Чтобы взрывы не мешали
Мониторинг сейсмического воздействия массовых взрывов на охраняемые здания и сооружения с использованием методики регистрации сейсмических колебаний земной поверхности
На горных предприятиях, для подготовки горных пород крепостью по шкале профессора М.М. Протодьяконова свыше 6 к выемке, применяется разрушение массива с помощью энергии взрыва. Данный способ подготовки имеет ряд негативных проявлений. Наибольшую опасность для зданий и сооружений представляет ударная воздушная волна и сейсмическое воздействие. При многократном сейсмическом воздействии на сооружение возможно появление трещин в основании и стенах, потеря несущей способности здания.
При взрыве в однородном полупространстве образуется два типа волн: объемные и поверхностные.
Объемные волны представлены продольной (P) и поперечной (S) составляющей. Амплитуда данных волн для однородной и изотропной среды зависит только от расстояния и убывает обратно пропорционально.
Поверхностные волны распространяются вдоль поверхности. Амплитуда данных волн обратно пропорциональна корню квадратному из расстояния и убывает с увеличением глубины. Общепринятым параметром оценки величины сейсмического воздействия является скорость колебаний частиц грунта.
Амплитуда скорости колебаний изменяется в достаточно широком диапазоне и зависит от массы ВВ, расстояния между местом взрыва и пунктом регистрации, конструкции заряда, схемы взрывания, горно-геологических условий, направления отбойки, наличия свободных поверхностей и забойки.
Проблема негативного проявления сейсмического воздействия при производстве массовых взрывов известна давно и актуальна по сегодняшний день. Существует достаточно много научных изысканий на данную тему, но в основном они ориентированы под конкретные условия того или иного предприятия.
Оценка допустимых колебаний в основании объектов производится в зависимости от класса сооружения, конструктивных особенностей, его состояния и грунтов, находящихся в основании оцениваемого объекта. Все охраняемые объекты относятся к одному из четырех классов по степени ответственности, согласно которому определяется допустимое значение скорости колебания грунта в его основании. Расчет безопасных расстояний для зданий и сооружений ведется по формулам, приведенным в правилах безопасности при ведении взрывных работ. Расчет основан на коэффициентах, зависящих от характеристики грунтов в основании объекта и его конструктивных особенностей, а также от массы единовременного взрываемого ВВ.
В настоящее время на горных предприятиях нашли наибольшее применение схемы взрывания с «поскважинным» замедлением. Это позволяет повысить эффективность взрывного дробления и снизить удельный расход ВВ за счет формирования свободных поверхностей для каждого заряда. Расчет безопасных расстояний при неодновременном взрывании N зарядов ВВ общей массой Q со временем замедления между взрывами каждого заряда не менее 20 мс производится по формуле:
где rc — безопасное расстояние от места взрыва до охраняемого здания (сооружения), м;
Кг — коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания (сооружения);
Kc — коэффициент, зависящий от типа здания (сооружения) и характера застройки;
ɑ — коэффициент, зависящий от условий взрывания, для скважинных зарядов рыхления ɑ = 1;
К1 — коэффициент, учитывающий размещение заряда в водонасыщенных грунтах, равный;
К2 — коэффициент, учитывающий наличие повреждений в зданиях, равный.
Q — масса заряда, кг.
Значения коэффициентов Кг и Kc приведены в таблице 1:
Многократное сейсмическое воздействие на сооружение повышает негативное влияние колебаний грунта в основании зданий и сооружений, ускоряя развитие повреждений в конструкциях вследствие накопления деформаций. В связи с этим необходимо снизить предельно допустимую скорость колебаний грунта в основании объекта в 2-4 раза.
Для этого необходимо проводить инструментальные наблюдения за уровнем сейсмических колебаний земной поверхности от массовых взрывов. Данные замеры позволяют определить фактический уровень сейсмических колебаний земной поверхности с охраняемыми зданиями, которые не должны превышать допустимых величин.
На основании результатов проведенных измерений определяются общие закономерности и разрабатываются технические мероприятия по снижению воздействия массовых взрывов.
При ведении взрывных работ вблизи населенных пунктов необходимо производить замеры уровня колебаний грунта в основании жилых построек и сооружений для контроля сейсмического воздействия на их конструкции.
Поселок Гавриловка расположен в 1,5-2 километрах от ООО «Разрез «Степановский». Мониторинг сейсмического воздействия при производстве массовых взрывов на разрезе проводился в пункте регистрации, расположенном по адресу: ул. Молодежная, 1.
Для регистрации сейсмических колебаний была разработана и укомплектована переносная сейсмостанция, которая включает сейсмоприемники, коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), кабели к внешнему модулю АЦП и персональный компьютер. В качестве сейсмоприемников использовались магнитоэлектрические датчики СМ-3КВ. Один сейсмоприемник для регистрации вертикальных колебаний и два сейсмоприемника для регистрации колебаний в двух взаимно-перпендикулярных горизонтальных направлениях. Методика регистрации сейсмических колебаний земной поверхности основана на записи аналоговых электрических сигналов сейсмоприемников на персональный компьютер (ПК). Применяемая методика регистрации и обработки разработана в институте динамики геосфер РАН.
Для перевода аналогового электрического сигнала в цифровой код применялись аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) модели Е-440. Обработка и регистрация сейсмических сигналов АЦП модели Е-440 осуществляется в программе L-GRAF. Для обработки кодовых значений цифрового сигнала, записанного в программе L-GRAF с АЦП Е-440 в значения скорости смещения грунта и пересчета номера отсчета во временной интервал, используется программа Seismikanaliz на языке Pascal в среде Delfi.
Разработанный программный продукт «Сейсмоанализ» создан на языке Pascal в программной среде Borland Delphi 7.0 для обработки сигналов, полученных с АЦП Е-440 фирмы L-Card, и реализует в себе функции просмотра записанного сигнала, анализатора данных, компоновщика данных и их обработчика для последующего использования.
Программа позволяет определить сигнал из всего файла данных и выделить его для обработки скорости колебаний, для получения графиков ускорения и смещений поверхности использовалась специальная программа MathLab (рис. 1).
В поселке Гавриловка жилые здания по конструктивным характеристикам относятся к бескаркасным зданиям с несущими стенами.
Жилые здания Гавриловки по состоянию относятся к II категории (в несущих конструкциях трещины до 0,5 мм. В стенах из кирпича и крупных блоков до 3 мм. Вертикальность массива фундамента нарушена, повреждения в размере до 40%). По СНиП 2.01.07-85 здания относятся к II классу ответственности. Грунты (суглинки и глины мягкопластичные) в основаниях зданий и сооружений Гавриловки согласно классификации ГОСТ 25100-95 соответствуют II группе.
Допустимые скорости колебаний грунта для бескаркасных с несущими стенами социальные здания Гавриловки с II классом ответственности по данным РТМ 36.22.91 составляют для жилых зданий — 2 см/с.
В связи с тем, что взрывные работы на ООО «Разрез «Степановский» проводятся регулярно, необходимо снизить допустимую скорость колебаний грунта до 0,5 см/с для смягчения негативного воздействия колебаний грунта в основании зданий, препятствия образования новых повреждений, а также предотвращения развития уже существующих повреждений в конструкциях зданий.
На рисунке 2 представлен план поверхности участка открытых горных работ ООО «Разрез «Степановский» и местоположение пункта наблюдения в Гавриловке, где точка А — пункт наблюдения, а точка Б — местоположение одного из взрываемых блоков на участке ОГР (рис. 2).
Мониторинг сейсмического воздействия на объекты, расположенные в Гавриловка, от производства массовых взрывов на ООО «Разрез «Степановский» осуществляется в период 2014-2016 годов. Абсолютное расстояние между пунктом регистрации и массовыми взрывами находится в диапазоне 1 600-2 200 метров.
Изменение максимальной скорости колебаний грунта от абсолютного расстояния между пунктом регистрации и массовым взрывом происходит по экспоненциальной зависимости — с увеличением абсолютного расстояния скорость сейсмических колебаний уменьшается.
Увеличение массы ВВ во взрываемом блоке приводит к увеличению скорости сейсмических колебаний.
Проведены исследования зависимости скорости колебаний грунта от абсолютного расстояния, массы заряда, приведенного расстояния и приведенной массы заряда. Мониторинг сейсмических колебаний грунта от массовых взрывов на ООО «Разрез «Степановский» позволяет сделать следующие выводы:
1 Сейсмические колебания грунта, возникающие при проведении массовых взрывов, подчиняются общим законам, описывающим распространение сейсмических волн в земной коре. Интенсивность сейсмических колебаний зависит от массы заряда и расстояния до места взрыва.
2 Сейсмический эффект взрыва в большой степени зависит от геологического залегания и строения массива горных пород и физико-механических свойств пород в месте проведения взрывов и по пути прохождения упругой волны и грунтов на поверхности.
3 К основным технологическим факторам, влияющим на сейсмический эффект взрыва, можно отнести: общую массу заряда ВВ во взрываемом блоке, линии наименьшего сопротивления, глубину заложения зарядов, конструкцию заряда, применение короткозамедленного взрывания, массу ВВ, взрываемую в одной ступени замедления, количество и площадь свободных поверхностей, схему инициирования, ориентацию взрываемого блока и рядов скважинных зарядов, тип ВВ.
4 Основным критерием оценки сейсмического действия взрыва в массиве горных пород является скорость колебаний (скорость смещения частиц грунта), которая пропорциональна разрушениям, возникающим при взрывах, определяет энергию сейсмических волн, позволяет полнее учитывать технологию применения взрывов в производственных условиях.
5 Уровень сейсмического воздействия массовых взрывов, проводимых ООО «Разрез «Степановский», не превышает допустимых значений.
Александр Семин
(semin-a-ip@ya.ru)
Игорь Машуков, к.т.н.
Сибирский государственный индустриальный университет
Подробности об авторах на стр. 62