EXAMENSARBETE. Analys av seismisk aktivitet vid malmkroppen Fabian. Fredrik Andersson Civilingenjörsexamen Samhällsbyggnadsteknik

Transkript

1 EXAMENSARBETE Analys av seismisk aktivitet vid malmkroppen Fabian Fredrik Andersson 2013 Civilingenjörsexamen Samhällsbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2

3 Förord FÖRORD Detta arbete utgör den avslutande delen på min civilingenjörsutbildning, Vägoch vattenbyggnad, vid Luleå tekniska universitet. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng och är utfört på beställning av Luossavaara-Kiirunavaara AB. Uppdraget var att studera den seismiska aktiviteten vid malmkroppen Fabian i Malmberget och jag har vid flertalet tillfällen under arbetets gång slagits över ämnesområdets komplexitet. Kunskapsbyggandet inom seismiska händelser, och där särskilt brytningsinducerade seismiska händelser, är fortfarande i ett tidigt stadium. Under civilingenjörsutbildningen behandlas detta område endast i liten utsträckning men min personliga åsikt att det är ett kunskapsområde som bör kompletteras i framtida utbildningsplaner. Ett stort tack riktas till Catrin Edelbro för ditt engagemang under denna tid, men även för de givande diskussioner och evenemang jag fått möjligheten att medverka i under min studietid. Luleå, november 2012 Fredrik Andersson I

4 II

5 Sammanfattning SAMMANFATTNING I Malmberget har LKAB ett 20-tal malmkroppar där gruvbrytning bedrivs eller har bedrivits. Med tiden går brytningen mot allt större djup och risken för bergmekaniska problem kan tänkas öka pga ökade spänningar. När bergmassans hållfasthet överskrids frigörs potentiell eller lagrad energi i form av seismisk energi och benämns seismisk händelse. Gruvbrytningen påverkar ett allt större område runt malmkroppen och de sekundära spänningarna kan påverka normalspänningen över befintliga strukturer och således även utlösa glidningar som frigör seismisk energi pga av minskad skjuvhållfasthet. De seismiska händelserna delas på så sätt in i två olika huvudtyper, dels tryckspänningsinducerade händelser och dels strukturrelaterade händelser. Den förstnämnda kategorin omfattar olika typer av smällberg medan den andra kategorin omfattar olika typer av skjuvbrott. För att övervaka de seismiska händelserna i en bergmassa används samma typ av instrumentering som används för övervakning av jordbävningar. Ett nätverkssystem av sammankopplade geofoner detekterar rörelser i bergmassan. I studien genomförs en analys av de seismiska händelserna för malmkroppen Fabian i Malmberget. I den första delen av analysen läggs fokus på att jämföra hur signaturen för de seismiska händelserna varierar mellan olika brytningsnivåer och tidpunkter. I den andra delen av analysen kopplas de seismiska händelserna till produktionen i form av sprängning och lastning. Syftet med denna analys var att med utgångspunkt i använd mängd sprängämne, sprängd volym, område och lastning hitta korrelation med de seismiska händelserna. Resultatet från analysen visar att de seismiska händelserna följer områdena var sprängning sker, samt områden som enligt numerisk analys skall vara mest påverkade av produktionen. Det har inte skett nämntvärt många händelser i de södra delarna av Fabianmalmen, ett område var ingen produktion skett. De flesta eventen inträffar under de närmsta timmarna efter midnatt och är tiden då LKAB har produktionssprängning. III

6 Sammanfattning Vidare visar analysen att energin tenderar att öka med djupare brytningsdjup medan det motsatta gäller för det seismiska momentet. Utvärdering av de olika analysverktygen visar ingen klar indikation på de flesta händelserna är tryckspänningsinducerade eller skjuvrelaterade. Hudyma & Potvin (2010) nämner att flera indikatorer skall peka mot samma typ av mekanism för att klassificera en händelse. De rekommendationer som ges är att ha en fortsatt daglig kontroll av de seismiska händelserna. Om områden med ökande intensitet av seismiska händelser identifieras skall detta kontrolleras med produktionsparametrar som mängd sprängämne och volym losshållet berg. Det rekommenderas även att mindre sprängmedel används i områden med förhöjda spänningar och i närheten av strukturer. Ett av förslagen för fortsatt arbete är att installera utrustning för kontinuerlig spänningsmätning i takskivan. Anledning till detta är att kunna se hur spänningarna korrelerar med uppblockningen och ha möjlighet att följa hela processen. Detta kan i slutändan leda till möjligheten att bestämma om det är en specifik eller en kombination av flera uppblockningsmekanismer som styr förloppet. IV

7 Abstract ABSTRACT In Malmberget LKAB have approximately 20 different ore bodies, but not all of them are mined in the present. With time mining continues further deeper and rock mechanics related problems are increasing. When rock stress exceeds the rock mass strength potential and stored energy is released and radiated as seismic energy. The mining activities are affecting a larger area around the ore bodies and the secondary stresses can affect the normal stress over a joint or structure in a negative way and may cause a sliding that also radiates seismic energy. The seismic event can be divided into two main groups, compressive stress induced events and slippages. The first category includes different types of rock bursts and the second category includes different types of shear failures. To monitor seismic events in the rock mass, the same instrumentation as for earthquake monitoring is used. The monitoring system consists of a number of geophones, connected in a network, which detects movements in the rock mass. This study includes an analysis of seismic events located in the vicinity of the Fabian ore body. The first part of the study focuses on differences in the seismic signature between different mining levels and periods. In the second part of the analysis the events are related to blasting and mucking in the production process. The purpose with this part was to find correlations between the used amount of explosives, blasted volume, area and mucking with seismic events. The result shows that localization of seismic events follows the active mining areas, but also areas with higher stresses in the numerical analysis. There are only a few events in the southern part of the Fabian ore body which so far is an area with no production. There are much more seismic events in the hours after midnight when LKAB have their production blasts. The analysis also shows that the energy tends to increase with deeper mining while the seismic moment tends to decrease. V

8 Abstract The different seismic indicators do not show a clear source mechanism. Hudyma & Potvin (2010) says that several indicators should give the same mechanism to classify the seismic events. The recommendation is to have a daily check of the seismic events. If areas with increasing seismic activity are identified a control of the production parameters should be conducted. Also a lower amount of explosives is recommended in areas with higher stress and in the vicinity of joints of structures. One of the proposals is to install stress monitoring equipment to have a continuous measurement of the stresses in the sill pillar. The equipment should be placed in an ore body that not has reached the cave breakthrough stage. The purpose is the see how the stresses correlates with the caving process and hopefully determine if there is one specific or a combination of several caving mechanism. VI

9 Förkortningar FÖRKORTNINGAR Totalspänning Effektivspänning Portryck Vertikalspänning Största horisontalspänning Minsta horisontalspänning Normalspänning Skjuvhållfasthet Dynamisk skjuvhållfasthet Statisk skjuvhållfasthet Kohesion Energiinnehåll i s-vågor Energiinnehåll i p-vågor Elasticitetsmodul Seismiskt moment Lokal magnitud Avstånd till seismisk händelse Ankomsttid för p-våg VII

10 Förkortningar Ankomsttid för s-våg Dynamiskt friktionstal Statiskt friktionstal Hastighet för p-vågor Hastighet för s-vågor Densitet Tvärkontraktionstal Tyngdacceleration Djup VIII

11 Innehållsförteckning INNEHÅLLSFÖRTECKNING FÖRORD... I SAMMANFATTNING... III ABSTRACT... V FÖRKORTNINGAR... VII INNEHÅLLSFÖRTECKNING... IX 1 INLEDNING Bakgrund Syfte Forskningsfrågor METOD Tillvägagångssätt Forskningsmetod Informationsinsamling Litteraturstudie Datainsamling och analys MALMKROPPEN FABIAN Allmänt Brytningsmetod Geologiska förutsättningar Bergspänningar Strukturer Takskivans uppblockning SEISMOLOGI Förebyggande åtgärder Vågtyper Positionering Magnitud Seismiska analysmetoder S/P-Energi IX

12 Innehållsförteckning Gutenberg-Richter (b-värde) EI-CAV Energi-moment förhållande Corner frequency Kombinerad analys SEISMISK ÖVERVAKNING OCH UPPBLOCKNING Seismisk övervakning Uppblockning Uppblockningsmekanismer Uppblockningsförloppet SEISMISK ANALYS Analys av samtliga seismiska händelser i Fabian Händelser S/P-Energi Gutenberg-Richter (b-värde) EI-CAV Jämförelse mellan brytningsnivåer Antalet event S:P-Energi Gutenberg-Richter (b-värde) Energi-moment Hörnfrekvens Seismiska händelser på olika nivåer Takskivan Nivå FA Nivå FA Nivå FA Påverkan av produktion Sprängning Lastning SLUTSATS OCH REKOMMENDATIONER FORTSATT ARBETE REFERENSER X

13 Inledning 1 INLEDNING 1.1 Bakgrund LKAB:s brytning i Malmberget påbörjades under 1700-talet och malmen som bryts i området består av ett 20-tal fyndigheter som är utspridda under dagens samhälle, se Figur 1-1. LKAB (2012a). LKAB bryter i huvudsak magnetit men till viss del även hematit. Den befintliga huvudnivån på nivå 1250 invigdes i juni 2012 (LKAB, 2012b). Fabian Figur 1-1: Vy från ovan med malmkropparna utritade. Blå färg indikerar magnetit och violett färg indikerar hematit. I och med att brytningen fortgår mot djupet kommer ett större område runt malmkroppen påverkas av spänningsomlagringar och deformationer. En ökning av spänningar kan leda till spänningskoncentrationer i punkter och orsaka s.k. smällberghändelser och/eller glidningar längs diskontinuiteter. Dessa händelser innebär en plötslig frigörelse av energi. Energin övergår från lagrad eller potentiell energi till seismisk energi som avges i form av seismiska vågor. De seismiska vågorna registreras av ett seismiskt övervakningssystem som i Malmberget består av 134 geofoner, sammankopplade i ett nätverk. Denna studie behandlar endast seismiciteten i närheten av malmkroppen 1

14 Inledning Fabian. Brytningen av Fabian påbörjades under jord år 1971 och dess takskiva av gråberg var då ca 250m tjock (LKAB, 2012d). Sedan produktionsstarten har det skett en kontinuerlig uppblockning av gråberget, vilket kan ses som kontinuerliga ras från takskivan. Uppblockningsfenomenet sker till följd av två primära mekanismer, spänning och gravitation. LKAB har med hjälp av scanning kunnat följa uppblockningen av takskivan. Denna studie påbörjades den 23 januari 2012 och takskivan var vid denna tidpunkt ca meter tjock. Klockan 06.20, tisdagen den 20 mars 2012, skedde en genomblockning av takskivan, d.v.s. att takskivan blockades upp till markytan. 1.2 Syfte Syftet med studien är att beskriva hur seismiciteten runt Fabians malmkropp ser ut genom att studera de seismiska händelserna. Studien syftar även till att klargöra om det finns något samband mellan produktionen och de seismiska händelserna. I studien kommer fokus att ligga på brytningsinducerad seismisk aktivitet. Ovannämnda delar skall resultera i en rekommendation för en framtida sekvensindelning av malmkroppen Fabian. Studien ska tillsammans med tidigare arbete inom prognostisering av uppblockning (Wettainen, 2010) utgöra en intern kunskapsbank för LKAB. I och med att företaget bryter fler malmkroppar under jord, utöver Fabian och Printzsköld, kommer fler malmkroppar genomgå en liknande uppblockning och kunskapen från tidigare studier skall användas för att göra bättre framtida prognoser. 1.3 Forskningsfrågor De forskningsfrågor som ska hjälpa till att uppnå syftet är: 1. Hur ser den seismiska aktiviteten ut i området runt Fabian och vilka är händelsens bakomliggande mekanismer (eng. source mechanisms)? 2. Finns det något samband mellan de seismiska händelserna och takskivans uppblockning? 3. Är det någon skillnad mellan de seismiska händelserna på olika nivåer och i olika delar av malmkroppen? 4. Hur bör sekvensindelningen (brytningssekvensen), av Fabian se ut mot djupet för att minska den seismiska aktiviteten? 2

15 Metod 2 METOD I följande kapitel beskrivs den metod som använts i denna studie. 2.1 Tillvägagångssätt Studien startade med att skriva en projektplan innefattande problemformulering och bakgrund till projektet. I nästa steg genomfördes en litteraturstudie för att öka kunskaperna inom ämnesområdena seismologi, uppblockning och seismiska anlysmetoder. Datainsamlingen bestod av inhämtande av seismisk data från det seismiska övervakningssystemet samt produktionsdata från det interna produktionssystemet Giron. För analys av de seismiska händelserna användes programvaran MS-RAP från Australian Center For Geomechanics. De analyser som gjorts för respektive nivå och område är de analyser som beskrivs av Hudyma (2008) och presenteras under kapitel 4.5. Vidare har analysen genomförts genom att relatera produktionen i specifika områden mot de seismiska händelserna. En genomförandeplan för studien redovisas i Figur 2-1. Figur 2-1: Genomförandeplan för studien 3

16 Metod 2.2 Forskningsmetod Valet av forskningsmetod kan delas upp i antingen induktiv eller deduktiv samt kvalitativ eller kvantitativ. Deduktiv forskning innebär att studien grundas på befintlig teori medan induktiv forskning ämnar mynna ut i en teori (Holme & Solvang, 1997). Kvalitativ forskning innebär att uppnå en djupare förståelse inom ämnet medan kvantitativ forskning innebär att man utifrån en teori studerar ett antal olika variabler utifrån en stor datamängd (Holme & Solvang, 1997). Den forskningsmetod som valts är deduktiv, kvantitativ forskning. Reliabilitet Reliabiliteten syftar till ett mätinstruments tillförlitlighet, d.v.s. chansen att uppnå samma värde vid flera olika tidpunkter (Patel & Davidson, 2011). En hög reliabilitet innebär en hög möjlighet att uppnå samma resultat. För att säkerställa en hög reliabilitet bör upprepande mätningar ske samt att tillvägagångssättet antecknas för att ge övriga inblandade möjligheten att återskapa tidigare utförda mätningar. Reliabiliteten anses som hög då de data i produktionssystemet är exakt och då de seismiska händelserna registreras av ett stort antal seismiska geofoner. Validitet Validitet innebär att mäta rätt saker vilket i en kvalitativ studie avses att hålla en god validitet genom en hel studie vilken kan uppnås genom att författaren kan använda sin förståelse under hela projektet och att datainsamling är så pass god att en trovärdig analys av materialet kan ske (Patel & Davidson, 2011). Validiteten anses som hög. Trovärdighet Trovärdigheten anses vara hög men då bergmassan inte är ett kontinuerligt medium bör det tas i beaktan att analysen är specifik för LKAB i Malmberget och inte är en generell studie som direkt kan tillämpas på andra malmkroppar. 2.3 Informationsinsamling Litteraturstudie 4

17 Metod Den litteratur som använts i studien består av vetenskapliga artiklar, böcker, tekniska rapporter, tidigare skrivna examensarbeten samt licentiat- och doktorsavhandlingar. För teoriavsnittet som berör seismologi har främst böcker som rör jordbävningar använts. När det gäller teori kring uppblockning finns det väldigt lite skriven litteratur (Potvin & Hudyma, 2008) och informationen som funnits har hämtats från ett tidigare examensarbete, en opublicerad doktorsavhandling samt en skriven bok. Avsnittet som berör malmkroppen Fabian har skrivits med stöd av interna, ej publicerade arbetsdokument. En plan för datainsamlingen redovisas i Figur 2-2. Figur 2-2: Genomförandeplan för litteraturstudie 5

18 Metod Datainsamling och analys Datainsamlingen är uppdelad i två olika delar och inhämtas från LKABs interna system. Den första delen omfattar inhämtandet av seismisk data. Datat som registreras av det seismiska övervakningssystemet samlas i en databas och vid analysen används data från 50 olika sensorer för varje event. Del två består av inhämtning av produktionsdata. Informationen är viktig för att kunna se i vilken omfattning som brytningen påverkar förekomsten av seismiska händelser. Ett exempel på detta är om en ökad utlastning ger fler eller större seismiska händelser. En genomförandeplan för datainsamling och analys visas i Figur 2-3 nedan. Figur 2-3: Genomförandeplan för datainsamling och analys 6

19 Malmkroppen Fabian 3 MALMKROPPEN FABIAN I detta kapitel beskrivs malmkroppen Fabian gällande geologi, brytningsmetod och bergspänningar. 3.1 Allmänt Malmkroppen Fabian är ca 400 meter lång, 50 meter bred och stupar i de övre delarna ca 75 mot malmkroppen Kapten åt väst för att bli nästintill horisontell mot djupet (Sjöberg, 2010). Strykningen för malmkroppen är 130,6 från den lokala norr. Fabian har en oregelbunden form och växer mot djupet in under delar av Malmberget, se Figur 3-1och Figur 3-2. Idag bedrivs brytning på nivån 920. För Fabian har den ovanliggande gråbergsskivan brutits ner under mer än 30 år och genomblockades den 20 mars Figur 3-1: Malmkroppen Fabian i profil. 7

20 Malmkroppen Fabian Figur 3-2: Fabianmalmen i plan med inlagt stadsnät. Liggväggen består närmast malmkroppen av en breccia med en tjocklek av 5-10 meter men i vissa områden förekommer även områden med grå och rödgrå leptit. På ett än längre avstånd från malmkroppen består liggväggen av gråröd leptit som anses vara kraftig vittrad. Liggväggen har en kraftigt varierande geologi och karteringen är endast aktuell för specifika och begränsade områden. Hängväggen består av granit och rödgrå leptit (Selldén, 1984). 3.2 Brytningsmetod Brytningen av Fabian började med metoden Slitsblockbrytning (eng. slot caving) som användes fram till Resultatet av denna brytning blev ett öppet rum med dimensionerna 160 x 40 x 120 meter. Till följd av det öppna 8

21 Malmkroppen Fabian rummet som bildats antogs det att en uppblockning av den fria hängväggen skulle ske, men som förblev stabil. Liggväggen drabbades däremot av ras till följd av dess vittrade berg och låga hållfasthet, se Tabell 3-2. Slitsblockbrytningen gav stora block som skapade problem med lastningen och brytningsmetoden ersattes då med skivpallbrytning (eng. sub-level stoping) och liggväggen förstärktes samtidigt för att motverka ytterligare ras. Brytningen övergick från 548 meters avvägning till skivrasbrytning (eng. sub-level caving) som används än idag (Granljung, 1999). En sammanställning av använda brytningsmetoder visas i Figur 3-3. Figur 3-3: Brytningsmetoder i Fabian (Sjöberg, 2010). Skivrasbrytning kan tillämpas i de fall där malmkroppen stupar mer än 60. Metoden har en hög produktivitet då brytningen kan ske på flera nivåer samtidigt samt att en mindre mängd sprängämnen krävs vilket förkortar produktionstider i form av borrning, sprängning, laddning och ventilation. Till skillnad från skivpallbrytning bygger skivrasbrytning på att det sker en naturlig uppblockning till följd av rådande spänningar, hålrummets dimensioner och tyngdaccelerationen. Brytningen sker från ovanliggande nivåer och går mot djupet. Det är vanligt att skivrasbrytning används som en övergångsmetod från ett öppet dagbrott (Hartman & Mutmansky, 2002). Hur brytningen sker på olika nivåer med olika arbetsmoment kan ses i Figur

22 Malmkroppen Fabian Figur 3-4: Principskiss över skivrasbrytning (LKAB, 2012c). Markytans respons till skivrasbrytning varierar beroende på om brytningen startat som dagbrott eller genom underjordsbrytning. Hängväggen kommer att deformera, till följd av minskad styvhet, och ge utfall i hålrummet. Markytan påverkas i form av sättningar (kontinuerliga och diskontinuerliga). Malmkroppen Kapten påbörjades som ett öppet dagbrott och markytan har deformerats och är idag en stor grop, se Figur 3-6. Till skillnad från Kapten började brytningen av Fabian underjord och det har istället skapats ett hålrum med en ovanliggande takskiva. När brytningen fortsätter mot djupet kommer en uppblockning av takskivan att ske. Vid brytningens start var takskivan 250 meter tjock (LKAB, 2012d) och i början av 2012 endast 43 meter i höjdled och 27 meter i den vägg som vetter mot Kaptensgropen, se Figur

23 Malmkroppen Fabian Figur 3-5: Malmkroppen Fabian i genomskärning. Vy mot norr (LKAB, 2012d). Figur 3-6: Vy över Kaptensgropen (Sjöberg, 2010). 3.3 Geologiska förutsättningar De främst förekommande bergarterna finns beskrivna i Tabell

24 Malmkroppen Fabian Tabell 3-1: Vanligt förekommande bergarter i Malmberget (översatt från Larsson (2004a)). Bergart Aplit Leptit Granit Leptit och granit-breccia Gnejs Hematit Magnetit Egenskaper Väldigt hård, finkornig, granitliknande Fin till medelkorning bergart som är kraftigt metamorf. I Malmberget finns röd, grå-röd och grå leptit. Den röda leptiten är sur och kan vara kraftigt folierad medan den grå leptiten är medel till basisk och har ett högt innehåll av biotit och kan vara folierad med lager av biotit. Grovkornig med innehåll av kvarts, fältspat och glimmer. Skarpa korn och finns i kontaktytorna mellan bergarterna. Kraftigt metamorf, varierar från sur till basisk folierad bergart. Medel- till grovkornig järnmalm med relativt högt innehåll av fosfor. Medel- till grovkornig järnmalm med relativt högt innehåll av fosfor. Under 1970-talet utfördes omfattande försök av kärnkartering och laboratorietester av bergmassan i närheten av Fabian (Sjöberg, 2010). I Granljung (1999) och Tabell 3-2 redovisas de olika bergarternas tryckhållfasthet. 12

25 Malmkroppen Fabian Tabell 3-2: Enaxiell tryckhållfasthet för vanligt förekommande bergarter i Malmberget (Granljung, 1999). Enaxiell Bergart tryckhållfasthet [MPa] Granit 183,7 Gråröd leptit 201,7 Grå leptit 84,1 Rödgrå leptit 244,6 Röd leptit 270,3 MEDEL 196,9 3.4 Bergspänningar Det primära spänningstillståndet i Malmberget har dels analyserats av Sandström & Nordlund (2004) och dels av Sjöberg (2008). Sandström & Nordlund (2004) analyserade data från spänningsmätningar som utförts med överborrningsmetod (eng. overcoring). Samtliga borrhål som användes till överborrning låg i närheten av olika brytningsområden och var därmed påverkade av sekundära spänningarna. De spänningar som presenterades i studien av Sandström & Nordlund (2004) gav en stor variation i både storlek och orientering (Sjöberg, 2010). Under 2007 utfördes nya spänningsmätningar med metoden hydraulisk spräckning (eng. hydraulic fracturing). Resultaten från dessa spänningsmätningar användes som kalibreringsdata till numeriska analyser. De primära spänningar som bestämdes används idag av LKAB och redovisas i Tabell 3-3. Spänningssambanden för den primära vertikala spänningen,, den största primära horisontalspänningen,, och den minsta primära horisontalspänningen,, redovisas i Tabell

26 Malmkroppen Fabian Tabell 3-3: Spänningssamband i Malmberget. (Sandström & Nordlund, 2004) (Sjöberg, 2008) * 0,029z ρgz ** 0,037z 0,0356z *** 0,028z 0,0172z *primära vertikala spänningen, **största primära horisontalspänningen,, och *** minsta primära horisontalspänningen,. Orienteringen av den största primära horisontalspänningen,, är 130,6 medurs från lokal nord, (Sjöberg, 2010). 3.5 Strukturer I Sjöberg (2010) redovisas åtta stycken deformationszoner i närheten av Fabianmalmen. Dessa zoner presenteras i Tabell 3-4, Figur 3-7 och Figur 3-8. Tabell 3-4: Strukturer i närheten av Fabianmalmen (Sjöberg, 2010). Namn Strykning [ ] Stupning [ ] Sannolikhet av förekomst Pålitlighet av orientering Beskrivning DZ Hög Hög Zon med krossat berg DZ Mellan Mellan Spröd struktur DZ Låg Låg 900 m lång DZ Mellan Mellan 500 m lång, 3m bred DZ Hög Hög 600 m lång, 2 m bred DZ Mellan Mellan Spröd struktur DZ Mellan Mellan DZ Hög Hög Uppsprucken zon. 240 m lång, 5 m bred Spröd struktur m lång, 5 m bred 14

27 Malmkroppen Fabian N Figur 3-7: Strukturer i närheten av Fabianmalmen extrapolerade till markytan (Sjöberg, 2010). Figur 3-8: Strukturer (ses i rött) i närheten av Fabianmalmen (ses i blått) (Sjöberg, 2010). 15

28 Malmkroppen Fabian I den direkta närheten av Fabian finns tre stycken dominerande sprickgrupper, (Sjöberg, 2010). Stupningsriktning och stupning redovisas nedan. Sprickgrupp 1: 135/85 (nästan parallell med Fabian) Sprickgrupp 2: 357/48 (vinkelrätt mot Fabian) Sprickgrupp 3: 105/08 Under 2003 utfördes en studie utifrån filmade borrhål. Denna resulterade i ytterligare två stycken sprickgrupper, se stupningsriktning och stupning nedan, (Sjöberg, 2010). Sprickgrupp 4: 145/90 Sprickgrupp 5: 100/ Takskivans uppblockning Tjockleken av Fabianmalmens takskiva har mätts med olika metoder vid tolv olika tillfällen. Takskivans tjocklek har varierat enligt Figur 3-9. Takskivans tjocklek [m] Mätning av takskivans tjocklek Takskivans tjocklek År Figur 3-9: Takskivans tjocklek (från (Sjöberg, 2010)). 16

29 Seismologi 4 SEISMOLOGI Nedan presenteras en bakgrund till området seismologi. Seismologi är ett vida känt begrepp och är främst förknippat med jordbävningar. Jordbävningar karaktäriseras som en seismisk händelse och en frigörelse av energi. Den frigörelse av energi som sker i gruvor benämns även den som seismisk händelse och kan antingen skapas genom områdets geologi, gruvbrytningens påverkan och in-situ förhållanden. Enligt Larsson (2004b) är definitionen av en seismisk händelse en plötslig frigörelse av energi och som avges i form av seismiska vågor. Den energiomvandling som sker är från lagrad eller potentiell energi till seismisk energi. Den seismiska energin avges i form av vågor och det finns två olika typer av seismiska volymvågor, p- respektive s-vågor (Larsson, 2005). De bakomliggande mekanismerna (eng. source mechanism) som orsakar seismiska händelser kan uttryckas på ett antal olika sätt och beskrivs här enligt Larsson (2004a). 1. Spänningsomlagringar Smällberg (eng. rock burst) a. Strain burst b. Face burst c. Pillar burst 2. Glidning efter diskontinuiteter a. Fault slip b. Shear rupture Den första kategorin, spänningsomlagringar, har en direkt anknytning till hålrum och inträffar även i närheten av dessa. Denna typ kan ofta ses som en funktion av brytningsaktiviteten och innebär en omlagring av de sekundära spänningarna (Duplancic, 2001). Om spänningarna ökar och överskrider bergmassans hållfasthet kan bergmassan gå i brott och bergbitar lossna och falla ut. De vanligaste typerna av smällberg beskrivs nedan. Förutom den spänningskoncentration som kan förekomma i anslutning till hålrum kan även förekomsten av vatten utlösa seismiska händelser. Enligt effektivspänningsekvationen (1) leder ett ökat portryck till ökad totalspänning. (1) 17

30 Seismologi där är effektivspänning, är totalspänning och är portryck. Vid strain burst sker ett våldsamt brottsförlopp som innebär att delar av berget faller ut i det brutna hålrummet och de vanligaste brottmekanismerna är spjälkning (eng. spalling) och buckling (eng. slabbing). Dessa typer av brott frigör små mängder av energi och ger därmed även små skador på konstruktionen och dess närhet (Larsson, 2005). Face burst är en typ av strain burst som innebär att energi lagras i fronten och material skjuts in i det brutna hålrummet. Den tredje typen av brott som kan ske som följd av spänningsomlagringar är pelarbrott (eng. pillar burst). Pelarbrott är ett våldsammare brottförlopp än strain burst och frigör större mängder energi vilket kan orsaka större skador på konstruktioner. Pillar burst inträffar i gruvor/konstruktioner som använder brytningsmetoder med pelare, exempelvis rum-pelar brytning. Spänningen i en pelare överskrider pelarens hållfasthet som därmed går i brott. Det innebär att pelaren inte längre har maximal hållfasthet utan har en reducerad bärförmåga. De spänningar som pelaren inte tar upp fördelas ut på andra pelare. I värsta fall kan de ökade spänningarna orsaka ytterligare pelarbrott vilket kan ge en domino-effekt som frigör stora mängder energi (Larsson, 2004b). Den andra kategorin innebär glidning längs en diskontinuitet och inträffar normalt på ett längre avstånd ifrån brytningen (Duplancic, 2001). Den första typen innebär en glidning längs en geologisk diskontinuitet (eng. fault slip). Likväl som för de brott som nämnts ovan kan denna typ av brott påverkas av gruvbrytningen. Ett tänkbart scenario är att gruvbrytningen reducerar normalspänningen över en spricka vilket leder till en minskad skjuvhållfasthet. Scenariot kan påvisas genom ett försök där en tyngd dras längs ett plant underlag, se Figur 4-1. Ju tyngre vikten är (högre normalspänning) desto mer kraft behövs det för att övervinna friktionen (som i en bergmassa är skjuvhållfastheten) och få vikten att röra sig. 18

31 Seismologi Figur 4-1: Påvisande av skjuvhållfasthet (Larsson, 2004b). För att vikten skall röra sig krävs det att den pådrivande kraften F är större än den mothållande kraften, t, som kan uttryckas med ekvation (2). (2) I ovanstående ekvation är den statiska friktionskoefficienten och normalspänningen. I kontaktytan mellan blocket och underlaget verkar normalspänningen,, och skjuvspänningen,. Skjuvhållfastheten är produkten mellan underlagets (sprickans) råhet, m, och den verkande normalspänningen,, som redovisats i ekvation (2). Så länge som den mothållande kraften är större än den pådrivande är systemet i jämvikt. Detta kan uttryckas enligt ekvation (3). (3) Om kraften, F, i systemet ovan ökas så att kommer systemet att befinna sig i ett ostabilt jämviktsläge. I detta läge krävs endast en liten ökning av kraften F för att blocket skall sättas i rörelse. När systemet väl är i rörelse minskar den statiska friktionen i ekvation (4) till att bli dynamisk enligt ekvation (5). (4) I både ekvation (2) och (4) kan det även ses att en minskning av normalspänningen ger en reducerad skjuvhållfasthet. För att glidning ska inträffa måste förutom friktionen även den inbyggda kohesionen övervinnas. Glidningskriteriet uttrycks då som 19

32 Seismologi (5) Det andra scenariot innebär att skjuvspänningarna längs med den geologiska diskontinuiteten ökar vilket i sin tur kan orsaka en glidning. Vid dessa typer av brott skapas större mängder energi som kan ge mer omfattande skador på en konstruktion. När de seismiska vågorna når hålrum kan bergmassor skjutas in i hålrummet och/eller ge upphov till dragbrott respektive tryckbrott på randen vilket kan resultera i utfall av berg. Utfall av block som bildats genom sprickor kan ske till följd av de skakningar som kan förekomma (Larsson, 2004b). Den andra typen av glidning, shear rupture, innebär att den intakta bergmassan går i brott till följd av att skjuvspänningen överskrider bergmassans skjuvhållfasthet (Larsson, 2004b). Det finns enligt Shearer (2009) fyra olika typer av storskaliga förkastningar (eng. focal mechanisms). 1. Normal fault 2. Reverse fault 3. Strike-slip fault 4. Oblique fault I Figur 4-2 till Figur 4-5 visas de olika fokala mekanismerna. Figur 4-2: Normal fault (Shearer, 2009). Normal fault innebär att det sker en relativ rörelse nedför liggväggen. För normal fault gäller att den primära vertikala spänningen är den största och brottet är ett resultat av dragkrafter inom en region. 20

33 Seismologi Figur 4-3: Reversed fault (Shearer, 2009). Reverse fault innebär att det sker en relativ rörelse uppför liggväggen, på motsatt sätt mot för normal fault. Reversed fault orsakas av tryckande krafter och det gäller att den primära vertikala spänningen är den minsta spänningen (Ammons, 2001). Figur 4-4: Strike-slip fault (Shearer, 2009). Strike-slip fault innebär att det sker en horisontell rörelse mellan brottytorna (Ammons, 2001). Figur 4-5: Oblique fault (Shearer, 2009). 21

34 Seismologi Oblique fault innebär att det dels sker en relative rörelse i stukningsriktningen och dels en rörelse i strykningsriktningen. I Figur 4-2 till Figur 4-5 visas även hur de olika typerna av fokala mekanismer grafiskt presenteras i sfärisk projektion. En sammanfattning av var seismiska händelser inträffar visas i Figur 4-6. Figur 4-6: Principiell skiss över vanligt förkommande områden med förskjutningar, förkastningar och seismiska händelser (Hudyma & Potvin, 2010). 4.1 Förebyggande åtgärder Som nämnts ovan är det viktigt att ha vetskap om bergmassans respons för att kunna effektivisera gruvplaneringen samt säkerställa trygga arbetsplatser. En 22

35 Seismologi viktig del för att ha säkra arbetsplatser är att kunna sätta in rätt åtgärder vid rätt tidpunkt. Olika sätt att minska risken för smällberg och seismiska händelser är enligt Luleå University of Technology (2010): Avlastning (eng. destressing) - Minska spänningarna nära randen genom att blocka upp bergmassan närmast fronten och på så vis låta plastiska deformationer ske. Ändra eller minska brytningssekvenserna - Minska risken för smällberg genom att låta spänningarna förändras gradvis och i mindre steg. Använda återfyllnadsmaterial (eng. backfill) - Tar upp en viss mängd avgiven energi vilket minskar den seismiska energin. - Att minska möjligheten till stora deformationer vilket innebär att risken för att omvandla potentiell energi till seismisk energi minskar. Injektera vatten i öppna sprickor - För att minska normalspänningen över sprickan och förhindra att höga spänningar byggs upp. - Det måste tas i beaktan att portrycken kan öka till följd av injekteringen vilket kan leda till ökad totalspänning och nya seismiska händelser. 4.2 Vågtyper De två olika vågtyperna som utbildas från en seismisk källa är p- respektive s- vågor. P-vågor (även benämnda longitudinella vågor och tryckvågor) kommer från engelskans premier/primary och härrör från att p-vågen är den våg som utbreder sig med högst hastighet utifrån den givna källan. I p-vågen rör sig partiklarna parallellt vågens utbredningsriktning, se Figur 4-7, (Shearer, 2009). 23

36 Seismologi Figur 4-7: P-våg där partiklarna rör sig parallellt med vågens utbredningsriktning (Shearer, 2009). Hastigheten för p-vågor beräknas enligt ekvation (6) (6) Som synes påverkas hastigheten för p-vågorna av elasticitetsmodulen, tvärkontraktionstalet och elasticitetsmodulen för det medium som vågen transporteras i. Hastigheten för p-vågor ligger normalt i intervallet 6 km/s (Australian Centre For Geomechanics, 2005). S-vågor (även benämnda transversala och skjuvvågor) kommer från engelskans secondary och rör sig långsammare än p-vågen. S-vågen kan endast utbildas i solida medier (medier med en viss skjuvhållfasthet) och kan således inte fortplanta sig i vätskor. Till skillnad från p-vågen rör sig partiklarna vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning, se Figur 4-8, (Shearer, 2009). Figur 4-8: S-våg där partiklarna rör sig vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning (Shearer, 2009). Hastigheten för s-vågor beräknas enligt ekvation (7) 24

37 Seismologi (7) Hastigheten påverkas precis som för p-vågor av elasticitetsmodulen, densiteten och Poissons tal för materialet som vågen utbreder sig i. Hastigheten för s- vågor ligger normalt i intervallet 3,5 km/s (Australian Centre For Geomechanics, 2005). Rayleigh-vågor är en ytvåg som kan bildas då volymvågen träffar en fri yta och är rör sig i en elliptisk bana som en kombination av p- och s-vågor. 4.3 Positionering För att bestämma källan till den seismiska händelsen mäts ankomsttiderna för p- respektive s-vågorna med hjälp av geofoner. För att lösa ekvationssystemet med de fyra obekanta parametrarna krävs fyra ekvationer och således fyra geofoner. Kort beskrivet krävs det att minst fyra olika geofoner fångar upp vågor från en seismisk händelse för att bestämning av en absolut positionering ska vara möjlig. Vågorna utbreder sig sfäriskt från källan och avståndet,, från denna punkt kan uttryckas analytiskt med ekvationen för en sfär, se ekvation (8). (8) där är geofonens position och är koordinaterna för de seismiska vågornas källa. Metoden som används ovan benämns enligt Duplancic (2001) som direktmetoden och kräver fyra geofoner som inte ligger i samma plan. Avståndet,, beräknas enligt ekvation (9) utifrån kända ankomsttider och de seismiska vågornas utbredningshastighet i bergmassan (Duplancic, 2001). (9) där är tidsdifferensen mellan inkommande p- och s-vågor samt och som är respektive vågs hastighet i bergmassan. Enligt Larsson (2004a) kan en grov uppskattning av avståndet i kilometer till källan uttryckas enligt ekvation (10). 25

38 Seismologi (10) För att bestämma om en seismisk händelse är skjuv- eller tryckrelaterad, d.v.s. om brottet som gett upphov till de seismiska vågorna är orsakade av en glidning längs en diskontinuitet eller genom ett tryckspänningsinducerat brott mäts energiinnehållet i vågorna som blivit inmätta med installerade geofoner. 4.4 Magnitud På samma sätt som för jordbävning kan styrkan av en seismisk händelse i en gruva beräknas. För jordbävningar beräknas styrkan normalt efter Richterskalan som är en logaritmisk skala med frigjord energi (största amplitud) och en korrektionskonstant för avståndet till epicentrum som indata. I Malmberget används en lokal magnitudskala där magnituden,, beräknas enligt ekvation (11) (11) där E är den seismiska energi som omvandlas vid händelsen, M är det seismiska momentet och konstanterna A = 0,272 B = 0,392 C= 4,630 är korrektionsfaktorer för avståndet. En beskrivning av logaritmskalan visas i Tabell 4-1. Den seismiska energin är ett mått på hur mycket energi som sänds ut vid händelsen och är likt seismiskt moment ett beskrivande sätt för att åskådliggöra hur stor risk en konstruktion löper för att skadas. Den seismiska energin är oberoende av utlösningsmekanismen och är proportionell mot kvadraten på amplituden och frekvensen, ekvation (12), (Shearer, 2009). (12) Det seismiska momentet är ett mått på den seismiska händelsens styrka. Det seismiska momentet kan uttryckas enligt ekvation (13). 26

39 Seismologi (13) där är skjuvmodulen i området för källan, är medelförskjutningen och är den yta som påverkats av den seismiska händelsen (Larsson, 2004b). Tabell 4-1: Beskrivning av lokal magnitudskala (från Hudyma (2008)). Magnitud -3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 2,0 3,0-4,0 Beskrivning Hörs ofta relativt den seismiska källan. Den seismiska händelsen kan höras men vibrationer är för små för att kännas. Kan inte upptäckas med ett mikroseismiskt övervakningssystem. Tydlig skakning på markytan Kan kännas längre bort från källan än 100 meter. Kan upptäckas med ett seismiskt övervakningssystem. Större skakningar på markytan. Känns ofta av många arbetare i gruvan. Vibrationer hörs och känns i gruvan. Kraftiga stötar på markytan som kan kännas flera hundra meter bort men inte höras. Känns och hörs väldigt tydlig på markytan Kan upptäckas av ett regionalt övervakningssystem med sensors på hundratals kilometers avstånd. Vibrationer på markytan känns tydligare än större produktionssprängningar. Den största brytningsinducerade seismiska händelsen uppfångad i Australien. 27

40 Seismologi 4.5 Seismiska analysmetoder En analys av den seismiska aktiviteten i anslutning till Fabian genomförs med programvaran MS-RAP som är framtagen av Australian Centre For Geomechanics. Programvaran bygger på att skapa kluster av händelser utifrån detekterade seismiska händelser. Klustren byggs på sådant vis att de har samma seismiska signatur, d.v.s. liknande uppträdande inom en begränsad tidsperiod. En gruppering av kluster visas i Figur 4-9. Figur 4-9: Kluster i närheten av Fabianmalmen. Fördelen med att studera kluster istället för enskilda händelser är att ett kluster med liknande egenskaper kan ge en indikation på att det exempelvis finns en struktur eller svaghetszon S/P-Energi En viktig indikator för att bestämma de bakomliggande mekanismerna är förhållandet mellan energiinnehållet i S- respektive P-vågor ( / -kvoten). Gibowicz et. Al (1992) samt Boatwright och Fletcher (1984) refererad i (Hudyma & Potvin, 2008) presenterade följande samband: Spännings- eller volymrelaterad (Rock burst) 28

41 Seismologi Skjuvrelaterad (Fault slip) där motsvarar energiinnehållet i S-vågor och motsvarar energiinnehållet i P-vågor. En hög / -kvot indikerar ett högt energiinnehåll i skjuvvågorna och tyder på att den seismiska händelsen är orsakad av en glidning. En låg / -kvot indikerar ett högre energiinnehåll i P-vågorna och orsakas av en händelse som genererar en mindre mängd energi, exempelvis ett tryckspänningsinducerat brott som spjälkning (Larsson, 2004b). För att vågorna skall kunna fortplanta sig i bergmassan krävs ett kontinuerligt medium vilket innebär att vågorna kan ha problem att fortplantas genom en väl uppsprucken, diskontinuerlig, bergmassa. När en volymvåg når en öppen spricka kan vågen antingen reflekteras eller både reflekteras och brytas. Vid volymvågens utbredning sker en elastisk förskjutning av mediet och en öppen spricka kan då stängas om den utbildade förskjutningen är spricköppningen. Om sprickan stängs kan en fortsatt utbredning av vågorna ske Gutenberg-Richter (b-värde) Analys av b-värde har sitt ursprung i jordbävningsseismologi där Gutenberg & Richter (1944) refererad i (Australian Centre For Geomechanics, 2005), redovisade ett potenssamband mellan seismiska händelsers magnitud och förekomst, se Figur För del linjära delen av kurvan ska absolutbeloppet av lutningen ligga inom intervallet 0,5-1,5. 29

42 Seismologi Figur 4-10:B-värdes diagram för analys av seismiska händelser samt bakomliggande mekanism (Australian Centre For Geomechanics, 2005). Genom att studera förhållandet kan antalet event av större magnitud bestämmas. Legge & Spottiswoode (1987) samt Hudyma et al (1995) refererade i (Australian Centre For Geomechanics, 2005) har visat att den bakomliggande mekanismen för en seismisk händelse kan bestämmas med b- värdesanalys. Ett högre b-värde (i domänen 1,2 1,5) kan påvisa spänningsrelaterade seismiska händelser medan ett lägre b-värde (ofta lägre än 0,8) är förknippade med glidningsrelaterade seismiska händelser EI-CAV EI-CAV står för Energy Index (EI) och Cumulative Apparent Volume (CAV) och är en analysmetod som används för att identifiera instabilitet i bergmassan. I Figur 4-11 visas en graf där energiindex och kumulativ volym plottas mot tid. För EI > 1 frigörs större mängder energi vid seismiska händelser än normalt och innebär att högre spänningar ackumulerats i bergmassan. CAV relaterar till bergmassans deformation vid seismiska händelser. När spänningar ackumuleras i bergmassan fluktuerar EI samtidigt som CAV påvisar relativt liten deformation. Höga spänningar leder till att bergmassan börjar spricka och deformeras vilket leder till att spänningarna omlagras (så att EI < 1) och CAV ökar signifikativt. Ett plötsligt fall i EI indikerar att en större del av bergmassan gått i brott (ej synonymt med förlorad bärighet) och större seismiska händelser kan väntas (Australian Centre For Geomechanics, 2008), (Australian Centre For Geomechanics, 2005). 30

43 Seismologi Figur 4-11: Instability chart Energi Index (EI) mot Kumulativ ackumulerad volym (CAV). Instabilitetsanalysen i EI-CAV har visat sig kunna vara ett bra verktyg för att se när bergmassan övergår från att lagra spänningar till att avlastas (Australian Centre For Geomechanics, 2005) Energi-moment förhållande Förhållandet mellan seismisk energi och moment kan användas för att studera och gruppera seismiska händelser i kluster samt för att analysera kvaliteten i seismiska datat. Data med sämre kvalitet eller tillhörande av olika kluster tenderar till att separeras, se Figur 4-12, medan seismiska händelser inom samma kluster och av bättre kvalitet bildar en sluten ellips. 31

44 Seismologi Figur 4-12: Förhållande mellan energi och moment (Australian Centre For Geomechanics, 2005) Corner frequency En händelses corner frequency (sv. hörnfrekvens) är ett mått på inom vilken frekvens det största energiinnehållet finns. Enligt Shearer (2009) tenderar Corner frequency att minska vid event av större magnitud vilket kan ge en indikation på en skjuvrelaterad händelse och vice versa. Corner frequency kan även användas för klustergruppering Kombinerad analys Genom att använda en kombination av ovanstående indikatorer kan man få en bra insikt av de bakomliggande mekanismerna till seismiska händelser och riskerna med dessa (Hudyma & Potvin, 2010). Ovannämnda författare menar att exempelvis S/P-kvoten självt inte ska användas som indikator utan kombineras tillsammans med Gutenberg-Richters b-värde och eventuellt även energi-moment relationen eller corner frequency. Om flera av indikatorerna pekar åt samma håll kan påståendet om en mekanism tänkas vara mer pålitlig. Detta innebär att om S/P-kvoten har ett högt värde (tydliga tecken på skjuvning) tillsammans med att b-värdet är lågt, hörnfrekvensen lägre och händelserna inträffar nära en struktur är det troligt att eventen orsakats av en glidning längs en diskontinuitet. 32

45 Seismisk övervakning och uppblockning 5 SEISMISK ÖVERVAKNING OCH UPPBLOCKNING Nedan beskrivs hur övervakning av seismiska händelser sker samt en beskrivning av uppblockningsförloppet. 5.1 Seismisk övervakning Ett seismiskt övervakningssystem är viktigt för att kunna kontrollera bergmassans respons på gruvbrytningen. Enligt Larsson (2004b) är målen med seismisk övervakning: Lokalisering - För att bestämma källans position i området (x, y, z) Förebyggande åtgärder (åtgärder för att minska smällberg) - Genom att kontrollera och optimera parametrar för indata till numeriska analyser och planering kan design, sekvenser och förstärkning optimeras och på så vis minska risken för smällberg. Kontroll - För att upptäcka förändringar av seismiska parametrar och kontrollera effekten av förebyggande åtgärder. En ändring av seismiska parametrar innebär en förändring av spänningar. Varningar - För att upptäcka oväntade eller hastiga förändringar av seismiska parametrar samt kunna tyda mönster som kan leda till instabila arbetsplatser i området. Tillbakaräkning - För att kunna effektivisera planerings och övervakningsprocessen genom att kunna beräkna rådande spänningar vid ett givet tillfälle. Det seismiska övervakningssystemet i Malmberget består av ett nätverk med sammankopplade enaxiella och triaxiella geofoner. Skillnaden mellan enaxiella och triaxiella geofoner är att den förstnämnda mäter rörelser i vertikal/horisontell riktning medan den senare mäter rörelser i horisontell, 33

46 Seismisk övervakning och uppblockning vertikal och transversell riktning. Geofonerna är placerade i 76mm borrhål och består i enkelhet av en magnet och en spole. Vid en rörelse i bergmassan kommer geofonen att sättas i rörelse och resulterar i elektrisk spänning. Den elektriska spänningen kan sedermera tolkas till magnitud genom seismisk energi och moment. Det finns idag totalt 134 stycken geofoner i Malmberget varav 74 stycken är enaxiella och 60 stycken är triaxiella. Av dessa är 36 geofoner installerade i närheten av malmkroppen Fabian, fördelade över 18 enaxiella och 18 triaxiella. Från systemets expansion år 2010 har närmare stycken seismiska händelser detekterats varav ca stycken i närheten av Fabian. Geofonerna är placerade enligt Figur 5-1 och Figur 5-2. Figur 5-1: Placering av geofoner, plan, med Fabianmalmens utbredning. Blå färg indikerar enaxiella geofoner och röd färg indikerar triaxiella geofoner. 34

47 Seismisk övervakning och uppblockning Figur 5-2: Placering av geofoner, profil, med Fabianmalmens utbredning. Blå färg indikerar enaxiella geofoner och röd färg indikerar triaxiella geofoner. 5.2 Uppblockning I följande delavsnitt behandlas uppblockningens mekanismer och förlopp. Uppblockning är ett fenomen som kan beskrivas som kontinuerliga ras från takskivan i Fabianmalmen. Takskivan har blockats upp med ca 5 meter/år vilket är betydligt mindre än för andra malmkroppar Uppblockningsmekanismer Uppblockning kan ske på två olika sätt, (Laubscher, 2004). Dessa två uppblockningsmekanismer är. 1. Spänningsrelaterad uppblockning (eng. stress caving) 2. Strukturrelaterad uppblockning (eng. subsidence caving) 35

48 Seismisk övervakning och uppblockning Som tillägg till dessa presenterar Mahtab et al (1973) refererad i (Wettainen, 2010) och (Sjöberg, 2010) en tredje typ av mekanism. 3. Gravitativ uppblockning (eng. gravity eller stress release caving) Av Potvin & Hudyma (2008) presenterades ytterligare en fjärde uppblockningsmekanism. 4. Tangentialspänningen blir så pass hög att den trycker ihop sprickor men är inte är nog hög för att överskrida bergmassans hållfasthet. Det krävs det någon typ av störning, exempelvis sprängning eller hydraulisk spräckning för att uppblockningen ska fortsätta. Spänningsrelaterad uppblockning förekommer i intakt berg när spänningarna i taket överskrider bergmassans tryck- och skjuvhållfasthet. Uppblockningen pågår fram tills ett stabilt tak har uppbringats (genom att spänningarna skapar en valvverkan). Uppblockningen kan därefter återupptas då valvverkan bryts genom exempelvis deformationer, randförsvagning och/eller att den hydrauliska radien ökar (Laubscher, 2004). Vid strukturrelaterad uppblockning överskrids skjuvhållfastheten av ett vertikalt eller nästan vertikalt block. Beroende på den hydrauliska radien kan skador av denna typ bli förödande, dels genom att de fallande bergmassorna som kan orsaka skador på arbetare, maskiner och konstruktioner men utfallet kan även generera seismiska vågor och/eller tryckvågor av luft (eng. air blasts) (Potvin & Hudyma, 2008). Denna typ av uppblockningsmekanism kan ge en snabbare uppblockningshastighet (Sjöberg, 2010). Den gravitativa uppblockningen innebär utfall av bergmassan på grund av att låga mothållande krafter (låga tryckspänningar eller dragspänningar). För att ett utfall skall kunna ske krävs det att block bildats av en flack och minst två brant stupande huvudsprickgrupper. Gravitativ uppblockning förekommer i zon 3 i Figur 5-3. Detta har även studerats genom numerisk analys av ytligt belägna tunnlar av Töyrä (2006). Det som hittills beskrivits har behandlat hur uppblockningen påverkas av spänningar och geologiska strukturer. Ytterligare en faktor som har stor inverkan på uppblockningens initiering och utbredning är den hydrauliska radien. Detta har studerats av Matthews, refererad i Potvin & Hudyma (2008), och uppblockningen kan bestämmas empiriskt med Stability graph method (Potvin & Hudyma, 2008). 36

49 Seismisk övervakning och uppblockning Uppblockningsförloppet Bergmassan ovanför en ort eller brutet hålrum kan enligt Brady & Brown, (2004) delas in i fem olika delområden, se Figur 5-3. Figur 5-3: Indelning av uppblockningsområden Duplancic & Brady (1999) refererad i (Brown, 2003). De olika områdena beskrivs av Brown (2003) som: 1. Uppblockat berg (eng. caved zone) - Området består av uppblockat berg som är utfall från tak och väggar. Massorna ökar i takt med att uppblockningen fortgår. Det uppblockade berget bidrar positivt till hålrummets stabilitet 2. Tomrum (eng. air gap) - Utrymmet mellan det uppblockade berget och ovanliggande takskiva. Områdets storlek bestäms av uppblockningshastigheten och i vilken omfattning utlastning sker. 3. Zon med deformationer (eng. zone of loosening) - I delområdet sker stora plastiska deformationer och bergmassan är delvis uppblockad. På grund av uppblockningen och det plastiska tillståndet kan delområdet endast uppta en begränsad 37

50 Seismisk övervakning och uppblockning spänning. Det brott som sker är på randen och frigör endast små mängder energi som inte fortplantas genom zonen. 4. Seismiskt aktiv zon (eng. seismogenic zone) - I den seismiska zonen är det en spänningskoncentration och seismiska händelser kan dels utlösas genom glidning längs diskontinuiteter och dels genom överskridande av överskridande av bergets hållfasthet. Spänningskoncentrationen och zonen är valvformad med dess högsta punkt i mitten av hålrummet. 5. Omgivande bergmassa (eng. pseudo continuous zone) - Den omgivande bergmassan är intakt men kan vara påverkad av spänningsomlagringar till följd av konstruktioner eller brytning av bergmassan. Bergmassans hållfasthet är inte överskriden och endast elastiska deformationer sker i zonen. Uppblockningen delas in i olika delsteg (Potvin & Hudyma, 2008): 1. Initiering av uppblockning (eng. cave initiation) 2. Kontinuerlig uppblockning (eng. cave propagation eller continuous caving) 3. Genomblockning (eng. cave breakthrough eller cave connection) Initiering av uppblockning sker till följd av att den hydrauliska radien ökar så att det brutna rummet övergår från att vara stabil till att vara instabil. Det som i detta fall sker är att det spänningsvalv som bildats ovanför bergrummets tak bryts. Hur mycket den hydrauliska radien kan ökas kan bestämmas utifrån numeriska analyser men även med empiriska metoder som Stability graph method, SGM (Potvin & Hudyma, 2008). Det andra steget innebär att det sker kontinuerliga ras från takskivan. Det tredje steget, genomblockning (cave breakthrough), innebär att uppblockningsfronten har nått till markytan, ovanliggande ort eller bergrum. Innan genomblockningen har takskivan gradvis blivit uppsprucken och spänningarna omlagrats. Detta innebär att endast en begränsad last kan tas upp (låga spänningar) och när uppblockningen når markytan kommer därför endast en mycket liten omlagring ske och gruvbrytningen kan fortsätta då genomblockning är relativt lugn (Potvin & Hudyma, 2008). 38

51 Seismisk övervakning och uppblockning Seismiska händelser kan ses som en effekt av uppblockningen som i sin tur är ett resultat av den använda brytningsmetoden, geologin och spänningarna i bergmassan. Uppblockningen av takskivan med hänsyn till produktionstakten har studerats av Sjöberg (2010) och visas i Figur 5-4. Figur 5-4: Takskivans tjocklek i förhållande till produktionen i Fabian (Sjöberg, 2010). Sjöberg (2010) hävdar att det inte finns någon koppling mellan produktionen och uppblockningen av takskivan, men menar samtidigt att det vore osannolikt att det skulle ske någon uppblockning utan produktion. 39

52 Seismisk analys 6 SEISMISK ANALYS I följande kapitel kommer en analys av samtliga aktiviteter att ske. Analysen kommer omfatta de moment som beskrivits i kapitel 4.5. Data för analysen har samlats in från det seismiska övervakningssystemet i Malmberget samt det interna produktionsdatasystemet Giron. Den seismiska analysen kommer omfatta de seismiska händelser som skett från den 1 januari 2010 fram till juni Analysen kommer att följa den genomförandeplan som nämnts i Figur 2-3 och kommer genom denna beröra följande avsnitt. 1. Analys av alla seismisk händelser. 2. Analys av seismiska händelser på nivå Analys av seismiska händelser på nivå Analys av seismiska händelser på nivå Analys av seismisk aktivitet i takskivan. I analysen exkluderas seismiska händelser i närheten av bergsstigar och tippschakt. I tillägg till detta kommer produktionen i form av sprängning och lastning att kopplas till seismiciteten. 6.1 Analys av samtliga seismiska händelser i Fabian I detta kapitel presenteras en analys av samtliga seismiska händelser i Fabian sedan den 1 januari Händelser I Figur 6-1 redovisas antalet event per dag sedan den 1 januari Antalet event per dag har ökat med tiden. En faktor som kan påverka detta är en utbyggnad av det seismiska övervakningssystemet. En utbyggnad av övervakningssystemet täcker dels upp en ny volym samt att fler mindre event kan detekteras. Eftersom att en ökning eller minskning av antalet event indikerar en förändring i bergmassan är det viktigt att klarlägga om perioder med ökad seismisk aktivitet kan kopplas till idrifttagande av nya geofoner eller om det är en faktisk omlagring i bergmassan som sker. I Tabell 6-1 och Tabell 6-2 redovisas när geofoner har installerats i närheten av Fabian och Kapten. 40

53 Seismisk analys Figur 6-1: Antal seismiska händelser per dag sedan januari Röda streck indikerar installationsdatum för geofoner i Fabian och blåa sträck indikerar installationsdatum i Kapten. Tabell 6-1: Installerade geofoner i närheten Fabian Namn Installerad Typ F Triaxiell F Triaxiell F Triaxiell F Triaxiell F Triaxiell 600FA Enaxiell 600FA Enaxiell 600FA Enaxiell 600FA Enaxiell 600FA Enaxiell OFA Triaxiell 815FA Enaxiell 815FA Enaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell OFA Triaxiell 1000FA Triaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Triaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Enaxiell 1000FA Triaxiell 1000FA Enaxiell 815FA Enaxiell 815FA Enaxiell 815FA Enaxiell 41

54 Seismisk analys För Fabian har installation av geofoner skett vid sju olika tillfällen, varav två av tillfällen är efter den 1 januari Tabell 6-2: Installerade geofoner i närheten av Kaptensmalmen Namn Installerad Typ 600KA Enaxiell 600KA Enaxiell 600KA Enaxiell 815KA Enaxiell 815KA Triaxiell 815KA Enaxiell 815KA Enaxiell 815KA Triaxiell 815KA Enaxiell 815KA Enaxiell 815KA Enaxiell För Kapten har installation av geofoner skett vid fyra olika tillfällen. Efter den 1 januari 2010 har installation av geofoner skett vid två olika tillfällen. För att negligera de minsta eventen som de nya geofonerna kan ha detekterat, filtreras eventen för att endast redovisa event med en lokal magnitud -1, se Figur

55 Seismisk analys Figur 6-2: Antal event per dag, filtrerad för att endast redovisa event med en magnitud -1. Röda streck indikerar installationsdatum för geofoner i Fabian och blåa sträck indikerar installationsdatum i Kapten. På samma sätt som i Figur 6-1, kan det ses en ökning av seismisk aktivitet. Den tydliga ökningen av antalet event sker vid årsskiftet och är inte kopplad till en period med nyinstallation av geofoner. I Figur 6-3 och Figur 6-4 redovisas vid vilken tid på dygnet de seismiska händelserna inträffar. En tydligt förhöjd seismisk aktivitet inträffar mellan kl samt till viss del även mellan och är under tidsperioden då LKAB har sprängning i området. Sprängningens påverkan kommer att studeras i kommande del av analysen. 43

56 Seismisk analys Figur 6-3: Antal event per timme med redovisad lokal magnitud. Figur 6-4: Antal event per timme med redovisad lokal magnitud, filtrerad för att endast redovisa händelser med en lokal magnitud -1. I Figur 6-5 visas områden som enligt Sjöberg (2008) har förhöjda spänningar. Detta är områden där seismiska händelser kan tänkas ske. 44

57 Seismisk analys Figur 6-5: Spänningsmodell för Fabian (Sjöberg, 2008). Figur 6-6 visar en typisk lokalisering av seismiska händelser runt Fabian. Vid jämförelse av händelsernas lokalisering mot spänningsmodellen ovan följer händelserna linjerna med förhöjda spänningar. 45

58 Seismisk analys Figur 6-6: Seismiska händelser runt Fabian under tidsperioden 1 juli 2010 till 12 augusti S/P-Energi Kvoten kan användas som en indikator för att bestämma den bakomliggande seismiska mekanismen. I Figur 6-7 visas förhållandet och där ca 50 % av eventen har en energikvot 10. Figur 6-7: S:P-Energikvot för samtliga event i Fabian sedan 1 januari

59 Seismisk analys Gutenberg-Richter (b-värde) I Figur 6-8 visas Gutenberg-Richters förhållande för seismiska händelser. I analysen för samtliga event i Fabian sedan januari 2010 följer dessa den potensfunktion som Gutenberg-Richter satt upp. Den linjära delen av kurvan har lutning (β-värdet) 1,05. Den teoretiskt högsta magnituden som kan uppnås är 2,4-2,5 på den lokala magnitudskalan. Det hittills största eventet är uppmätt till 1,7 1,8 på samma skala. Figur 6-8: Gutenberg-Richters förhållande med b-värdet 1,05 för alla händelser i Fabian sedan 1 januari EI-CAV I kapitel nämns att EI-CAV kan användas för att bestämma när spänningar ackumuleras i bergmassan samt hur stor volym som deformeras vid seismiska händelser. Sedan den 1:a januari 2010 har det skett en minskning av energiindex (EI), se Figur 6-9. Ett minskande energiindex innebär en avlastning av bergmassan och spänningarna omlagras och avges i form seismisk energi. Indexet fluktuerar men den senare längre trenden av minskande energiindex är en indikator på den ökad seismisk aktivitet (jmf Figur 6-1). 47

60 Seismisk analys Figur 6-9: EI-CAV för samtliga händelser i Fabian sedan 1 januari Det har skett en ökning av CAV vid tre tillfällen. Första tillfället sker vid årsskiftet och sammanfaller med det andra tillfället med ökad seismicitet i takskivan, se Tabell 6-3 i kapitel på sidan 62. Det andra tillfället inträffar under mars 2012 och sammanfaller med femte tillfället då det varit ökad seismicitet i takskivan. Under denna period skedde genomblockningen av Fabians takskiva. Det tredje tillfället med ökande CAV inträffar runt maj Vid samtliga tillfällen då det skett en ökning av CAV har EI varit på låga nivåer. Detta kan indikera att stora volymer påverkats och att en omlagringsalternativt en ackumuleringsprocess påbörjats. 6.2 Jämförelse mellan brytningsnivåer I jämförelsen mellan produktionsnivåerna studeras den seismiska aktiviteten på nivåerna 830, 855 och 880 som visas i Figur

61 Seismisk analys Figur 6-10: Produktionsnivåer för Fabian Antalet event I Figur 6-11 till Figur 6-14 visas tidpunkterna för de seismiska händelserna som skett på respektive nivå sedan januari Genom att studera dessa figurer kan det inte ses någon större skillnad mellan de olika brytningsnivåerna. Den största seismiska aktiviteten sker under sprängtid för att sedan vara någorlunda konstant med ca event per timme under resterande timmar av dygnet. Huvudparten av eventen ligger inom intervallet -2 till -1 på den lokala magnitudskalan. Det största eventet som skett under tidsperioden den analyserade tidsperioden är 1,7 och inträffade den 23 maj

62 Seismisk analys Figur 6-11: Seismiska händelser på FA830 Figur 6-12: Seismiska händelser på FA855 50

63 Seismisk analys Figur 6-13: Seismiska händelser på FA880 Figur 6-14: Seismiska händelser i takskivan S:P-Energi I Figur 6-15 till Figur 6-18 visas förhållandet mellan energiinnehållet i P- respektive S-vågor för nivåerna FA830, FA855, FA880 och takskivan. 51

64 Seismisk analys Figur 6-15: S/P-energi FA830 Figur 6-16: S/P-energi FA855 52

65 Seismisk analys Figur 6-17: S/P-energi FA880 Figur 6-18: S/P-energi i takskivan Genom att jämföra förhållandet mellan energin i S- och P-vågor för de olika nivåerna kan det inte ses någon markant skillnad utan att förhållandet för P- och S-vågor för de olika nivåerna är relativt konstant. 53

66 Seismisk analys Gutenberg-Richter (b-värde) I Figur 6-19 till Figur 6-22 visas förhållandet mellan antalet event och magnitud för produktionsnivåerna FA830, FA855, FA880 och takskivan. I figurerna visas samtliga händelser sedan januari Figur 6-19: Gutenberg-Richter FA830 54

67 Seismisk analys Figur 6-20: Gutenberg-Richter FA855 Figur 6-21: Gutenberg-Richter FA880 Figur 6-22: Gutenberg-Richter i takskivan 55

68 Seismisk analys För nivåerna FA830, FA855, FA880 och takskivan följer de seismiska händelserna den potensfunktion som nämns under kapitel Beta-värdet för den linjära delen av kurvan är 1,05. Beta-värdet ligger inom intervallet som studerats av Gutenberg & Richter (1944) refererad i (Australian Centre For Geomechanics, 2005) men kan inte användas för att bestämma den bakomliggande seismiska mekanismen. Ett b-värde under 0,8 kan indikera en skjuvrelaterad bakomliggande mekanism medan ett b-värde lika med eller högre än 1,2 kan indikera en spänningsrelaterad mekanism. 56

69 Seismisk analys Energi-moment I Figur 6-23 till Figur 6-26 visas förhållandet mellan energi och moment för produktionsnivåerna FA830, FA855, FA880 och takskivan. Figur 6-23: Log E Log M för FA830 Figur 6-24: Log E-Log M för FA855 57

70 Seismisk analys Figur 6-25: Log E-Log M för FA880 Figur 6-26: Log E Log M för takskivan För figurerna ovan kan det indikeras att en ökning av brytningsdjup ger en ökning av energi. Detta gäller främst för eventen med högst energiinnehåll. Mellan nivåerna FA830 och FA855 ökar energin med ca 200 % och mellan 58

71 Seismisk analys nivåerna FA855 och FA880 med ca 300 %, vilket motsvarar % per meter i djupled. Med utgång i att ett stegs ökning av magnitud motsvarar ca 30 gånger i energi (motsvarande 3000 %) skulle magnituden för händelserna för en underliggande nivå öka med ca 0,1 på samma magnitudskala. Genom att studera momentet för de olika nivåerna finns det ett tecken som tyder på att momentet minskar med ökat brytningsdjup och kan bero på fler spänningsrelaterade mekanismer. För det seismiska momentet kan det inte ses något tydligt mönster utan är relativt konstant för samtliga brytningsnivåer. Ur ekvation (12) kan då ses att ökande energiinnehåll och konstant seismiskt moment ger en ökning av den lokala magnituden. I Figur 6-27 visas en prognos för hur energin kan påverkas av ökat brytningsdjup. Energin är beräknad utifrån ovanstående antagna procentsatser och under antagandet att energiökningen sker linjärt. Prognos för energi Log E -1,2-0,8-0,4 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2, Nivå Förändringsfaktor 208% Förändringsfaktor 292% Figur 6-27: Prognos för seismisk energi Hörnfrekvens I Figur 6-28 till Figur 6-31 visas förhållandet mellan hörnfrekvens och moment för produktionsnivåerna FA830, FA855, FA880 och takskivan. 59

72 Seismisk analys Figur 6-28: Frekvens-moment FA830 Figur 6-29: Frekvens-moment FA855 60

73 Seismisk analys Figur 6-30: Frekvens-moment FA880 Figur 6-31: Frekvens-moment i takskivan För figurerna ovan är det seismiska momentet relativt konstant men en liten tendens att momentet minskar med ökat brytningsdjup kan ses. Hörnfrekvensen är nära på konstant men det kan skådas en mindre ökning med ökat 61

74 Seismisk analys brytningsdjup. Med utgångspunkt i att det seismiska momentet är en produkt av skjuvmodulen, medelförskjutningen och påverkad yta tyder ett minskat moment på antingen att förskjutningen vid en glidning minskar eller att ett mindre område påverkats, givet en konstant skjuvmodul. Ett andra scenario är att skjuvmodulen minskar, vilket innebär att lägre skjuvspänningar krävs för att deformera bergmassan. 6.3 Seismiska händelser på olika nivåer Nedan studeras perioder med ökade seismiska händelser. Perioderna kommer sedermera jämföras mot produktionen och redovisas under kapitel 6.4. När poduktion skett i olika områden visas i Figur Figur 6-32: Tidsperiod för produktionssprängning i Fabian Takskivan Genom att från den 1 januari 2010 studera de seismiska händelserna på 1 veckas, respektive 8 veckors basis går det att få en sammanställning över perioder med ökad seismicitet. Perioder med ökad seismisk aktivitet i takskivan presenteras i Tabell 6-3. Perioderna är identifierade grafiskt i programvaran MS-RAP. 62

75 Seismisk analys Tabell 6-3: Perioder med ökad seismicitet i takskivan. Från Till Vecka Innan uppblockningen den 20 mars föregicks takskivan av en längre period med seismiska händelser. Figur 6-33: Seismiska händelser i takskivan under tidsperioden Nivå FA830 Områdena där seismiska händelser inträffar följer till stor del områden där produktionssprängning sker. I Figur 6-34 till Figur 6-36 exemplifieras ovanstående genom utdrag från två olika tidpunkter för nivån 830. Vid vidare analys i programvaran MS-RAP visar det sig att det skett minimalt med händelser i de södra delarna av malmkroppen där ingen brytning skett. 63

76 Seismisk analys Figur 6-34: Seismiska händelser på nivån FA830 under tidsperioden 18 juni 2010 till 16 juli Figur 6-35: Seismiska händelser på nivån FA830 under tidsperioden 25 mars 2011 till 22 april

77 Seismisk analys Nivå FA855 På samma sätt som för ovanliggande nivå sker det minimalt med seismiska händelser i de södra delarna av malmkroppen medan det sker fler event i den mellersta och norra delen av Fabian, se Figur Figur 6-36: Seismiska händelser på nivån FA855 under tidsperioden 25 mars 2011 till 22 april Nivå FA880 Även för nivån FA880 har det visat sig vara få seismiska händelser i de södra delarna av malmkroppen. Produktionen har idag inte varit gång under en längre tid på 880 men det huvuddelen av de seismiska händelserna inträffar i den mellersta delen av Fabian trots att ingen produktion skett. 6.4 Påverkan av produktion Nedan studeras i vilken omfattning sprängning och lastning påverkar de seismiska händelserna i takskivan. Perioderna med ökad seismisk aktivitet i takskivan presenteras i Tabell Sprängning I Figur 6-37 redovisas hur stor mängd sprängämne som använts respektive vecka. Genom att koppla samman Figur 6-37 med Tabell 6-3 kan det skådas att 65

78 Seismisk analys perioderna med ökad aktivitet i takskivan sker samtidigt som det sker en kraftig ökning av använd mängd sprängämne eller i samband med perioder då en större mängd sprängämne använts Summa kilogram sprängämne Summa kilogram sprängmedel Vecka efter den 1 januari 2010 Summa kilogram 4 per. Mov. Avg. (Summa kilogram) Figur 6-37: Mängd sprängämne vid produktionssprängning. Röda indikatorer indikerar perioder med ökad seismisk aktivitet i takskivan. Hur mängden sprängämne har varierat vid brytningen i Fabian visas i Figur

79 Seismisk analys Figur 6-38: Mängd sprängämne vid produktionssprängning På liknande sätt som ovan kan det vid en jämförelse av perioderna i Tabell 6-3 jämföras med massan berg som sprängts lös, se Figur Perioderna med förhöjd seismisk aktivitet korrelerar med den mängd sprängämne som använts och volymen losshållet berg. Hur antalet ton varierat över området visas i Figur Summa ton Summa ton Vecka efter den 1 januari 2010 Summa ton 4 per. Mov. Avg. (Summa ton) Figur 6-39: Antal ton berg vid produktionssprängning. Röda områden indikerar perioder med ökad seismisk aktivitet i takskivan. 67

80 Seismisk analys Figur 6-40: Antal ton berg vid produktionssprängning Lastning Hur utlastningen skett under tiden januari 2010 till maj 2012 visas i Figur