Zagadnienia odwrotne w modelowaniu wstrząsów górniczych

The polish mining industry confronts a number of obstacles. One of these is the necessity to reach deep layers in both coal and underground copper mines. One of the consequences of this deep mining activity is the need to cope with the high risk of rock bursts. Associated risks to the health and life of miners must be considered. Geophysical methods are used to identify deformation processes in rock masses prior to seismic events. Due to the complexity of the problem of analyzing the movements of rock masses that produce seismic shocks it is often concluded that predicting mining shocks is impossible. An analogy of the problem can be constructed by considering the movement of two masses, linked to a moving frame and each other by springs, on a surface with friction. The masses are analogous to rock masses and the surface to a discontinuity along which they are moving producing seismic shocks. Analysing this model leads to the conclusion that predicting mining shocks is impossible. However, by examining the conditions under which shocks occur, it turns out that geophysical measurements can be used to identify the inelastic deformation processes in rock masses that precede strong mining shocks. It can be shown that the deformations occurring before strong mining shocks have several stages, including splitting in the roof an exploited seam (the roof layer), the occurrence and development of sliding planes in the seismic zone (zone of seismic migration), the tightening of micro-fractures and cracks in the volume of the future seismic source and, the final stage, a seismic release of energy. The development of seismic inelastic deformations cause changes in the physical properties of rock-masses as well as changes in seismic emissions. Both of these can be recorded using geophysical measurement systems. The correct interpretation of geophysical measurements recorded in underground mines can lead to better identification of the stages of inelastic deformation that precede seismic shocks.Współczesny przemysł górniczy w Polsce jest ograniczony wieloma przeszkodami. Jedną z nich jest konieczność eksploatacji urobku z dużych głębokości, zarówno w kopalnictwie węglowym jak i rudnym. Konsekwencją tej sytuacji jest między innymi konieczność podejmowania eksploatacji w warunkach zagrożenia tąpaniami. Tąpnięcia niosą ze sobą duże ryzyko utraty zdrowia, a nawet życia górników. Powodują jednocześnie istotne perturbacje w procesie wydobywczym i są związane z dużymi stratami ekonomicznymi. Istniejące metody geofizyczne pozwalają śledzić proces deformacji poprzedzającej tąpnięcie, a w konsekwencji oceniać ryzyko jego powstania. Nie jest to jednak zadanie proste. Analogia pomiędzy ruchem dwóch mas powiązanych z ramą poruszającą się za pomocą sprężyn oraz przesuwaniem mas na dwóch powierzchniach nieciągłości prowadzi do wniosku, że przewidywanie wstrząsów w konkretnej sytuacji górniczej jest niemożliwe. Jeżeli jednak zadamy pytanie, jakie warunki musiały być spełnione aby wstrząs powstał (zadanie odwrotne), to okazuje się, że pomiary geofizyczne mogą spełniać istotną rolę w identyfikacji procesów deformacji niesprężystej w górotworze, które muszą poprzedzać powstanie silnego wstrząsu górniczego. Można wykazać, że silny wstrząs górniczy musi być poprzedzony kilkoma etapami deformacji takimi jak: odspojenie warstwy stropowej, wytworzenie płaszczyzny nieciągłości, rozwój tej strefy i związana z nim migracja sejsmiczna, zaciskanie szczelin w przyszłym obszarze źródłowym wreszcie sejsmiczna relaksacja. Rozwojowi kolejnych etapów deformacji towarzyszą zmiany właściwości fizycznych i zmiany emisji fal sprężystych, które można rejestrować metodami geofizycznymi. Strategia interpretacji wyników pomiarów geofizycznych, której celem jest identyfikacja poszczególnych etapów deformacji poprzedzającej wstrząs sejsmiczny pozwoli lepiej wykorzystać wyniki pomiarów sejsmicznych w kopalniach

Rozwój sejsmiczności górniczej w rezultacie uginania się stropu

The experience, which has been obtained in Polish mining allow us to conclude that the bending of the roof layer over an exploited seam is one of the most important factors influencing the risk of strong seismic emissions. The seismic consequences of plastic deformations during roof layer bending are discussed in the paper. The linear distribution of seismic shock epicentres and trends in the development of seismic energy and event frequency, are expected before very strong seismic events that greatly increase rock-burst risk. The proposed model of inelastic deformations allow us to correlate the seismic data and results of mining observations, such as convergence of the roof layer and the changes of wells diameter drilled In the roof layer in assessing the risk of rock-bursting.Doświadczenia uzyskane w polskim górnictwie wskazują na to, że uginanie warstw stropowych nad eksploatowanym pokładem jest jednym z najważniejszych czynników, które zwiększają ryzyko wystąpienia silnej emisji sejsmicznej w kopalniach podziemnych. W artykule przedstawiono rozważania dotyczące związku pomiędzy sejsmicznością a rozwojem deformacji plastycznej w uginającej się warstwie stropowej. Jedną z konsekwencji tej deformacji jest liniowy rozkład epicentrów wstrząsów i istnienie trendów wzrostowych w rozwoju energii sejsmicznej i trendów spadkowych w rozwoju częstości pojawiania się wstrząsów w okresie poprzedzającym bardzo silną relaksację energii sejsmicznej. Taka relaksacja jest bezpośrednio związana z ryzykiem powstania tąpnięcia. Zaproponowany w artykule model deformacji niesprężystej pozwala korelować dane sejsmiczne z wynikami obserwacji górniczych, takich jak konwergencja stropu czy zmiana średnicy otworów wierconych w stropie eksploatowanego pokładu, które zgodnie z dotychczasowym doświadczeniem są związane z ryzykiem powstania tąpnięcia

Użycie atrybutów GPR do wyznaczania rejonów zagrożonych pojawieniem się pustek poeksploatacyjnych

Sinkholes which occur in regions of old mine workings increase the risk to building and transport safety. Geophysical surveys, particularly with the use of ground penetrating radar (GPR), can help to locate underground voids which migrate towards the surface before they transform into sinkholes. The mining region in Upper Silesia, Poland was selected to test the method. The test was carried out on the profile at which sinkhole appeared few months after measurements. It can be assumed that the development of deformations in the ground was preceded by hydraulic and geomechanical processes, which directly caused this event. To identify the cause of the sinkhole formation exactly in this place In which it is located we carried out interpretation of GPR measurements through the calculation of GPR signals attributes such as instantaneous phase, instantaneous amplitude envelope, envelope derivative, envelope second derivative. The difference between two similar recorded data can be interpreted as a result of existence of hydraulic channels. On reflection, it appears that GPR signals attributes can be an important tool not only in the location of a cavity voids, but also can help in understanding the mechanisms of formation of the sinkholes.Osiadające płytkie zroby po wyeksploatowanym węglu mogą być przyczyną rozwoju procesów zapadliskowych na powierzchni ziemi. Takie zapadliska pojawiają się nagle i stanowią duże zagrożenie dla ludzi, zwierząt i obiektów budowlanych. Do lokalizacji „wędrujących pustek” w kierunku powierzchni ziemi można wykorzystać metody geofizyczne, w szczególności metodę georadarową. Przeprowadzono badania testowe w rejonie Sierszy na Górnym Śląsku, gdzie również powstają zapadliska górnicze. Prowadzono badania na profilu pomiarowym w czasie bezpośrednio poprzedzającym pojawienie się zapadliska. Można przyjąć, że obserwacje georadarowe były prowadzone w czasie, kiedy rozwijał się geomechaniczny i hydrauliczny proces przygotowania deformacji zapadliskowej. W interpretacji materiału pomiarowego zastosowano metodę atrybutów sygnałów georadarowych takich jak faza chwilowa, pierwsza pochodna i druga pochodna sygnału analitycznego. Anomalne wartości atrybutów wskazują na rozwój kanałów hydraulicznych, które były bezpośrednią przyczyną powstania zapadliska. Z pracy wynika, że badanie rozkładu atrybutów analitycznego sygnału georadarowego może pomóc w zrozumieniu procesu tworzenia zapadliska i identyfikować istnienie takiego procesu

The GPR measurements for assessment a mineralization of the soil water

Analysis of the physical properties of rock formation and electromagnetic waves propagation in rocks leads to conclusion, that three parameters estimated from GPR data, the reflection coefficient, wave attenuation and velocity can be used for assessment of the soil water mineralization. The field test measurements were carried out in the area, where the mineralization has been recognized with hydrogeological methods. The correlation has been found between sums of registered GPR signals from chosen depth interval and the mineralization of ground water

Phase change between the reflected and refracted waves in GPR measurements of ground wave

W pracach rolniczych istotne jest określenie rozkładu wilgotności w glebie. W artykule przedstawiono metodę badania tego rozkładu na podstawie analizy pomiarów georadarowych. Przedstawiono opis właściwości pola elektromagnetycznego na granicy dwóch obszarów o różnych właściwościach elektrycznych w zależności od wielkości kąta padania promienia radarowego. Okazuje się, że zachowanie pola elektromagnetycznego istotnie zależy od stosunku prędkości fali w warstwie nadległej i leżącej pod granicą odbijającą. W szczególności dla stosunku tych prędkości mniejszego od jedynki, to dla kąta zwanego kątem Brewstera zanika energia fali odbitej. W artykule zwrócono uwagę na istotną zależność wielkości współczynnika odbicia i zmiany fazy sygnałów elektromagnetycznych od tego, czy kąt padania przekroczył kat Brewstera i kąt graniczny. Po przekroczeniu kąta Brewstera następuje zmiana fazy w sygnale odbitym o 90 stopni. Znajomość kąta Brewstera pozwala wyznaczyć stosunek prędkości fali elektromagnetycznej po obydwu stronach granicy, na której nastąpiło odbicie. W praktyce badań georadarowych kąt Brewstera powstaje w sytuacji, kiedy warstwa nadległa jest bardziej nasycona wodą. Na przykładzie badań prowadzonych na polach uprawnych pokazano jak na podstawie zaproponowanego sposobu identyfikacji kąta Brewstera można określić zmiany właściwości elektrycznych na profilu pomiarowym. Zmiana fazy pola georadarowego może być wykorzystana do ciągłej kontroli wilgotności gruntu i optymalnego sposobu jego nawadniania.Information on moisture distribution in the soil is of great importance for agricultural projects. This article presents the GPR geophysical method for the study of water distribution in subsurface parts of rock formation. The analysis of the GPR measurements is used for a description of the electromagnetic field properties at the boundary of two areas of different electric properties, depending on the angle of incidence of radiation. It appears that the behavior of electromagnetic fields substantially depends on the ratio of the velocity waves in layers overlying and underlying the reflective border. In particular, for the ratio smaller than the ones disappears energy of the reflected wave. The article highlights the significant dependence of the reflectance and phase change of the electromagnetic signals on whether the angle of incidence exceeds the Brewster angle and the critical angle. Attention was focused on the Brewster angle and the critical angle for the size of the reflectance and phase change of the electromagnetic signals. In particular, after exceeding the Brewster angle a 90 degree change phase of the reflected signal occurs. Knowledge of this angle allows the ratio of GPR wave velocity in the neighboring soil regions to be determined. We demonstrate, on the example of tests carried out on cultivated areas, how the changes of dielectric properties on the investigated profile can be determined using the identification of the Brewster angle with the procedure proposed above. The phase change georadar field can be used for the continuous monitoring of soil moisture and its optimum method of irrigation

Analysis of possibility of using GPR refraction for location changes in river embankments

Refrakcyjne fale georadarowe mogą być wykorzystywane do wyznaczenia parametrów charakteryzujących dwuwarstwowy ośrodek geologiczny, w którym warstwa górna ma większą wartość stałej dielektrycznej niż warstwa dolna. Taka sytuacja może mieć miejsce w wałach przeciwpowodziowych, w których nad strefą zagęszczoną, a więc o mniejszym nasyceniu wodą, zalega warstwa silnie rozluźniona, charakteryzująca się dużym nasyceniem wodami opadowymi. W pracy przedstawiono wyniki badań georadarowych przeprowadzonych na wałach przeciwpowodziowych w Krakowie i pokazano, że istnieją możliwości wyznaczenia stref skonsolidowanych i rozluźnionych w obwałowaniach na odcinkach pomiędzy geotechnicznymi otworami badawczymi. W artykule zaprezentowano nowatorską technikę profilowania georadarowego przy zmiennym rozstawie anten oraz opisano sposób identyfikacji różnego typu fal georadarowych, ze szczególnym uwzględnieniem fal refrakcyjnychThe GPR refracted waves can be used for evaluation of parameters, which characterize two-layer ground, where upper layer has higher value of dielectric constant than lower one. Such situation can take a place in a river embankments, where over the zone of consolidation with low water content is placed a lose zone with large amount of rain-water. The results of GPR measurements carried out on the embankments in Kraków, give possibility for identification the consolidated and lose zones, between geotechnical bench-marks. The paper presents new technology of GPR profiling with various offset of antennas and it describes the technique of identification the different kinds of GPR waves, with special treatment of refracted wave

The method of determining the distribution maps of seismic intensity IGSI after recording of a strong seismic event induced by mining

W artykule przedstawiono nową metodę wyznaczania izolinii maksymalnych poziomych amplitud prędkości drgań gruntu PGVHmax po wystąpieniu silnego wstrząsu pochodzenia górniczego. W procedurze obliczeniowej uwzględniane są nie tylko empiryczne relacje tłumienia wyznaczone dla badanego obszaru oraz amplifikacja, ale również rzeczywiste parametry drgań zarejestrowane podczas wstrząsu przez powierzchniowe stacje sejsmometryczne. Opracowana metoda pozwala na bardziej wiarygodne wyznaczanie map rozkładu stopni intensywności potencjalnych skutków drgań od zaistniałego wstrząsu górniczego (intensywności sejsmicznej), według odpowiednich skal opracowanych dla górnictwa węglowego (GSIGZWKW-2012 oraz MSIIS-15) i dla górnictwa rud miedzi w LGOM (GSI-2004/11). Przedstawiono przykład obliczeniowy dla wstrząsu o energii sejsmicznej E=1E8 J, zaistniałego w kopalni węgla w GZW i stwierdzono bardzo dobrą korelację stopni intensywności sejsmicznej IGSI-2012 wyznaczonych nową metodą, z uszkodzeniami udokumentowanymi w zabudowie powierzchniowej w efekcie oddziaływania przedmiotowego wstrząsu. Mapy intensywności drgań od silnych wstrząsów górniczych, wyznaczone według zaproponowanego algorytmu obliczeniowego, mogą być przydatne dla zakładów górniczych, urzędów miast i gmin oraz sądów powszechnych do ustanawiania stref szkodliwego oddziaływania sejsmicznego na zabudowę powierzchniową.The article presents a new method for determining the izolines of the maximum amplitude of vibration velocity, PGVHmax after recording a strong seismic event induced by mining. The calculation procedure does not just include only empirical attenuation low determined for the study area and the amplification effects but also the actual ground motion data recorded during the strong mining seismic event by surface seismic stations. The developed method allows for a more reliable determination of maps of the seismic intensity degrees distribution after mining seismic event, according to the respective scales developed for coal mining (GSIGZWKW-2012 and MSIIS-15) and for copper mining in LGOM (GSI-2004 / 11). An example of calculation for the seismic event of energy E=1E8 J using the new method is presented. A very good correlation between degrees of seismic intensity, IGSI and damage documented in the building after the seismic event was obtained. Maps of seismic intensity of strong mining tremors, designated by the proposed calculation algorithm, can be useful for mining companies, offices of cities and municipal offices and courts for establishing of zones of harmful effects on the building development area

The possibility of using seismic interferometry in mining industry

Metoda interferometrii sejsmicznej znalazła zastosowanie w zagadnieniach rozpoznawania budowy geologicznej głębokiego podłoża i w sejsmice poszukiwawczej do odwzorowania budowy ośrodka. Istnieje również możliwość wykorzystania tej metody dla potrzeb górniczych. W części wstępnej przedstawiono podstawy matematyczne i fizyczne metody interferometrii sejsmicznej. Następnie omówiono możliwości wykorzystania tej metody w rozwiązywaniu problemów geologiczno-górniczych. Scharakteryzowano rodzaje zjawisk sejsmicznych, występujących na terenach górniczych, możliwych do wykorzystania w interferometrii sejsmicznej. Omówiono przykłady sytuacji geologiczno-górniczych, w których metoda interferometrii sejsmicznej może dostarczyć wartościowej informacji.Seismic interferometry method has been used to identify the deep geological structure of the ground and seismic exploration for mapping the structure medium. It is also possible to use this method for mining purposes. In the introductory part we present the mathematical foundations and physical methods of seismic interferometry. It then discusses the possibility of using this method in solving geological-mining tasks. Seismic phenomena occurring in mining areas and suitable for application in seismic interferometry have been described. Examples of geological and mining situation in which seismic interferometry method can provide valuable information have been presented