Регистрация сейсмических колебаний от подземных массовых взрывов

© И В. Машуков, 2014

УДК 622.235 И.В. Машуков

РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ОТ ПОДЗЕМНЫХ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ

Представлены исследования сейсмических колебаний от массовых взрывов, проводимых в подземных условиях. Технология отбойки руды зарядами ВКЗ массивов столбообразной формы, образованных опережающим взрыванием пучков сква-жинных зарядов обеспечивает эффективное дробление и безопасность по сейсмическому воздействию в тектонически активных районах. По результатам проведенных исследований определено, что сейсмический эффект подземного взрыва зависит от направления отбойки; массы ВВ в одной ступени замедления; наличия свободных поверхностей и компенсационных камер и места расположения блока и охраняемых сооружений у выработанного пространства.

Ключевые слова: массовый взрыв, схема взрывания, вертикальные концентрированные заряды, пучки скважинных зарядов, короткозамедленное взрывание, сейсмические колебания, скорость колебаний, сейсмоприёмники, параметры буровзрывных работ

Сейсмические колебания являются одним из вредных проявлений взрыва.

Многократное воздействие сейсмических нагрузок на охраняемые объекты может привести к образованию трещин в элементах строительных конструкций и потере их несущей способности. Поэтому при выборе безопасных режимов взрывания исходят из того, чтобы уровень сейсмического действия взрыва не превысил предельно допустимого значения, основываясь на существующих нормативных данных, фактическом состоянии охраняемых объектов, сроках их эксплуатации, степени ответственности и т.д.

Для каждого массового взрыва производится расчет безопасных расстояний, на котором не происходит опасных колебаний охраняемых объектов по методике, приведенной в единых правилах безопасности при ведении взрывных работ. Сейсмическая безопасность зданий и сооружений при взрывах предполагает отсутствие повреждений, нарушающих нормальное их функционирование.

В сейсмическом движении грунта выделяются две фазы: предварительная и главная. В предварительной фазе максимальная интенсивность сейсмических колебаний соответствует объемным волнам (главным образом продольным), а в главной - поверхностным.

Общепринятым критерием сейсмической опасности взрывов принята максимальная векторная скорость смещения грунта у основания охраняемого сооружения. Этот параметр колебаний лучше всего соотносится с массой заряда, расстоянием между местом взрыва и пунктом наблюдения. На скорость колебаний оказывают влияние также геометрия заряда, способ взрывания, направление фронта детонации, конструкция заряда, тип ВВ и т.п.

Приведенные формулы определения безопасных расстояний относятся к зданиям, находящимся в удовлетворительном техническом состоянии. При наличии повреждений в зданиях (трещин в стенах и т.п.) безопасные расстояния,

определенные по этим формулам, должны быть увеличены. Это увеличение устанавливается по заключениям специализированных организаций. Указанные методы определения безопасных расстояний неприменимы для зданий и сооружений уникального характера (здания атомных электростанций, башни, высотные здания, монументальные общественные здания и т.п.) и для ответственных и сложных инженерных сооружений (мосты, реакторы различного назначения, гидротехнические сооружения, радиомачты и т.п.). Для таких объектов вопросы сейсмической безопасности должны решаться с привлечением специализированных организаций. Такие факторы, как направленность сейсмического действия группы зарядов большой протяженности, наличие повреждений зданий при повторяющихся взрывах, следует определять с привлечением специализированных организаций.

В отдельных случаях колебания земной поверхности от массовых взрывов могут происходить с большими значениями, чем это получено при расчетах. К таким случаям относятся проведение массовых взрывов в горных массивах с тектоническими нарушениями, наличием пластов с различными физико-механическими свойствами. В первом случае тектоническое нарушение в массиве является плоскостью отражения и сейсмическая волна отражается от неё, что усиливает колебания земной поверхности от поверхностной волны. Во втором случае пласт горных пород может являться волноводом для распространения колебаний на большие расстояния с незначительными потерями интенсивности.

Во время проведения массовых взрывов в напряженных горных породах, энергия горного давления, накопленная в массиве может выделяться в динамической форме. Это приводит к дополнительному сейсмическому колебанию поверхности земли. В таких случаях необходимо проведение инструментальных наблюдений за уровнем сейсмических колебаний земной поверхности от массовых взрывов, проводимых вблизи от охраняемых объектов. Требуется определить уровень безопасности проведения массовых взрывов по допустимым величинам колебаний охраняемых зданий. По результатам проведенных измерений можно определить общие закономерности и определить мероприятия по снижению воздействия массовых взрывов. При скорости колебаний земной поверхности близкой к предельно допустимой величине необходимо снижать массу одновременно взрываемого заряда, изменять параметры буровзрывных работ, конструкцию заряда.

Регистрация сейсмических колебаний земной поверхности основана на записи аналоговых электрических сигналов сейсмоприемников на персональный компьютер (ПК). Для получения аналоговых электрических сигналов пропорционально скорости колебания грунта используются магнитоэлектрические сейсмоприёмники. Принцип действия датчиков основан на перемещении корпуса прибора вместе с магнитной системой относительно неподвижной электрической катушки. При этом магнитные силовые линии пересекают катушку и в ней наводится электродвижущая сила, пропорциональная скорости перемещения корпуса датчика и соответственно фундамента здания.

Для регистрации сейсмических колебаний применялись сейсмоприёмники СМ-3КВ.

Регистрация фактических колебаний грунта и определения уровня воздействия массовых взрывов на здания выполняется на переносной сейсмостанции,

которая включает сейсмоприёмники, коммутатор, АЦП и персональный компьютер. Обработка и регистрация сейсмических сигналов в цифровом коде с АЦП модели Е-440 осуществляется программой «L-GRAF». Для обработки кодовых значений цифрового сигнала, записанного программой «L-GRAF» в значения скорости смещения грунта и пересчета номера отсчета во временной интервал осуществляется программой "Seismikanaliz" на языке Pascal в среде Delphi. Программа позволяет определить сигнал из всего файла данных и выделить его для обработки и размещения в Excel и для представления в графическом виде.

Аналоговый сигнал, получаемый с сейсмоприемников, пропорционален скорости сейсмических колебаний земной поверхности. Для получения сейсмограмм ускорений, смещений и амплитудно-частотных характеристик сейсмических колебаний разработана программа расчета, которая апробирована и широко применяется в институте динамики геосфер РАН [1]. Здания жилого сектора, находящиеся в непосредственной близости к промышленной зоне шахты «Таштагольская», испытывают существенные сейсмические воздействия подземных массовых взрывов. Отработка Таштагольского месторождения и расширение очистного фронта горных работ приводит к уменьшению расстояния от взрыва до охраняемых объектов. Увеличивается уровень напряженно-деформированного состояния массива горных пород, с увеличением глубины горных работ происходит подработка окружающего массива. Все эти факторы приводят к увеличению сейсмического воздействия. Для контроля уровня сейсмического воздействия проводилась регистрация колебаний. Регистрация колебаний земной поверхности от каждого массового взрыва производилась в двух пунктах. В каждом пункте колебания регистрировались вертикальным и двумя горизонтальными датчиками во взаимно перпендикулярных направлениях. Для анализа сейсмических воздействий массовых взрывов в каждом пункте наблюдений из трех сейсмограмм, полученных от трех датчиков, определяли максимальное значение скорости сейсмических колебаний.

Ниже приведен пример регистрации сейсмических колебаний земной поверхности от массового взрыва, проведенного на юго-восточном участке Таш-тагольского месторождения, который является слепым рудным телом и его отработка осуществляется с оставлением налегающей толщи пород. Над отрабатываемым участком на горе Буланже располагается горнолыжная трасса и установлен подъёмник. Расположение рудного тела и отрабатываемых блоков под подъёмником позволило производить уникальные записи сейсмических колебаний земной поверхности непосредственно над взрывом, т.е. в эпицентре взрыва. Центр массового взрыва находился непосредственно под пятой опорой подъёмника на глубине 425 м от места регистрации.

Регистрация сейсмических колебаний в эпицентре взрыва на горе Буланже производилась 03.06.2007 г. от массового взрыва блока 3 слоя 1 и 29.06.2008 г. от массового взрыва блока 3 слоев 2 и 3 и блока 4 слоя 1 в этаже +140...+70 м. Масса ВВ при взрыве блока 3 слоя 1 составила 41,8 т. Взрыв производился с замедлением 0, 100, 125, и 150 мс.

Результаты регистрации сейсмических колебаний в эпицентре взрыва на горе Буланже от массовых взрывов блока 3 слоя 1, проведенного 03.06.2007 г. приведены на рис. 1. На рис. 1, а приведена сейсмограмма скорости вертикальных колебаний, на рис. 1, б и 1, в соответственно горизонтальные колеба-

ния параллельно и перпендикулярно трассы подъёмника. По сейсмограммам установлена максимальная скорость колебаний величиной 5,25 см/с в горизонтальном направлении перпендикулярно трассе подъёмника. Это направление совпадает с направлением отбойки горного массива и объясняет максимальное значение скорости колебаний в горизонтальном направлении.

По координатам местоположения пунктов наблюдений и центра массового взрыва определялось абсолютное расстояние между ними с учетом глубины расположения блока. Результаты регистрации максимальной скорости сейсмических колебаний в пункте регистрации в зависимости от расстояния до центра взрыва одиннадцати блоков № 17, 25, 10, 1, 30, 9, 18, 26, 2, 3, 8 приведены на рисунке 2. Изменение максимальной скорости сейсмических колебаний от расстояния между центром взрыва и пунктом регистрации происходит по экспоненциальной зависимости, которая соответствует обшей закономерности - уменьшению скорости сейсмических колебаний с увеличением расстояния.

Массовый взрыв блока № 25 производился по технологии с применением двух вертикальных концентрированных зарядов (ВКЗ) совместно с пучковыми скважинными зарядами. По этой технологии заряды ВКЗ формируются в восстаюших горных выработках, масса ВВ в них составляет 20...30 т. Для эффективного действия концентрированные заряды ВВ расположены в центре блока. Пучки скважинных зарядов располагают вокруг зарядов ВКЗ и взрывают с опережением для создания ограниченного массив пород столбообразной формы [2].

Расположение ВКЗ в центре массива, ограниченного свободными поверхностями со всех сторон увеличивает эффективность дробления в 1,5-2 раза. За счет образования свободных поверхностей вокруг заряда ВКЗ передача сейсмических колебаний в окружаюший массив снижается и сейсмическое воздействие массовых взрывов остается на уровне пучковых скважинных зарядов [3]. Это подтверждается регистрацией сейсмических колебаний массового взрыва блока № 25 на расстоянии 900 м и составляет 12 мм/с, приведенное на рис. 2.

Рис. 1. Сейсмограммы скорости колебаний на пятой опоре подъёмника горнолыжной трассы в эпицентре взрыва блока 3 слоя 1 в этаже +140...+70 м, проведенного 03.06.2007 г.: а - в вертикальном направлении; б - в горизонтальном направлении параллельно трассе подъёмника; в - в горизонтальном направлении перпендикулярно трассе подъёмника;

StlO ЦК) 131 i 2000 LIU 3

31»

По результатам проведенных исследований определено, что сейсмический эффект взрыва зависит от направления отбойки; массы ВВ в одной ступени замедления; наличия свободных поверхностей и компенсационных камер и места расположения блока и охраняемых сооружений у выработанного пространства. Выводы

1. Изменение максимальной скорости сейсмических колебаний от расстояния между центром взрыва и пунктом регистрации происходит по экспоненциальной зависимости.

2. В ближней зоне воздействия массового взрыва направление отбойки горного массива определяет максимальное значение скорости колебаний в этом направлении.

3. Технология отбойки

руды вертикальными концентрированными зарядами (ВКЗ) совместно с пучковыми скважинными зарядами обеспечивает эффективное дробление, безопасность проведения массовых взрывов по сейсмическому воздействию в тектонически активных районах.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

^60 МЫ'С^

40 30 2010 О

400

—i— ÓTO

SÜ0

1000

1200

1400

L600

Каосм

Рис. 2. Зависимость максимальной скорости колебания земной поверхности от абсолютного расстояния от взрыва блока до пункта регистрации:

а - на больших расстояниях; б - в ближней зоне

1. Еременко A.A. Сейсмическое действие технологических взрывов на удароопасных месторождениях / А.А.Еременко, В.Н. Филиппов, В.И.Куликов, И.В.Машуков и др.// Кемерово: Вестник Российской академии естественных наук, Западно-Сибирское отделение. 2005 г., Выпуск 7, С. 148-158.

2. Пат. 2134402 РФ. Способ взрывной отбойки массива горных пород / Машуков

И.В., Покровский Б.Б., Карапетян Ю.М.// Бюл. - 2000 - № 15.

3. Викторов С.Д. Технология крупномасштабной взрывной отбойки на удароопасных рудных месторождениях Сибири / С.Д. Викторов, А.А.Еременко, В.М. Зака-линский, И.В. Машуков // Новосибирск: Наука, 2005,- 212 с.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Машуков Игорь Владимирович - кандидат технических наук, директор института горного дела и геосистем Сибирского государственного индустриального университета, e-mail: mashukov_nvk@mail.ru

UDC 622.235

RECORDING OF SEISMIC VIBRATIONS INDUCED BY LARGE-SCALE UNDERGROUND BLASTS

MashucovI.V., Candidate of Engineering Sciences, Director, Institute of Mining and geosystems Siberian State Industrial University, e-mail: mashukov_nvk@mail.ru

Are the research of seismic waves from explosions, conducted in underground conditions. Technology of breaking ore charges VKZ arrays columnar shape formed by the advancing blowing beams hole charges ensures efficient crushing and security of seismic impact in tectonically active regions. The results of the research determined that the seismic effect of an underground explosion depends on the direction of breaking; mass CENTURIES in one step slowdown; the availability of free surfaces and countervailing cameras and location of the unit and protected structures of mined-out space.

Key words: mass explosion, the scheme blasting, vertical concentrated charges, beams hole charges, short-delay blasting, seismic vibrations, vibration velocity, geophones, parameters of drilling and blasting operations.

REFERENCES

1. Eremenko A.A., Filippov V.N., Kulikov V.I., Mashukov I.V. Seismicheskoe deistvie tekhnologicheskikh vzry-vov na udaroopasnykh mestorozhde-niyakh (Seismic impact of blasting in rockburst-hazardous mines). Kemerovo: Vestnik Rossiiskoi akademii estestvennykh nauk, Zapadno-Sibirskoe otdelenie. 2005 g., Vypusk 7, pp. 148158.

2. Mashukov I.V., Pokrovskii B.B., Karapetyan Yu.M. Pat. 2134402 RF. Sposob vzryvnoi otboiki massiva gornykh porod (Rock mass blasting method). Byul. 2000. no. 15.

3. Viktorov S.D., Eremenko A.A., Zakalinskii V.M., Mashukov I.V. Tekhnologiya krupnomasshtabnoi vzryvnoi otboiki na udaroopasnykh rudnykh me-storozhdeniyakh Sibiri (Large-scale blasting technology for rockburst-hazardous ore mining in Siberia). Novosibirsk: Nauka, 2005. 212 p.

НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2014

Обсуждение текущих вопросов с научным лидером МГГУ