Ruch wód podziemnych jest jednym z elementów środowiska geologicznego wykorzystywanym jako preksursor wstrząsów sejsmicznych (Wakita, 1975; Wang i Chia, 2008; . Kopylova, Lyubushin i Boldina, 2019). Wody podziemne są także elementem wzmacniającym amplitudę drgań przy przechodzeniu fal sejsmicznych z masywu skalnego do gruntów nieskalistych (Kowalski, 1988). Możliwość ich monitoringowego wykorzystania w problematyce sejsmologicznej pojawiła się wraz z opracowaniem urządzeń wykonujących pomiary z częstotliwością kilku herców (Hz).

Na drugi z elementów opisywanego grawimetryczno-hydrometrycznego systemu monitoringu wstrząsów górniczych składają się trzy piezometry wyposażone w zmodyfikowane systemy rejestracji danych pozwalające na dokonywanie pomiaru i zapisu zmian poziomu zwierciadła pierwszego poziomu wodonośnego z częstotliwością 1Hz. Wszystkie trzy piezometry zlokalizowane zostały w obrębie czynnych obszarów górniczych kopalń węgla kamiennego należących do Polskiej Grupy Górniczej Sp. z o.o., partnera przemysłowego w projekcie EPOS-PL. Piezometry P1 (50°04'13"N, 18°27'57"E) i P2 (50°04'10"N, 18°28'00"E) zlokalizowane są w obrębie obszaru górniczego KWK „ROW” ruch Rydułtowy w Rybniku, natomiast piezometr P3 (50°07'35"N, 19°13'08"E) w obszarze KWK „Piast-Ziemowit” ruch Ziemowit w Chełmie Śląskim. Piezometry P1 i P2 usytuowane są po przeciwległych stronach wychodni dominującej w tym rejonie dyslokacji tektonicznej w utworach Karbonu. Jest to uskok o nazwie „Kolejowy”, który zrzuca warstwy karbońskie na północ o ok. 180 m. Rozciągłość uskoku w przybliżeniu pokrywa się z przebiegiem doliny rzeki Nacyny. Przy eksploatacji w rejonie uskoku następuje interakcja naprężeń tektonicznych z naprężeniami indukowanymi eksploatacją górniczą.

System piezometrów uruchomiony został 17 kwietnia 2019 r. Główne elementy zainstalowanego systemu stanowią ceramiczna sonda pomiarowa Waterpilot FMX21 (Endress+Hauser) zapewniająca dokładność pomiarową na poziomie ±0,25 mm i możliwość pracy w temperaturach od –5o do +60o C oraz rejestrator danych z konwektorem analogowo-cyfrowym (produkcji PM Ecology Sp z o.o.) i modułem GPRS umożliwiającym kontrolowanie i modyfikowanie pracy rejestratora on-line oraz transmisję danych na docelowy serwer. Zastosowany rejestrator umożliwia programowanie rejestracji danych w interwałach od 1 sekundy do 24 godzin lub więcej, a wbudowana pamięć pozwala zapisać co najmniej 600 000 mierzonych wartości. Rejestrator pracuje w zakresie temperatur od –20oC do +60oC. Lokalizację piezometrów uwidoczniono na rys. 3.

Zadaniem hydrometrycznego elementu systemu monitoringu wstrząsów jest ciągła rejestracja zmian położenia zwierciadła wody podziemnej pierwszego poziomu wodonośnego (hzw [mm]) w czasie z częstotliwością 1 Hz i dokładnością 1 mm. Sam zapis szeregu czasowego prowadzony jest przez instrument w postaci zmian natężenia sygnału prądowego, następnie przeliczanego na aktualny poziom zwierciadła wody. Urządzenie przetwarza ciśnienie panujące w miejscu umieszczenia sondy na sygnał prądowy w zakresie od 4 do 20 mA, proporcjonalny do wysokości słupa wody ponad sondą. Ugięcie ceramicznej membrany sondy powoduje zmianę pojemności elektrycznej kondensatora utworzonego pomiędzy tą membraną a ceramicznym podłożem sondy. Zmiana ta przetwarzana jest na sygnał proporcjonalny do zmian ciśnienia. System, poprzez instalację rurki kompensacyjnej wyprowadzonej ponad poziom gruntu, automatycznie uwzględnia wahania ciśnienia atmosferycznego (Wlazło 2019). Dane zawierające czas, pomierzone natężenie sygnału, przeliczony poziom zwierciadła wody w postaci plików tekstowych zapisywane są na serwerze pracującym w GIG jeden raz na dobę.

Czułość systemu

Analiza dotychczas zarejestrowanych zdarzeń ko-sejsmicznych w obrazie danych z rejestracji zmian poziomu zwierciadła wody podziemnej z okresu od uruchomienia systemu do chwili obecnej (17.04.2019-01.05.2020) pozwala ocenić że, możliwość rejestracji danego wstrząsu górniczego jest przede wszystkim uzależniona od odległości jego ogniska od stanowiska pomiarowego. Zależność pomiędzy dotychczas zarejestrowanymi przez system zmianami wysokości zwierciadła wody podziemnej a odległością od ognisk wstrząsów górniczych piezometrów P1, P2 i P3 przedstawia rys. 1.

Rys.1. Zmiany poziomu zwierciadła wody hzw zarejestrowane w piezometrach P1, P2 i P3 w zależności od odległości ognisk wstrząsów górniczych d z okresu 17.04.2019-01.05.2020. Zbiór danych obejmuje 108 rekordów pochodzących od 59 wstrząsów.

Przedział odległości wstrząsów górniczych wywołujących ruchy wód podziemnych w piezometrach w zbiorze zarejestrowanych zdarzeń hydro-sejsmicznych zmieniał się od ok. 0.1 do 36 km. Największą liczbę zdarzeń zarejestrowano w strefie o promieniu 5 km. Estymacja zależności amplitudy zmian poziomu zwierciadła wody od odległości epicentralnej funkcją potęgową dla piezometrów P1, P2, P3 wskazuje na znacznie słabsze (współczynnik determinacji R2 na poziomie 0.35) jej dopasowanie aniżeli amplitudy sygnałów grawitacyjnych. Wskazuje to, że na amplitudę ruchu wód podziemnych silniej wpływają inne czynniki aniżeli odległość epicentralna od ogniska wstrząsu a w szczególności jego energia (magnituda).

W porównaniu z grawimetrami pływowymi, w piezometrach P1 i P2 rejestrowane są głównie sygnały generowane wstrząsami górniczymi, które wystąpiły w polu bliskim (do 3 km). Jest to obszar obejmujący wpływy eksploatacji górniczej jednej kopalni (piezometry P1 i P2 –KWK „ROW” ruch Rydułtowy, piezometr P3 – KWK „Piast-Ziemowit”). Amplituda sygnałów hydro-sejsmicznych wywołanych przez wstrząsy górnicze w analizowanym przedziale ich energii (M = 2.1 - 4.0) w większej odległości od stanowisk pomiarowych (3 – 35 km) (rys. 1) osiąga wartości oscylujące wokół 1 mm tj. granicy dokładności pomiarowej sond systemu PM Ecology. Jest to poziom czułości o wiele mniejszy od uzyskiwanego w grawimetrach pływowych, gdzie dokładność pomiaru przemieszczenia pionowego jest rzędu 0.0001 mm. Tym samym system grawimetryczny pozwala na rejestrację dużo mniejszych przemieszczeń.