -14,0 -23,1 62,9 gdzie: Φo – azymut, δo – kąt zapadania,
λo – kierunek wektora przemieszczenia określony kątem.
Mechanizmy ognisk analizowanych wstrząsów pozostają w ścisłej korelacji z rozwi-jającą się eksploatacją pokładu 209 ścianą 911 i postępem frontu ściany. Dominują-cym typem mechanizmu ognisk analizowanych wstrząsów był mechanizm poślizgowy o udziale składowej ścinającej DBCP, zawierającym się w granicach od 42% do 91% (średnio 66%), jednak zmieniające się warunki górniczo-geologiczne w polu i sąsiedz-twie ściany miały wyraźny wpływ na charakter mechanizmu ognisk wstrząsów.
Wstrząsy zlokalizowane w początkowym okresie biegu ściany charakteryzuje przewaga mechanizmu ścinającego, a azymut jednej z płaszczyzn nodalnych po-krywa się z występującymi w tym rejonie krawędziami eksploatacji pokładów nadle-głych. Podobne rozwiązania uzyskano we wcześniejszych analizach, dotyczących wstrząsów rejestrowanych w strefach uskokowych o znacznych zrzutach i w pobliżu niewielkich dyslokacji tektonicznych oraz krawędzi eksploatacji w rejonie pola ściany 913 [6]. Prawdopodobną przyczyną wysokoenergetycznych wstrząsów rejestrowanych w tym obszarze było nałożenie się naprężeń eksploatacyjnych oraz koncentracji naprężeń w caliźnie, występujących w obszarze styku zrobów i niewybranych części pokładu 206/1 zalegającego powyżej. Można założyć, że w rejonie krawędzi nadle-głego pokładu 206/1 występuje stan równowagi nietrwałej spowodowany siecią spę-kań i szczelin w sztywnych warstwach piaskowca zalegających nad tym pokładem, powstałych wskutek występowania dużego gradientu przemieszczeń pionowych. Oddziaływanie przesuwającego się frontu eksploatacyjnego ściany 911 doprowadziło do poślizgu warstw skalnych w strefie niestabilnej i wyzwolenia energii sejsmicznej.
Na dalszym odcinku wybiegu ściany 911, gdzie nie występowały krawędzie po-kładów wcześniej eksploatowanych, również notowano okresowo wysoką aktywność sejsmiczną. Typ mechanizmów ognisk wstrząsów, ich oszacowana głębokość oraz azymut płaszczyzn nodalnych, generalnie zgodny z linią eksploatacji, pozwalają założyć, że ich przyczyną były typowe procesy zniszczeniowe, będące wynikiem załamywania się i pękania sztywnej warstwy piaskowcowej zalegającej ponad zro-bami pokładu 207, zainicjowane eksploatacją pokładu 209. Spośród analizowanych wstrząsów rejestrowanych w czasie biegu ściany 911 w trzech przypadkach stwier-dzono, że dominującą składową tensora momentu sejsmicznego jest składowa od-powiadająca za jednoosiowe ściskanie (od około 45% do około 63%), a w jednym – na rozciąganie (około 55%), przy stosunkowo niskim udziale składowej odpowie-dzialnej za implozję i znaczącym udziale składowej ścinającej. Prawdopodobną przyczyną ich powstania było pogłębienie się procesu destrukcji w sąsiedztwie wy-branego pokładu 207, powodującego powstanie rozwarstwienia pomiędzy zalegają-cymi bezpośrednio nad pokładem 207 skałami słabymi i podatnymi a niepodatnym piaskowcem zalegającym powyżej. Podobny charakter mechanizmu ogniska stwier-dzono również dla pewnej grupy wstrząsów lokalizowanych w polu wcześniej eks-ploatowanej ściany 913 [6].
Wstrząsy zlokalizowane w końcowym okresie eksploatacji ściany charakteryzuje mechanizm ogniska o zdecydowanej przewadze składowej ścinającej (62,9-76,3%). Z uwagi na występującą w tym rejonie strefę uskoków o niewielkich zrzutach, do-chodzących do 2,4 m, oraz liczne krawędzie eksploatacyjne, o przebiegu generalnie zgodnym z kierunkiem dyslokacji tektonicznych, istnieją dwie prawdopodobne przy-czyny ich wystąpienia:
nałożenie się naprężeń eksploatacyjnych i naprężeń tektonicznych, pocho-dzących od sieci uskoków przebiegających w sąsiedztwie rozcinki likwida-cyjnej ściany 911. Analogiczne rozwiązanie uzyskano w przypadku wstrzą-sów zarejestrowanych w sąsiedztwie uskoków o znacznych zrzutach [5], a także dla wstrząsów towarzyszących eksploatacji pokładu 209 ścianą 913 [6] w rejonie uskoków o zrzutach rzędu miąższości pokładu, co potwierdziło hipotezę, że stosunkowo niewielkie uskoki również mogą być źródłem wy-sokiej aktywności sejsmicznej,
nałożenie się naprężeń eksploatacyjnych oraz koncentracji naprężeń w ca-liźnie, występujących w obszarze styku zrobów i niewybranych części po-kładów zalegających powyżej – podobnie jak w przypadku grupy analizowa-nych wstrząsów zarejestrowaanalizowa-nych w początkowym okresie biegu ściany. Powyższy fakt potwierdza podobieństwo mechanizmów wstrząsów generowa-nych w obszarach zaszłości eksploatacyjgenerowa-nych i naturalgenerowa-nych dyslokacji tektoniczgenerowa-nych.
Podsumowanie
Artykuł stanowi kontynuację prowadzonych od szeregu lat badań autorów nad pro-cesami zachodzącymi w ogniskach wstrząsów górniczych, a zawarte w nim wyniki analizy dostarczyły kolejnych informacji na temat mechanizmów wstrząsów górni-czych indukowanych eksploatacją górniczą, prowadzoną przez KWK „Ziemowit”. Przedmiotem badań były wysokoenergetyczne wstrząsy, zarejestrowane w aktyw-nym sejsmicznie rejonie, obejmującym eksploatację pokładu 209 ścianą 911.
Kolejne etapy eksploatacji pokładu 209 ścianą 911 w powiązaniu z warunkami górniczo-geologicznymi skutkowały wystąpieniem wstrząsów wysokoenergetycz-nych o charakterystycznej dla każdego z tych etapów dominującej przyczynie ak-tywności sejsmicznej. W początkowym okresie biegu w polu ściany występowały krawędzie pokładów nadległych. Kolejnym etapem była eksploatacja poza strefami wpływu zaszłości eksploatacyjnych. W ostatnim etapie front ściany zbliżał się po-nownie do krawędzi pokładów wyżej leżących oraz strefy niewielkich dyslokacji tek-tonicznych. Obliczenia przeprowadzono dla wszystkich 17 wstrząsów o energiach większych od 1106 J, zarejestrowanych w czasie biegu ściany.
Wyniki przeprowadzonych obliczeń wskazują, że możliwą przyczyną zaistniałych wstrząsów było odblokowanie poślizgu w strefie równowagi nietrwałej w rejonie dys-lokacji tektonicznych i rejonach prowadzenia eksploatacji górniczej w strefie zaszło-ści eksploatacyjnych – występujących w początkowym i końcowym etapie eksploat-acji pokładu 209 ścianą 911. Prawdopodobną przyczyną wstrząsów rejestrowanych w drugim etapie eksploatacji ściany (poza strefami wpływu krawędzi pokładów nad-ległych i z dala od stref uskokowych) było rozwarstwienie powstające pomiędzy skałami słabymi a mocnymi [4] oraz typowe procesy destrukcyjne, będące wynikiem załamywania się i pękania sztywnej warstwy piaskowcowej zalegającej ponad zro-bami pokładu 207, zainicjowane eksploatacją pokładu 209. Uzyskane wyniki po-twierdziły wnioski zawarte we wcześniejszych publikacjach autorów, zgodnie z któ-rymi krawędzie pokładów nadległych, które nie mają bezpośredniego wpływu na wzrost naprężeń w eksploatowanym pokładzie, mogą być jednym z decydujących czynników stanowiących o obrazie sejsmiczności w rejonach objętych eksploatacją. Potwierdzenie znajduje również fakt o możliwym podobieństwie mechanizmów dzia-łających w ogniskach wstrząsów, których przyczyną są naturalne dyslokacje tekto-niczne oraz krawędzie wcześniej prowadzonej eksploatacji
Z uwagi na uzyskane wyniki analizy z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że rozwój procesów dynamicznych, będących przyczyną powstawania wstrząsów, nie zachodził w eksploatowanym pokładzie węgla ani jego bezpośrednim otoczeniu, lecz w dużo wyżej zalegających warstwach grubego i mocnego (niepo-datnego) piaskowca [2]. Sytuacja taka, spowodowana specyfiką budowy geologicz-nej złoża, jest charakterystyczna dla sejsmiczności rejestrowageologicz-nej w KWK „Ziemowit” [6, 7, 8].
Należy również zaznaczyć, że analizowane wstrząsy nie spowodowały żadnych skutków w wyrobiskach dołowych, a dotychczasowe doświadczenia kopalni wskazu-ją, że tego typu zjawiska nie wywoływały zwiększonego zagrożenia tąpaniami. Moż-na prognozować, że podobny obraz sejsmiczności będzie miał miejsce również w czasie dalszej eksploatacji pokładu 209 w bloku D.
Wyniki przeprowadzonej analizy przyczyniają się do lepszego poznania natury dynamicznych procesów zachodzących w górotworze naruszonym eksploatacją górniczą i w stosunku do standardowych parametrów wyznaczanych w procesie obróbki danych sejsmologicznych (lokalizacja, energia) bardziej szczegółowo opisu-ją sejsmiczność towarzyszącą eksploatacji górniczej.
Zmienność charakteru zjawisk, zachodzących w ogniskach wstrząsów w korelacji z warunkami geologiczno-górniczymi w rejonie wystąpienia wstrząsów, może sta-nowić dodatkową informację w zakresie zmian stanu naprężeniowo-deformacyjnego w obrębie warstw wstrząsogennych oraz struktur tektonicznych, co w efekcie może przyczynić się do poprawy oceny stanu zagrożenia sejsmicznego.
Bibliografia
[1] Gibowicz S.J., Wiejacz P., 1994, A search for the source non-shearing components of seismic events induced in Polish coal mines, Acta Geophys. Pol. 42.
[2] Stec K., 2005: Charakterystyka mechanizmu ognisk wstrząsów górniczych z Obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, Wiadomości Górnicze, nr 4.
[3] Lurka A., Logiewa H., 2007, Sejsmologiczny system obserwacji SOS jako nowe narzę-dzie do obserwacji i interpretacji danych sejsmicznych w górnictwie zagrożonym tąpa-niami, GIG, Katowice.
[4] Goszcz A., 2004, Wybrane problemy zagrożenia sejsmicznego i zagrożenia tąpaniami w kopalniach podziemnych, Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Kraków.
[5] Gołda A., Śladowski G., Wieczorek K., 2013, Analiza mechanizmów wstrząsów górotwo-ru z rejonu stref uskokowych – doświadczenia KWK „Ziemowit”, Wiadomości Górnicze, nr 4.
[6] Gołda A., Śladowski G., Wieczorek K., 2014, Analiza mechanizmów ognisk wstrząsów górniczych zarejestrowanych w KWK „Ziemowit” w trakcie eksploatacji pokładu 209 ścianą 913 w rejonie zaszłości eksploatacyjnych, Górnicze Zagrożenia Naturalne 2014, materiały konferencyjne.
[7] Setlak K., Gołda A., Moszko M., 2010, Zaszłości eksploatacyjne jako czynnik kształto-wania aktywności sejsmicznej górotworu na przykładzie eksploatacji pokładu 207 w blo-ku E w OG „Lędziny I”, Górnicze zagrożenia naturalne 2010, materiały konferencyjne. [8] Gołda A., Śladowski G., Wieczorek K., 2012, Wpływ zaszłości eksploatacyjnych na
mechanizm ognisk wstrząsów górniczych w trakcie eksploatacji dwóch sąsiednich ścian w pokładzie 207 w kopalni „Ziemowit”, Górnicze zagrożenia naturalne 2012, materiały konferencyjne GIG, Katowice.
[9] Kwiatek G., 2009, FOCI – Tensor momentu sejsmicznego – opis programu (publikacja internetowa www.sejsmologia-górnicza.pl).
[10] Wiejacz P., 2009, Mechanizm zjawisk sejsmicznych, Materiały szkoleniowe, Warsztaty, Polkowice.
[11] Gołda A., Śladowski G., Wieczorek K., 2012, Rozwój systemów obserwacji sejsmolo-gicznej kopalnianej stacji geofizyki górniczej KWK „Ziemowit”, Górnictwo Zrównoważo-nego Rozwoju 2012 – materiały konferencyjne, Politechnika Śląska, Gliwice.
[12] Praca zbiorowa pod red. Bukowskiej M., 2009, Kompleksowa ocena skłonności do tąpań górotworu w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, GIG, Katowice.
[13] Gibowicz S.J., Kijko A., 1994, An introduction to mining seismology, Academic Press, International Geophisics Series, vol. 55.