Определение параметров динамических явлений для расчёта сейсмостойкости подземных сооружений

существенно усложняется, предсказуемость поведения пород, особенно в запредельном состоянии, снижается.

Литература

1. Территориальные строительные нормы 50-302-04 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге», Санкт-Петербург, 2004, 81с.

Определение параметров динамических явлений для расчёта сейсмостойкости подземных сооружений Трушко О. В.1, Потёмкин Д. А.2

1Трушко Ольга Владимировна / Trushko Olga Vladimirovna - кандидат технических наук,

доцент;

2Потёмкин Дмитрий Александрович /Potemkin Dmitriy Aleksandrovich - кандидат технических

наук, доцент,

кафедра строительства горных предприятий и подземных сооружений, строительный факультет, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: определены параметры динамических явлений, влияющие на сейсмостойкость подземных сооружений. Установлены закономерности распределения динамических напряжений вокруг выработки в зависимости от расстояния динамического явления и энергии горного удара. При помощи компьютерной программы «TABLE CURVE 2D» была выявлена гипербалическая зависимость, которая использовалась в «Инструкции по выбору типа и параметров крепи капитальных и подготовительных горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна» для расчета динамических напряжений: при оценке устойчивости горных выработок и выборе параметров сейсмостойких крепей. Ключевые слова: рудник, горные выработки, удароопасные месторождения, динамические явления, массив горных пород.

При землетрясениях и горных ударах, природа которых связана с разрывом сплошности массива горных пород в области концентрации напряжений, часть высвобождающейся энергии переходит в энергию сейсмических волн, которая составляет примерно 10 %.

В качестве очага горных ударов принимается радиус сферически симметричной области, в которой выделяется основное (не менее 90 %) количество сейсмической энергии.

С очагом отождествляют также возникающую при горных ударах область неупругих деформаций, которая является разгружающей зоной (зоной разрушения) внутри массива.

Параметры горных ударов (период, длина волны, длительность и амплитуда) оцениваются по сейсмограммам, регистрируемым на наземных и подземных сейсмических станциях.

Линейный размер зоны разгрузки (разрушения) пород Rc, нагруженных ранее до значений, равных пределу прочности пород стсж, определяется [1]:

Rc= 3 '

V асж

где s - полная энергия горного удара, Дж; G - модуль сдвига горной породы.

Полная энергия горного удара определяется по сейсмическим записям и связана с продолжительностью колебаний следующей зависимостью [1]:

log E = 2,24+2,76 lg% (2) где т - продолжительность колебаний, с.

Учитывая, что наиболее важным признаком является энергетический. На основании этого институтом ВНИМИ была составлена энергетическая классификация динамических явлений, в которой указывается зона хрупкого разрушения Rc для конкретного вида и энергии динамического явления.

Так как большая часть объема разгружающейся породы может рассматриваться как разрушенная, на что уходит значительная часть полной энергии е, то коэффициент излучения сейсмических волн (КПД) определяется из соотношения энергий [1]:

i2

Act

Г= е ' с

ct -CT сж р

где е - полная энергия горного удара, Дж; ес - энергия сейсмических волн; ар -остаточная прочность массива (берется по экспериментальным данным испытаний горных пород); А а - уменьшение напряжений при разгрузке массива (оценивается через амплитуду сейсмических волн при выходе их из зоны диссипации (рассеивания).

Для горных ударов сейсмический КПД составляет ^«10-3-10-4.

Основная излучаемая упругая энергия расходуется на генерацию поперечной волны.

Сопутствующие продольные волны обусловлены сжатием одних слоев и растяжением других при изгибе перед сдвиговым разрывом.

Максимальное количество сейсмической энергии (до 80 %) выделяется на частотах 5-300 Гц.

В момент полного разрушения массива частота колебаний уменьшается до 5-10 Гц, а смещения пород достигают десятков миллиметров.

Аа= ¥р-р-Ср,

где Ур - максимальная скорость (м/с) колебаний массива («массовая» скорость) при прохождении волны динамических напряжений, зависящая от энергии динамического явления и расстояния до очага; Ср - скорость продольной волны в массиве (для шахт СУБРа в среднем равна 6000 м/с); р - плотность пород, МН-с2/м4 (для условий СУБРа р = 0,027).

Исходными данными для определения скорости колебаний в массиве являются максимальная энергия ожидаемого динамического явления (Етах) и расстояние от контура выработки до его очага (Я).

Расстояние (Я) от контура выработки до центра динамического явления принимается в зависимости от расположения выработки относительно зоны повышенной сейсмической активности. В зонах, реально опасных по динамическим проявлениям горного давления, расстояние до очага динамического явления принимается с учетом размеров области разуплотненных пород с пониженными напряжениями и размеров зоны повышенных напряжений (опорного давления), образующихся вокруг выработки.

Скорость колебаний массива (V) получена по данным обработки сейсмограмм. Амплитуда (А) скорости колебаний на сейсмограммах изменяется с расстоянием до очага (Я) по зависимости [2]:

А = КсМ /Я,

где Ксм - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств среды и энергии динамического явления.

е

По сейсмограммам динамического явления для породного массива Североуральских месторождений значения коэффициента Ксм находятся в интервале 0,006^0,043, в зависимости от энергии динамического явления.

Средняя скорость колебаний связана с амплитудой зависимостью [2]:

К2 = Л2/2.

Соответственно, V = 0,71А, м/с.

В таблице 1 приведены вычисленные по формулам 1,4,5 и 6 значения скорости колебаний массива и соответствующих динамических напряжений в прямой волне на расстояниях от 1000 до 5 метров от очага динамического явления с энергиями от 102 до 106 Дж, а также размеры зоны разрушения массива, определенные по экспериментальным данным динамических явлений на шахтах Североуральского бокситового бассейна.

Таблица 1. Значения скорости колебаний массива и соответствующих динамических напряжений в прямой волне на расстояниях от 1000 до 5 м от очага динамического явления с

энергиями от 102 до 106 Дж

г, м Е, Дж Яе , м Да, МПа Е, Дж Яе , м Да, МПа Е, Дж Яе, м Да, МПа Е, Дж Яе, м Да, МПа Е, Д ж Яе, м Да, МПа

1000 0,0094 0,0469 8 0,2556 0,889 2,649

496 0,0144 2 0,0072 2 0,3888 1,356 4,029

200 0,046 0,238 1,273 4,464 13,194

100 'о 1 0,1134 О 1 0,5767 2 о 1 3,09 "о 1 10,89 ю О 1 32,076

5 15 20 35 50

50 0,23 о, 1,1567 <4 6,192 21,801 <4 64,272

20 0,567 2,8933 15,479 1 54,468 160,59

10 1,1485 8 5,793 30,966 109,24 2 321,3

5 2,299 11,591 1 61,89 218,01 6 642,087

Используя данные таблицы 1, были установлены закономерности распределения динамических напряжений вокруг выработки в зависимости от расстояния динамического явления и энергии горного удара, которые представлены на графиках рисунка 1.

Рис. 1. График распределения динамических напряжений вокруг выработки в зависимости от расстояния динамического явления и энергии горного удара (при энергии Е = 1,49102 зона разрушения = 5м, при энергии Е = 3,79-103 зона разрушения = 15м, при энергии Е = 1,20-104 зона разрушения = 20м, при энергии Е = 1,49105 зона разрушения = 35м, при энергии Е =

1,29-106 зона разрушения = 50м)

При помощи компьютерной программы «TABLE CURVE 2D», задавая параметры оси абсцисс и ординат, для каждого динамического явления в отдельности была выявлена гиперболическая зависимость, которая имеет вид:

ст=3,4-2,8r+0,9 74lnr/r-0,176/r, (7) Из этого можно сделать вывод, что при горных ударах убывание динамических напряжений при удалении от очага динамического явления подчиняется гиперболической зависимости такого вида, как показано в формуле 7.

Полученные результаты использованы в «Инструкции по выбору типа и параметров крепи капитальных и подготовительных горных выработок шахт Североуральского бокситового бассейна» для расчета динамических напряжений: при оценке устойчивости горных выработок и выборе параметров сейсмостойких крепей.

Литература

1. Ямщиков В. С. Волновые процессы в массиве горных пород. М.: Недра. 1984. 271 с.

2. Кутузов Б. Н. Взрывное и механическое разрушение горных пород. М.: Недра. 1973. 311 с.