Characteristics and seismologic methods of analysis of seismic activity in the Upper Silesian Coal Basin

Obserwacja aktywności sejsmicznej w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym prowadzona jest przez Główny Instytut Górnictwa od lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia. W artykule przedstawiono rys historyczny rozwoju sieci sejsmologicznej oraz charakterystykę sejsmiczności zaistniałej w latach 1993-2012 w oparciu o bank danych o wstrząsach prowadzony w Laboratorium Geofizyki Górniczej w Zakładzie Geologii i Geofizyki. Przedstawiono również opracowane przez zespół specjalistów GIG nowe rozwiązania aparaturowe oraz aktualne sposoby interpretacji wstrząsów górotworu, które prowadzą do znacznie lepszej oceny potencjalnego zagrożenia sejsmicznego. Należą do nich w szczególności analizy sekwencyjne (zmiany w czasie) parametrów źródła i współczynnika b. określenie parametrów mechanizmów ognisk wstrząsów, badanie zmian pola prędkości wyznaczanego metodą tomografii pasywnej oraz wyznaczanie maksymalnych prędkości drgań PPV. Wyniki przeprowadzonych analiz zachowania się wybranych parametrów sejsmiczności, pozwalają na sformułowanie tezy, że istnieją prekursory wzrostu zagrożenia sejsmicznego, co pozwala z kolei na optymalne zastosowanie optymalnej profilaktyki przeciwtąpaniowej.Observations of seismic activity in the Upper Silesian Coal Basin are led by the Central Mining Institute since 1950s of the last century. This paper presents a historical outline of seismologic network development and the characteristics of seismicity between 1993 and 2012, on the basis of data bank for tremors kept in the Laboratory of Mining Geophysics of the Geology and Geophysics Plant. The paper also presents new technical solutions as well as current methods of interpretation of rock mass tremors which enable higher assessment of the potential of seismic hazard. The above-mentioned was developed by experts from CMI. The new developments mainly include sequential analyses (changes over time) of source parameters and b coefficient, determination of the parameters of tremor focus mechanism, research on the changes of velocity field indicated by passive tomography as well as the indication of maximum vibration velocity. The results of the analyses of the behaviour of the selected seismicity parameters allow to state that there are precursors of seismic activity hazard which, in turn, enables an optimal application of anti-tremor prevention

Assessment of the possibility to obtain constructive vibration interference from blasting

Roboty strzałowe są przedsięwzięciami powszechnie stosowanymi w górnictwie, szczególnie przy drążeniu wyrobisk, urabianiu złoża oraz jako profilaktyka zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami. Zwykle praktyczna ich realizacja obejmuje celowy rozkład otworów strzałowych oraz sekwencję czasową ich odpalania. Treścią artykułu jest próba określenia warunków i możliwości takiej koordynacji prowadzenia robót strzałowych w warunkach podziemnego górnictwa rud miedzi, aby uzyskać w wybranym obszarze górotworu efekt konstruktywnej interferencji drgań wywoływanych strzelaniami. Efekt ten powinien poprawić skuteczność strzelań, szczególnie przy próbach prowokowania występowania silnych wstrząsów sejsmicznych. Artykuł przedstawia teoretyczne założenia uzyskiwania efektu interferencji, wyniki prób jego modelowania oraz wstępne rezultaty praktycznych eksperymentów przeprowadzonych w jednej z kopalń rud miedzi.Blasting is a commonly used method in underground mining, particularly in driving underground galleries, deposit extraction and prevention from seismic and rockburst hazard. In practice, blasting consist in appropriate arrangement of the geometry of blast holes and time sequence of individual blast holes. This paper presents the possibility of electronic time synchronization of individual blast holes in order to obtain constructive interference of the generated seismic waves in copper underground mine in Poland. This synchronization should improve blasting effectiveness for inducing strong seismic events in the mine. Some theoretical aspects of longitudinal seismic wave interference are introduced and measurement results of interference effect of seismic waves generated by blasting in one of the copper mine in Poland are presented

Nowe kryteria dla oceny zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami w kopalniach węgla kamiennego

The paper presents new criteria of seismic and rock burst hazard assessment in Polish hard coal mines where longwall mining system is common practice. The presented criteria are based on the results of continuous recording of seismic events and analysis of selected seismological parameters: spatial location of seismic event in relation to mining workings, seismic energy, seismic energy release per unit coal face advance, b-value of Gutenberg-Richter law, seismic energy index EI, seismic moment M0, weighted value of peak particle velocity PPVW. These parameters are determined in a moving daily time windows or time windows with fixed number of seismic tremors. Time changes of these parameters are then compared with mean value estimated in the analyzed area. This is the basis to indicate the zones of high seismic and rock burst hazard in specific moment in time during mining process. Additionally, the zones of high seismic and rock burst hazard are determined by utilization of passive seismic tomography method. All the calculated seismic parameters in moving time windows are used to quantify seismic and rock burst hazard by four level scales. In practice, assessment of seismic and rock burst hazard is used to make daily decision about using rock burst prevention activities and correction of further exploitation of monitored coal panel.Zagrożenie sejsmiczne i związane z nim genetycznie zagrożenie tąpnięciem w dalszym ciągu należą do najgroźniejszych zagrożeń naturalnych występujących w polskich kopalniach węgla kamiennego. W ostatnich latach w kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW) rocznie rejestrowano 1000÷1500 wstrząsów o energii sejsmicznej Es ≥ 1•105J (magnituda lokalna ML ≥ 1.7), a najsilniejsze z nich osiągały energię Es = 4 •109J (ML = 4.1). W latach 1991-2010 odnotowano w GZW 101 tąpnięć, z których około 66% miało miejsce w wyrobiskach chodnikowych, powodując ich uszkodzenia lub całkowite zniszczenie, a w niektórych przypadkach również wypadki śmiertelne. Przedstawiono podstawowe parametry sejsmologiczne stosowane w kraju i w świecie do oceny zagrożenia sejsmicznego. Opisano podstawowe zasady metody kompleksowej oceny stanu zagrożenia tąpnięciem, w skład której wchodzi metoda sejsmologiczna bieżącej (pomiarowej) oceny stanu zagrożenia. Od wielu lat, wraz z ciągłym rozwojem bazy aparaturowej i możliwości w zakresie cyfrowej rejestracji sejsmogramów oraz przetwarzania i interpretacji danych pomiarowych wzrasta znaczenie metod sejsmicznych, które są dzisiaj powszechnie stosowane w polskich kopalniach zagrożonych tąpaniami. Ciągła obserwacja zjawisk sejsmicznych indukowanych w trakcie rozwoju procesu eksploatacji pokładów węgla umożliwiła, w oparciu o zgromadzoną bazę danych, opracowywanie nowych kryteriów zagrożenia sejsmicznego oraz zagrożenia tąpnięciem, które winny wyraźnie poprawić efektywność metody sejsmologii górniczej. W artykule przedstawiono nowe kryteria oceny stanu bieżącego zagrożenia tąpaniami zaproponowane do stosowania w polskich kopalniach węgla kamiennego, które prowadzą eksploatację systemem ścianowym. Kryteria te są oparte na wynikach ciągłej rejestracji sejsmologicznej, połączonej z bieżącą analizą zarejestrowanych wstrząsów i obliczaniem wybranych parametrów sejsmologicznych. Parametry te to położenie ognisk wstrząsów w stosunku do wyrobisk eksploatacyjnych, energia sejsmiczna wstrząsów, suma energii sejsmicznej wyzwolona na każde 5m postępu ściany eksploatacyjnej, wartość wagowanego parametru amplitudy prędkości drgań PPVW, moment sejsmiczny M0, indeks energii EI oraz parametr b rozkładu wstrząsów według relacji Gutenberga-Richtera. Wartości powyższych parametrów są określane dla każdej doby lub w przesuwających się co dobę oknach czasowych lub oknach zawierających określoną liczbę wstrząsów, a następnie porównywane, raz na dobę, z ich wartościami średnimi wyznaczonymi dla obserwowanego rejonu eksploatacji lub z opracowanymi wartościami kryterialnymi. W ten sposób wyznaczane są, dla danego momentu czasu, strefy w których możne wystąpić potencjalnie wysokie zagrożenie sejsmiczne i zagrożenie tąpaniami. Ponadto, w strefach o podwyższonym naprężeniu oraz w strefach o skomplikowanej sytuacji górniczo-geologicznej, charakteryzujących się zaszłościami starej eksploatacji oraz zaburzeniami geologicznycmi, wykonywane są dodatkowo doraźne obliczenia pola prędkości fal sejsmicznych z wykorzystaniem metody tomografii pasywnej. Należy podkreślić, że wszystkie obliczane wartości powyższych parametrów są skwantyfikowane i określają wartości kryterialne w czterostopniowej skali oceny stanu zagrożenia sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem (tabela 2). Stopnie zagrożenia zostały skwantyfikowane w oparciu wyniki pomiarów sejsmologicznych wykonywanych na bieżąco w sposób ciągły i są wyrażone w formie kryteriów empirycznych, opracowanych na podstawie analizy dużego zbioru danych sejsmicznych oraz obserwacji makroskopowych w wyrobiskach górniczych. Należy podkreślić, że w czasie występowania wysokich stanów zagrożenia sejsmicznego lub zagrożenia tąpnięciem, opracowana metoda pozwala wyznaczyć obszary o podwyższonym stanie zagrożenia, umożliwiając zaprojektowanie i zastosowanie odpowiedniej w miejscu i czasie profilaktyki tąpaniowej. Ważnym aspektem w ocenie stanu zagrożenia sejsmicznego i tąpaniami jest problem ciągłego przemieszczania się stref zagrożenia (stref podwyższonych naprężeń) w czasie prowadzonej eksploatacji. Dla uchwycenia nie tylko miejsc potencjalnego zagrożenia, ale również określenia w jakim momencie czasu pojawia się strefa potencjalnego zagrożenia, zaproponowano analizę parametrów kryterialnych w przesuwających się oknach czasowych z dobowym raportowaniem wyników. W artykule przedstawiono dotychczasowe kryteria oceny stanu zagrożenia tąpnięciem – tabela 1 (Barański i in., 2007), stosowane aktualnie przez większość kopalń w polskim górnictwie węglowym. Kryteria te w części przypadków nie prowadziły do zadawalających i w pełni wiarygodnych wskazań, ze względu na małą liczbę analizowanych parametrów sejsmologicznych oraz brak sekwencyjnej analizy ich zmian w czasie prowadzonej eksploatacji. Wady te uwzględnia nowe podejście metodyczne do oceny stanu zagrożenia. Nowe kryteria oceny stanu zagrożenia sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem przedstawiono w tabeli 2. Zakwalifikowanie do określonego stanu zagrożenia wymaga spełnienia wartości kryterialnych przez więcej niż połowę parametrów sejsmicznych, przypisanych do określonego stanu zagrożenia i rodzaju wyrobiska. Skuteczność przedstawionych nowych kryteriów oceny stanu sejsmicznego i zagrożenia tąpnięciem, opartych o sekwencyjną analizę wybranych parametrów kryterialnych w przemieszczających się co dobę oknach czasowych, została pokazana na przykładach obliczeniowych rzeczywistych sytuacji pomiarowych uzyskanych podczas eksploatacji pokładu węgla 510 ścianą nr. 6 oraz pokładu 503 ścianą nr. 3 w KWK Bobrek-Centrum. Przeprowadzono dyskusję opracowanych kryteriów dowodząc, że stosowanie do oceny stanu zagrożenia tąpaniami różnych parametrów wstrząsów jest niezbędne, aby na bieżąco obserwować to zagrożenie w zależności od różnych mechanizmów wstrząsów i dla różnych sytuacji górniczo-geologicznych. Analiza jednego parametru kryterialnego może często doprowadzić do błędnych wniosków i niskiej wiarygodności wykonanej oceny stanu zagrożenia. Z tej przyczyny w najnowszej wersji metody sejsmologicznej zaproponowanej do stosowania w polskich kopalniach węgla kamiennego, uwzględniono pięć niezależnych parametrów sejsmologicznych opisanych w tabeli 2

Wybrane metody dezintegracji struktury skał dla zwalczania zagrożeń górniczych

Natural hazards are inseparable element of underground mining, particularly of coal mining process. They are combated on a regular basis by many measures and effectiveness of these measures determines work safety in mines. Attempts to improve the effectiveness, presented in the paper is based on interferencje of seismic waves generated by blasting in a selected area of the rock mass and on modification of blasting technology. Preliminary results of detonating classical and new type of explosives in specific temperature and pressure conditions are analyzed. Theoretical and practical consideration of obtaining an interferencje effect of seismic waves is discussed. A device for making systems of starting notches and a construction of a chamber to test explosives are presented.Nieodłącznym elementem podziemnego górnictwa, szczególnie węglowego, są zagrożenia naturalne. Ich zwalczanie jest codzienną praktyką, a jego skuteczność decydująco wpływa na bezpieczeństwo pracy. Przedstawione w artykule próby poprawy tej skuteczności obejmują badania efektu nakładania się w wybranym obszarze górotworu drgań generowanych robotami strzałowymi oraz informacje o próbach modyfikacji strzelniczych technik szczelinowania skał, a także wstępne wyniki badania charakterystyk eksplozji klasycznych i nowych materiałów wybuchowych w nietypowych warunkach temperatur i ciśnienia. Omówiono między innymi teoretyczne i praktyczne warunki uzyskiwania efektu interferencji drgań oraz przedstawiono urządzenie do wykonywania systemów tzw. szczelin zarodnikowych i konstrukcję komory będącej elementem stanowiska do badania MW

The role of mining intensity and pre-existing fracture attributes on spatial, temporal and magnitude characteristics of microseismicity in longwall coal mining

Knowledge regarding microseismic characteristics associated with longwall coal mining is crucial in evaluating the potential for underground mining hazards. Although microseismicity is induced by mining activities, it still remains uncertain as to what extent mining activities influence the spatial, temporal, and magnitude characteristics of microseismicity. To establish a thorough understanding of the relationship between microseismic characteristics and mining activities, a 27-month long microseismic monitoring campaign was conducted around a highly stressed coal zone and eight producing longwall panels at Coal Mine Velenje in Slovenia. Each microseismic event was classified to be associated with the producing longwall panel that triggered it, and the microseismic response to multi-panel longwall top coal caving face advance was analysed. Monitoring data have shown that locations of microseismic events coincided with stress concentrated regions. It was established that both seismic count and energy-intensive regions associated with coal mining in different panels are spatially connected, but they do not fully overlap with mined-out or stress concentrated areas. In addition, microseismic event counts frequency was found to be well correlated with mining intensity, while seismic energy magnitude and spatial distribution are poorly correlated with the same. Therefore, microseismic characteristics could not be explained solely by the mining-induced stress transfer and mining intensity, but are believed to be dominated by pre-existing natural fractures throughout the coal seam. Analyses of these observations helped the development of a conceptual seismic-generation model, which provides new insights into the causes of microseismicity in coal mining

Seismic monitoring and analysis of excessive gas emissions in heterogeneous coal seams

Uncontrolled and excessive gas emissions pose a serious threat to safety in underground coal mining. In a recently completed research project, a suite of monitoring techniques were employed to assess the dynamic response of the coal seam being mined to longwall face advance at Coal Mine Velenje in Slovenia. Together with continuous monitoring of gas emissions, two seismic tomography measurement campaigns and a microseismic monitoring programme were implemented at one longwall top coal caving panel. Over 2000 microseismic events were recorded during a period of four months. Over the same period, there also was a recorded episode of relatively high gas emission in the same longwall district. In this paper, a detailed analysis of the processed microseismic data collected during the same monitoring period is presented. Specifically, the analysis includes the spatial distribution of the microseismic events with respect to the longwall face advance, the magnitude of the energy released per week and its temporal evolution. Examination of the spatial distribution of the recorded microseismic events has shown that most of the microseismic activity occurred ahead of the advancing face. Furthermore, the analysis of the gas emission and microseismic monitoring data has suggested that there is a direct correlation between microseismicity and gas emission rate, and that gas emission rate tends to reach a peak when seismic energy increases dramatically. It is believed that localised stress concentration over a relatively strong xylite-rich zone and its eventual failure, which was also identified by the seismic tomography measurements, may have triggered the heightened microseismic activity and the excessive gas emission episode experienced at the longwall panel monitored

Studying the Stress Redistribution around the Longwall Mining Panel Using Passive Seismic Velocity Tomography and Geostatistical Estimation

Generally, knowledge of stress redistribution around the longwall panel causes a better understanding of the mechanisms that lead to ground failure, especially to rock bursts. In this paper, passive seismic velocity tomography is used to demonstrate the state of stress around the longwall mining panel. The mining-induced microseismic events were recorded by mounting an array of receivers on the surface, above the active panel. To determine the location of seismic events and execute the process of tomography, double difference method is employed as a local earthquake tomography. Since passive sources are used, the ray coverage is insufficient to achieve the quality images required. The wave velocity is assumed to be the regionalized variable and it is therefore estimated in a denser network, by using geostatistical estimation method. Subsequently, the three dimensional images of wave velocity are created and are sliced into the coal seam. These images clearly illustrate the stressed zones that they are appropriately in compliance with the theoretical models. Such compliance is particularly apparent in the front abutment pressure and the side abutment pressure near the tailgate entry. Movements of the stressed zones along the advancing face are also evident. The research conclusion proves that the combined method, based on double-difference tomography and geostatistical estimation, can potentially be used to monitor stress changes around the longwall mining panel continuously. Such observation could lead to substantial improvement in both productivity and safety of mining operations