Original paper
FloodRisk ‒ Induced seismicity by mine flooding ‒ Observation, characterisation and relation to mine water rise in the eastern Ruhr area (Germany)
Rische, Martina; Fischer, Kasper D.; Friederich, Wolfgang
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 173 Heft 4 (2023), p. 551 - 564
37 references
published: Mar 15, 2023
published online: Jan 16, 2023
manuscript accepted: Nov 18, 2022
manuscript revision received: Nov 14, 2022
manuscript revision requested: Sep 16, 2022
manuscript received: Apr 15, 2022
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Abstract
As part of the FloodRisk project, the influence of rising mine water in abandoned coal mines on induced seismicity is investigated. The Seismological Observatory of the Ruhr University Bochum operates a monitoring network for the whole Ruhr area (North Rhine-Westphalia, Germany) since 1983. The local scale FloodRisk network was installed in the eastern part of the Ruhr area in 2020. The continuous monitoring opens up the opportunity for a long-term study of seismicity in combination with water levels related to mining in the region. The resulting database for the eastern Ruhr area includes over 13,000 induced earthquakes in a period of 26 years during active mining, very few events in the postmining phase before the onset of flooding and more than 1,700 events in the first two and a half years of flooding. The seismological database is supplemented by the mine water levels, which are regularly measured at various measuring points distributed over the study dewatering area “Haus Aden” and made available by Ruhrkohle Aktiengesellschaft (RAG). Seismic activity was highest in the phase of active mining and concentrated in the vicinity of the mining areas. After the end of mining, only very low seismicity was detected. With the start of flooding, significantly more events were registered again. The rise curve of the mine water level and the temporal and spatial distribution of the seismicity are observed and analysed. Five temporal flooding phases are identified in which the correlated seismicity shows different distribution patterns. Phases in which the levels of individual sections of the mine merge in flooding show particularly high seismicity. A strong spatial clustering of well-localised events occurs below the deepest flooded levels of the mine. Several mechanisms that alter the stress in active mining and flooded mines and induce seismic events are known from previous studies. To apply this to our study, particular attention is given to the spatial distribution of seismicity in relation to known geologic and mining structures. In the flooding phase, most of the seismicity is localised in the area below the flooded drifts.
Kurzfassung
Im Rahmen des FloodRisk-Projekts wird der Einfluss steigender Grubenwasserpegel in stillgelegten Steinkohlebergwerken auf induzierte Seismizität untersucht. Das Seismologische Observatorium der Ruhr-Universität Bochum betreibt seit 1983 ein Messnetz für das gesamte Ruhrgebiet (Nordrhein-Westfalen, Deutschland). Das lokale FloodRisk-Netzwerk wurde im Jahr 2020 im östlichen Teil des Ruhrgebiets installiert. Die kontinuierliche Überwachung eröffnet die Möglichkeit einer Langzeitstudie der Seismizität in Kombination mit den Pegelständen des Bergbaus in der Region. Die aus der Auswertung der seismologischen Netze resultierende Datenbank umfasst für das östliche Ruhrgebiet über 13.000 induzierte Beben in einem Zeitraum von 26 Jahren während des aktiven Bergbaus, sehr wenige Ereignisse in der Nachbergbauphase vor Beginn der Flutung und mehr als 1.700 Ereignisse in den ersten zweieinhalb Jahren der Flutung. Die seismologische Datenbank wird ergänzt durch die Daten des Grubenwasserspiegels, welche an verschiedenen, über das Untersuchungsgebiet „Haus Aden“ verteilten Messpunkten regelmäßig von der Ruhrkohle AG (RAG) gemessen und zur Verfügung gestellt werden. Die seismische Aktivität war während der Phase des aktiven Bergbaus am höchsten und konzentrierte sich auf die Umgebung der Abbaugebiete. Nach dem Ende des Bergbaus wurde nur noch eine sehr geringe Seismizität aufgezeichnet. Mit dem Beginn der Flutung wurden wieder deutlich mehr Ereignisse registriert. Die Anstiegskurve des Grubenwasserspiegels sowie die zeitliche und räumliche Verteilung der Seismizität werden beobachtet und analysiert. Fünf verschiedene Flutungsphasen können identifiziert werden, in denen die korrelierte Seismizität unterschiedliche Verteilungsmuster aufweist. Phasen, in denen sich während des Grubenwasseranstiegs zuvor hydraulisch getrennte Bereiche vereinigen, weisen eine besonders hohe Seismizität auf. Eine starke räumliche Häufung von gut lokalisierten Ereignissen tritt unterhalb der gefluteten tiefsten Sohlen des Bergbaus auf. Aus früheren Studien sind mehrere Mechanismen bekannt, die die Spannung in aktiven Bergwerken und gefluteten Gruben verändern und seismische Ereignisse auslösen. In diesem Zusammenhang wird der räumlichen Verteilung der Seismizität in Bezug auf bekannte geologische und bergbauliche Strukturen besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In der Flutungsphase ist der größte Teil der Seismizität auf den Bereich unterhalb der gefluteten Stollen beschränkt.
Keywords
post-mining • induced seismicity • mine water rise • coal mine flooding • Ruhr area • Nachbergbau • induzierte Seismizität • Grubenwasseranstieg in Steinkohlebergwerken • Ruhrgebiet