Zenon PILECKI*/**, Jerzy KŁOSIŃSKI** Profilowanie tłumienia fali

WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Materiały Warsztatów str. 381–393
Zenon PILECKI*/**, Jerzy KŁOSIŃSKI**
* Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków
** Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków
Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
Streszczenie
W pracy przedstawiono założenia metodyczne profilowania tłumienia fali sejsmicznej
w pokładzie węgla w strefie przyociosowej wyrobisk chodnikowych. Podkreślono, że tłumienie może być interesującym parametrem uzupełniającym pomiar refrakcyjnej prędkości fali
w pokładzie węgla. Wskazano na przydatność zmian współczynnika tłumienia ze względu na
jego dużą wrażliwość na zmiany stanu naprężenia i deformacji w pokładzie węglowym w porównaniu do prędkości fali typu P.
W pracy przedstawiono przykład profilowania zmian współczynnika tłumienia i prędkości
refrakcyjnej fali sejsmicznej typu P w pokładzie węgla 713/2 w KWK „Marcel”. Wyniki
profilowania posłużyły do określenia zasięgu i wielkości anomalnych stref naprężeń w eksploatowanym pokładzie oraz oceny charakteru strefy spękań w ociosie wyrobiska.
1. Wprowadzenie
Parametry sejsmiczne są wielkościami fizyczno-mechanicznymi charakteryzującymi
sposób propagacji fal w różnych ośrodkach geologicznych. Do podstawowych parametrów
zaliczane są prędkości fali P i S. Dla celów inżynierskich parametry sejsmiczne są określane na
podstawie różnego rodzaju technik pomiarów sejsmicznych (Marcak, Pilecki 2003). Sposoby
wyznaczenia i wykorzystania tych parametrów były przedmiotem licznych publikacji krajowych i zagranicznych.
W ostatnich kilkunastu latach podejmowane są badania dla szerszego wykorzystania
parametrów związanych z tłumieniem fal sejsmicznych. Znajomość tłumienia może być
szczególnie przydatna dla dokładniejszego określenia właściwości mechanicznych ośrodka.
Zagadnienie to jest złożone, gdyż tłumienie w istotny sposób zależy od stanu naprężenia i deformacji pierwotnej i wtórnej ośrodka, jego porowatości, czy wypełnienia medium ciekłym
i gazowym. Właściwości tłumiące można opisać dwoma parametrami: współczynnikiem
tłumienia  i współczynnikiem dobroci Q.
W górnictwie węgla kamiennego metoda refrakcyjnego profilowania sejsmicznego jest
wykorzystywana m.in. do oceny względnych przyrostów naprężeń w wyrobiskach zagrożonych tąpaniami (Dubiński 1989). Technika ta generalnie umożliwia ilościową ocenę efektu
oddziaływania różnych czynników kształtujących stan naprężenia i deformacji.
Metoda profilowania sejsmicznego jest metodą stosunkowo szybką i łatwą w realizacji dla
przyjętych schematów pomiarowych, przy stosowaniu obecnej aparatury pomiarowej i specjalistycznego oprogramowania interpretacyjnego. Dla potrzeb profilowania wykorzystuje się
381
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
oprogramowanie typowe dla inżynierskich zastosowań profilowań refrakcyjnych. Pozwala ono
na efektywne rozpoznanie przebiegu sejsmicznej granicy między silnie spękaną strefą
ociosową (plastyczną) a strefą nienaruszoną (sprężystą). Wyznaczanie prędkości refrakcyjnej
fali P wymaga obliczeń metodą inwersji. W przypadku obliczeń współczynnika tłumienia
wystarczy poprawna identyfikacja fali refrakcyjnej na zapisie falowym.
Praca omawia założenia metodyczne profilowania tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie
węgla wykonywanych w ociosach wyrobisk chodnikowych. Przedstawiono również przykład
wyznaczania współczynnika tłumienia sejsmicznego w pokładzie 713/2 w rejonie ściany M-3
w KWK „Marcel”.
2. Wybrane zagadnienia tłumienia fal sejsmicznych
Tłumienie sejsmiczne w ośrodku rzeczywistym jest procesem niesprężystym. W trakcie
jego przebiegu zachodzi ciągła utrata energii sejsmicznej wskutek niesprężystych deformacji.
Według Johnstona i in. (1979; za Bartonem 2007) tłumienie wewnętrzne związane z pochłanianiem energii sejsmicznej w skałach i masywach skalnych jest efektem:
 niesprężystości szkieletu skalnego,
 dyssypacji energii sejsmicznej w wyniku tarcia wewnętrznego pomiędzy powierzchniami ziaren, mikroszczelin czy porów,
 relaksacji energii w wyniku ruchów cieczy na granicy z szkieletem skalnym,
 względnych ruchów szkieletu skalnego w sąsiedztwie cieczy w skałach nasyconych
ciekłym medium,
 przepływów nieustalonych typu „squirt” z mikroszczeliny do przestrzeni porowej i wewnątrz przestrzeni porowej z jej przewężeń do części centralnej,
 ruchów gazów w przestrzeniach porowych i mikroszczelinach,
W skali pomiarów sejsmicznych Sheriff (1968) opisuje tłumienie jako proces:
 zmniejszania się wielkości amplitudy fali na drodze jej propagacji,
 zmniejszania amplitudy lub energii bez zmiany kształtu fali,
 zmniejszenia energii sygnału sejsmicznego z odległością, które nie jest związane z geometrycznym rozchodzeniem się, ale jest związane z cechami fizycznymi ośrodka, które
powodują pochłanianie i rozpraszanie.
W ogólnym ujęciu w pomiarach sejsmicznych zanikanie amplitudy sygnału ze wzrostem
odległości od źródła związane jest z geometrycznym rozchodzeniem się fali oraz stratami
energii sejsmicznej wskutek pochłaniania i rozpraszania. Efekt geometryczny jest zjawiskiem
zaniku amplitudy fali w miarę oddalania się frontu falowego od źródła w wyniku zmniejszania
się gęstości energii sejsmicznej. Rozpraszanie jest efektem lokalnego rozdzielenia energii
sejsmicznej z zachowaniem sumarycznej wielkości na niejednorodnościach ośrodka, w wyniku
którego powstają różnego rodzaju fale nazywane dyfrakcyjnymi. Pochłanianie zwane też absorpcją związane jest z lokalną stratą energii sejsmicznej wskutek różnych przemian energetycznych w ośrodku niesprężystym.
W trakcie propagacji fali sprężystej przez ośrodek, część jej energii mechanicznej jest
zamieniana na ciepło (poprzez tarcie i lepkość) na granicach ziaren i mikrospękań. W trakcie
jak skała podlega ściskaniu i rozciąganiu podczas przechodzenia przez nią fali sejsmicznej,
medium ciekłe i gazowe wypełniające pory i mikropęknięcia przemieszcza się w sposób
wymuszony. Na zmniejszanie się amplitudy fali ma wpływ ruch medium, zwłaszcza na
382
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
granicach kontaktowych z elementami szkieletu ośrodka skalnego. Amplitudy fal o wyższych
częstotliwościach ulegają większemu zanikowi ze względu na bardziej intensywne drgania.
Przyjmując izotropowy charakter ośrodka efekt zaniku amplitudy A fali objętościowej z odległością od źródła r można opisać zależnością:
1
A( r1 )  r1 
    exp[  ( r1  r2 )]
A( r2 )  r2 
(2.1)
gdzie:
 – współczynnik tłumienia,
r1, r2 – punkty pomiaru amplitudy wyrażone w odległościach od źródła.
Amplituda fal powierzchniowych ze względu na dyssypację geometryczną maleje z odległością jak 1/r 0,5, a amplituda fal objętościowych jak 1/r. Natomiast energia sejsmiczna maleje
odpowiednio jak 1/r i 1/r 2 (rys. 2.1). Część druga równania (2.1) jest odpowiedzialna za tłumienie związane z pochłanianiem i rozpraszaniem.
Rys. 2.1. Sposób zanikania fal z odległością (Woods 1968)
Fig. 2.1. Decay of wave front in increasing distance (Woods 1968)
Wszystkie wymienione czynniki mogą mieć wpływ na wielkość amplitudy na obrazie
falowym. W ośrodku niejednorodnym, zwłaszcza w spękanym i zdeformowanym pokładzie
węgla, rozdzielenie tych czynników jest trudne.
W przypadku pomiarów sejsmicznych, w intensywnie spękanej strefie ociosowej wyrobisk
w pokładzie węgla wydaje się, że największy wpływ na tłumienie fal sejsmicznych ma pochłanianie związane z efektem tarcia na powierzchniach mikrospękań i rozluźnionych kontaktach
383
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
międzyziarnowych. Taki pogląd prezentuje Barton (2007) w odniesieniu do stanu deformacji
ośrodka umożliwiającego przemieszczenia powierzchni kontaktowych. W takich warunkach
istotny wpływ na efekt działających sił tarcia ma stan naprężenia.
Niewątpliwie w pokładzie węgla zachodzi również strata części energii sejsmicznej
związanej z ruchem gazów i cieczy znajdujących się w strukturze węgla. Część energii
sejsmicznej ulega rozproszeniu w silnie niejednorodnym i zdeformowanym pokładzie węgla.
Tłumienie będzie się zwiększać w miarę wzrostu wytężenia pokładu. Reasumując, w niejednorodnym i niesprężystym pokładzie węgla tłumienie istotnie zależy od stanu naprężenia
i deformacji.
Można przyjąć, że dla fal płaskich w pokładzie węgla zmniejszanie się amplitudy jest
łącznym efektem pochłaniania i rozpraszania energii sejsmicznej i ma charakter wykładniczy
w funkcji odległości:
(2.2)
A( r )  A0 e r
gdzie:
A – amplituda w odległości r od źródła,
A0 – amplituda źródła,
 – współczynnik tłumienia (posiada wymiar 1/m).
Wyznaczenie współczynnika tłumienia  jest trudne ze względu na skomplikowane pole
falowe w spękanym pokładzie węgla w otoczeniu wyrobisk górniczych. W takim ośrodku
może powstawać wiele rodzajów fal: bezpośrednie, odbite, refrakcyjne (refragowane), czy
kanałowe. Dla obliczeń współczynnika tłumienia  należy wydzielić konkretny rodzaj fali –
w profilowaniach tłumienia – falę refrakcyjną typu P.
Można również przyjąć, że decydujący wpływ na tłumienie w pokładzie węgla ma efekt
pochłaniania. Uważa się, że efekt rozpraszania jest skomplikowany, gdy rozmiary niejednorodności L i długości fal λ są porównywalne w zakresie (Aki i Wu; za Kornowskim 2002):
0,1 < L/λ <10
W przypadku gdy główne częstotliwości fal sejsmicznych (w refrakcyjnych profilowaniach
sejsmicznych) mieszczą się w granicach od 10 do 150 Hz, to niejednorodności istotne osiągają
rozmiary od kilku do kilkudziesięciu metrów, czyli większych rozmiarów deformacje w pokładzie pochodzenia geologiczno-tektonicznego lub górniczego (uskoki, ścienienia, szczeliny
w polu naprężeń wtórnych, itp.).
Wyznaczanie zmian współczynnika tłumienia  jako parametru opisującego stan naprężenia i deformacji w pokładzie węgla ma tą istotną zaletę, że jest bardziej wrażliwy w porównaniu do prędkości fali typu P. Na rysunku 2.2 przedstawiono przykład zmian prędkości
fali typu P i tłumienia wyrażonego przez wielkość 1000/Q (Q – współczynnik dobroci)
w zależności od odkształcenia próbki piaskowca. Eksperyment pokazuje, że tłumienie zmienia
się w granicach do 19%, natomiast prędkość tylko do 0,7%. Podobny efekt pomierzono na
próbkach węgla w stanie suchym i nasyconym wodą (rys. 2.3). Zmiany wartości współczynnika tłumienia są zdecydowanie większe w porównaniu do zmian prędkości fali typu P
(odpowiednio 23% i 91% maksymalnie). Należy również zaobserwować, że ze wzrostem
wartości naprężenia przyrosty zmian prędkości fali są coraz mniejsze. Natomiast przyrosty
zmian współczynnika tłumienia ze wzrostem naprężenia maleją w mniejszym stopniu, zwłaszcza dla próbek zawodnionych, redukujących przestrzeń głównie mikrospękań.
384
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Rys. 2.2. Zmiany tłumienia (1000/Q) i prędkości fali P ze wzrostem odkształcenia na cylindrycznej
próbce piaskowca w zakresie częstotliwości od 500 do 9000 Hz (Winkler, Nur 1982)
Fig. 2.2. Variations of attenuation (1000/Q) and velocity with strain increase, based on cylindrical
samples of sandstone in the range of frequency from 500 to 9000 Hz (Winkler, Nur 1982)
a)
b)
Rys. 2.3. Zmiany prędkości fali P (a) i współczynnika dobroci (jakości) dla fali P (b) w zależności od
obciążenia dla zawodnionych i suchych próbek węgla;
oznaczenia niewypełnione – próbki suche, oznaczenie wypełnione – próbki zawodnione (Yu i in. 1993)
Fig. 2.3. The changes of P-wave velocity (a) and seismic quality of P-wave Q (b) with load increases for
dry and saturated coal samples;
dotes filled black for saturated and not filled for dry samples (Yu et al. 1993)
3. Podstawowe założenia metodyczne profilowania tłumienia
3.1. Metodyka pomiarowa
Podstawowym celem profilowania sejsmicznego jest rozpoznanie refrakcyjnej prędkości
fali typu P i jej tłumienia w strefie nienaruszonej (w rzeczywistości nieznacznie spękanej)
385
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
wykonaniem i istnieniem wyrobiska, zwanej z punktu widzenia mechaniki górotworu strefą
sprężystą (rys. 3.1). W strefie tej, w jej początkowej części występuje maksimum prędkości
w związku z maksimum naprężeń obwodowych (rys. 3.1b). Mogą one mieć duży wpływ na
prędkość i tłumienie fali refrakcyjnej. W praktyce zapis falowy jest silnie zniekształcony i wyznaczenie fali refrakcyjnej typu P jest utrudnione (rys. 3.1c).
Rys. 3.1. Schemat profilowania sejsmicznego w ociosie wyrobiska;
(a) sposób propagacji refrakcyjnej fali typu P; (b) charakterystyka prędkości fali P w funkcji odległości
od ociosu; (c) przykładowy obraz falowy
Fig. 3.1. Scheme of seismic profiling along excavation sidewall;
(a) P-wave propagation; (b) characteristic of P-wave velocity in function of distance from excavation
sidewall; (c) exemplary wavefield
W zależności od warunków propagacji fali w pokładzie węgla w dostosowaniu do energii
źródła fali długość rozstawów może osiągać do 115 m dla 24 czujników. Odstęp między geofonami należy przyjąć od 2 do 5 m w zależności od możliwości identyfikacji fali refrakcyjnej.
Falę sejsmiczną wzbudza się za pomocą udaru 5 kg młotem. Dla wzmocnienia sygnału
i ograniczenia szumu należy stosować co najmniej 5-krotne składanie. Nawet na dłuższych
odcinkach rejestracje są czytelne w przypadku niskiego poziomu tła sejsmicznego i dużych
wzmocnień aparatury rzędu ponad 100 dB. Geofony można instalować w różny sposób, przy
czym kontakt z górotworem ma zapewnić wyraźne i niezniekształcone wejścia fal re-
386
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
frakcyjnych. Czujniki zamocowane na krótkich – około 40 cm długości – kotwiach w strefie
nieodspojonej zapewniają wystarczająco przydatne dla interpretacji obrazy falowe. Czas
rejestracji i próbkowanie sygnału należy każdorazowo testować w konkretnym rejonie
pomiarowym. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń sugeruje się dobór próbkowania
z taktem 0,125 ms i czas rejestracji 0,5 sekundy.
3.2. Metodyka interpretacji
Zarejestrowane trasy sejsmiczne po sortowaniu i składaniu są filtrowane częstotliwościowo, a następnie wyznacza się czasy wejścia fali bezpośredniej i refrakcyjnej (związanej
z granicą calizny). Sposób wyznaczenia współczynnika tłumienia  polega na:
 odczytaniu maksymalnej wartości amplitudy fali refrakcyjnej,
 znormalizowaniu maksymalnych amplitud względem największej wartości.
Tak przetworzone dane można przedstawić w formie graficznej w układzie odległość od
źródła i logarytm naturalny znormalizowanej amplitudy fali P – Ap, np. ln (AP/APmax). Współczynnik kierunkowy uśrednionych liniowo punktów pomiarowych jest współczynnikiem tłumienia .
Dla poprawy dokładności wyznaczenia współczynnika tłumienia należy uśredniać od 3 do
5 punktów pomiarowych z krokiem odległości między kolejnymi punktami wzbudzenia fali
(PS). Krok ten wynosi 1 punkt, jeżeli PS-y wykonywane są między każdą parą geofonów.
Profilowanie tłumienia wykonuje się wraz z profilowaniem prędkości refrakcyjnej zgodnie
z metodą J. Dubińskiego (1989) uaktualnioną w pracy Dubińskiego i Konopki (2000). Metoda
ta została udoskonalona poprzez zastąpienie prostoliniowych granic refrakcyjnych granicami
nieliniowymi (np. Tor i in. 2006).
W etapie interpretacji przyjmuje się dwuwarstwowy model ośrodka zbudowany ze strefy
spękań oraz calizny. Do obliczenia modelu prędkościowego i zasięgu strefy spękań wykorzystuje się metodę czasu wzajemnego (reciprocal traveltimes method). Korekty modelu dokonuje
się metodą analizy odwrotnej. Poprzez zmianę położenia granic sejsmicznych modelu dopasowuje się hodografy obliczone do obserwowanych. Dokładność obliczeń weryfikuje się poprzez minimalizację średniego błędu kwadratowego.
4. Przykład profilowania tłumienia sejsmicznego w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2
4.1. Zakres badań
Badania przeprowadzono w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2 w chodniku ścianowym
M-4 w odległości od 70 m do 185 m przed frontem ściany oraz w chodniku ścianowym M-3
w odległości od 135 m do 250 m przed frontem ściany (rys. 4.1). Wykonano 230 mb profili
sejsmicznych (2 rozstawy po 115 m).
4.2. Warunki geologiczne w rejonie pomiarów
Pokład 713/2 ma grubość średnio 1,7 m. Generalnie, wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie węgla pokładu 713/2 Rc = 20,6 MPa, energetyczny wskaźnik naturalnej skłonności
węgla do tąpań WET = 2,38. W bezpośrednim stropie pokładu 713/2 zalega 6,45 m warstwa
387
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
piaskowca (Rc = 55,2 MPa), nad którą zalega 0,35 m warstwa pokładu 713/1. W spągu pokładu
występuje 1,5 m warstwa łupku ilastego (Rc = 37,3 MPa).
Pokład 713/2 w rejonie badań zaliczony jest do I stopnia zagrożenia tąpaniami. W analizowanym rejonie krawędzie podbudowy nie występują, natomiast krawędzie nadbudowy
wytworzone są w pokładach:
707/1-2 (46–54m powyżej),
705/2-3 (85–95m powyżej).
Rys. 4.1. Szkic sytuacyjny z rejonu pomiarów profilowania sejsmicznego z zaznaczeniem położenia
profili w rejonie ściany M-3 w pokładzie 713/2 w KWK „Marcel”
Fig. 4.1. Scheme of seismic profiling surveys in the M-3 longwall area, seam 713/2
in “Marcel” hard coal mine
4.3. Wyniki i analiza profilowań sejsmicznych
Na rysunku 4.2 przedstawiono wykres zmian współczynnika tłumienia (4.2a) i pomierzony
zasięg strefy spękań (4.2b) w chodniku ścianowym M-4 wzdłuż profilu I–I′, natomiast na
rysunku 4.3 zmiany prędkości fali podłużnej P. Podobne wykresy zostały opracowane dla
profilu II–II′ w chodniku ścianowym M-3 na rysunku 4.4 i 4.5.
388
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Rys. 4.2. Wyniki profilowania zmiany współczynnika tłumienia refrakcyjnej fali P (a) i szerokości strefy
spękań (b) w chodniku ścianowym M-4 w pokładzie 713/2 w KWK „Marcel”
Fig. 4.2. Changes of refraction P wave attenuation coefficient (a) and fracture zone width (b)
in the M-4 gallery, seam 713/2 in the “Marcel” hard coal mine
Rys. 4.3. Wyniki profilowania sejsmicznego prędkości fali typu P wykonanego w chodniku ścianowym
M-4 w pokładzie 713/2 w KWK „Marcel”
Fig. 4.3. Results of seismic profiling of P-wave velocity carried out in the M-4 gallery,
seam 713/2 in the “Marcel” hard coal mine
389
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
Rys. 4.4. Zmiany współczynnika tłumienia refrakcyjnej fali P (a) i szerokości strefy spękań (b)
w chodniku ścianowym M-3 w pokładzie 713/2 w KWK „Marcel”
Fig. 4.4. Changes of refraction P wave attenuation coefficient (a) and fracture zone width (b)
in the M-3 gallery, seam 713/2 in the “Marcel” hard coal mine
Rys. 4.5. Wyniki profilowania sejsmicznego prędkości fali typu P wykonanego w chodniku ścianowym
M-3 w pokładzie 713/2 w KWK „Marcel”
Fig. 4.5. Results of seismic profiling of P-wave velocity carried out in the M-3 gallery,
seam 713/2 in the “Marcel” hard coal mine
390
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
Profil I –I′
Współczynnik tłumienia fali sejsmicznej na profilu przyjmuje wartości od 0,15 m-1 do
0,23 m-1, przy czym widoczny jest odcinek profilu ze wzrostem wartości współczynnika
tłumienia na metrażu od 45 m do 65 m, w strefie potencjalnego oddziaływania krawędzi
pokładu 707/2, a także występowania uskoku o zrzucie ok. 1,5 m (rys. 4.2). Prędkości fali P
zmieniają się od 2160 m/s do 2355 m/s (rys. 4.3). Na profilu można zaobserwować dwa
charakterystyczne odcinki: pierwszy od 0 do ok. 50 m, drugi od ok. 50 m do 115 m. Na
pierwszym odcinku prędkości fali P są zbliżone do prędkości odniesienia i zmieniają się od
2160 m/s do 2260 m/s z minimum w punkcie 15 m. Na drugim odcinku od ok. 50 m do 115 m
występuje wzrost prędkości w caliźnie węglowej w zakresie od 2260 m/s do 2355 m/s przy
czym największa wartość występuje na ok. 68 m, w rejonie krawędzi pokładu 707/2. W tym
miejscu wyznaczono anomalię prędkości A1 = 12,0%. Wielkość anomalii świadczy o słabym
wzroście naprężeń w granicach od 20 do 60%. Zasięg oddziaływania krawędzi należy przyjąć
od 45 m do 90 m profilu, przy czym granica od strony wschodniej jest trudna do ustalenia ze
względu na wysoki poziom prędkości na wybiegu pola ściany M-3 od strony pozostawionego
filara ochronnego. Analizując względną wielkość odprężenia w porównaniu do wielkości maksymalnych prędkości obliczono anomalię A2 = −8,3% (rys. 4.3). Anomalia ta wskazuje na
słabe odprężenie i przypuszczalny spadek naprężeń od 25–55%. Na profilu I–I′ zasięg strefy
spękań zmienia się od 1,2 do 2,7 m.
Należy podkreślić, że wyniki pomiaru prędkości fali sejsmicznej i jej tłumienia wskazują na
słabe oddziaływanie krawędzi pokładu 707/2. W przypadku pomierzonych zmian współczynnika tłumienia, w strefie jego maksymalnego wzrostu można się spodziewać sumarycznego wpływu krawędzi pokładu 707/2 i strefy uskokowej.
Profil II–II′
Współczynnik tłumienia fali sejsmicznej na tym profilu przyjmuje wartości od 0,09 m–1 do
0,23 m–1 (rys. 4.4). Zauważalna strefa wyższych wartości współczynnika tłumienia z maksymalną wartością ok. 0,23 m–1 występuje pod zrobami pokładu 707/2. Pod calizną pokładu
707/2 na metrażu od 70 m do 105 m zauważalny jest spadek wartości współczynnika tłumienia
z minimalną wartością 0,09 m–1.
Prędkości fali P na profilu II–II′ zmieniają się od 2130 m/s do 2330 m/s (rys. 4.5).
Podobnie jak na pierwszym profilu, można zaobserwować dwa charakterystyczne odcinki:
pierwszy od 0 do ok. 48 m, drugi od ok. 48 m do 115 m. Na pierwszym odcinku prędkości fali
P są zbliżone do prędkości odniesienia i zmieniają się od 2150 m/s do 2200 m/s. Na drugim
odcinku od ok. 48 m do 115 m występuje wzrost prędkości w caliźnie węglowej w zakresie od
2200 m/s do 2330 m/s, przy czym największa wartość występuje na ok. 68 m, w rejonie krawędzi pokładu 707/2. Wyznaczona w tym miejscu anomalia prędkości A3 = 12,7%. Wielkość
anomalii świadczy o słabym wzroście naprężeń w granicach od 20 do 60%. Zasięg oddziaływania krawędzi należy przyjąć od 45 m do 85 m profilu, przy czym granica od strony wschodniej – podobnie jak dla profilu I–I′ – jest trudna do ustalenia. Względna wielkość odprężenia,
w porównaniu do wielkości maksymalnych prędkości, została określona anomalią A4 = −8,9%.
Anomalia ta wskazuje na słabe odprężenie i przypuszczalny spadek naprężeń od 25 do 55%.
Na analizowanym profilu II–II′ szerokość strefy spękań zmienia się od 1,0 do 2,6 m.
391
Z. PILECKI, J. KŁOSIŃSKI – Profilowanie tłumienia fali sejsmicznej w pokładzie węgla
Należy podkreślić, że wyniki pomiaru prędkości fali sejsmicznej i jej tłumienia na profilu
II–II′ potwierdzają stan naprężenia i deformacji pomierzony na profilu I–I′ i wskazują na słabe
oddziaływanie krawędzi pokładu 707/2. Prawdopodobnie zaobserwowany wzrost współczynnika tłumienia na profilu I–I′ w większej części był spowodowany oddziaływaniem krawędzi
niż strefy uskokowej.
Należy również zauważyć, że zmiany współczynnika tłumienia (na profilu I–I′ – 44%, a na
profilu II–II′ – 166%) są dużo większe w porównaniu do zmian prędkości fali P (na profilu I–I′
– 8%, a na profilu II–II′ – 9%).
5. Podsumowanie
Tłumienie fal w typowych profilowaniach sejsmicznych w pokładzie węgla w spękanych
strefach ociosowych wyrobisk chodnikowych charakteryzuje, podobnie jak prędkość refrakcyjna fali P, stan naprężenia i deformacji. Przypuszczalnie największy wpływ na tłumienie
energii sejsmicznej w pokładzie węgla w strefie ociosowej wyrobiska ma efekt pochłaniania
związany z przemianami energetycznymi w wyniku tarcia wewnętrznego. W omawianej technice pomiaru współczynnika tłumienia efekt rozpraszania energii sejsmicznej, jedynie w szczególnych przypadkach występowania deformacji pokładu o większych wymiarach, mógłby mieć
wpływ na wyniki pomiaru.
Należy podkreślić, że z dotychczasowych doświadczeń wynika, że współczynnik tłumienia
w porównaniu do prędkości fali sejsmicznej typu P wykazuje większą wrażliwość na zmiany
stanu naprężenia i deformacji.
Ocena zasięgu strefy spękań wynikająca z przyjęcia dwuwarstwowego modelu w interpretacji pomiaru profilowania może być przydatnym wskaźnikiem oceny jakości strefy buforowej wokół wyrobiska chodnikowego w aspekcie zagrożenia tąpaniami. Zagadnienie to ma
istotne znaczenie w profilaktyce tąpaniowej dla ochrony wyrobiska przed dynamicznym oddziaływaniem wstrząsów górotworu oraz do analizy stopnia wytężenia pokładu węgla w sąsiedztwie wyrobiska.
Przedstawione zagadnienie wymaga dalszych badań, a zwłaszcza zebrania doświadczeń
w różnych warunkach geologiczno-górniczych.
Literatura
[1] Barton N. 2007: Rock Quality, seismic velocity, attenuation and anisotropy, Taylor & Francis,
London.
[2] Dubiński J. 1989: Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi
w kopalniach węgla kamiennego. Prace GIG, Seria Dodatkowa.
[3] Dubiński J., Konopko W. 2000: Tąpania – ocena, prognoza, zwalczanie, Wyd. GIG, Katowice.
[4] Johnston D. H., Toksöz M. N., Timur A. 1979: Attenuation of seismic waves in dry and saturated
rocks: II. Mechanisms. Geophysics 44 (4), 691–711.
[5] Kornowski J. 2002: Podstawy sejsmoakustycznej oceny i prognozy zagrożenia sejsmicznego
w górnictwie, Wyd. GIG, Katowice.
[6] Marcak H., Pilecki Z. 2003 (red.): Wyznaczanie właściwości utworów fliszu karpackiego metodą
sejsmiczną dla potrzeb budownictwa tunelowego, Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków.
[7] Tor A., Chmiel P., Pilecki Z., Jakubów A., Skatuła R., Szreder Z., Kłosiński J. 2006: Kontrola
efektywności strzelań torpedujących za pomocą profilowań sejsmicznych. Bezpieczeństwo Pracy
i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG 6 (142), 62–64.
[8] Sheriff R. E. 1968: Glossary of terms used in geophysical exploration. Geophysics 32 (1), 183–228.
392
WARSZTATY 2007 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie
[9] Winkler K.W., Nur A. 1982: Seismic attenuation: effects of pore fluids and frictional sliding.
Geophysics 47 (1), 1–15.
[10] Woods R. D. 1968: Screening of surface waves in soils. J. Soil Mechanics and Foundation Division 94 (4), 951–979.
[11] Yu G., Vozoff K., Durney F.W. 1993: The influence of confining pressure and water saturation on
dynamic elastic properties of some Permian coals. Geophysics 58 (1), 30–38.
Profiling of seismic wave attenuation in hard coal seam
In the paper methodology of profiling of seismic wave attenuation in hard coal seam in
sidewall zone of drifts has been presented. It has been underlined, that the seismic attenuation
can be interesting parameter supporting the interpretation of refracted P-wave velocity.
Usefulness of attenuation coefficient is resulted from its great sensitivity for stress and
deformation changes in coal seam comparing to P-wave velocity.
In the paper, an example of profiling of attenuation coefficient and P-wave velocity in coal
seam 713/2 in “Marcel” coal mine has been described. Profiling results were used for
determining the range of stress anomalies in coal seam and to estimate the character of fracture
zone in the sidewalls of excavations.
Przekazano: 31 marca 2007 r.
393