Sejsmometry Spi –70 ze względu na swoja budowe sa podatne na

WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. str. 403 – 408
Grzegorz MUTKE*, Adam MIREK**
* Główny Instytut Górnictwa, Katowice
** Wyższy Urząd Górniczy, Katowice
Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu na
wynik określania energii sejsmicznej wstrząsów
Streszczenie
Zasadniczą częścią kopalnianych sieci sejsmologicznych wpływającą na określenie
wielkości drgań górotworu wywołanych wstrząsami są sejsmometry. Do poprawnego wyznaczenia energii sejsmicznej wstrząsu i innych jego parametrów charakteryzujących ognisko,
niezbędna jest wiarygodna informacja o rzeczywistych amplitudach drgań podłoża. W kopalni
Bełchatów oraz w polskich kopalniach węgla kamiennego, powszechnie stosowane są sejsmometry SPI-70. Niestety, sejsmometry te tracą swoją pierwotną charakterystykę z czasem ich
eksploatacji, co może być źródłem błędnego określania amplitud prędkości drgań podłoża.
W takim przypadku obliczenia energii sejsmicznej byłyby błędne, gdyby sejsmometry SPI-70
nie były remontowane co pewien czas. Drugim czynnikiem mającym duży wpływ na
wiarygodne określenie energii sejsmicznej wstrząsu jest prawidłowe zamontowanie sejsmometru na podłożu i uwzględnienie w obliczeniach rodzaju tego podłoża.
Aby poprawnie obliczać energię sejsmiczną przy wykorzystaniu sejsmometrów SPI-70,
niezbędne jest ich systematyczne sprawdzanie i wyznaczanie kalibracji, co najmniej raz na dwa
lata, a w razie stwierdzenia nieprawidłowych wskazań należy poddać je naprawie. W polskim
górnictwie stosowane są również dużo bardziej stabilne i mniej zawodne technicznie sejsmometry Willmore’a MK-II i MK-III (Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna GIG i zakłady górnicze KGHM) oraz odpowiednie sondy geofonowe przystosowane do pomiarów
sejsmologicznych.
1. Wpływ sejsmometru na parametry do wyznaczania energii sejsmicznej wstrząsów
górniczych
W polskich kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Weglowego, LGOM oraz KWB
Bełchatów jednym z podstawowych parametrów oceny zagrożenia sejsmicznego jest energia
sejsmiczna wstrząsów. Energia ta jest obliczana według algorytmów, które wykorzystują
amplitudy prędkości drgań oraz czas trwania fal bezpośrednich. Parametry te rejestrowane są
przez lokalne kopalniane sieci sejsmologiczne, przy czym zasadniczym urządzeniem sieci
sejsmologicznych, które bezpośrednio odzwierciedlają wartości tych parametrów są sejsmometry. Sejsmometry poruszając się zgodnie z ruchem podłoża, zamieniają go na wielkość
napięcia elektrycznego proporcjonalnego do amplitudy prędkości drgań i przesyłają je dalej
torami transmisji do rejestratora. Jeśli sejsmometr jest wykalibrowany i pracuje zgodnie
z pierwotnymi parametrami, to na rejestratorze otrzymujemy wiarygodne rzeczywiste amplitudy drgań podłoża i możemy poprawnie wyznaczyć energię sejsmiczną wstrząsu. W kopalni
Bełchatów oraz w polskich kopalniach węgla kamiennego, powszechnie stosowane są sejsmo____________________________________________________________________________
403
G. MUTKE, A. MIREK – Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu...
____________________________________________________________________________
metry SPI-70. Sejsmometry te nie są najwyższej klasy i tracą swoją pierwotną charakterystykę
z czasem ich eksploatacji, co może być źródłem błędnego określania amplitud prędkości drgań
podłoża. Dlatego bardzo ważne jest okresowe sprawdzanie stanu technicznego sejsmometrów,
szczególnie typu SPI-70, i wykonywanie przynajmniej raz na dwa lata lub nawet co rok ich
kalibracji. Dopiero wówczas możemy być pewni, że wyznaczana energia sejsmiczna nie jest
błędna z powodu mierników drgań nie w pełni sprawnych technicznie. Należy pamiętać, że
energia sejsmiczna jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy prędkości drgań, co oznacza że
dwukrotny błąd w wyznaczeniu tej amplitudy powoduje czterokrotny błąd w wyznaczonej
energii sejsmicznej. Innym parametrem mającym wpływ na wyznaczoną energię sejsmiczną
ma czas trwania grupy fal bezpośrednich, które zaznaczamy na sejsmogramie przed rozpoczęciem procesu obliczania energii [2,3,7,8]. Również i w tym przypadku tylko sprawny
sejsmometr i właściwie tłumiony może zapewnić prawidłowy odczyt.
2. Charakterystyki sejsmometru SPI-70
Szczególnie w kopalniach głębinowych, sejsmometry często pracują w bardzo trudnych
warunkach (temperatura, wilgoć, zapylenie itp). Niestety, sejsmometry SPI-70 ze względu na
swoją nieszczelną obudowę są bardzo podatne na działanie zewnętrznych warunków atmosferycznych. Powietrze o dużej zawartości wilgotności i pyłów penetrując obudowę sejsmometru
systematycznie niszczy jego mechanizmy wewnętrzne. Uszkodzeniu ulegają głównie: cewka,
lamelki (zawiesia masy magnetycznej), sprężyna, magnes i okablowanie. Zwarta cewka powoduje wzrost tłumienia masy sejsmicznej sejsmometru i spadek jego czułości. Charakterystyka
amplitudowo – częstotliwościowa dla niskich częstotliwości jest wtedy zaniżona tj. niskie
częstotliwości są gorzej przenoszone. Naderwane lamelki osłabiają zawieszenie masy magnetycznej w wyniku czego, podczas rejestracji drgań górotworu, w zapisach pojawiają się
dodatkowe rezonanse boczne.
Wraz z upływem czasu i pracy w trudnych warunkach klimatycznych następuje osłabienie
pola magnetycznego w szczelinie magnesu. Osłabienie pola magnetycznego w szczelinie
powoduje osłabienie czułości sejsmometru, a także jego niedotłumienie. Objawa się ono tym,
że w zapisach sejsmicznych pojawia się częstotliwość rezonansowa wahadła. Im bardziej
czułość spada tym większy jest udział tych częstotliwości w sygnale wyjściowym (rys. 2.3).
Należy przyjąć (w wyniku obserwacji praktycznych), że sejsmometr SPI-70 ze stażem pracy
około 10 lat traci na swojej czułości około 40%. Wartość ta może być większa lub mniejsza
zależnie od tego w jakich warunkach sejsmometr był eksploatowany, a także od dobroci
materiału z jakiego wykonany jest rdzeń magnesu. Pod tym względem zdecydowanie lepszy
okazuje się być sejsmometr Willmor MK-II i MK-III, stosowany w kopalniach miedzi oraz
w Górnośląskiej Regionalnej Sieci Sejsmologicznej GIG (GRSS GIG).
Wyjaśnienie przyczyny ewentualnych błędnych wskazań sejsmometru SPI-70 przedstawiono na rysunkach. Na rysunku 2.1. widoczne są typowe drgania wejściowe na sejsmometr
wywołane wstrząsem górotworu.
Sygnał wyjściowy z sejsmometru na drgania z rysunku 2.1. pokazano na kolejnych dwóch
rysunkach. Na rysunku 2.2 widoczny jest prawidłowy obraz przebiegu czasowego. Sejsmometr
jest sprawny technicznie (współczynnik elektromechaniczny wynosi P = 150 Vs/m dla
częstotliwości powyżej 1 Hz a poniżej 1 Hz nie są zauważalne rezonanse) i tłumienie
sejsmometru jest optymalne D = 0,7. Sygnał napięciowy na wyjściu U = 0,09 V pomnożony
przez współczynnik wzmocnienia daje rzeczywiste wielkości amplitud wejściowych i nie
zauważa się sztucznie wytworzonych drgań rezonansowych w ‘ogonie’ tego zapisu. Natomiast
____________________________________________________________________________
404
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
na rysunku 2.3 widoczne są rezonanse na niskich częstotliwościach (jest to wpływ zbyt
niskiego tłumienia sejsmometru) oraz czterokrotnie mniejszy sygnał wyjściowy, U = 0,023 V
(wywołany rozmagnesowaniem cewek w sejsmometrze). W efekcie taka rejestracja może dać
błędną informację o amplitudzie drgań podłoża, w tym przypadku czterokrotnie mniejszą od
rzeczywistej, a dodatkowo w zapisie widoczne są długo ciągnące się drgania niskoczęstotliwościowe (może to być przyczyną wybrania zbyt długiego odcinka sejsmogramu do
obliczania energii sejsmicznej).
Rys. 2.1. Sygnał wejściowy na sejsmometr (amplitudy prędkości drgań podłoża m/s)
Fig. 2.1. Amplitude velocity input function for SPI-70 seismometer
Rys. 2.2. Charakterystyka poprawnie działającego sejsmometru SPI-70 – rysunek górny oraz sygnał
wyjściowy (poprawny pod względem amplitudy)
Fig. 2.2. Frequency response function for SPI-70 seismometer (upper figure) and amplitude response
function for SPI-70 seismometer in good efficiency
____________________________________________________________________________
405
G. MUTKE, A. MIREK – Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu...
____________________________________________________________________________
Rys. 2.3. Charakterystyka niesprawnie działającego sejsmometru SPI-70 – rysunek górny (mały
współczynnik elektromechaniczny oraz pik rezonansowy na częstotliwości około 0,8 Hz) oraz sygnał
wyjściowy o amplitudzie zaniżonej około 4-krotnie w stosunku do wejściowego (na częstotliwości piku
rezonansowego rejestrują się w ‘ogonie’ sejsmogramu szumy niskoczęstotliwościowe)
Fig. 2.3. Frequency and amplitude response functions for SPI-70 seismometr in bad efficiency (to small
damping factor and to highe resonance at 0,8 Hz). We can see also long tail at low
resonance frequency – noise (bottom figure)
Czterokrotne zaniżenie amplitud prędkości drgań wyjściowych spowoduje szesnastokrotny
błąd w obliczanej energii sejsmicznej. Na przykładzie przedstawiono przypadek dość skrajny,
ale możliwy do zaistnienia w praktyce, o ile sejsmometr SPI-70 nie będzie odpowiednio często
sprawdzany i remontowany. Opisane przypadki podatności na błędne działanie sejsmometru
SPI-70 biorą się z niedoskonałości jego konstrukcji i nie najlepszych materiałów użytych do
jego budowy.
Dużo stabilniejsze są sejsmometry Willmore MK-III i MK-II, stosowane w zagłębiu
miedziowym i w GRSS GIG. Sejsmometry te pracują nieprzerwanie w GRSS GIG od roku
1975 i do tej pory nie uległy rozmagnesowaniu ani nie straciły swoich pierwotnych
parametrów z przyczyn warunków atmosferycznych. Obecnie wchodzą również specjalnie
przystosowane do sejsmologii, sondy geofonowe niskoczęstotliwościowe (1 Hz), mające
podobną charakterystykę przenoszenia sygnału co sejsmometry. Sondy te są odporne na
czynniki zewnętrzne i dodatkowo łatwiejsze w montażu. Przykładem takiej sondy jest sonda
DML-2001 w wersji jedno- lub trójskładowej, która może zastąpić w praktyce sejsmometr
krótkookresowy. Sonda ta nie wymaga przy montażu, budowy specjalnych komór i można ją
bardzo łatwo przemieszczać w miarę rozwoju frontu eksploatacyjnego.
____________________________________________________________________________
406
WARSZTATY 2004 z cyklu „Zagrożenia naturalne w górnictwie”
____________________________________________________________________________
3. Wpływ posadowienia sejsmometru na parametry drgań podłoża
Drugim elementem mającym wpływ na parametry do wyznaczania energii sejsmicznej jest
prawidłowe posadowienie sejsmometru na odpowiednim podłożu [1, 3, 4, 6]. Amplitudy
prędkości drgań od tego samego wstrząsu są różne w zależności od budowy geologicznej
podłoża na którym sejsmometr jest posadowiony. Z reguły sejsmometry posadowione na
słabszych i bardziej spękanych skałach (np. w pokładzie węgla), rejestrują inne amplitudy
drgań niż sejsmometry posadowione na twardej skale [5]. Wyznaczenie energii sejsmicznej jest
związane z amplitudami drgań i własnościami skał w miejscu rejestracji, czyli w miejscu
posadowienia sejsmometru. Prawidłowe obliczenia uzyskuje się dla rejestracji na twardej
skale. Posadowienie sejsmometru na innym podłożu, dającym odmienne wielkości rejestrowanych amplitud (tzw. zjawisko amplifikacja drgań), musi być uwzględnione w procesie
obliczania energii wstrząsu przez wprowadzenie tzw. współczynnika podłoża.
Niestety ten element nie jest z reguły uwzględniany w procesie obliczeniowym, co ma
wpływ na ilościowe oznaczenie energii niektórych wstrząsów.
Nie należy również zapominać o prawidłowym ustawieniu sejsmometru w poziomie. Zbyt
duże odchylenie sejsmometru od poziomu powoduje odchylenie wahadła od poziomu linii
zerowej. Zmiana ta często pociąga za sobą zmianę czułości sejsmometru i tłumienia, co
wpływa na wielkość rejestrowanej amplitudy drgań.
4. Podsumowanie
W artykule opisano szereg czynników mogących wpłynąć na błędne rejestracje drgań
podłoża przez sejsmometry. Szczególnie czułe na powstanie takich błędów są sejsmometry
SPI-70, zbudowane z nie najlepszych materiałów. Sejsmometry te są dość powszechnie
stosowane w polskich kopalniach węgla kamiennego i w KWB Bełchatów. Jedynym sposobem
uniknięcia błędów pomiarowych jest systematyczne sprawdzanie sprawności technicznej
sejsmometrów SPI-70, ich bieżące remonty oraz częste wykonywanie kalibracji. Tylko
w takim przypadku można mieć pewność, że nie popełnimy błędów przy wyznaczaniu energii
sejsmicznej wstrząsów górotworu.
Dużo bardziej stabilne i niezawodne technicznie są sejsmometry Willmore MK-III i MK-II
stosowane w zagłębiu miedziowym i w GRSS GIG. Nową jakość w kopalnianych sieciach
sejsmologicznych mogą wnieść specjalistyczne niskoczęstotliwościowe sondy geofonowe,
które w przyszłości mogą zastępować drogie i uciążliwe w utrzymaniu sejsmometry SPI-70.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Aki K., Richards P. G. 1980: Quantitative Seismology – Theory and Methods. vol. 1, 2, W. H. Freeman
and Co., San Francisco.
Dubiński J. 1995: Poradnik Geofizyka, Sejsmologia. Biblioteka Szkoły Eksploatacji Podziemnej, nr. 8.
Dubiński J., Wierzchowska Z. 1973: Metody obliczeń wstrząsów górotworu na górnym Śląsku.
Komunikat GIG nr. 591, Katowice.
Dubiński J. and Mutke G. 1996: Characteristics of mining tremors within the near-wave field zone.,
Pageoph., Vol. 147, No.2, 249 – 261.
Dubiński J., Mutke G., Lurka A. i Siata R. 1996: Wpływ spękanego pokładu węglowego na
amplitudy prędkości drgań i przyrost naprężeń dynamicznych. Prace Naukowe GIG, seria
konferencje, nr. 16, Katowice.
Gibowicz S. J. and Kijko A 1994: An Introduction to Mining Seismology. Academic Press, New
York.
____________________________________________________________________________
407
G. MUTKE, A. MIREK – Wpływ sprawności technicznej sejsmometrów i miejsca ich montażu...
____________________________________________________________________________
[7]
[8]
Mutke G. 2001: Empiryczna ocena maksymalnych prędkości drgań (PPV) wywołanych wstrząsami
na wyrobiska górnicze w kopalniach węgla kamiennego GZW, W: Materiały Konferencyjne:
Tąpania 2001: Miary oceny stanu zagrożenia tąpaniami i skuteczności profilaktyki, Prace Naukowe
GIG, s. Konferencje No 39, 113 – 118.
Stec K. 2001: Metody obliczania energii sejsmicznej – rozwój metod i stan aktualny. W: Badania
geofizyczne w kopalniach, Wyd. IGSMiE PAN Kraków.
Influence of the seismometer technical conditions and geological
conditions on the seismic energy mining tremors results
The essential instrument for observation of mining tremors motion is the seismometer. To
calculate seismic energy and other seismic source parameters, we need real ground motion
velocity. In the Polish coal mines and in the Bełchatów open pit mine, SPI-70 seismeters are
used to measured ground motion. Unfortunately, the SPI-70 seismometers have been losing
their parameters and have been giving unreal ground motion, after they were used for a few
years. In that case is not possible to calculate exact seismic energy of the tremors. The second
factor which influence on the seismic energy result is suitable fastening the seismometer on the
rock. We have to be very carefull and we must test SPI-70 seismometer every two years, to
calculate seismic energy correctly. In the Polish cooper mines and Upper Silesian Regional
Seismic Network there are using more stable and better seismometrs, called Wilmore MK-III
and MK-II.
Przekazano: 25 kwietnia 2004 r.
____________________________________________________________________________
408