Результаты исследования влияния технологических факторов на сейсмическое воздействие взрывов при открытой разработке месторождений полезных ископаемых

Рост масштабов открытых горных работ вблизи жилой застройки и объектов производственного назначения, а также необходимость соблюдения требований по сейсмической и экологической безопасности обуславливают актуальность комплексных исследований воздействия взрывов. В работах [1–4] приведены результаты исследований влияния свойств пород и технологических факторов на сейсмическое действие промышленных взрывов, физические процессы формирования и распространения сейсмических волн и особенности их воздействия на механические системы, результаты исследований на горных предприятиях при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Проведен анализ влияния на сейсмический эффект массовых взрывов (результирующую векторную скорость смещения грунта) следующих факторов: массы взрываемого ВВ, масштабов массовых взрывов; количества групп скважин при различном удельном расходе ПВВ, глубины заложения зарядов, точности средств инициирования. М.И. Садовским, В.Ф. Писаренко [5] рассмотрены особенности режима сейсмического процесса в блоковой геофизической среде земной коры, которая рассматривается как сложная, неоднородная иерархическая система отдельностей. Тенденция роста масштабов взрывных работ приводит к увеличению числа взрываемых блоков, ступеней замедления и числа групп зарядов (ЧГЗ) общей продолжительности взрыва, что обуславливает повышение вероятности прироста результирующей векторной скорости смещения грунта у охраняемых объектов. В работах [6, 7] представлены результаты исследований в условиях полигона характера влияния скорости детонации на показатели сейсмического действия взрыва и содержание вредных газов в продуктах детонации, результаты систематизации способов управления сейсмическим действием взрыва как основы научного подхода к управлению действием взрыва, полученные SPH-методом зависимости векторной скорости смещения грунта от расстояния до заряда в различных зонах действия взрыва в монолитном и тре-

Механика

щиноватом массивах, влияние дифракции прямых и отраженных волн, а также методические аспекты расчета энергии, расходуемой на сейсмическое действие взрыва и ударную воздушную волну. Однако в настоящее время методы численного моделирования для оценки сейсмического воздействия БВР остаются недостаточно разработанными.

Методика проведения исследований

Особое значение приобретают методы, позволяющие оценивать влияние свойств взрывчатых веществ и параметров зарядов на характеристики сейсмического поля и уровень взрывного шума. В то же время существующие численные подходы не всегда обеспечивают достаточную точность и универсальность при моделировании сейсмических процессов, связанных с БВР. Полигонные экспериментальные исследования проводились с использованием зарядов идентичной массы и при постоянной влажности грунта, что обеспечивало воспроизводимость условий испытаний. Взрывчатые вещества размещались в специальных детонационных системах различных типов, заключённых в металлические или бетонные оболочки, что позволяло точно фиксировать скорость детонации. Для регистрации параметров взрывов применялось современное измерительное оборудование, предназначенное для записи сейсмических колебаний и воздушных ударных волн. Датчики сейсмического воздействия и микрофоны устанавливались на заранее заданных, строго фиксированных расстояниях от эпицентра каждого взрыва. В процессе испытаний производилась регистрация амплитудных и частотных характеристик сейсмических волн, а также измерение скорости смещения грунта по трем ортогональным направлениям. На основе полученных данных рассчитывались средние и максимальные значения скорости смещения, а также результирующая векторная скорость. Дополнительно оценивались параметры взрывного шума, включая его интенсивность и спектральный состав, что позволило комплексно охарактеризовать сейсмическое и акустическое воздействие каждого взрыва.

Численное моделирование проводилось с использованием метода сглаженных частиц SPH [8], который обеспечивает высокую точность при описании динамики деформируемых тел и процессов разрушения горных пород. В рамках данного подхода были построены цифровые модели как монолитных, так и трещиноватых горных массивов, с учётом реальной геометрии зарядных полостей, свободных поверхностей и подпорных стенок, сформированных из ранее разрушенного материала.

Каждая частица в SPH-модели представляет собой элементарный объём среды с заданными физико-механическими характеристиками. Это позволяет достоверно моделировать процессы фрагментации, передачи напряжений и распространения ударных волн в неоднородной горной среде. В модели подробно воспроизводится конструкция зарядов, их пространственное размещение в уступе, а также геометрические параметры буровых скважин. Для каждого случая подбирался соответствующий тип взрывчатого вещества на основе технологической базы данных для учета влияния взрывчатых характеристик средств разрушения горных пород.

Особое внимание уделялось моделированию трещиноватых зон с различной ориентацией и толщиной трещин, что критически влияет на перераспределение энергии и направление фронта разрушения. Расчёты проводились в контрольных точках, расположенных на различном удалении от зарядов для определения закономерностей пространственного распределения максимальных и средних значений результирующей векторной скорости смещения грунта, а также напряжённого состояния массива.

Все модели проходили калибровку на основе данных, полученных в ходе полигонных испытаний или опытных взрывов в промышленных условиях. Результаты моделирования использовались для оценки изменения среднего расстояния между трещинами, объема образовавшихся мелких фракций, а также амплитуд и продолжительности сейсмического воздействия в различных зонах разрушаемого взрывом массива.

Объект исследования

Процессы распространения сейсмического воздействия при взрывных работах в горных массивах различной структуры (монолитных и трещиноватых), сопровождающиеся смещением грунта и образованием напряжённого состояния массива горных пород, и защищаемых объектах производственного и непроизводственного назначения.

Ефремовцев Н.Н., Шиповский И.Е.

Предмет исследования

Фундаментальные закономерности и параметры, характеризующие сейсмическое действие взрыва в монолитном и трещиноватом массиве горных пород и в условиях полигона. Пространственно-временные зависимости результирующей векторной скорости смещения грунта и их изменение в зависимости от скорости детонации взрывчатого вещества; закономерности распределения средних и пиковых значений сейсмических параметров в характерных зонах действия взрыва.

Результаты исследования

В ходе проведённых полигонных и численных исследований в частности получены зависимости средних значений результирующей векторной скорости смещения грунта (РВС) от расстояния до свободной поверхности (рис. 1) и от скорости детонации зарядов во взрываемом блоке (рис. 2).

На рис. 1 линия, обозначенная квадратами, показывает значения РВС при расстоянии от скважинного заряда до свободной поверхности 2 м; линия, обозначенная ромбами, - значения РВС до свободной поверхности при расстоянии 4 м; линия, обозначенная треугольниками, - значения РВС при расстоянии от скважинного заряда до свободной поверхности 6 м.

Установлен полиноминальный характер зависимости численных значений РВС от расстояния до заряда. Получены следующие убывающие полиноминальные зависимости третьего порядка при расстоянии от крайнего к бровке уступа скважинного заряда соответственно 6 и 4 м:

Y =- 1,2389 x ³ + 16,48 x ² - 72,123 x + 125,15; R = 0,9069, (1)

Y ₂ =- 1,6389 x ³ + 17,658 x ² - 64,144 x + 104,92; R = 0,9594 . (2)

Получены зависимости влияния расстояния между скважиной и бровкой уступа на результирующую среднюю векторную скорость и наличие зоны максимального прироста и снижения сейсмического воздействия на массив горных пород. В рассмотренном случае минимальные значения РВС соответствуют расстоянию от крайней скважины до поверхности уступа, равному 4 м. Максимальный прирост вычисленных значений векторной скорости смещения (РВС) наблюдается в анализируемых расчетных сценариях при расстоянии от заряда до бровки уступа, равном 2 м. Этот эффект обусловлен, в частности, дифракцией прямых и отражённых волн.

На рис. 2 представлены обобщённые результаты расчётов, полученных для различных зон массива: ближней (4–7 радиусов заряда), средней (7–12 радиусов заряда) и дальней (50–70 радиусов заряда). Анализ полученных данных показал, что характер зависимостей - полиномиальный, что свидетельствует о сложной и многокомпонентной природе рассматриваемого процесса.

Рис. 1. Зависимость результирующей векторной скорости смещения грунта в относительных единицах от расстояния между скважинным зарядом и свободной поверхностью склона уступа

Рис. 2. Зависимости в относительных единицах векторной скорости смещения грунта от скорости детонации ВВ

Механика

На рис. 2 линия 1 показывает полиноминальную зависимость векторной скорости в относительных единицах в ближней зоне действия взрыва в пределах 4–7 радиусов заряда; линия 2 – полиноминальная зависимость в пределах 7–12 радиусов заряда; линия 3 – зависимоть на расстоянии от 50–70 радиусов заряда.

Во всех рассмотренных случаях выявлена нелинейность зависимости результирующей векторной скорости смещения от скорости детонации взрывчатого вещества, расстояний от заряда до свободной поверхности. Установлено, что при увеличении скорости детонации наблюдается неравномерный рост или снижение результирующей векторной скорости смещения, причём в отдельных диапазонах возможны экстремальные значения – максимумы или минимумы, указывающие на точки повышенной чувствительности массива к параметрам взрыва. Такие участки требуют особого внимания при проектировании взрывных работ, так как могут приводить как к усиленному воздействию на окружающую среду, так и к неэффективному расходованию энергии заряда. Анализ также показал, что степень нелинейности зависимости усиливается в трещиноватых массивах, где наблюдаются процессы отражения и дифракции волн. При этом рассеяние энергии на структурных неоднородностях играет доминирующую роль. В монолитных массивах картина более стабильна, однако и в этом случае сохраняется полиномиальный характер связи между параметрами. Результаты моделирования подтверждены данными полигонных экспериментов и продемонстрировали хорошее совпадение по основным критериям: значениям амплитуд векторной скорости и характеру ослабления сейсмического сигнала с увеличением расстояния от центра взрыва. Выявленные закономерности позволяют сделать вывод о том, что изменение скорости детонации оказывает не просто линейное, а качественно сложное воздействие на структуру сейсмического поля. Это обусловлено одновременно действующими факторами: геометрией заряда, типом массива, расстоянием до свободной поверхности, а также физикомеханическими свойствами породы. Проводятся исследования изменения во времени и пространстве волн напряжения и скорости смещения грунта сейсмического действия взрыва при наличии подпорной стенки. На рис. 3 представлена структура поля сейсмичности, а также численные значения результирующей векторной скорости смещения грунта.

Анализ результатов численных экспериментов показывает значительное изменение локализации областей с максимальными значениями результирующей скорости смещения (РСВ) в районе подпорной стенки, сформированной из ранее взорванной горной массы.

ABS VEL. (m/s)

Time 2.972E+00 ms

Units mm, mg, ms

Рис. 3. Структура поля значений результирующей векторной скорости грунта в различные моменты времени при прохождении волной сжатия зоны горных пород, разрыхленной предыдущим взрывом

Ефремовцев Н.Н.,              Результаты исследования влияния технологических факторов

Шиповский И.Е.            на сейсмическое воздействие взрывов при открытой разработке…

В левой части поля сейсмичности, где горные породы сохраняют монолитную структуру, волны смещения грунта и возникающие напряжения распространяются без разрывов по фронту. Они характеризуются максимальными амплитудами и наибольшим периодом колебаний.

В правой части поля, находящейся в зоне массива, разрушенного предыдущим взрывом, картина распространения сейсмических и напряжённых волн принципиально иная. Здесь наблюдается очаговый характер распространения: импульсы с высокой результирующей скоростью имеют значительно меньший период колебаний, а средние показатели РСВ в разрушенном массиве и за его пределами снижаются в 2 и более раза по сравнению с монолитной частью массива.

Таким образом, полученные результаты позволяют не только углубить понимание механизмов формирования сейсмического воздействия, но и использовать выявленные зависимости при инженерном обосновании параметров взрывных работ. Это особенно важно при их проведении вблизи объектов инфраструктуры или охраняемых территорий, где требуется строгий контроль над уровнем сейсмического воздействия.

Выводы

В результате выполненного исследования установлено, что зависимость векторной скорости смещения грунта от скорости детонации зарядов носит полиномиальный характер. Такая форма зависимости свидетельствует о нелинейной и многопараметрической природе распространения взрывной энергии в горных массивах. Полученные данные подтверждают, что интенсивность сейсмического воздействия определяется не только физико-химическими свойствами применяемого взрывчатого вещества, но и комплексом влиянии геомеханических факторов: структурой массива (монолитность, трещиноватость), ориентацией и плотностью трещин, расстоянием от заряда до свободных поверхностей и конструктивными особенностями заряда.

Особенно важно, что характер выявленных зависимостей указывает на наличие экстремумов – диапазонов скорости детонации, при которых сейсмическое воздействие достигает локальных максимумов или минимумов. Это открывает возможности для целенаправленного управления энергетикой взрыва с целью минимизации негативного влияния на окружающую среду, конструкции и инфраструктуру, расположенные в зоне действия.

Применение численного моделирования методом сглаженных частиц, откалиброванного по результатам полигонных экспериментов, позволило получить высоко информативные данные о распространении упругих и пластических деформаций, формировании зон разрушения и изменении напряжённого состояния массива при различных сценариях взрывов. Совокупность экспериментальных и расчётных результатов подтверждает высокую эффективность данного подхода для инженерного прогнозирования и оптимизации параметров буровзрывных работ.

Установленные закономерности могут быть использованы в практической деятельности для:

• –    проектирования режимов взрывов с учётом допустимых уровней сейсмического воздействия;

• –    подбора взрывчатых веществ с оптимальной скоростью детонации;

• –    повышения безопасности проведения взрывных работ вблизи жилой застройки, охраняемых объектов и инженерных коммуникаций.

Работа выполнена в ИПКОН РАН в рамках научно-исследовательских программ по темам FMMS-2024-0007; FMMS-2024-0008.