Przydatne informacje

Menu

Wstrząsy górnicze

Wstrząsy górnicze a trzęsienia ziemi –podobieństwa i różnice

Trzęsienia ziemi w powszechnej świadomości ludzi kojarzą się z katastrofą wielkich rozmiarów. Stąd każdy wstrząs górniczy wywołujący odczuwalne przez ludzi drgania gruntu i budynków w naturalny sposób porównywany jest z tym zjawiskiem.

Czym w istocie jest trzęsienie ziemi i jaki jest mechanizm jego powstawania?

Zewnętrzna część skorupy ziemskiej zbudowana jest z przemieszczających się względem siebie płyt tektonicznych. W trakcie tego bardzo powolnego ruchu na kontakcie płyt dochodzi okresowo do lokalnych kumulacji naprężeń, a następnie do gwałtownego ich rozładowywania, objawiającego się nieodwracalnymi deformacjami ośrodka, któremu towarzyszy wydzielanie się dużych ilości energii, częściowo emitowanej w postaci fal sejsmicznych, a częściowo zamienianej na ciepło. Fale sejsmiczne rozchodzą się z ogniska trzęsienia (hipocentrum) i docierają na powierzchnię ziemi. Miejsce nad hipocentrum określane jest mianem epicentrum. Zazwyczaj właśnie w epicentrum fale posiadają największą siłę i wprawiają podłoże w największy stopień wibracji.

Ze względu na przyczynę trzęsienia Ziemi dzielimy na:

  • będące wynikiem przesunięć skał wzdłuż uskoku, np. ruchy płyt tektonicznych wzdłuż ich granicy stykania się (np. w strefach młodych gór - takich, jak Karpaty czy Sudety); stanowią około 90% wszystkich zjawisk sejsmicznych występujących na Ziemi,
  • związane z gwałtownymi erupcjami wulkanów spowodowane przemieszczeniem się magmy i gazów wulkanicznych wewnątrz skorupy ziemskiej,
  • (zapadliskowe) – związane z obszarami krasowymi, na których dochodzi do zawalania się stropów jaskiń lub innych próżni w podłożu; słabo odczuwalne,
  • związane z działalnością człowieka w litosferze (np. wstrząsy górnicze, naruszenie równowagi sił w skałach); na obszarach gęsto zabudowanych mogą być silnie odczuwalne, jednak w większości przypadków okazują się niegroźne.

Badaniem zjawisk związanych z trzęsieniami ziemi zajmuje się sejsmologia, a jeden z jej działów, zajmujący się metodyką instrumentalnych pomiarów (np. drgań gruntu), nazywa się sejsmometrią.

Do wstrząsów górniczych dochodzi w następstwie wybierania złoża kopaliny (np. pokładów węgla). Roboty górnicze wywołują proces przemieszczania się warstw górotworu, któremu czasami – w zależności od lokalnych warunków geologicznych i górniczych – towarzyszą nagłe odprężenia górotworu wyzwalające energię m.in. w postaci sprężystych fal sejsmicznych docierających do powierzchni terenu. Wieloletnie już obserwacje tego zjawiska w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym (i nie tylko) potwierdzają, iż jedynie w nielicznych przypadkach wstrząsy górnicze powodują niewielkie uszkodzenia budynków, zazwyczaj w postaci zarysowań, drobnych pęknięć tynku, uszkodzeń komina czy uszkodzenia dachówek.

Terytorium Polski nie należy do tzw. obszarów sejsmicznych. Trzęsienia ziemi występują u nas sporadycznie i są dość słabe. Polska ma dwa główne obszary występowania trzęsień ziemi. Jeden rejon obejmuje Góry Kaczawskie, Przedgórze Sudeckie, Nizinę Śląską, Wał Trzebnicki i Nizinę Wielkopolską wzdłuż linii Jelenia Góra-Leszno. Drugi - Kotlinę Oświęcimską, Wyżyny: Śląską i Krakowsko-Częstochowską wzdłuż linii Oświęcim-Herby.

Różnice pomiędzy silnym wstrząsem górniczym a słabym trzęsieniem ziemi (czas trwania drgań oraz ich przyspieszenia) obrazują przykładowe sejsmogramy:

Wielkość trzęsienia ziemi wyraża się w stopniach magnitudy (logarytm największej amplitudy drgań gruntu mierzonej w mikronach zarejestrowanych przez określonego typu sejsmograf, położony w odległości 100 km od epicentrum trzęsienia). Jako pierwszy wprowadził ją w 1935 r. Ch.F. Richter do sklasyfikowania lokalnych wstrząsów kalifornijskich jako skalę magnitud, tzw. Skala Richtera. Skala Richtera jest skalą energetyczną, tj. określa energię wyzwoloną w czasie wstrząsu. Każdy kolejny stopień skali oznacza 10-krotnie większą poziomą amplitudę drgań oraz około 32-krotnie większą energię wyzwoloną, mierzoną w dżulach (J). Później definicję skali kilkakrotnie rozszerzano. Obecnie popularnie (choć niezbyt poprawnie) nazwę skala Richtera używa się do wszelkich skal magnitud. Pojęcie magnitudy, równoznaczne z wielkością trzęsienia ziemi, bywa często mylone
z „siłą” (mówiąc potocznie) samych drgań gruntu, a ujmując właściwie, z intensywnością.

Intensywność wstrząsu określana jest na podstawie wartości przyspieszenia drgań gruntu, a także opisu skutków trzęsienia na powierzchni Ziemi. To intensywność drgań jest tym czynnikiem, który decyduje o zniszczeniach, a nie sama energia trzęsienia ziemi. Istnieje oczywiście ogólna prawidłowość, że większe trzęsienie wywołuje większe drgania, nie jest to jednak zależność bezpośrednia. W szczególności, mniejsze zjawisko może wywołać większe drgania jeżeli jego ognisko znajduje się płycej niż ognisko zjawiska większego. Intensywność drgań zależy także od odległości od epicentrum; to samo trzęsienie w różnych odległościach od epicentrum ma różne intensywności. Intensywność zależy także od innych czynników, m.in. rodzaju utworów geologicznych w danym miejscu. Intensywność wstrząsów sejsmicznych określana jest m.in. za pomocą 12-stopniowej skali intensywności EMS-98 (Europejska Skala Makrosejsmiczna) – intensywność ustala się na podstawie zawartych w skali opisów skutków wstrząsu dla budowli, zbiorników wodnych i ludzi.

Adaptowane dla potrzeb górnictwa skale makrosejsmiczne wykazują słabą korelację pomiędzy rejestrowanymi parametrami drgań, a skutkami tych drgań w obiektach na powierzchni terenu (w tym również powszechnie stosowana do 2006 r. skala MSK-64).

Brak wspomnianej korelacji wynika ze znacznych różnic w częstotliwości i czasie trwania drgań gruntu wywołanych trzęsieniami ziemi i wstrząsami górniczymi.

Zasadniczy mechanizm przekazywania fal sejsmicznych od źródła na powierzchnię jest taki sam dla trzęsień Ziemi i wstrząsów górniczych, jednak energie trzęsień ziemi są od 1 000 do 100 000 000 razy większe od najsilniejszych wstrząsów górniczych, o energiach rzędu 109 J (najwyższych jakie dotąd zarejestrowano na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego). Zasadniczo różne są również wielkości decydujące o skutkach zjawiska na powierzchni ziemi, tj. częstotliwość drgań i czas ich trwania.

 

 
Trzęsienie ziemi Wstrząs górniczy
Częstotliwość drgań 2 – 3 Hz powyżej 5Hz
Czas trwania drgań kilkadziesiąt sekund,
a nierzadko ponad minutę 		od kilku do kilkunastu sekund (sporadycznie)

 

Częstotliwość drgań jest szczególnie istotnym parametrem z punktu widzenia „reakcji” budynku na wstrząs. Najbardziej niekorzystne dla konstrukcji są drgania poniżej 3 Hz, trwające przynajmniej kilkanaście sekund (możliwość wzbudzenia zjawiska rezonansu drgań).

Do oceny skutków drgań wywołanych w środowisku powierzchniowym zjawiskami sejsmicznymi indukowanymi eksploatacją węgla kamiennego od niedawna wykorzystywana jest Górnicza Skala Intensywności Sejsmicznej, GSIS-2017. Jest to skala empiryczno-pomiarowa, przeznaczona do oceny oddziaływania wstrząsów na zabudowę powierzchni i odczuwalności drgań przez ludzi (na podstawie pomiarów sejsmometrycznych wyznacza się intensywność drgań, na podstawie obserwacji skutków tych drgań w obiektach budowlanych ustala się szkodliwość drgań).

Zasady stosowania skali GSIS-2017 zostały w 2018 r. zalecone do stosowania w kopalniach węgla kamiennego przez Komisję ds. Ochrony Powierzchni przy Wyższym Urzędzie Górniczym i opublikowane przez Główny Instytut Górnictwa w Katowicach, w formie Instrukcji nr 23 (http://wydawnictwa.gig.eu/c8/Instrukcje).

W skali GSIS-2017 rozróżnia się skutki wstrząsu w zależności od typu budynku i jego stanu technicznego. Do oceny skutków drgań wywoływanych wstrząsami wykorzystuje się pomiar amplitudy prędkości drgań gruntu i czasu ich trwania. Amplituda prędkości jest proporcjonalna do odkształceń i naprężeń występujących w poszczególnych elementach budynku i dlatego jest ona lepiej skorelowana z obserwowanymi uszkodzeniami elementów budynku, niż często jeszcze używana amplituda przyspieszeń drgań gruntu.

Czas trwania drgań ma znaczący wpływ na wystąpienie drgań rezonansowych całego budynku, jak i jego elementów składowych.

Skala GSIS-2017 wyróżnia 7 stopni intensywności, tj.: 0, I, II, III, IV, V i VI, przy czym ostatni stopień jest stopniem otwartym (bez górnej granicy).

Stopnie intensywności sejsmicznej dla wstrząsów górniczych według skali GSIS-2017
w wersji prędkości drgań gruntu

Poszczególnym stopniom intensywności drgań gruntu (I) odpowiadają stopnie szkodliwości drgań dla budynków (S).

Stopień intensywności IGSIS Opis skutków (stopni szkodliwości drgań w poszczególnych stopniach intensywności)
dla budynków w dobrym stanie technicznym, wykonanych w technologii tradycyjnej
Odczuwalność drgań Potencjalne uszkodzenia budynków i stopnie szkodliwości drgań (S)
0
słabo zauważalne		 Nieodczuwalne przez ludzi bądź słabo odczuwalne. Nie powodują żadnych szkód. S0
I
odczuwalne		 Odczuwalne przez ludzi wewnątrz budynków , słabo przez ludzi na zewnątrz. Kołysanie wiszących przedmiotów. Nie powodują żadnych szkód. SI
II
intensyfikacja uszkodzeń		 Wewnątrz budynków drgania są bardzo mocno odczuwalne. Cały budynek lekko się kołysze. Intensyfikacja istniejących rys lub pęknięć. SII
III
uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych		 Silnie odczuwalne przez większość ludzi na zewnątrz i wewnątrz budynków. Meble mogą się przesuwać. Cały budynek kołysze się. Pierwsze nowe uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych. SIII
IV
lekkie uszkodzenia elementów konstrukcyjnych		 Bardzo silnie odczuwalne przez wszystkich ludzi. Ludzie są mocno wystraszeni. Wielu wystraszonych wybiega na zewnątrz Niektórzy tracą równowagę, szczególnie na wyższych piętrach. Drobne przedmioty spadają z półek. Pierwsze uszkodzenia niektórych elementów ustroju konstrukcyjnego (nośnego lub usztywniającego) nie zagrażające jednak stateczności budynku oraz nie powodujące obniżenia
odporności dynamicznej budynku. Liczne nowe uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych budynku		 SIV
V
uszkodzenia konstrukcyjne		 Bardzo silne i dokuczliwe odczucie drgań. W górnej granicy intensywności drgań ludzie  mają problem z utrzymaniem równowagi. Duże przedmioty spadają z półek i stolików. Uszkodzenia elementów ustroju konstrukcyjnego (nośnego lub usztywniającego) zmniejszające w sposób istotny odporność
dynamiczną budynku, lecz nie zagrażające jeszcze stateczności obiektu. Silne uszkodzenia elementów niekonstrukcyjnych budynku, w tym spadanie dachówek oraz cegieł ze ściętych kominów zewnętrznych. (Drgania szczególnie groźne w zakresie górnych
wartości stopnia V i niskiej  częstotliwości głównej fazy drgań poziomych, f<5Hz).		 SV
VI
pierwsze zniszczenia   Stopień nie zweryfikowany pomiarowo 		Ogólny strach i panika. Przewracanie i przesuwanie się ciężkich przedmiotów, np. mebli, nie zamocowanych telewizorów, itp. Silne uszkodzenia elementów ustroju
konstrukcyjnego budynku (nośnego lub usztywniającego) mogące powodować utratę stateczności obiektu. Żaden z dotychczas zaistniałych wstrząsów górniczych na obszarze GZW nie spowodował takich następstw, jakkolwiek nie można ich całkowicie wykluczyć, w przypadku dalszego wzrostu intensywności drgań powierzchni terenu w wyniku wstrząsów górniczych. Rozległe zniszczenia elementów niekonstrukcyjnych budynku. (Drgania szczególnie groźne w zakresie niskich częstotliwości  głównej fazy drgań, f<5Hz).		 SVI
 

 

Obserwacje sejsmologiczne w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym

Każda kopalnia Polskiej Grupy Górniczej S.A. posiada dołowe systemy obserwacji sejsmologicznej rejestrujące wstrząsy o energii powyżej 102 J oraz sieć stanowisk powierzchniowych do monitorowania drgań gruntu wywołanych wstrząsami górniczymi (sieć sejsmometryczna). Kopalnie Polskiej Grupy Górniczej dokonują obecnie rejestracji drgań na 70 stanowiskach pomiarowych. Konfiguracja i zagęszczenie sieci kopalnianych dostosowywana jest do rozmieszczenia frontów eksploatacyjnych i przewidywanej aktywności sejsmicznej.

Prowadzony ciągły monitoring występujących zjawisk sejsmicznych przez coraz to nowocześniejsze urządzenia i metody geofizyczne pozwala na bezpieczne prowadzenie eksploatacji górniczej. Każdy wstrząs o energii powyżej 105 J, zarejestrowany przez kopalniane sieci sejsmologiczne, jest weryfikowany przez Górnośląską Regionalną Sieć Sejsmologiczną (GRSS) lub obserwatoria geofizyczne PAN.

Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna (GRSS) funkcjonuje na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego już od szeregu lat. Sieć została utworzona i jest obsługiwana przez Główny Instytut Górniczy w Katowicach. Składa się obecnie z 18 stanowisk pomiarowych, zdolnych do rejestracji zjawisk o energiach sejsmicznych E >105 J, z obszaru około 2 000 km2, nawet tych, które nie są rejestrowane przez kopalniane sieci sejsmologiczne. Na podstawie analiz zarejestrowanych sejsmogramów opracowywany jest bank danych zawierający podstawowe parametry sejsmologiczne wstrząsów górotworu o energii sejsmicznej E >105 J. Zgromadzone i przetworzone przez GIG dane
o wstrząsach górniczych są ogólnie dostępne na stronie internetowej www.grss.gig.eu , na której można zapoznać się z lokalizacją stanowisk pomiarowych GRSS i rodzajem zainstalowanej na nich aparatury, położeniem ognisk zarejestrowanych wstrząsów, w dowolnie wybranym przedziale czasu (wizualizacja na mapie topograficznej). Można również pobrać podstawowe dane o wstrząsach (m.in. w formacie pdf), takie jak: data i czas wystąpienia wstrząsu, lokalizacja ogniska (współrzędne geograficzne), magnituda wstrząsu.

Wstępnie oszacowaną siłę i lokalizację epicentrów wstrząsów wysokoenergetycznych zarejestrowanych przez kopalniane sieci sejsmologiczne (przed ich weryfikacją przez operatora grss) można sprawdzić na  mapie wstrząsów górniczych.


Wstrząsy górnicze