К вопросу об определении радиусов сейсмической зоны при массовых взрывах

УДК 541.126:550.834

Ю.А. Масаев

Е.В. Заречнева

В.П. Доманов

К вопросу об определении радиусов сейсмической зоны

при массовых взрывах

Рассмотрены вопросы сейсмического воздействия на конструктивные сооружения при массовых взрывах зарядов взрывчатых веществ (ВВ). Отмечена необходимость учитывать запас потенциальной энергии применяемых ВВ при определении радиуса сейсмоопасной зоны и ввести поправки в существующие формулы.

Ключевые слова: ЭНЕРГИЯ ВЗРЫВА, СЕЙСМОВЗРЫВНЫЕ КОЛЕБАНИЯ, НАЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, РАДИУС СЕЙСМООПАСНОЙ ЗОНЫ

Широкое промышленное использование энергии взрыва возможно на основе успешного решения двух важнейших научно-технических проблем: достижения заданной степени дробления горных пород взрывом и защиты инженерных сооружений от сейсмического действия взрыва. От успешности решения данных проблем в значительной мере зависит развитие горной промышленности, гидротехнического, мелиоративного и транспортного строительства.

Необходимость решения проблемы сейсмики горных взрывов является следствием создания в последние годы высокопроизводительных буровых станков для открытых и подземных горных работ, позволяющих обуривать значительные объемы горной массы. Это привело к возникновению ряда новых технологических процессов разработки месторождений полезных ископаемых, основанных на массовой отбойке больших объемов пород, принципиальная особенность которых связана с необходимостью резкого повышения величин одновременно взрываемых зарядов ВВ для их эффективной реализации.

За короткое время величина одновременно взрываемых зарядов повысилась на открытых горных работах с 20 до 300, а в отдельных случаях до 1000 т. Это поставило перед наукой о взрыве ряд принципиально новых задач по оценке его сейсмического действия, традиционное решение которых на основе «Единых правил безопасности при ведении взрывных работ» [1] если и обеспечивало их безопасность, то не позволяло эффективно вести последующие технологические процессы.

Таким образом, практические задачи оценки сейсмического действия взрыва, возникшие как следствие развития горной техники, послужили мощным стимулом для дальнейших научных исследований по изучению сейсмического действия в горных породах.

Возникающие в процессе проведения взрывных работ сейсмовзрывные колебания в целом подчиняются общим законам, описывающим возникновение и распространение сейсмических волн в земной коре. При промышленных взрывах отмечаются продольные и поверхностные волны, которые влияют как на здания и сооружения, так и на борта карьера. Иногда наблюдаются достаточно интенсивные волны, возникающие при отражении, преломлении и дифракции колебаний.

Однако волновая картина сейсмических колебаний, возбуждаемых промышленными взрывами, имеет свои особенности. Во-первых, промышленный взрыв как источник сейсмических колебаний имеет чрезвычайно сложную структуру, трудно поддающуюся математическому описанию. Это связано, главным образом, с применением сложных схем инициирования, отвечающих требованиям получения горной массы с заданными характеристиками; короткозамедленного взрывания; пространственным рассредоточением заряда как в пределах взрываемого блока, так и по различным обрабатываемым участкам и горизонтам. В результате происходит наложение колебаний, вызванных взрывами отдельных степеней серии зарядов, разных блоков горизонтов. При этом нередко нарушается последовательность прихода к месту регистрации различных типов волн, что затрудняет расшифровку сейсмограмм, оценку кинематических и динамических характеристик волн. Во-вторых, горно-геологические условия чрезвычайно разнообразны и изменчивы на всем пути распространения сейсмовзрывных колебаний от места взрыва до района расположения охраняемых объектов. Следует учитывать, что охраняемые объекты зачастую находятся в зоне, где сейсмовзрывные волны еще полностью не сформировались. Отсюда возникают сложности в оценке параметров затухания волн, прогнозирования их интенсивности вблизи промышленных и гражданских сооружений.

Экспериментальные сооружения по сейсмике горных взрывов на поверхности сводятся к определению предельно допустимой массы взрываемого заряда ВВ, исходя из сохранности зданий и сооружений, или к расчету динамических нагрузок от взрывов на сооружения вблизи горного предприятия, в том числе проектируемые или строящиеся.

Особое место при исследовании действия сейсмических волн на сооружение занимает критерий этого воздействия, т.е. показатель колебания, по которому можно судить о мере опасности колебаний для сооружения. В мировой практике сейсмическую опасность оценивают по величине амплитуды, ускорения, коэффициента энергии, скорости смещения частиц или относительной скорости. Большинство исследователей считают, что наиболее правильно воздействие взрывов на сооружения оценивать по скорости смещения.

При определении допустимой скорости смещения для зданий или сооружений исходят из критической скорости смещения грунта, при которой в конструкции появляются необратимые (остаточные) деформации. Критическая скорость, а следовательно, и допустимая скорость зависят, в первую очередь, от прочности материала и конструктивных особенностей объекта.

Исследуя вопрос о воздействии взрывов на наземные сооружения, необходимо учитывать состояние сооружения, основные виды нарушений и степень опасности их для сооружения, здоровья людей и расположенного в нем оборудования, так как сейсмостойкость любого сооружения при колебаниях грунта зависит от прочности, монолитности, пространственной жесткости всего сооружения и его отдельных элементов, а также от размеров, формы, массы и расположения относительно источника колебаний. Наиболее характерными деформациями в зданиях от действия

взрыва являются трещины в несущих элементах, расслоение кладки, нарушение связей между отдельными элементами, обрушение штукатурки.

Нарушения в несущих конструкциях постоянно увеличиваются при неоднократном воздействии динамических сил и нередко представляют серьезную опасность.

Амплитуда сейсмических колебаний, отличающихся источником возбуждения, зависит как от энергии взрыва, так и от его глубины. При увеличении мощности и глубины расположения заряда наблюдаются усложнение картины сейсмических колебаний, появление вторичных волн (отраженных) с большой продолжительностью колебаний.

С увеличением глубины взрыва тесно связано и расстояние, на котором происходит формирование поверхностной волны, несущей большую часть сейсмической энергии взрыва. Радиус зоны формирования поверхностной волны составляет 3-5 глубин взрыва и определяется соотношением кинематических параметров продольной и поперечной волн в реальных условиях распространения колебаний при взрывах.

Существует связь между коэффициентом пропорциональности в формулах зависимости скорости смещения от приведенного расстояния и глубиной взрыва, которая является следствием закономерных изменений горно-геологических условий с увеличением глубины карьера.

Значительное влияние на сейсмический эффект взрыва оказывает рельеф поверхности между местом взрыва и точкой наблюдения. Колебания откоса борта карьера в большинстве случаев в 1,5-2 раза выше, чем колебания горизонтальной площадки на данном расстоянии. Распределение интенсивности колебаний по поверхности уступа также не является равномерным. Ближе к краю уступа отмечаются более интенсивные колебания по сравнению с противоположной частью борта, а в центральной части изменение интенсивности колебаний незначительно.

Важным фактором, влияющим на интенсивность источника сейсмических колебаний, являются свойства ВВ, применяемого при взрывных работах. Влияние свойств ВВ выражается в распределении затрат энергии на дробление и возбуждение сейсмических колебаний, изменениях времени воздействия взрыва на окружающую среду и частотного состава колебаний. Более предпочтительным с точки зрения уменьшения сейсмического эффекта взрыва оказываются ВВ с меньшей скоростью детонации. Рекомендуется применение ВВ с меньшей активностью ударной волны: игданиты, ифзаниты, гранулиты, граммониты. Так, у граммонитов и гранулитов сейсмоактивность на 20-25 % меньше, чем у аммонита 6 ЖВ, тогда как у тротила, аллюмотола - на 20-25 % больше. В то же время ВВ с более высокой скоростью детонации генерирует колебания, в их спектре преобладают более высокие частоты, на которые приходится основная часть энергии. Поэтому при выборе типа ВВ необходимо учитывать как требования дробимости пород, так и поглощающие свойства окружающих пород для различных фаз частотного спектра колебаний.

Существенное влияние на сейсмический эффект взрыва оказывают условия заложения заряда. Наибольший сейсмический эффект наблюдается при взрывах в зажатой среде. Большое значение имеет глубина заложения заряда, причем с увеличением глубины интенсивность колебаний увеличивается. С увеличением числа плоскостей обнажения скорость колебания частиц пород уменьшается. При этом сейсмический эффект может снижаться в 4-5 раз по сравнению со взрыванием в зажатой среде.

При производстве массовых взрывов с использованием большого количества одновременно взрываемых ВВ очень важным является правильное определение радиуса сейсмоопасной зоны для различных сооружений.

Проведя анализ формул для определения радиуса сейсмоопасной зоны, приведенных в различных литературных источниках, можно заметить, что в основе расчетных формул лежит показатель массы зарядов ВВ, взрываемых за один прием. Но у различных взрывчатых веществ запас потенциальной энергии, выражаемый через теплоту взрыва, отличается друг от друга, и не учитывать этот фактор является существенной ошибкой. Для подтверждения этого вывода был произведен расчет радиуса сейсмоопасной зоны для 18 различных типов ВВ, применяемых на открытых горных работах, по формуле, рекомендованной «Едиными правилами безопасности при взрывных работах» (ПБ 13-407-01):

Гс =Кг*Ке * СЕ *1^5,

где ф - масса взрываемых зарядов ВВ, кг;

- коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания и сооружения, изменяется от 5 до 20 (принимаем Ку = 20);

- коэффициент, зависящий от типа здания и характера застройки, изменяется от 1 до 2 (принимаем К- = 1,5);

О. - коэффициент, зависящий от условий взрывания, изменяется от 1 до 0,5 (принимаем а = 1).

Произведенный расчет радиусов сейсмоопасной зоны для различных типов ВВ при прочих постоянных условиях показывает, что при применении различных по мощности взрывчатых веществ радиус сейсмоопасной зоны один и тот же. Например, при применении эмульсолита А-20, тротила или детонита М, у которых теплота взрыва соответственно 3020, 4200 и 5800 кДж/кг, радиус сейсмоопасной зоны по расчету получен один и тот же. При одновременном взрывании заряда массой 10000 кг получаем значение этой зоны 646 м.

Это доказывает ошибочность рекомендуемой формулы для определения радиуса сейсмоопасной зоны при массовых взрывах не только на угольных разрезах, но и при любых поверхностных взрываниях.

В расчетные формулы необходимо вводить поправку, учитывающую теплоту взрыва (запас потенциальной энергии), так называемый коэффициент запаса энергии ВВ, определяемый как

где - теплота взрыва применяемого ВВ, кДж/кг;

0*т - теплота взрыва эталонного ВВ (тротила), кДж/кг.

В таблице 1 приведены значения коэффициента запаса энергии ВВ для различных типов ВВ и процент расхождения его величины. Как видно из таблицы 1, это расхождение составляет от 13 до 104%, что весьма существенно.

Таблица 1 - Коэффициент запаса энергии для различных типов ВВ

Взрывчатое вещество Теплота взрыва, кДж/кг т Процент несоответст- вия

Акватол М-15 6180 1,47 104

Детонит - М 5800 1,38 92

Аммонал М-10 5600 1,33 92

Аммонал скальный прессованный 5400 1,28 78

Аллюмотол 5280 1,26 75

Акванал АРЗ-8Н 5230 1,24 72

Гранулит АС-8 (АС-8В) 5200 1,23 70

Акватол МГ 5050 1,2 67

Аммонал М-10 4950 1,17 62

Аммонал водоустойчивый 4950 1,17 62

Гранулит АС-4 (АС-4В) 4500 1,07 49

Аммонит № 6ЖВ 4300 1,02 42

Граммонит 79/21 4300 1,02 42

Граммонит 50/50 4250 1,01 40

Тротил 4200 1,0 39

Гранулит С-2 3900 0,93 29

Гранулит С-6М 3850 0,92 27

Гранулит М 3850 0,92 27

Акватол 65/35 3850 0,92 27

Зерногранулит 30/70-В 3820 0,91 26

Игданит 94/6 3800 0,9 25

Гранулит УП 3710 0,88 22

Граммонит 50/50-В 3690 0,87 20

Граммонит 30/70 3650 0,87 20

Гранулит 3450 0,82 13

Эмульсолит А-20,П 3020 0,72 100

Следовательно, необходимо внести поправку в ранее рекомендованные формулы определения радиуса сейсмоопасной зоны в виде коэффициента запаса энергии ВВ, и тогда формула (1) примет вид:

V = Л - ' 6'.  г - . ¡V  .:ч ,

где Кг - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания и сооружения;

- коэффициент, зависящий от типа здания и характера застройки;

Я - коэффициент, зависящий от условия взрывания;

Q - масса заряда, кг; т - коэффициент запаса энергии.

Уточненный расчет радиуса сейсмоопасной зоны приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Уточненный расчет радиуса сейсмоопасной зоны при массе заряда 10000 кг

Взрывчатое вещество т Ге,м Процент несоответ- ствия

Акватол М-15 1,47 950 104

Детонит - М 1,38 892 92

Аммонал М-10 1,33 860 85

Аммонал скальный прессованный 1,28 827 78

Аллюмотол 1,26 814 75

Акванал АРЗ-8Н 1,24 801 72

Гранулит АС-8 (АС-8В) 1,23 795 71

Акватол МГ 1,2 776 67

Аммонал М-10 1,17 756 63

Аммонал водоустойчивый 1,17 756 63

Гранулит АС-4 (АС-4В) 1,07 692 49

Аммонит № 6ЖВ 1,02 659 42

Граммонит 79/21 1,02 659 42

Граммонит 50/50 1,01 653 40

Тротил 1,0 646 39

Гранулит С-2 0,93 601 29

Гранулит С-6М 0,92 595 28

Гранулит М 0,92 595 28

Акватол 65/35 0,92 595 28

Граммонит 30/70-В 0,91 588 26

Игданит 94/6 0,90 582 25

Гранулит УП 0,88 569 22

Граммонит 50/50-В 0,87 562 21

Граммонит 30/70 0,87 562 21

Гранулит 0,82 530 14

Эмульсолит А-20,П 0,72 465 100

Анализ полученных данных показывает, что в некоторых случаях радиус опасной зоны по сейсмическому воздействию может значительно превышать ранее рассчитанные, а это может привести к нежелательному нарушению зданий или конструкций.

Для наглядного сравнения приведем графическую зависимость радиуса сейсмоопасной зоны, рассчитанной по известной формуле и по рекомендуемой формуле, учитывающей коэффициент запаса энергии применяемого ВВ (рисунок 1).

1СЮО

900 800 700 600 500 400 300 200 100 о

7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 15000 16000

0*т . кДж/кг

1 - значение радиуса без коэффициента запаса энергии; 2 - значение радиуса в зависимости

от коэффициента запаса энергии

Рисунок 1 - Зависимость радиуса сейсмоопасной зоны от коэффициента запаса энергии

Из приведенной графической зависимости видно, что при использовании ВВ, имеющих теплоту взрыва с учетом коэффициента запаса энергии более 1,00, величина радиуса сейсмоопасной зоны значительно увеличивается.

Параметры сейсмических волн зависят не только от общей массы заряда ВВ, но и от числа скважин, в которых этот заряд размещается. При рассредоточении общей массы заряда ВВ по площади и в различное количество скважин при их взрывании с коротким замедлением воздействие взрыва на формирование сейсмических волн будет совершенно иным. Например, при общей массе заряда 10000 кг, который размещается в 3-4 камерах, очевидно, что интенсивность сейсмической волны будет значительно выше, чем при рассредоточении в 400-500 скважинах и взрываемых в несколько ступеней (таблица 3 и рисунок 2).

Произведем расчет сейсмоопасного радиуса с массой заряда 10000 кг и рассредоточением его на 50, 100, 150, 200, 250, 300 скважин. Расчетная формула:

где Кг - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания и сооружения;

Ка - коэффициент, зависящий от типа здания и характера застройки;

Я - коэффициент, зависящий от условий взрывания;

N - количество одновременно взрываемых скважин;

т - коэффициент запаса энергии;

- масса заряда, кг.

Таблица 3 - Расчетные параметры сейсмоопасного радиуса при массе взрыва 10000 кг

Взрывчатое вещество т N ,м

Эмульсолит А-20,П 0,72 50 218

100 183

150 166

200 154

250 146

300 139

Акватол 65/35 0,92 50 236

100 199

150 180

200 167

250 158

300 151

Граммонит 50/50 1,01 50 244

100 205

150 185

200 172

250 163

300 156

Аммонал М-10 1,17 50 256

100 215

150 195

200 181

250 171

300 164

Аллюмотол 1,26 50 263

100 221

150 199

200 186

250 176

300 168

Акватол 1,47 50 276

100 232

150 210

200 195

250 185

300 177

ГС,1\Л

130

80------------------------------------------------------------------------

30 -I----------------------------------------------------------------------

50 100 150 200 250 300 350

М,шт

1 - при 50; 2 - при 100; 3 - при 150; 4 - при 200; 5 - при 250; 6 - при 300 Рисунок 2 - Зависимость радиуса сейсмоопасной зоны от рассредоточения ВВ при разном количестве скважин, шт.

Результаты расчета радиуса сейсмоопасной зоны по формуле (4) при взрывании зарядов ВВ общей массой 10000 кг и рассредоточением его в 50, 100, 150, 200, 250 и 300 скважинах при различных типах ВВ показал (таблица 3), что с увеличением числа скважин, взрываемых с применением устройств, предусматривающих замедление не менее 25 мс, радиус сейсмоопасной зоны снижается примерно в 3 - 4 раза (таблица 4).

Таблица 4 - Результаты расчета радиуса сейсмоопасной зоны при рассредоточении зарядов раз-

ных типов ВВ

Взрывчатое вещество Заряд сос редоточенный Заряд рассредоточенный

масса заряда, кг Г с, м Ы, шт. Г с, м

Эмульсолит А-20,П 10000 646 50 218

100 183

150 166

200 154

250 146

300 139

Акватол 65/35 10000 646 50 236

100 199

150 180

200 167

250 158

300 151

Граммонит 50/50 10000 646 50 244

100 205

150 185

200 172

250 163

300 156

Аммонал М-10 10000 646 50 256

100 215

150 195

200 181

250 171

300 164

Аллюмотол 10000 646 50 263

100 221

150 199

200 186

250 176

300 168

Акватол 10000 646 50 276

100 232

150 210

200 195

250 185

300 177

Таким образом, приведенные расчетные данные доказывают необходимость внесения поправки, учитывающей запас потенциальной энергии взрывчатых веществ в формулы для определения радиусов сейсмических зон.

TO THE QUESTION OF SEISMIC ZONE RADII DETERMINATION AT MASS EXPLOSIONS

Yu.A. Masaev, Ye.V. Zarechneva, V.P. Domanov, V.Yu. Masaev

Questions of seismic impact on construction installations at mass explosives charges blasts are considered. The necessity to consider potential energy resource of the explosives used is noted when seismically dangerous zone radius is determined and corrections must be made in the existing formulas.

Key words: EXPLOSION ENERGY, SEISMIC BLAST VIBRATIONS, SURFACE INSTALLA-TIONS,SEISMICALLYDANGEROUS ZONE RADIUS

Масаев Юрий Алексеевич Тел. (3842) 39-63-77 Заречнева Евгения Викторовна Тел. (3842) 39-63-77 Доманов Виктор Петрович Тел. (3842)-64-25-85 Масаев Владислав Юрьевич Тел.(3842)-75-12-28