Nr 9 - 10 (171 - 172) Wrzesień - Październik 2009 r.

PROFILAKTYKA TĄPANIOWA
TOMOGRAF PRZECIW ZAGROŻENIOM

Ustalenie genezy zjawiska sejsmicznego, które stanowi bezpośrednią przyczynę wywołującą tąpnięcia, których bardzo często konsekwencją są wypadki zbiorowe, w tym zdarzenia śmiertelne, jest zazwyczaj kluczowym problemem dla dalszego projektowania eksploatacji w danym rejonie kopalni.

Stanowi także podstawę dla opracowania zakresu probezpiecznych działań, a w tym profilaktyki tąpaniowej. Toteż problem ustalenia genezy zjawiska sejsmicznego, jak i samego tąpnięcia od dawna jest przedmiotem specjalistycznych analiz geofizycznych oraz geomechanicznych, określających jego istotę i zakres oddziaływania. Kompleksowe przeprowadzenie badań pozwala na korelacyjną analizę uzyskanych wyników, a tym samym na większą wiarygodność wnioskowania o przyczynach i charakterze zaistniałych zjawisk. Wykorzystane dane geofizyczne przetwarzane są według specjalistycznych, niestandardowych procedur, które pozwalają na maksymalną ekstrakcją informacji użytecznych do wnioskowania o genezie wysokoenergetycznego zjawiska sejsmicznego. Również wyniki obliczeń geomechanicznych, z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania komputerowego, rzucają nowe światło na samą genezę zjawiska tąpnięcia, jak i na dotychczasowy przebieg eksploatacji górniczej w rejonie jego powstania. 

-Do oceny zagrożenia sejsmicznego w kopalniach węgla kamiennego oraz rud miedzi coraz częściej stosuje się metodę tomografii, czyli prześwietlenie masywu skalnego, przez który przebiegają fale sejsmiczne, połączone ze specjalistyczną interpretacją i analizą rozkładu parametrów sejsmicznych. 
Tomografia pasywna, nazywana także metodą wspólnej lokalizacji ognisk wstrząsów i określania parametrów prędkościowych ośrodka, łączy w jedną całość klasyczny problem tomografii sejsmicznej oraz lokalizację ognisk wstrząsów sejsmicznych – wyjaśnia dr inż. Adam Lurka, kierownik Laboratorium Geofizyki Górniczej w Zakładzie Geologii i Geofizyki Głównego Instytutu Górnictwa. Sformułowanie matematyczne problemu znane jest w literaturze światowej od szeregu lat (np. Iyer i Hirahara 1993). Jeden z pierwszych artykułów na ten temat pojawił się już w latach 70 (Aki i Lee 1976). Z matematycznego punktu widzenia zadanie tomografii pasywnej buduje się, konstruując postać funkcjonału zależnego od parametrów opisujących model prędkościowy ośrodka oraz od współrzędnych zjawisk sejsmicznych, wraz z czasami zaistnienia tych zjawisk na ustalonej osi czasu. Funkcjonał budowany jest w ten sposób, iż osiąga minimum dla wartości parametrów, które uznajemy za rozwiązanie zadania tomograficznego. Poszukiwanie minimum takiego funkcjonału może odbywać się nawet w tysiąc i więcej wymiarowej przestrzeni, co nastręcza poważnych trudności obliczeniowych. Metody obliczeniowe tomografii pasywnej rozwinęły się szczególnie w sejsmologii globalnej, gdzie są używane do badania struktury wnętrza Ziemi. Ze względu na skalę i geometrię zagadnienia niezbędne jest wtedy uwzględnianie krzywoliniowego procesu rozchodzenia się promieni sejsmicznych w ośrodku. W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych pojawiły się prace dotyczące zastosowania tomografii pasywnej dla danych o wstrząsach sejsmicznych w kopalniach. W Polsce znanych jest kilka prac, które podejmują problem tomografii pasywnej w kopalniach w różnych wariantach obliczeniowych (Drzęźla i Mendecki 1982, Drzęźla i Mendecki 1985, Kijko 1989, Drzęźla 1990, Drzęźla i Dubiński 1995). Prace te koncentrowały się głównie na metodach takiego sformułowania problemu, aby można było uzyskać rozwiązanie, które pokonuje trudności związane z wielowymiarowością zadania poprzez uwzględnianie szczególnych typów funkcjonałów bądź poprzez uproszczenie zadania. W ostatnich latach pojawiły się liczne odmiany metod poszukiwania minimum nazywane algorytmami genetycznymi, które według licznych badaczy pozwalają dokonywać wiarygodnych obliczeń w przestrzeniach wielowymiarowych. Do niewątpliwych zalet szerokiej gamy algorytmów genetycznych należą: zbieżność do minimum globalnego; możliwość poszukiwań z ograniczeniami; możliwość przeprowadzania obliczeń dla funkcjonałów nieróżniczkowalnych czy nawet nieciągłych. Wadą natomiast jest stosunkowo powolny proces zbieżności algorytmów genetycznych, co nie zmniejsza ich znaczenia w dobie szeroko dostępnych komputerów osobistych o dość dużej mocy obliczeniowej. 

Pełne dostosowanie zadania tomografii pasywnej, z użyciem szczególnego typu algorytmów genetycznych nazywanych algorytmami ewolucyjnymi, w warunkach polskich kopalń węgla oraz miedzi. Dr inż. Adam Lurka podjął w 1998 r. w pracy pt. „Rozwiązanie zagadnienia tomografii pasywnej z wykorzystaniem algorytmów ewolucyjnych”. W pracy tej zaproponowano między innymi: - poszukiwanie rozwiązania zadania tomografii pasywnej z użyciem normy L1; - zastosowanie ograniczeń na zbiór dopuszczalnych rozwiązań; - konieczność wprowadzenia zmiennego rozmiaru siatki parametryzującej model prędkościowy ośrodka skalnego. Autor przedstawia tam metodę obliczeń i zastosowania tomografii pasywnej. 

Liczne obliczenia przeprowadzone, w polskich kopalniach węgla i miedzi pozwalają na sformułowanie spostrzeżenia, iż anomalne wartości pola prędkości propagacji fali podłużnej P korelują się z strefami dużego zagrożenia sejsmicznego. Potwierdzają to także badania przeprowadzone przez (Maxwell i Young 1997), gdzie dopatrzono się podobnych zależności mimo użycia nieco odmiennej metodyki obliczeniowej. 

W celu zaprezentowania wyników obliczeń metodą tomografii pasywnej wybrano dwa przypadki, dla kopalni miedzi Rudna oraz dla kopalni węgla kamiennego „Bielszowice”. Obydwa przypadki są wybrane spośród szeregu obliczeń uzyskanych na tych kopalniach podczas ciągłego monitorowania zagrożenia sejsmicznego w przeciągu kilku miesięcy. 

Na rys. 2.1. przedstawiono wyniki obliczeń z kopalni Rudna. Można zauważyć tutaj dwie, silne anomalie prędkościowe, w których uzyskane wartości prędkości fali podłużnej P przekraczają ponad 6400 m/sek. Większość z silnych zjawisk sejsmicznych występowała w pasie tych anomalii. Najsilniejsze wstrząsy miały energię sejsmiczną rzędu 107 i 108 J i wystąpiły w rejonie oddziału G-1/8. 

Rys. 2.1. Pole prędkości w Z.G. Rudna obliczone metodą tomografii pasywnej w okresie wrzesień-grudzień 1999.

Rys.2.2. Pole prędkości obliczone metodą tomografii pasywnej w KWK Bielszowice w okresie czerwiec-sierpień 1999.

Rys.2.2. przedstawia wyniki obliczonego pola prędkości propagacji fali podłużnej P w KWK Bielszowice w rejonie ściany N-303. Podwyższone wartości prędkości fali P układały się w dwóch sąsiadujących rejonach i przewyższały wartość 4400 m/sek. W stosunku do obliczeń z poprzedniego okresu czasu, gdzie wartość to wynosiła około 4150 m/sek zaobserwowano dużą zmianę wartości prędkości propagacji fali P, co może świadczyć o znaczącym wzroście zagrożenia sejsmicznego. Wnioski te potwierdził późniejszy, wyraźny wzrost aktywności sejsmicznej. 

Tomografia pasywna daje możliwość wykorzystania gromadzonych na bieżąco w kopalnianych stacjach geofizyki danych w postaci cyfrowych zapisów naturalnych zjawisk sejsmicznych – konkluduje dr inż. Adam Lurka. Główne zastosowania metody na kopalniach służą do rozpoznania stanu górotworu wraz z oceną zagrożenia sejsmicznego oraz poprawy dokładności lokalizacji poprzez używanie w algorytmach lokalizacyjnych obliczanego modelu prędkościowego. Dalszy rozwój w tej dziedzinie powinien być ukierunkowany na poszukiwanie praktycznych, i w miarę możliwości ilościowych, związków pomiędzy anomalnymi wartościami pola prędkości fal sejsmicznych a strefami zagrożenia sejsmicznego. Pole prędkości obliczane cyklicznie w ustalonych interwałach czasowych może bowiem dawać informację o średnio i długookresowych zmianach w strukturze własności fizycznych ośrodka skalnego. Jeśli chodzi o rozwój metod obliczeniowych to powinien się on skoncentrować wokół poprawienia dokładności i wiarygodności dokonywanych obliczeń. Może się to odbywać poprzez konstrukcje nowych postaci funkcjonałów i narzucanych ograniczeń na zbiory rozwiązań oraz poprzez wprowadzenie bardzo czasochłonnego w obecnych warunkach obliczania krzywoliniowego śledzenia promieni sejsmicznych. Nie mniej jednak już w chwili obecnej tomografia pasywna obliczana z użyciem algorytmów ewolucyjnych jest cennym narzędziem dającym możliwość nieinwazyjnych badań ośrodka skalnego in situ i jest coraz powszechniej stosowana w górnictwie podziemnym.

Mira Borkiewicz