Прогноз сейсмического воздействия взрывов на производственную инфраструктуру

Необходимость углубленного изучения проблем сейсмики промышленных взрывов является следствием создания в последние годы высокопроизводительных буровых установок для открытых и подземных разработок, позволяющих за относительно короткий промежуток времени обуривать значительные объемы массива горных пород, что повлекло за собой возникновение ряда новых технологических схем разработки месторождений полезных ископаемых [1], принципиальной особенностью которых является резкое увеличение массы одновременно взрываемых зарядов взрывчатого вещества (ВВ) [2]. Эта особенность поставила перед наукой о взрыве ряд принципиально новых задач по оценке сейсмического действия взрыва [3], традиционное решение ко- торых на основе правил безопасности при взрывных работах [4] хотя и обеспечивало их безопасность, но не позволяло достаточно эффективно осуществлять последующие технологические процессы.

Таким образом, практические задачи оценки сейсмического действия взрыва, возникшие как следствие развития средств производства, послужили мощным стимулом для развития научных исследований по изучению сейсмического действия промышленных взрывов в горных породах и разработки инженерных методов снижения его вредных эффектов [5, 6]. За последнее время благодаря пристальному вниманию ученых, инженеров и практиков к данной проблеме [7] успешно решены многие ее вопросы [8, 9]. В результате выполнения многочисленных экспериментальных и теоретических работ созданы принципиально новые положения о сейсмическом действии взрывов при короткозамедленном взрывании. Разработаны новые рекомендации по оценке устойчивости промышленных и гражданских зданий и сооружений, подземных целиков и бортов карьеров, изучены особенности сейсмического действия взрывов при совмещенном ведении открытых и подземных горных работ, экранировании энергии сейсмических волн, созданы научные основы управления сейсмическим эффектом взрывов при ведении самых разнообразных горных работ [10, 2, 11].

Несмотря на определенные успехи в решении проблем сейсмики промышленных взрывов, в этой области возникли новые серьезные теоретические и практические задачи, решение которых может оказаться чрезвычайно полезным для дальнейшей разработки методов управления сейсмическим действием взрывов, технологических приемов выполнения взрывных работ в промышленности и создания средств контроля за процессами развития взрыва [12]. К числу таких задач следует прежде всего отнести проблему выявления природы источника сейсмических колебаний, решение которой может послужить основой для создания технологических методов управления энергией взрыва и получения информации о явлениях, происходящих в твердой среде на различных стадиях ее разрушения [13].

Применение крупномасштабных промышленных взрывов на открытых горных работах, в гидротехническом строительстве и при подземной разработке месторождений полезных ископаемых подтверждает необходимость более глубокого изучения особенностей сейсмического действия взрывов в зависимости от различных горногеологических и технологических особенностей производства этих работ. При этом важным направлением исследований по сейсмике промышленных взрывов остается определение сейсмобезопасных условий производства взрывных работ с установлением критически допустимых деформаций, смещений зданий, строительных конструкций [14], обнажений горных пород, горных выработок [15]. От результатов этих работ в значительной степени зависит разработка проблемы инженерной сейсмологии.

Особое место в современной проблематике сейсмики промышленных взрывов должно быть отведено действию взрывов в сезонно и многолетнемерзлых горных породах. Ряд специфических особенностей сейсмики промышленных взрывов, характерных для этих условий, выдвигают проблему изучения сейсмики промышленных взрывов в число первоочередных.

В нашем случае интерес к этой проблеме определяется необходимостью обеспечения безопасности ведения горных работ на разрезе «Нерюнгринский» при достаточной их эффективности в районе расположения охраняемых объектов ОАО ХК «Якутуголь», находящихся в зоне многолетнемерзлых пород.

Экспериментальными исследованиями установлено, что природные факторы влияют на интенсивность сейсмического эффекта, но не являются определяющими, тем не менее такие, как обводненность, многолетняя и сезонная мерзлота горных пород, должны учитываться при проектировании буровзрывных работ [16]. Главным образом, скорость колебания грунта в точках наблюдений зависит прежде всего от массы заряда ВВ, максимальной в группе ( Q max ), и R – ги-поцентрального расстояния, т.е. расстояния от места (области) внутри блока, где начинаются разрушение, трещинообразование горных пород, возникают сейсмические волны при взрыве и распространяются до точки регистрации, а также от масштаба массовых взрывов [17].

В связи с этим для обеспечения достоверности и надежности прогноза сейсмического действия взрывов на охраняемые объекты и повышения эффективности технологии ведения буровзрывных работ в Нерюн-гринском разрезе, возникла необходимость в разработке методики, в основе которой лежали бы закономерности, связывающие сейсмические движения при взрыве с характеристиками взрыва и гипоцентральным расстоянием. Закономерности и методика должны удовлетворять следующим требованиям:

• 1.    Закономерности должны быть:

• а)    достаточно просты и включать минимальное число характеристик взрыва и среды;

• б)    достаточно устойчивы по отношению к вариациям условий взрыва и среды, т.е. включать в себя достаточно консервативные величины;

• в)    включать в себя такие параметры движения, которые наиболее тесным образом связаны с главным вопросом сейсмики взрыва: с параметрами сейсмических волн, способных вызвать повреждения конструкций

• 2.    Методика должна позволять оперативно производить вычисления массы заряда ВВ, максимальной в группе, безопасного расстояния, максимальной векторной скорости смещения грунта, общей массы заряда и использовать полученную информацию для расчета паспорта буровзрывных работ.

В процессе экспериментальных исследований было проведено изучение сейсмического воздействия от массовых взрывов на здания обогатительной фабрики (ОФ), административно-бытового комбината разреза (АБК) и автобазы технологического автотранспорта (АТА). Были обработаны записи взрывов 54 блоков, расположенных практически по всему полю разреза (как по вертикали, так и по фронту), где велись горные работы.

Несмотря на сложность сейсмических движений при взрыве необходимо устано- вить закономерности, связывающие интенсивность сотрясений массива горных пород с параметрами взрыва и расстояниями от места взрыва до охраняемого объекта. В качестве основного параметра сейсмической опасности принято считать скорость колебаний частиц грунта.

На основании результатов значительного числа инструментальных наблюдений за взрывами академиком М.А. Садовским была установлена следующая зависимость, которая нашла широкое применение в практике [8]:

где U - амплитуда скорости смещения; r — расстояние между пунктом наблюдения и местом взрыва; К15 — коэффициент про порциональности при показателе 1,5;

3Q р = ---приведенный вес заряда ВВ. r

Следует отметить, что разрушение со оружений наступает лишь в тех случаях, ко- гда скорость смещения превосходит неко- торую допустимую величину скорости колебаний Uдоп, характерную для сооружений данного типа. Допустимые скорости в основании зданий и сооружений определяются их конструктивными особенностями, состоянием и динамическими характеристи- ками.

Общий принцип охраны сооружений определяется соотношением

Uxyz — Uдоп, где Uxyz и Uдоп — возможная (фактическая) и допустимая скорости колебания грунтов при взрывах, см/с.

Результаты многократных исследований дают основание в качестве нормативной критической скорости смещения грунта при однократном взрыве принять величину

10 см/с. В случае многократных взрывов расчетная критическая скорость грунта у основания зданий должна быть существенно снижена. В этом случае критическая скорость колебаний грунта принимается равной 3 см/с [8].

По результатам инструментальных наблюдений, допустимую скорость колебаний грунта в основании АБК и ОФ следует принять равной 1,25 см/с, а для АТА – 1,7 см/с, что незначительно отличается от данных ранее выполненных исследований [18].

Согласно ранее проведенным исследованиям [19] скорость смещения грунта для условий разреза «Нерюнгринский» определялась следующей зависимостью:

U xyz (144 88) ^1,5 . (2)

При использовании данной зависимости получены удовлетворительные результаты, т.е. на 77 % скорости колебаний грунта в основании сооружений на площадке были больше, чем определяемые натурными наблюдениями.

Исходя из указанной величины доверительной информации можно сделать вывод, что не будет обеспечена достаточно надежная степень безопасности охраняемых объектов, и использование полученной зависимости (2) ведет к неэффективности ведения горных работ.

В связи с этим для обеспечения достоверности прогноза сейсмического воздействия массовых взрывов на охраняемые объекты для технологии ведения буровзрывных работ в разрезе «Нерюнгринский» была экспериментально установлена зависимость, которая связывает закономерности сейсмических движений грунта в основании здания при взрыве с характеристиками взрыва и расстоянием:

U xyz = 0 , 1969 Q max ³ + 1,866ρ Q max ² –

– 3,59ρ Q max + 1,6004. (3)

Из выполненных экспериментальных исследований установлено, что скорость колебаний грунта в точках наблюдений зависит прежде всего от веса заряда ВВ, макси- мального в группе (    ), и R – гипоцен-

Qmax трального расстояния.

При короткозамедленном взрывании сейсмический эффект определяется весом заряда ВВ, максимальным в группе [8]. Поэтому для практических расчетов прогнозных значений амплитуд скоростей колебаний в зависимости от расстояния или веса заряда ВВ используется зависимость максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного веса заряда, максимального в группе.

При расчете приведенного веса заряда ВВ, максимального в группе (    ), исполь-

Qmax зовалось следующее выражение:

Q    3 Q/R, max где Q - вес заряда ВВ максимального в группе; R – гипоцентральное расстояние, которое учитывает пространственное положение заряда и направление инициирования рядов скважин, а следовательно, направление фронта сейсмовзрывных колебаний.

На рис. 1 представлены поле корреляции и график зависимости между U_x y _z и _Q : max

U_x y _z, см/с;

, (кг/м)^1/3. max

Полученная по результатам экспериментальных исследований зависимость (3) была реализована в алгоритме при разработке      прикладной      программы

“SeismPrognoz”, позволяющей автоматизировать процесс расчета максимальной векторной скорости смещения грунта, веса приведенного заряда, максимального в группе, и общего веса приведенного заряда. Получаемые по результатам вычислений в SeismPrognoz параметры используются для расчета паспорта буровзрывных работ конкретного блока.

Рис. 1. Зависимость максимальной векторной скорости от приведенного веса заряда, максимального в группе - разрез «Нерюнгринский»

Применение указанного программного обеспечения позволяет оперативно выполнить оценку и прогноз сейсмической опасности промышленных взрывов на разрезе «Нерюнгринский». Решение указанной задачи обеспечивается за счет предоставляемого программой функционала:

• V    оценка допустимого веса заряда ВВ в группе при заданном расстоянии;

• V    оценка допустимого расстояния при заданном весе заряда ВВ в группе;

• V    прогнозирование значений амплитуд скоростей смещения грунта в зависимости от расстояния, веса заряда ВВ в группе;

• V    оценка допустимого расстояния, допустимого веса заряда ВВ в группе при заданной амплитуде скорости смещения грунта;

Оценка предельно допустимого веса заряда ВВ в группе осуществляется на основании введенного пользователем расстояния до охраняемого объекта или при задании смещения и массы заряда ВВ в группе. Значение смещения определяется либо в соответствии с приведенными выше допустимыми скоростями колебаний грунта в основании здания ОФ, АБК и АТА, либо пользователем (в случае изменения критической скорости).

Расчет допустимого расстояния до охраняемого объекта возможен при задании пользователем веса заряда ВВ в группе или при задании смещения и веса заряда ВВ в группе.

Расчет допустимого расстояния осуществляется исходя из:

• V    определенного пользователем веса заряда ВВ в группе;

V предельно допустимого значения скорости колебаний грунта, определенного либо в соответствии с приведенными выше допустимыми скоростями колебаний грунта в основании охраняемых объектов, либо пользователем.

Результаты вычислений в программе версии 1.3.а приводятся в поле вывода с указанием значений соответствующего смещения и допустимого минимального расстояния для охраняемых объектов, а также допустимости такой комбинации значений.

Рис. 2. SeismPrognoz – расчет предельно допустимого веса заряда ВВ

Рис. 3. SeismPrognoz – расчет предельно допустимого расстояния

Блок-схема программы SeismPrognoz приведена на рис. 4.

Данная методика позволяет, не раскрывая сущности многочисленных факторов, влияющих на интенсивность сотрясений и устойчивость сооружений, выпол- нить расчет сейсмического воздействия взрывов.

Учет влияния каждого отдельного фактора на интенсивность сотрясений позволил бы разработать более совершенные методы управления интенсивностью сотрясений, способствуя усовершенствова- нию буровзрывных работ (БВР). Однако вследствие статистической природы практически невозможно учесть их совместное влияние, не прибегая к помощи аппарата математической статистики и теории веро- ятностей, что в свою очередь ведет к идеализации моделей сейсмического воздействия взрывов на охраняемые объекты.

НЕТ

ДА

Ввод значений параметров

CalcRootOfPolynom(Vxyz) Определение корней полинома: V xyz=ax3+bx2+cx+d

CalcRFromvxyz (Q) Расчет допустимого расстояния

осуществлен осу щес । плен

Ввод О осуществлен

Решение в действительных числах существует

Расчет относительно

Рис. 4. Блок-схема программы SeismPrognoz

CalcQmaxFrom Vxyz(r) Расчет допустимого заряда ВВ Q

11роверка зависимости от V, пользователя ?

CalcAvailaible(Q,r)

Определение VxyKp:

CalcR(Q) Определение допустимого расстояния:

CalcM(r) Определение допустимой массы заряда ВВ

Данные не введены

Данное сочетание веса заряда и расстояние не допустимо

Данное сочетание веса заряда

ВВ и расстояния допустимо

области действительных чисел отсутствует

Тем не менее факторы, рассмотренные в работе [16], учитываются при проектировании БВР.

Технологический фактор [17], который вносит значимое влияние на сейсмический эффект от взрывов: «Влияния количества групп, скважин на сейсмический эффект массовых короткозамедленных взрывов» задается в рабочем окне программы SeismPrognoz при проектировании БВР для каждого конкретного блока.

Таким образом, разработанная методика с достаточной степенью достоверности позволяет рассчитывать максимальную векторную скорость, что дает возможность эффективно управлять безопасностью и технологией буровзрывных работ на разрезе «Нерюнгринский».

primarily on the maximum group charge weight of explosives and hypocentral distance, i.e. the distance from the place inside the block where begins the destruction, cracking the rock and any seismic waves from the explosion, and spread to the point of registration, the scale of mass blasts.

That is why it has been necessary to ensure the accuracy and reliability of blast seismic action on protected objects prediction and to improve the efficiency of the drilling technology and blasting operations at the Neryungrinsky mine. This method should contain the relations between the seismic motion, as the blast result, and the blast characteristics with hypocentral distance. As a result of experimental investigations we obtained the dependence, which is implemented in the algorithm of the application program “SeismPrognoz”. The software supports quickly calculate the maximum vector speed of ground movement, mass of explosive charge (maximum in the group), a safe distance, the explosive charge total mass and use the calculation results to create the drilling and blasting passport of specified block.

Vol.8. pp.151-160. (in Russian)