Расчет безопасных расстояний по сейсмическому воздействию массовых взрывов для зданий и сооружений с учетом схемы взрывания скважинных зарядов

И.В. Машуков

канд. техн. наук, директор Института горного дела и геосистем ФГБОУ «СибГИУ»

В.П. Доманов

канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»

А.Г. Серг

студент Института горного дела и геосистем ФГБОУ «СибГИУ»

Д.А. Егоров

студент Института горного дела и геосистем ФГБОУ «СибГИУ»

УДК 622.235.315

РАСЧЕТ БЕЗОПАСНЫХ РАССТОЯНИЙ ПО СЕЙСМИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ ДЛЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С УЧЕТОМ СХЕМЫ ВЗРЫВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ

Приведена методика и пример расчета безопасных расстояний по сейсмическому воздействию массовых взрывов на охраняемые объекты. Показаны причины завышения величины безопасных расстояний при использовании неэлектрической системы инициирования при «поскважинной» схеме взрывания. Приведена методика расчета безопасных расстояний по сейсмическому воздействию с учетом схемы взрывания скважинных зарядов.

Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки РФ, регистрационный номер 548922011.

Ключевые слова: СЕЙСМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ОХРАНЯЕМЫЙ ОБЪЕКТ, МАССОВЫЙ ВЗРЫВ, БЕЗОПАСНОЕ РАССТОЯНИЕ, ПАРАМЕТРЫ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ, КОРОТКОЗАМЕДЛЕННОЕ ВЗРЫВАНИЕ, СХЕМА ВЗРЫВАНИЯ, НЕЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИНИЦИИРОВАНИЯ, СХЕМА МОНТАЖА ВЗРЫВНОЙ СЕТИ, СХЕМА ВЗРЫВАНИЯ С «ПОСКВАЖИННЫМ» ЗАМЕДЛЕНИЕМ

Буровзрывной способ разрушения горных пород является наиболее эффективным в сравнении с другими способами разрушения, а для разрушения крепких руд и пород единственно возможным способом. Эффективность взрывной подготовки полезного ископаемого или вмещающих пород к выемке определяется техникоэкономическими показателями буровзрывного комплекса, производительностью и безопасностью последующих процессов горного производства и в целом всего предприятия. Взрывное дробление крепких пород и полезного ископаемого производится массовыми взрывами скважинных зарядов. Общая масса взрывчатых веществ (ВВ) на взрыв составляет от 200 до 300 тонн, а в отдельных случаях достигает 700 тонн. При выполнении массовых взрывов с таким количеством взрывчатых веществ проявляются негативные воздействия, к которым относятся: ударная воздушная волна, разлет кусков породы, вредные газы взрывчатого превращения, пылеобразование, сейсми-

ческое воздействие на окружающие объекты. Данные воздействия являются негативными и еще на стадии проектирования буровзрывных работ должны учитываться при оценке промышленной безопасности. Сейсмическая безопасность производства массовых взрывов на горнодобывающих предприятиях обеспечивается требованиями «Единых правил безопасности при взрывных работах» [1], типовых проектов производства буровзрывных работ, разработанных на основании «Типовой инструкции по безопасному проведению массовых взрывов на земной поверхности» [2] с учетом проекта разработки конкретного месторождения.

В проектной документации безопасные расстояния по сейсмическому воздействию массовых взрывов рассчитывают по формулам, приведенным в главе VIII [1]. В расчетах учитывают параметры заряжаемого блока, свойства грунтов в основании охраняемых объектов (зданий, сооружений и др.), состояние и значимость этих объектов.

Расстояния, на которых колебания грунта, вызываемые однократным взрывом сосредоточенного заряда взрывчатых веществ, становятся безопасными для зданий и сооружений, определяют по формуле:

г=ККа\

где г - безопасное расстояние от места взрыва до охраняемого здания (сооружения), м;

К - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания (сооружения) (таблица 1);

К - коэффициент, зависящий от типа здания (сооружения) и характера застройки (таблица 2);

а - коэффициент, зависящий от условий взрывания (таблица 3);

Q - масса заряда ВВ, кг.

При одновременном (без замедления) взрывании группы из N зарядов взрывчатых веществ общей массой Q в тех случаях, когда расстояния от охраняемого объекта до ближайшего заряда и до наиболее удаленного заряда различаются не более чем на 20 %, безопасное расстояние определяют по формуле:

гс = МшКгКса\Щ,

При большем различии в расстояниях охраняемый объект будет находиться вне сейсмически опасной зоны, если будет соблюдаться условие:

(^Дса)3£%<1,

"7 К

Таблица 1 - Значения коэффициента К

Свойства грунта Значение коэффициента

Скальные породы плотные, ненарушенные 5

Скальные породы нарушенные, неглубокий слой мягких грунтов на скальном основании 8

Необводненные песчаные и глинистые грунты глубиной более 10 м 12

Почвенные обводненные грунты и грунты с высоким уровнем грунтовых вод 15

Водонасыщенные грунты 20

Таблица 2 - Значения коэффициента К

Тип здания (сооружения) и характер застройки Значение коэффициента

Одиночные здания и сооружения производственного назначения с железобетонным или металлическим каркасом 1

Одиночные здания высотой не более двух-трех этажей с кирпичными и подобными стенами 1,5

Небольшие жилые поселки 2

Таблица 3 - Значения коэффициента а

Условия взрывания Значение коэффициента

Камуфлетный взрыв и взрыв на рыхление 1

Взрыв на выброс 0,8

Взрыв полууглубленного заряда 0,5

где N - число зарядов взрывчатых веществ;

qi - масса отдельного заряда взрывчатых веществ, кг;

г - расстояние от отдельного заряда взрывчатых веществ до охраняемого объекта, м.

При неодновременном взрывании N зарядов взрывчатых веществ общей массой Q со временем замедления между взрывами каждого заряда не менее 20 мс безопасное расстояние определяют по формуле:

КЛЛ 01/3

N

1/4

б-

При определении N и Q можно не учитывать заряды, масса которых меньше массы максимального заряда взрываемой группы в три раза и более.

В тех случаях, когда расстояние г от крайних зарядов массой qi до охраняемого объекта различается более чем на 20 %, последний будет находиться вне сейсмически опасной зоны, если будет соблюдаться условие:

К Ка

Л3 N

N

1/4

1^1.

<=1 Ч

Ряд других обязательных требований при расчете безопасных расстояний заключается в

следующем:

• при размещении заряда в воде или в водонасыщенных грунтах значения коэффициента а увеличивают в 1,5-2 раза;

• при определении N не учитываются заряды, для которых величина q/г3 меньше максимальной из всей взрываемой группы в три раза и более;

• при взрывании групп зарядов с замедлениями между взрывами в отдельной группе менее 20 мс каждую такую группу следует рассматривать как отдельный заряд с общей массой для группы;

• сейсмическая безопасность зданий и сооружений при взрывах предполагает отсутствие повреждений, нарушающих нормальное их функционирование (вероятность появления в отдельных зданиях и сооружениях легких повреждений составляет около 0,1);

• при наличии повреждений в зданиях (трещин в стенах и т.п.) безопасные расстояния, опре-

деленные по этим формулам, должны быть увеличены. Это увеличение устанавливается по заключениям специализированных организаций. При отсутствии таких заключений безопасные расстояния должны быть увеличены не менее чем в два раза.

Исследованиями сейсмического эффекта при ведении взрывных работ установлены параметры, влияющие на интенсивность сейсмических колебаний, которыми являются: общая масса заряда ВВ во взрываемом блоке, масса ВВ, взрываемого в одной ступени замедления, величина линии наименьшего сопротивления, глубина заложения зарядов, конструкция заряда, количество и площадь свободных поверхностей вокруг одиночного скважинного заряда, схема инициирования, ориентация взрываемого блока и рядов скважинных зарядов по отношению к охраняемому объекту, тип ВВ, короткозамедленное взрывание (КЗВ) [3].

Применение короткозамедленного взрывания существенно снижает сейсмический эффект взрыва. Большое влияние на формирование и распространение сейсмовзрывных волн оказывает наличие выработанного пространства или нарушенных зон между взрываемым блоком и охраняемыми объектами. Выработанное пространство (выемка карьера, разрезная траншея и др.) оказывает экранирующее действие на сейсмовзрывные волны. Интенсивность их колебаний в 2-3 раза уменьшается по сравнению с прохождением волн через ненарушенный массив [3].

Применение КЗВ позволяет внедрить в практику взрывных работ различные схемы инициирования: диагональные, порядные продольные, порядные поперечные, клиновые, волновые и др. При взрывании зарядов на фланге взрываемого блока со стороны охраняемого объекта при направлении детонации от объекта достигается снижение скорости сейсмических колебаний в 2-3 раза по сравнению с расположением объекта на противоположном фланге взрываемого блока [4].

В настоящее время на угольных разрезах применяется неэлектрическая система инициирования с использованием в скважинах устройств ИСКРА-С с замедлением 450 или 500 мс и в поверхностной взрывной сети устройств ИСКРА-П с замедлением 42 и 67 мс. Наиболее распространенной схемой монтажа взрывной сети на поверхности является выполнение магистральной линии из устройства ИСКРА-П-42 вдоль блока по первому ряду от усту-

па и подсоединения к ней участковых линий из устройства ИСКРА-П-67, проложенных по поперечным рядам. Такая схема монтажа является наиболее простой в выполнении и обеспечивает взрывание зарядов с замедлением по диагональным рядам. Во многих типовых проектах производства буровзрывных работ данная схема называется «диагональная схема взрывания с поскважинным замедлением» из предположения, что каждая скважина взрывается со своим временем замедления за счет установки поверхностных устройств с замедлением у каждой скважины.

В расчете безопасных расстояний по сейсмическому воздействию в проектах массовых взрывов с применением «диагональной схемы взрывания с поскважинным замедлением» с учетом «посква-жинного» замедления количество не одновременно взрываемых зарядов принимается равным количеству скважинных зарядов.

В качестве примера приводим расчет безопасного расстояния из проекта массового взрыва блока 131, проведенного 18.05.2010 в ООО «Разрез «Бунгурский-Северный».

Основные технические параметры буровзрывных работ блока 131 приведены ниже. Общая масса ВВ на взрыв составила 41077 кг. Фактический удельный расход ВВ на отбойку по блоку составил 1,14 кг/м3. Скважины диаметром 203 мм, глубиной 15-17 м расположены по сетке 5*6 м. Количество скважин в блоке составляет 110 штук, объем бурения - 1671 м. В скважины устанавливались промежуточные детонаторы, изготовленные из шашек ПТ-П500 и ИСКРА-С-450. Скважины расположены

' \

Рисунок 1 - Схема монтажа взрывной сети блока 131

в ООО «Разрез «Бунгурский-Северный»

в 15 рядах от одной до 10 скважин в ряду. В магистральной линии использовались устройства ИСКРА-П-42, в участковых линиях - ИСКРА-П-67. Схема расположения и взрывания скважинных зарядов приведена на рисунке 1.

В расчете безопасного расстояния в проекте массового взрыва приняты следующие параметры: количество не одновременно взрываемых зарядов N принимается равным количеству скважинных зарядов N = 110; Q = 41077 кг; а = 1; Кс = 2; Кг = 15; Кг = 2; К2 = 2. Безопасное расстояние по сейсмическому воздействию по формуле (4) составило 1234 м.

В «Единых правилах безопасности при ведении взрывных работ» [1] не одновременно взрываемыми зарядами считаются заряды или группы зарядов, время замедления между которыми состав-

Таблица 4 - Время замедления срабатывания скважинных зарядов в поверхностной сети, мс

Ряды скважинных зарядов

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1 0 42 84 126 168 210 252 294 336 378 462 504 546

о. 00 2 109 151 193 235 277 319 361 403 420 529 571 588

Ъ п 3 176 218 260 302 344 386 428 470 487 596 638 630 714

а. со СО 4 243 285 327 369 411 453 495 537 554 663 705 672 781

ф л 5 310 352 394 436 478 520 562 604 621 730 772 739 848 915

X * СО ш 6 377 419 461 503 545 587 629 671 688 797 839 806 915

7 486 528 570 612 654 696 738 755 864 906 873 982

О 8 553 637 679 721 763 805 822 931 973 940

9 746 788 830 872 889 998

10 855 897 939 956

Таблица 5 - Количество скважин, время замедления и количество групп зарядов

Очередность взрывания Время замедления, мс Интервал времени замедления, мс Номер группы замедления Очередность взрывания Время замедления, мс Интервал времени замедления, мс Номер группы замедления Очередность взрывания Время замедления, мс Интервал времени замедления, мс Номер группы замедления Очередность взрывания Время замедления, мс Интервал времени замедления, мс Номер группы замедления

1 0 0 1 29 378 1 13 57 570 8 85 772 9 31

2 42 42 2 30 386 8 58 571 1 86 781 9

3 84 42 3 31 394 8 59 587 16 87 788 7

4 109 25 32 403 9 17 60 588 1 24 88 797 9 32

5 126 17 4 33 411 8 61 596 8 89 805 8

6 151 25 34 419 8 62 604 8 90 806 1

7 168 17 5 35 420 1 63 612 8 25 91 822 16 33

8 176 8 36 428 8 18 64 621 9 92 830 8

9 193 17 6 37 436 8 65 629 8 93 839 9

10 210 17 38 453 17 19 66 630 1 94 848 9 34

11 218 8 7 39 461 8 67 637 7 95 855 7

12 235 17 40 462 1 68 638 1 26 96 864 9

13 243 8 41 470 8 69 654 16 97 872 8

14 252 9 8 42 478 8 20 70 663 9 98 873 1 35

15 260 8 43 486 8 71 671 8 99 889 16

16 277 17 9 44 487 1 72 672 1 27 100 897 8

17 285 8 45 495 8 73 679 7 101 906 9 36

18 294 9 46 503 8 74 688 9 102 915 9

19 302 8 10 47 504 1 21 75 696 8 28 103 915 0

20 310 8 48 520 16 76 705 9 104 931 16 37

21 319 9 49 528 8 77 714 9 105 939 8

22 327 8 11 50 529 1 78 721 7 29 106 940 1

23 336 9 51 537 8 22 79 730 9 107 956 16 38

24 344 8 52 545 8 80 738 8 108 973 17

25 352 8 12 53 546 1 81 739 1 109 982 9 39

26 361 9 54 553 7 82 746 7 30 110 998 16 40

27 369 8 55 554 1 83 755 9

28 377 8 13 56 562 8 23 84 763 8 31

ляет более 20 мс. Фактический интервал времени замедления между скважинными зарядами может составлять 0 (одновременное взрывание), 1, 2, 7, 8, 9, 16, 17, 25 и 42 мс, т.е. в интервале 20 мс могут находиться несколько скважинных зарядов.

Время замедления срабатывания зарядов в каждой скважине зависит от количества скважин в

продольных и поперечных рядах, количества и времени замедления в поверхностных средствах инициирования, схемы монтажа взрывной сети. Время замедления срабатывания зарядов в каждой скважине определяется суммой времени замедления на каждом устройстве ИСКРА-П при прохождении импульса по сети от начала инициирования

схемы до скважины.

Для определения времени подхода инициирующего импульса к скважине методикой предлагается заполнить таблицу 4, в которой ячейки в столбцах соответствуют скважинам, соединенным в участковые линии, а ячейки верхней строки - скважинам магистральной линии. В следующей операции величины времени подхода инициирующего импульса к скважинным зарядам ранжируются по величине (таблица 5).

В каждой ячейке таблицы 4 приведено число, соответствующее величине времени замедления подхода инициирующего импульса к скважине по поверхностной сети, которое определяется количеством поверхностных устройств ИСКРА-П и величиной замедления в устройстве. Количество заполненных ячеек соответствует количеству скважинных зарядов. Из таблицы 5 видно, что интервалы замедления между зарядами составляют 0, 1, 7, 8, 9, 16, 17, 25 и 42 мс. Количество скважинных зарядов, взрываемых в группе, составляет от 1 до 5. Количество не одновременно взрываемых зарядов N составляет 40. Так как при определении N и Q можно не учитывать заряды, масса которых более чем в три раза меньше массы максимального заряда взрываемой группы, то можно исключить первые три скважинных заряда, взрываемых с замедлением 0; 42 и 84 мс, имеющих массу ВВ соответственно 401, 401 и 370,5 кг, что составляет 1172,5 кг. К расчету принимаются 37 групп, взрываемых не одновременно. На основе проведенного

анализа при расчете по формуле (4) по полученным параметрам: Q = 39904,5 кг; N = 37; а = 1; К = 2;

С

К = 15; К; = 2; К2 = 2 безопасное расстояние по сейсмическому воздействию составит 1654 м, что на 420 м или 34 % больше приведенных результатов расчета в проекте массового взрыва.

Приведенный анализ показывает, что при использовании неэлектрической системы инициирования в схеме монтажа взрывной сети при «поскважин-ном» замедлении, когда перед каждой скважиной устанавливается поверхностное устройство инициирования, необходимо производить расчет фактического времени подхода инициирующего импульса. В противном случае использование в расчете безопасного расстояния по сейсмическому воздействию количества не одновременно взрываемых зарядов, равного количеству скважинных зарядов, приведет к значительной ошибке, величина которой составит до 35 %. В результате этого охраняемые здания и сооружения могут попасть в опасную зону по сейсмическому воздействию.

Для исключения подобных случаев необходимо производить расчет фактического времени замедления в поверхностной сети по каждой скважине с учетом схемы монтажа взрывной сети и определять количество не одновременно взрываемых групп зарядов. Исходя из практики расчета, количество не одновременно взрываемых групп зарядов в 1,5-3 раза меньше количества скважин в блоке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-01): утв. постановлением Госгортехнадзора России от 30.01.01 № 3. -228 с.

2 Типовая инструкция по безопасному проведению массовых взрывов на земной поверхности. -Сер. 13. -Вып. 10. -М.: ФГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. -12 с.

3 Медведев, С.В. Сейсмика горных взрывов / С.В. Медведев. - М: Недра, 1964. -188 с.

4 Мосинец, В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах / В.Н. Мосинец. - М.: Недра, 1976. -271 с.

CALCULATION OF SAFE DISTANCES FOR Машуков Игорь Владимирович

SEISMIC IMPACT OF MASS EXPLOSIONS FOR е-mail: mashukov_nvk@mail.ru

THE BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS WITH Доманов Виктор Петрович

CONSIDERATION OF BOREHOLE CHARGE е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

EXPLOSION SYSTEM Серг Алексей Геннадьевич

I.V. Mashukov, V.P. Domanov, A.G.Serg, D.A. е-mail: serg2292@rambler.ru

Yegorov Егоров Дмитрий Александрович

Methodology and sample calculation of safety е-mail: egorov_1910_EDA@mail.ru

distances for seismic impact of mass explosions to

secure sites is given. The reasons for the value of

safe distance overstating when using a non-electric

system of initiation with the borehole explosion

system are shown

Methodology of safe distance calculation as for

seismic impact are given for borehole charges

explosion system usage.

The work is done according to the state order of

Ministry of Education and Science of RF, registration

number 548922011.

Key words: SEISMIC IMPACT, SECURE OBJECT,

MASS EXPLOSION, SAFE DISTANCE, DRILL AND

BLUST WORKS PARAMETERS, SHORT-DELAY

FIRING, EXPLOSION SCHEME, NON-ELECTRIC

INITIATION SYSTEM, EXPLOSION SYSTEM

ASSEMBLY SCHEME, EXPLOSION SCHEME

WITH «BOREHOLE AFTER BOREHOLE»

EXPLOSION DELAY

22