ORIGINAL PAPER
Dynamic Elastic Properties of the Hard Coal Seam at a Depth of Around 1260 m
 
More details
Hide details
1
Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences
CORRESPONDING AUTHOR
Krzysztof Krawiec   

Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences
Submission date: 2021-07-30
Final revision date: 2021-08-09
Acceptance date: 2021-09-03
Publication date: 2021-09-22
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2021;37(3):159–176
 
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
The knowledge of the dynamic elastic properties of a coal seam is important in the context of various types of calculations of the seam behavior under various stress-strain conditions. These properties are often used in numerical and analytical modeling related to maintaining the stability of excavations and the analysis of mechanisms, e.g. related to the risk of rock bursts. Additionally, during the implementation of seismic surveys, e.g. seismic profiling and seismic tomography in coal seams, the reference values of the elastic properties of coal are used in the calculation of relative stresses in various geological and mining conditions. The study aims to calculate the dynamic elastic parameters of the coal seam located at a depth of 1,260 m in one of the hard coal mines in the Upper Silesian Coal Basin (USCB). Basic measurements of the velocity of P- and S-waves were conducted using the seismic profiling method. These surveys are unique due to the lack of the velocity wave values in the coal seam at such a great depth in the USBC and difficult measurement conditions in a coal mine. As a result, dynamic modulus of elasticity was calculated, such as Young’s modulus, volumetric strain modulus, shear modulus and Poisson’s ratio. The volumetric density of coal used for calculations was determined on the basis of laboratory tests on samples taken in the area of the study. The research results showed that the calculated mean P-wave velocity of 2,356 m/s for the depth of 1,260 m is approximately consistent with the empirical relationship obtained by an earlier study. The P-wave velocity can be taken as the reference velocity at a depth of approx. 1,260 m in the calculation of the seismic anomaly in the seismic profiling method.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Dynamiczne sprężyste właściwości pokładu węgla na głębokości około 1260 m
dynamiczne parametry sprężyste, pokład węgla, prędkość fali P, prędkość fali S, profilowanie sejsmiczne
Znajomość dynamicznych właściwości sprężystych pokładu węgla jest istotna w kontekście różnego rodzaju obliczeń zachowania się pokładu w różnorakich warunkach naprężeniowo-odkształceniowych. Właściwości te są często wykorzystywane w modelowaniach numerycznych i analitycznych związanych z utrzymaniem stateczności wyrobisk oraz analizą mechanizmów, np. związanych z zagrożeniem tąpaniami. Dodatkowo w trakcie realizacji badań sejsmicznych np. profilowań sejsmicznych i tomografii sejsmicznej w pokładach węgla referencyjne wartości właściwości sprężyste węgla wykorzystywane są w obliczaniach naprężeń względnych w różnych warunkach geologiczno-górniczych. Celem badań jest obliczenie dynamicznych sprężystych parametrów pokładu węgla, położonego na głębokości około 1260 m, w jednej z kopalń węgla kamiennego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym. Podstawowe pomiary prędkości fal sejsmicznych wykonano metodą profilowania sejsmicznego. Te pomiary są unikatowe ze względu na dużą głębokość położenia profilu pomiarowego oraz trudne warunki pomiarowe w kopalni. W efekcie obliczono dynamiczne moduły sprężystości takie jak: moduł Younga, moduł odkształcenia objętościowego, moduł odkształcenia postaciowego oraz współczynnik Poissona. Gęstość objętościową węgla przyjętą do obliczeń wyznaczono na podstawie testów laboratoryjnych na próbach pobranych w rejonie badań. Wyniki badań pokazały, że obliczona średnia prędkość fali P równa 2356 m/s dla głębokości 1260 m jest w przybliżeniu zgodna z empirycznymi zależnościami określonymi we wcześniejszych badaniach. Prędkość fali P może być przyjęta jako prędkość odniesienia na głębokości około 1260 m w obliczeniach anomalii sejsmicznej w metodzie profilowania sejsmicznego.
 
REFERENCES (25)
1.
Brown, E.T. and Hoek, E. 1978. Trends in relationships between measured in-situ stresses and depth. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 15(4), pp. 211–215.
 
2.
Chlebowski, D. and Burtan, Z. 2021. Geophysical and analytical determination of overstressed zones in exploited coal seam: A case study. Acta Geophys. 69, pp. 701–710. DOI: 10.1007/s11600-021-00547-z.
 
3.
Czarny et al. 2016 – Czarny, R., Marcak, H., Nakata, N., Pilecki, Z. and Isakow, Z. 2016. Monitoring velocity changes caused by underground coal mining using seismic noise. Pure. Appl. Geophys. 173, pp. 1907–1916. DOI: 10.1007/s00024-015-1234-3.
 
4.
Dubiński, J. 1989. Seismic method of shock hazard assessment in hard coal mines (Sejsmiczna metoda wyprzedzającej oceny zagrożenia wstrząsami górniczymi w kopalniach węgla kamiennego). Prace Głównego Instytutu Górnictwa. Katowice: Central Mining Institute, 163 pp. (in Polish).
 
5.
Dubiński, J. and Konopko, W. 2000. Rock bursts – assessment, prognosis, defeating (Tąpania – ocena, prognoza, zwalczanie). Katowice: Central Mining Institute, 378 pp. (in Polish).
 
6.
Dubiński et al. 2001 – Dubiński, J., Pilecki, Z. and Zuberek, W. 2001. Geophysical research in mines – past, present and future plans (Badania geofizyczne w kopalniach – przeszłość, teraźniejszość, i zamierzenia na przyszłość). Kraków: MEERI PAS (in Polish).
 
7.
Gustkiewicz, J. ed. 1999. Physical properties of Carboniferous rocks of the Upper Silesian coal basin. Rocks of Saddle beds (Właściwości fizyczne wybranych skał karbońskich Górnośląskiego Zagłębia Węglowego – skały warstw siodłowych). Kraków: MEERI PAS, 267 pp. (in Polish).
 
8.
ISO 349:2020 Hard coal – Audibert-Arnu dilatometer test.
 
9.
Jarzyna et al. 2020 – Jarzyna, J., Niculescu, B., M., Malinowski, M. and Pilecki Z. 2020. Editorial for special issue advances in engineering, environmental and mining geophysics. Acta Geophys. 69(2), pp. 609–611. DOI: 10.1007/s11600-021-00560-2.
 
10.
Kokowski et al. 2019 – Kokowski, J., Szreder, Z. and Pilecka, E. 2019. Reference P-wave velocity in coal seams at great depths in Jastrzebie coal mine. E3S Web of Conf. 133, 01011. DOI: 10.1051/e3sconf/201913301011.
 
11.
Kudyk, M. and Pilecki Z. 2009. Modulus of deformation of Carpathian flysch on the route of the “Emilia” tunnel in the Zywiec Beskids (Modul deformacji utworow fliszu karpackiego na trasie tunelu „Emilia” w Beskidzie Zywieckim). Zeszyty Naukowe IGSMiE PAN 76, pp. 45–64 (in Polish).
 
12.
Ladanyi, B. 1974. Use of the long-term strength concept in the determination of ground pressure on tunnel linings. Proceedings of the Third Congress of the Int. Soc. for Rock Mech., Denver, vol. II part B, pp. 1150–1156.
 
13.
Majcherczyk, T. and Małkowski, P. 2002. Relation between carbon rock depth and behavior of rock mass around openings (Głębokość zalegania skał karbońskich a zachowanie się górotworu wokół wyrobiska korytarzowego). Proceedings of the Conference of Winter School of Rock Mass Mechanics (XXV Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu). Zakopane, 18–22 March, 2002, pp. 427–435 (in Polish).
 
14.
Majcherczyk et al. 2012 – Majcherczyk, T., Pilecki, Z., Niedbalski, Z., Pilecka, E., Blajer, M. and Pszonka, J. 2012. Impact of geological, engineering and geotechnical conditions on the selection of parameters of the initial support of the road tunnel in Laliki (Wpływ warunków geologiczno-inżynierskich i geotechnicznych na dobór parametrów obudowy wstępnej tunelu drogowego w Lalikach). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 28(1), pp. 103–124 (in Polish).
 
15.
Małkowski et al. 2021 – Małkowski, P., Niedbalski, Z. and Balarabe, T. 2021. A statistical analysis of geomechanical data and its effect on rock mass numerical modeling: a case study. Int. J Coal Sci. Technol. 8(2), pp. 312–323.
 
16.
Marcak, H. and Pilecki, Z. 2019. Assessment of the subsidence ratio be based on seismic noise measurements in mining terrain. Arch. Min. Sci. 64, pp. 197–212, DOI: 10.24425/ams.2019.126280.
 
17.
Olechowski et al. 2018 – Olechowski, S., Krawiec, K., Kokowski, J., Szreder, Z., Harba, P. and Ćwiękała, M. 2018. Comparison of the results of the seismic profiling and WAS-96/RMS seismoacoustic active method in an assessment of the impact of the overlying coal seam edge. E3S Web of Conf. 66, 01011. DOI:  10.1051/e3sconf/20186601011.
 
18.
PN-G-97002:2018-11 Węgiel kamienny – Klasyfikacja – Typy.
 
19.
Pilecki, Z. 1995. An Example of Rock Burst Hazard State Control Using a Zonal Seismoacoustic Observation. Proc. Fifth Conf. on Acoustic Emission/Microseismic Activity, Clausthal-Zellerfeld: Trans. Tech. Publications, pp. 313–332.
 
20.
Pilecki, Z. 1999. Dynamic analysis of mining tremor impact on excavation. [In:] Detournay, C. and Hart, R. eds. Proc. Int. FLAC Symp. on Numerical Modeling in Geomechanics. Minneapolis, Minnesota, USA: 1–3 September, 1999. Rotterdam: A. A. Balkema, pp. 397–400.
 
21.
Pilecki, Z. 2018. Seismic method in geoengineering (Metoda sejsmiczna w geoinżynierii). Kraków: MEERI PAS, 311 pp. (in Polish).
 
22.
Szreder et al. 2008 – Szreder, Z., Pilecki, Z. and Kłosiński, J. 2008. Effectiveness of recognition of exploitation edge influence with the help of profiling of attenuation and velocity of seismic wave (Efektywność rozpoznania oddziaływania krawędzi eksploatacyjnych metodami profilowania tłumienia oraz prędkości fali sejsmicznej). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 24(2), pp. 215–226 (in Polish).
 
23.
Szreder, Z. and Barnaś, M. 2017. Assessment of the impact of an overlying coal seam edge using seismic profiling of refracted P-wave velocity. E3S Web of Conf. 24, 01007 DOI: 10.1051/e3sconf/20172401007.
 
24.
Ślizowski et al. 2013 – Ślizowski, J., Pilecki, Z., Urbańczyk, K., Pilecka, E., Lankof, L. and Czarny, R. 2013. Site assessment for astroparticle detector location in evaporites of the Polkowice-Sieroszowice copper ore mine, Poland. Adv. High Energy Phys. 12, pp. DOI: 10.1155/2013/461764.
 
25.
Wojtecki et al. 2016 – Wojtecki, Ł., Dzik, G. and Mirek, A. 2016. Changes of te dynamic elastic modules of the coal seam ahead the longwall face (Zmiany dynamicznych modułów sprężystości pokładu węgla przed frontem ściany). Przegląd Górniczy 72(1), pp. 57–62 (in Polish).
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953