Statystyczna ocena wpływu eksploatacji rud miedzi w rejonie uskoku Rudna Główna na wielkość zagrożenia sejsmicznego

___________________________________________________________________________

Statystyczna ocena wpływu eksploatacji rud miedzi

w rejonie uskoku Rudna Główna

na wielkość zagrożenia sejsmicznego

Zbigniew Burtan1), Dariusz Chlebowski1), Andrzej Zorychta1), Jerzy Cieślik1) 1)

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków,

burtan@agh.edu.pl, chlebo@agh.edu.pl, zorychta@agh.edu.pl, jerz@agh.edu.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono rezultaty statystycznej oceny kształtowania się aktywności sejs-micznej w polach eksploatacyjnych w rejonie uskoku Rudna Główna, w których wysoki po-ziom sejsmiczności związany był z oddziaływaniem tego uskoku. Ocenę sejsmiczności góro-tworu wykonano na podstawie analizy parametrów gęstości liczby wstrząsów i gęstości ener-gii sejsmicznej w różnych etapach eksploatacji o odmiennych kierunkach wybierania wzglę-dem uskoku, zmiennej wysokości wybrania oraz różnym sposobie likwidacji zrobów. Wyniki tej analizy pozwoliły na określenie wpływu parametrów eksploatacji złoża w rejonie uskoku o dużych zrzutach na wielkość zagrożenia sejsmicznego.

Słowa kluczowe: eksploatacja rud miedzi, zaburzenia uskokowe, wstrząsy górnicze

Statistical evaluation of the copper mining impacts

on the level of seismic hazards in the fault zone

of Rudna Glowna

Abstract

The paper statistically evaluates seismic activity in the copper mining areas of Rudna Glowna fault, which high seismic activity levels are interlinked with the fault's activity. The evaluation is based on the analysis of the density of the tremors number and the seismic energy density in various stages of exploitation, considering various directions of mining, various heights, and various ways of cavities caused by extraction. Results let to define the influence of exploitation in the fault area on the seismic hazard levels.

Key words: copper ore mining, fault displacement, mining tremors

Wstęp

Znamienną cechą polskich kopalń rud miedzi jest wysoki poziom indukowanej robo-tami górniczymi sejsmiczności górotworu, powodujący występowanie zagrożenia tąpaniami. Jedną z istotnych przyczyn generowania wysokoenergetycznych wstrzą-sów jest prowadzenie eksploatacji w rejonach uskoków o dużych zrzutach. Dotyczy to zwłaszcza kopalni Rudna, gdzie dotychczasowej eksploatacji w sąsiedztwie du-żych stref uskokowych towarzyszył wysoki poziom zagrożenia sejsmicznego, nie-jednokrotnie skutkujący występowaniem odprężeń i tąpnięć [2]. Za reprezentatywne

pod tym względem należy uznać wybierane w części wiszącej i zrzuconej uskoku Rudna Główna pola eksploatacyjne G-3/3 i G-4/6. Analiza kształtowania się sej-smiczności, oparta na statystycznych rozkładach zmienności wskaźników gęstości liczby wstrząsów i gęstości energii sejsmicznej w różnych etapach czasowych eks-ploatacji tych pól, o zmiennej wysokości wybrania oraz odmiennym sposobie likwi-dacji zrobów, pozwoliła na ocenę wpływu eksploatacji na stan zagrożenia sejsmicz-nego w rejonie uskoku.

1. Przebieg eksploatacji w polach eksploatacyjnych G-3/3 i G-4/6 Wybieranie w rejonie strefy uskokowej Rudna Główna prowadzono systemem ko-morowo-filarowym w zmieniającym się zakresie wysokości furty eksploatacyjnej, wynikającym z kryterium bilansowości złoża oraz z zastosowaniem sposobu likwida-cji zrobów zależnym od wysokości wybrania i wymogów ochrony powierzchni.

W kopalni Rudna wybieranie prowadzono zarówno w skrzydle wiszącym, jak i zrzuconym uskoku Rudna Główna, przy czym eksploatację realizowano na prze-mian w jednej i drugiej części strefy uskokowej. Wybieranie prowadzono z zawałem stropu, z ugięciem stropu oraz z podsadzką hydrauliczną.

W ostatnim okresie eksploatacji w rejonie strefy uskokowej Rudna Główna złoże wybierano w polu G-3/3 w części wiszącej południowej oraz w polu G-4/6 w części zrzuconej północnej uskoku (rys. 1) [3, 4].

G-4/6

G-3/3

skrzydło wiszące skrzydło zrzucone

Eksploatację w polu G-3/3 prowadzono: w latach 1988-1990 z zawałem stropu na wysokość 5,4-8,0 m, w latach 1995-1998 z podsadzką hydrauliczną na wysokość 5,0-12,0 m oraz w latach 1998-2002 z podsadzką hydrauliczną i suchą oraz ugię-ciem stropu na wysokość 6,2-11,3 m, przy czym w latach 1990-1997 wybieranie prowadzono w rejonie uskoku Biedrzychowa. Z kolei wybieranie pola G-4/6 realizo-wano: w latach 2000-2003 z ugięciem stropu na wysokość 4,7-7,0 m oraz w latach 2003-2006 z podsadzką suchą i ugięciem stropu na wysokość 5,8-8,9 m [3, 4].

2. Statystyczna ocena zagrożenia sejsmicznego w rejonie uskoku Rudna Główna

2.1. Metodyka statystycznej analizy kształtowania się aktywności sejsmicznej

Statystyczną ocenę kształtowania się aktywności sejsmicznej prowadzono w oparciu o analizę zmienności parametrów [3]:



gęstości liczby wstrząsów



_N: ] m / [ S N 2 N     (1)



gęstości energii sejsmicznej wstrząsów s A



: ] m / J [ S As 2 As    (2) gdzie: N  – liczba wstrząsów, s A

 – suma energii sejsmicznej wstrząsów,

S – powierzchnia bloku kwadratowego o wymiarach 100 m  100 m (1 ha).

Metodykę statystycznej analizy gęstości liczby wstrząsów przedstawiono na przykładzie fragmentu obszaru O/ZG „Rudna” w sąsiedztwie uskoku Rudna Główna (rys. 2). Obszar ten pokryto regularną kwadratową siatką interpolacji, tzw. gridem (rys. 2A). Na podstawie znajomości poziomych współrzędnych epicentrów ognisk wstrząsów w każdym bloku, przy wykorzystaniu programu geostatystycznego [1], obliczono wartości gęstości liczby wstrząsów (rys. 2B). Z uwagi na utrudnioną anali-zę wartości tego parametru w blokach, wyniki analizy zilustrowano za pomocą mapy izoliniowej (rys. 2C), gdzie izolinie wyznaczają strefy, w których statystycznie wystą-pił ten sam poziomy liczby wstrząsów.

Do wizualizacji przestrzennego rozmieszczenia parametru w obszarach badań zastosowano metodę najbliższego sąsiedztwa [5], która zalecana jest w przypadku regularnego rozmieszczenia danych pomiarowych, będących przedmiotem interpo-lacji. Interpolator ten wykorzystuje informację z punktu znajdującego się najbliżej węzła siatki interpolacji (w rozpatrywanym przypadku centrum bloku 100  100 m jest tożsame z węzłem siatki interpolacji).

Analogiczną metodykę przyjęto do analizy gęstości energii sejsmicznej wstrzą-sów, przy czym mapy izoliniowe, wyznaczające strefy tej samej statystycznie wyemi-towanej energii, przedstawiono w skali logarytmicznej.

Rys. 2. Metodyka statystycznej analizy gęstości liczby wstrząsów: A – lokalizacja wstrząsów o energii As≥103J na tle siatki bloków 100  100 m;

B – wartości gęstości liczby wstrząsów w blokach 100  100 m; C – mapa izoliniowa gęstości liczby wstrząsów

2.2. Analiza wpływu eksploatacji w polach G-3/3 i G-4/6 na wielkość zagrożenia sejsmicznego w rejonie uskoku Rudna Główna Z uwagi na bliskie sąsiedztwo pól G-3/3 i G-4/6 w częściach wiszącej i zrzuconej strefy uskoku Rudna Główna, statystyczną analizę aktywności sejsmicznej zareje-strowanej w tych polach przeprowadzono w ujęciu łącznym i oddzielnym. W przy-padku pola G-4/6 obliczenia przeprowadzono dla etapów rocznych, zaś dla pola G-3/3, ze względu na znacznie dłuższy, 15-letni czas wybierania, do analizy przyjęto kolejne okresy stosowania odmiennych sposobów likwidacji zrobów (rys. 1).

W polu G-3/3 do analizy przyjęto łączny okres eksploatacji oraz oddzielnie okresy stosowania: zawału stropu (1988-1990), ugięcia stropu (1990-1995), podsadzki hydraulicznej (1995-1998) oraz podsadzki i ugięcia stropu (1999-2002). Dla pola

G-4/6, z uwagi na kierunek i zakres eksploatacji, analizę prowadzono w latach: 2001-2002, 2003, 2004 i 2005-2006.

Statystyczny obraz aktywności sejsmicznej, dotyczący kształtowania się gęstości liczby wstrząsów i energii sejsmicznej w rejonie analizowanych pól eksploatacyjnych dla całego okresu eksploatacji oraz w kolejnych etapach wybierania, przedstawiono na rys. 3-8, a maksymalne wartości tych parametrów zestawiono w tabeli 1 [3].

Rys. 3. Rozkład gęstości liczby wstrząsów o energii As ≥ 103J w polach G-3/3 i G-4/6

Tabela 1. Parametry rozkładów aktywności sejsmicznej w polach G-3/3 i G-4/6

Pole _eksploatacji Lata _{likwidacji zrobów} Sposób

N   10-4 [-/m2] (As ≥ 103 J) s A   10-4 [J/m2] G-3/3 1988-2002 – 25,0 1,70108 1988-1990 zawał stropu 16,0 5,13105 1990-1995 ugięcie stropu 13,0 1,70108 1995-1998 podsadzka hydrauliczna 11,0 7,94106 1998-2002 podsadzka i ugięcie stropu 22,0 1,58108

G-4/6

2001-2006 – 42,0 2,82108

2001-2002 ugięcie stropu 14,0 2,82108

2003 ugięcie stropu 9,0 6,76107

2004 podsadzka i ugięcie stropu 13,0 2,57107 2005-2006 podsadzka i ugięcie stropu 29,0 1,58108

Rys. 4. Rozkład gęstości energii dla wstrząsów As ≥ 10 3

J w polach G-3/3 i G-4/6 O/ZG „Rudna”

Na podstawie przedstawionych rozkładów można stwierdzić [3]: w polach G-3/3 i G-4/6 w całym okresie eksploatacji:

 strefy występowania wstrząsów niskoenergetycznych oraz gęstości ich energii sejsmicznej dotyczą przeważających obszarów pól, sięgając w niewielkim stop-niu także poza granice prowadzonej eksploatacji,

 strefy wysokoenergetycznej aktywności sejsmicznej w znacznym stopniu sytuują się w rejonach uskoków, zwłaszcza w polu G-3/3, gdzie lokalizują się wzdłuż sys-temów uskokowych Rudna Główna i Biedrzychowa,

 obszary z większą liczbą wstrząsów wysokoenergetycznych, odpowiadające obszarom o największych wartościach gęstości energii sejsmicznej, występują głównie w rejonie uskoku Biedrzychowa (pole G-3/3) oraz w rejonie uskoku Rud-na GłówRud-na (pole G-4/6), a także w dalszej odległości od tych uskoków w obsza-rach rozwiniętej eksploatacji, w częściach złoża o relatywnie większej miąższości i większej wysokości wybrania (powyżej 6 m),

 w obszarach pól G-3/3 i G-4/6 miał miejsce zbliżony poziom zagrożenia sej-smicznego, jednakże w odniesieniu do strefy uskokowej Rudna Główna wyższy poziom aktywności sejsmicznej zaznaczył się w polu G-4/6, eksploatowanym w części zrzuconej po wybraniu pola G-3/3 w części wiszącej;

A B

C D

Rys. 5. Rozkład gęstości liczby wstrząsów w polu G-3/3 O/ZG „Rudna” lata eksploatacji: A – 1988-1990 (zawał stropu), B – 1990-1995 (ugięcie stropu), C – 1995-1998 (podsadzka hydrauliczna), D – 1998-2002 (podsadzka i ugięcie stropu) w polu G-3/3 w kolejnych etapach eksploatacji:

 w pierwszym etapie wybierania z zawałem stropu aktywność sejsmiczna

wystę-powała w obszarze eksploatacji w niewielkim zakresie poza nim, przy czym po-jedyncze niskoenergetyczne wstrząsy, występujące poza polem, lokalizowały się głównie za frontem eksploatacji w sąsiedztwie strefy uskokowej Rudna Główna,

 w drugim etapie wybierania z ugięciem stropu wstrząsy występowały zarówno

w polu eksploatacyjnym, jak i poza nim, przy czym znaczna liczba wstrząsów lo-kalizowała się przed frontem eksploatacji; występujące poza polem oddziału G-3/3 wstrząsy, sporadyczne w zrobach i częstsze przed frontem, lokalizowały się strefach uskokowych Rudna Główna i Biedrzychowa,

 w trzecim etapie wybierania z podsadzką hydrauliczną aktywność sejsmiczna

występowała zarówno w obszarze pola eksploatacyjnego, jak i poza nim, z prze-wagą wstrząsów przed frontem wybierania; obszary o zwiększonej aktywności sytuujące się w zrobach etapów wcześniejszych oraz poza obszarem eksploata-cji występowały w rejonie stref uskokowych Rudna Główna i Biedrzychowa,

 w czwartym etapie eksploatacji z podsadzką hydrauliczną i suchą oraz ugięciem

eksploata-cyjnego, jak i poza nim, przy czym większość wstrząsów lokalizowała się w rejo-nie zrobów etapów wcześrejo-niejszych wzdłuż strefy uskokowej Rudna Główna,

 z porównania sejsmiczności w kolejnych etapach eksploatacji wynika, że w

eta-pie eta-pierwszym miał miejsce najniższy poziom aktywności mierzony ilością wye-mitowanej energii sejsmicznej (eksploatacja w tym etapie prowadzona była rela-tywnie wąskim – około 200 m – frontem wzdłuż uskoku Rudna Główna);

A B

C D

Rys. 6. Rozkład gęstości energii sejsmicznej w polu G-3/3 O/ZG „Rudna” lata eksploatacji: A – 1988-1990 (zawał stropu), B – 1990-1995 (ugięcie stropu), C – 1995-1998 (podsadzka hydrauliczna), D – 1998-2002 (podsadzka i ugięcie stropu) w polu G-4/6 w kolejnych latach eksploatacji:

 w latach 2001-2002 zdecydowana większość wstrząsów, w tym wszystkie silne bardzo silne wstrząsy wraz z wstrząsem o energii rzędu 108 J, lokalizowała się poza obszarem pola eksploatacyjnego etapu w rejonie uskoków Rudnej Głównej, przy czym strefy wysokoenergetycznej aktywności sejsmicznej rozkładały się wzdłuż wybranego w tym etapie obszaru,

 w roku 2003 spora część wstrząsów sytuowała się poza obszarem wybrania,

przed frontem eksploatacji oraz na znacznej długości za tym obszarem wzdłuż uskoków; podobnie jak w etapie wcześniejszym lokalna strefa, odpowiadająca wysokoenergetycznym wstrząsom, występowała na uskokach,

 w roku 2004 oraz w latach 2005-2006 strefy aktywności sejsmicznej lokalizowały

się zarówno w obszarach prowadzonych robót górniczych, jak i poza nimi; część wstrząsów, w tym pojedyncze wysokoenergetyczne wstrząsy z wstrząsem o energii rzędu 108 J, lokalizowała się na uskoku Rudnej Głównej, jednakże większość wstrząsów usytuowana była w dalszej odległości od uskoków,

 w kolejnych latach z rozwojem eksploatacji rejestrowano coraz większą

aktyw-ność sejsmiczną, zarówno w zakresie liczby wstrząsów, w tym wstrząsów wyso-koenergetycznych, jak i wyemitowanej energii sejsmicznej.

A B

C D

Rys. 7. Rozkład gęstości liczby wstrząsów w polu G-4/6 O/ZG „Rudna” lata eksploatacji: A – 2001-2002, B – 2003, C – 2004, D – 2005-2006

Analizując kształtowanie się sejsmiczności w polach G-3/3 i G-4/6, zwrócono uwagę na relacje pomiędzy aktywnością sejsmiczną a wysokością wybrania i spo-sobem likwidacji zrobów. Na podstawie rozkładów parametrów aktywności sejsmicz-nej w poszczególnych etapach odmiensejsmicz-nej likwidacji zrobów można stwierdzić [3]: w polu G-3/3:

 w latach 1988-1990 przy wysokości wybierania 5,4-8,0 m i zawałowym sposobie likwidacji zrobów strefy występowania wstrząsów w większości sytuowały się w obszarze prowadzonej eksploatacji,

 w latach 1990-1995 przy wysokości furty 5,5-9,0 m i stosowaniu ugięcia stropu, strefy zwiększonej aktywności sejsmicznej lokalizowały się w polu eksploatacyj-nym, jak też poza nim,

 w latach 1995-1998 przy wybieraniu na wysokość 5,0-12,0 m z podsadzką hy-drauliczną strefy przeważnie występowały przed frontem eksploatacji,

 w latach 1998-2002 przy wysokości 6,2-11,3 m i stosowaniu podsadzki hydrau-licznej i suchej oraz ugięcia stropu strefy zwiększonej aktywności występowały tak obszarze eksploatacji, jak i poza nim, przy czym znaczna liczba wstrząsów, w tym wysokoenergetycznych, sytuowała się w rejonie o największej wysokości wybrania;

A B

C D

Rys. 8. Rozkład gęstości energii sejsmicznej w polu G-4/6 O/ZG „Rudna” lata eksploatacji: A – 2001-2002, B – 2003, C – 2004, D – 2005-2006 w polu G-4/6:

 w latach 2001-2003 przy wybieraniu na wysokość 4,7-7,0 m z ugięciem stropu strefy o dużych wartościach parametrów charakteryzujących aktywność sej-smiczną przeważnie lokalizowały się poza obszarem wybierania,

 w latach 2003-2006 przy wysokości furty 5,8-8,9 m oraz stosowania podsadzki suchej i ugięcia stropu strefy występowały zarówno w rejonie, jak i poza rejonem eksploatacji, przy czym obszary z dużą liczbą wstrząsów wysokoenergetycz-nych sytuowały się przed frontem.

Podsumowanie

Na podstawie statystycznej oceny wpływu eksploatacji rud miedzi w rejonie uskoku Rudna Główna na wielkość zagrożenia sejsmicznego można sformułować następu-jące ogólne wnioski [3]:



eksploatacja w sąsiedztwie uskoków o dużych zrzutach oraz w obszarach o dużym zaangażowaniu tektonicznym prowadzona jest w warunkach wysokie-go stanu zagrożenia sejsmicznewysokie-go;



wraz z rozwojem eksploatacji wzrasta poziom aktywności sejsmicznej, zwłasz-cza w odniesieniu do wysokoenergetycznych wstrząsów, a położenie ognisk większości bardzo silnych wstrząsów wskazuje na wyraźny związek z zaburze-niami uskokowymi o dużych zrzutach;



większa część (ponad połowa) wstrząsów lokalizuje się przed frontem prowa-dzonych robót górniczych, przy czym znaczący udział mają wstrząsy usytuowa-ne na uskokach lub w ich bezpośrednim sąsiedztwie;



wysokoenergetyczne wstrząsy zlokalizowane w zrobach lub w ich rejonie, za frontem eksploatacji, w znacznej części lokalizują się na uskokach lub w ich bli-skim sąsiedztwie;



wysokość wybierania wpływa na poziom zagrożenia sejsmicznego; generalnie ze wzrostem wysokości zwiększa się liczba wstrząsów i wyemitowana energia sejsmiczna; wzrost wysokości wybierania zwiększa także udział wstrząsów bliż-szych frontowi eksploatacji;



sposób likwidacji zrobów może decydować o wielkości zagrożenia sejsmiczne-go, jednakże ten parametr należy rozpatrywać łącznie z wysokością eksploata-cji; przy tej samej wysokości wybierania zastosowanie podsadzki hydraulicznej, w porównaniu z ugięciem stropu, powoduje zmniejszenie aktywności sejsmicz-nej; z kolei w przypadku eksploatacji podsadzkowej relatywnie większa wyso-kość wybrania może skutkować wyższym poziomem zagrożenia sejsmicznego;



w polach o charakterze „otwierającym”, czyli rozpoczynającym eksploatację w sąsiedztwie uskoków o dużych zrzutach występuje, najmniejsza aktywność sejsmiczna w zakresie występowania wysokoenergetycznych wstrząsów, a wraz z rozwojem eksploatacji poziom tej aktywności wzrasta;



prowadzenie eksploatacji „otwierającej” wzdłuż uskoku stosunkowo wąskim frontem, przy zachowaniu relatywnie małej wysokości furty eksploatacyjnej, mo-że ograniczyć możliwość uaktywnienia się uskoku;



podczas eksploatacji po obu stronach strefy uskokowej w tych samych warun-kach geologiczno-górniczych mniejsze zagrożenie sejsmiczne występuje w wy-bieranej w pierwszej kolejności części wiszącej.

Statystyczna ocena sejsmiczności w polach eksploatacyjnych w rejonie strefy uskokowej Rudna Główna potwierdza wpływ górniczych warunków wybierania na wielkość zagrożenia sejsmicznego w sąsiedztwie uskoków o dużych zrzutach.

Bibliografia

[1] Bleines C., Deraisme J. i in., 2002, ISATIS, Isatis Software Manual, 4-th Edition, Ge-ovariances & Ecole des Mines de Paris, Paris.

[2] Burtan Z., Zorychta A., Chlebowski D., 2010, Sejsmiczność tektoniczna jako przesłanka zmian w zasadach i rygorach prowadzenia robót górniczych w polu G-4/6 O/ZG „Rud-na”. Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej, IGSMiE PAN. AGH-KGP, Kraków. [3] Burtan Z., 2012, Wpływ eksploatacji w rejonach zaburzeń tektonicznych o dużych

zrzu-tach na kształtowanie się zagrożenia sejsmicznego w kopalniach Legnicko- -Głogowskiego Okręgu Miedziowego, Rozprawy Monografie, nr 247, Kraków.

[4] Praca zbiorowa KGHM Cuprum 2007: Projekt techniczny – kompleksowy O/ZG „Rudna”. Wrocław (niepublikowane).