CC BY
41
--------------------------------- © А.М. Мухаметшин, И.Р. Камалдинова,
A. С. Ведерников, С. С. Панфилов,
B.М. Анисимов, М.В. Яковлев,
В.М. Крупнов, В.И. Сафьянов, 2005
УДК 550.3
A.М. Мухаметшин, И.Р. Камалдинова, А. С. Ведерников,
С. С. Панфилов, В.М. Анисимов, М.В. Яковлев,
B.М. Крупнов, В.И. Сафьянов
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ НА ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ
Семинар № 2
сторически так сложилось, что в основном горнодобывающие предприятия являются одновременно и градообразующими. Инфраструктура горнодобывающего предприятия представлена сетью горных выработок, а на поверхности - рядом жилых, производственных и социальных зданий и сооружений самого различного назначения. Поэтому вновь становится актуальной задача обеспечения их сейсмобезопасности от технологических и массовых взрывов, в том числе и подземных, несмотря на то что масса инициируемых зарядов оказывается ныне значительно ниже, чем проводившихся ранее. Зато изменились как геологические условия, так и уровень социальной безопасности. А в последние годы ставятся еще и задачи обеспечения экологической безопасности, из чего следует, что с целью их решения прежде всего следует вести непрерывные, т. е. мониторинговые сейсмометрические исследования. Без подобных исследований обеспечение экологической безопасности взрывных работ для объектов окружающей промышленной и социальной инфраструктур год от года становится все более сложной научнотехнической задачей.
Для решения технических и методических задач при исследовании сейсмического влияния взрывных работ предложена компьютеризованная портативная гео-иформационная система. В техническом плане система содержит 3 стандартных компонента (блока) (см. рис. 1):
1) первичные преобразователи сейсмических колебаний в электрические сигналы, в качестве которых используются стандартные сейсмоприемники типа СМ-
3, GS-20 DX,
2) внешний модуль аналогоцифрового или цифро-аналогового преобразования электрических сигналов. Здесь нами использованы платы L-Card типа L-1250, или Е-330, которые обеспечивают многоканальный (до 32 каналов) прием и преобразование сейсмических сигналов с частотой до 500 Гц. Данные устройства передают преобразованные ими электрические сигналы через принтер-порт в режиме ЕРР или Bidirectional прямо на входную шину компьютера.
3) в качестве регистратора используется notebook, который осуществляет сбор данных через цифровой выход внешнего модуля и одновременно служит блоком его питания. В данном случае это был Rover book - Explorer - FT. 4. Такой вы-
результат (оценка сейсмоэффекта)
интерактивная интерпретация, (экспертная) оценка
Геоинформационная система -
notebook ROVERBOOK - EXPLORER FT.4
методическое программное метрологическое
обеспечение обеспечение обеспечение
внешний модуль многоканальный вход
первичные преобразователи (сейсмоприемники)
А
объект исследования (геологическая среда или охраняемое сооружение)
числитель соответствовал компьютерам типа Репііит - II.
Таким образом, из минимального числа стандартных изделий создана портативная автономная компьютеризованная измерительная система, содержащая до 16 каналов (дифференцированных и электрически независимых) или до 32 каналов (с общей «землей»). Система вместе с тем является в полном смысле слова геоин-формационной. Докажем это следующим образом.
Вышеописанные блоки соединены в виде технического средства непрерывных во времени (т. е. мониторинговых) измерений конкретного физического парамет-
Рис. 1. Схема геоинформационной системы и ее связей с объектом и результатом исследования
ра, которое является средством сбора, преобразования, систематизации и переработки первичной информации. Для этого в основном служит блок № 2, т. е. внешний модуль Е-330. Программное обеспечение этого блока содержит до 10 специализированных программ со специальными и вспомогательными функциями. С их помощью сигналы от всех сейсмоприемников группируются, преобразуются и в заданном порядке передаются на вход по1еЪоока. Последний регистрирует полученные данные и позволяет оператору, практически в реальном масштабе времени, осуществлять визуальный контроль зарегистрированных сигналов в приемлемом, например, графическом виде.
Под сейсмическим эффектом взрывов понимается процесс нагружения объекта упругими волнами, распространяющимися в среде при взрыве. Результат нагружения определяется интенсивностью, временем и напряженным состоянием, обусловленным этим процессом.
Интенсивность сейсмического воздействия взрывов оценивается скоростью колебаний, возбуждаемых при прохождении сейсмических волн. При этом берутся в расчет два основных фактора: масса взрываемого вещества и расстояние удаления источника взрыва от охраняемого объекта. Зависимость скорости колебания от массы заглубленного заряда и расстояния от места взрыва можно определить из выражения
Назначение выработок Допустимая скорость колебаний |у|,см/с
многократных однократных
Лечебные стационары 0.8 1.5
Крупнопанельные жилые здания: детские и лечебные уч- 1.5 3
реждения
Жилые и общественные здания всех типов. кроме крупно- 3 6
панельных
Административно-бытовые и промышленные здания. промп- 6 12
лощадки. высокие трубы. транспортные эстакады
Особо ответственные выработки (срок службы более 10 6 12
лет): метро. железнодорожные. гидротехнические и иные
тоннели. стволы шахт. капитальные штольни
Ответственные выработки (срок службы до 10 лет): около- 12 24
ствольные дворы. главные квершлаги и штреки
Выработки эксплуатируемые кратковременно (срок служ- 24 48
бы до 3 лет): откаточные орты и штреки
Неответственные выработки (срок службы до 1 года): 48 96
промежуточные и скреперные штреки. выпускные дучки
V = ф. (1)
где V - скорость колебания. см/с; Р - масса одновременно взрываемых зарядов. кг; г - расстояние до места взрыва. м; К - коэффициент. учитывающий влияние различных. в том числе геологических. факторов.
При определении сейсмобезопасных расстояний в различных зонах интенсивного сейсмического воздействия при массовых взрывах рекомендуется считать в качестве критерия сейсмической опасности скорость смещения в основании сооружения с учетом классификации группы зданий и сооружений по допустимому для них уровню сейсмического воздействия. а также выделить зоны действия взрыва и для каждой из них факторы. в наибольшей степени влияющие на уровень сейсмического воздействия.
Допустимая скорость IVI может быть определена из таблицы.
Закономерности распределения параметров сейсмического воздействия проявляются зонально с удалением от взрыва. что связано со сменой волн основных энергоносителей. Различаются в первую очередь ближняя и дальняя зоны сейсми-
ческого действия. В ближней зоне решающий энергетический вклад принадлежит продольной объемной волне. В дальней зоне сейсмическое действие определяется в основном поверхностными волнами.
Ближняя зона сейсмического действия по особенности распространения в ней волн
- основных энергоносителей может быть разделена на две подзоны. В подзоне 1 наиболее интенсивные продольная объемная и поверхностная волны интерферируют. суммируясь со сдвигом фаз. меньшим или равным 0.5 п. Внешняя граница подзоны 1 проходит от границы очага взрыва на расстоянии
(2)
где Лр - длина продольной волны. м; сь -
распространения поверхностной волны. м/с.
В подзоне 2 продольная и поверхностная волны существуют раздельно во времени. причем продольная волна преобладает по интенсивности. Положение
внешней границы подзоны (и ближней зоны сейсмического действия) соответствует условию
к
где
(3)
v1 = 0.5^
(1 - К ) с
(4)
V» = 2
(6)
= vR = 750
РСрТК
(7)
К - длина поверхностной волны. м; [ аК - показатели затухания соответ-
ственно продольной и поверхностной волны; г2 - расстояние от очага взрыва до границы зоны. м.
В ближней зоне максимальная скорость смещения имеет место на ближней к взрыву по радиальному направлению стенке выработки. Полученную зависимость изменения нормальной к поверхности выработки составляющей скорости смещения v1 (ответственной за ее нарушение) вдоль выработки выражается формулой
где va - скорость смещения по радиальной компоненте на данном расстоянии. см/с; К
- коэффициент отражения. определяемый в рамках упругих деформаций; а - угол выхода сейсмического луча по отношению к нормали.
Под дальней зоной сейсмического действия взрыва понимается область преобладающего (по энергии) проявления поверхностной волны Релея.
Дальняя зона характеризуется величиной показателя затухания скорости и амплитуды смещения с увеличением расстояния. равной 1-2. в среднем 1.5. Определяется скорость смещения (м/с) от взрыва зарядов рыхления в дальней зоне для усредненных геологических условий по формуле:
В качестве обобщающей зависимости для определения максимальных значений скорости смещения (м/с) при различных физико-механических свойствах среды дается формула
где Тк - период колебаний для волны Релея (с) и все прочие показатели в системе СИ.
Приведенная методика позволяет теоретически рассчитать сейсмический эффект. если известны необходимые параметры. Результаты вышеприведенных исследований позволяют утверждать. что наиболее достоверной и объективной оценкой сейсмического воздействия взрывных работ является скорость смещения части грунта в точке определения. При этом возможно определение данной скорости как теоретически. так и практически. На мой взгляд. наиболее предпочтительны экспериментально измеренные величины данной скорости в связи с их наибольшей достоверностью. конкретностью и возможностью численного определения разного рода коэффициентов для последующих расчетов. Далее будут приведены экспериментальные данные. полученные при исследовании влияния массовых промышленных взрывов в шахте «Магнетитовая» на здание Высокогорского Рудоуправления и на жилое здание № 49 на ул. Высокогорской.
Результаты регистрации сейсмического эффекта на участке здания Высокогорского рудоуправления
При расстоянии от эпицентра взрыва свыше тысячи метров на участке здания Высокогорского рудоуправления значительных сейсмических колебаний при взрыве любой ступени данного взрыва ожидать не следовало. Тем не менее. для документально достоверных результатов были выполнены исследования. описание которых следует ниже.
Сейсмоприемники И001 устанавливались в следующем порядке.
На грунте. перед зданием рудоуправления (на расстоянии ~15 м) установлена группа из тех сейсмоприемников. измеряющих две горизонтальных (X и У) и вертикальную 2 - компоненту вектора смещения. обусловленные сейсмическим действием
Ч
Рис. 2. Результаты регистрации упругих колебаний в здании рудоуправления и на грунте в течении 5 с
Рис. 3. Результаты регистрации упругих колебаний в здании рудоуправления и на грунте в течении 35 с
взрыва в данном районе. Одновременно регистрировались вертикальные смещения на 4 м и 3 ^этажах здания.
Анализ результатов регистрации сейсмического эффекта от массового взрыва (08 ноября 2004 г.) на участке «Рудоуправления ВГОКа»
На 4м и 3м этажах получены записи вертикальной 2 - составляющей. При этом отмечено. что (см. рис. 2 и 3) после окончания взрыва (1.7 с. от нуля) на записи 2 компоненты на грунте видны низкочастотные обменные волны. а в самом здании наблюдается рост амплитуды колебаний. причем на
Зм _
- этаже. при гораздо меньшем росте таких же вертикальных колебаний на 4м этаже. При этом продолжительность и тех и других
составляет до 30 с. Следовательно. отмечаем. что каркасное здание рудоуправления очень чутко реагирует на низкочастотные (2-3 Гц) колебания
и. несмотря на относительно небольшие амплитуды колебания (от 19 до 32 мкм по смещениям и от 4 до 9х10-3 см/с по скорости смещения) довольно продолжительное время испытывает колебательные нагрузки.
Результаты регистрации сейсмического эффекта на участке жилого здания № 49 на ул.
Высокогорской В связи с тем. что на данном участке сейсмический эффект от массового взрыва ожидается более значительным. вследствие более близкого расположения к его эпицентру. а также в связи с наличием практически вертикальной трещины по всему зданию с обеих его сторон и на высоту всех трех его этажей была выполнена регистрация сейсмических колебаний в 4 х точках.
Первая точка расположена практически на борту предполагаемой зоны разлома в сторону взрыва и на расстоянии ~ 7 м от здания. Здесь измерялись все три компоненты сейсмических колебаний: две горизонтальных. ортогональных друг к другу (X и У) и одна вертикальная (2).
Вторая точка расположена на грунте за разломом от эпицентра взрыва на расстоянии 5 м от стены здания и примерно в 30 м от первой точки. Здесь также измерялись все три компоненты: X, У, и 2.
Третья точка регистрации выбрана внутри здания, и на бетонном основании первого этажа (подсобное помещение). Данная точка здания расположена непосредственно в зоне разлома, который предположительно является причиной видимой с наружи трещины в здании. Здесь также измерялись все три компоненты сейсмических колебаний: X, У, и 2.
Четвертая точка расположена в середине здания на бетонном полу здания, примерно в той его части, которая находится за границей разломной зоны. Здесь регистрировались две компоненты: X и 2.
Анализ результатов регистрации сейсмического эффекта от массового взрыва (08 ноября 2004 г.) на участке жилое здание № 49 по ул. "Высокогорская".
Запись колебаний, возбуждаемых массовым взрывом от 08 ноября 2004 г. в районе жилого дома № 49 по ул. Высокогорская, ведется для трех компонент: одной вертикальной, горизонтальной ориентированной по радиусу от эпицентра взрыва - X, и второй горизонтальной (У), ортогональной X -компоненте.
Записи внутри здания, полученные также в зоне влияния границы разлома (подсобное помещение) и после этой зоны (считая от эпицентра взрыва), т. е. в складском помещении, позволяют утверждать следующее:
а) Сейсмические колебания от массового взрыва в самом здании в значительной мере ослаблены;
б) амплитуды максимальных смещений меньше чем на грунте, в несколько раз в зо-
не разлома. а за разломом практически не отличаются;
в) максимальные скорости смещения имеют существенные различия:
• на границе разлома в несколько раз меньше. чем на грунте. что может быть обусловлено нарушенной связью здания с грунтом;
• за разломом в три с лишним раз больше. что возможно. обусловлено влиянием самого здания.
Полученные и приведенные параметры негативного влияния горных работ являются еще одним наглядным подтверждением ранее разработанных рекомендаций по обеспечению сейсмобезопасности буровзрывных работ на шахте "Магнетитовая".
Промышленные взрывы оказывают сейсмическое влияние на объекты инфраструктуры. это влияние различно в зависимости. прежде всего. от геологических условий. массы одновременно взрываемых зарядов. расстояния до места взрыва. Оценить это влияние возможно исходя из описанной методики по скорости смещения части грунта в определяемой точке наблюдения.
Экспериментальные данные подтверждают эффективность оценки сейсмического влияния на основе измерения скорости смещения части грунта. Для наиболее точного определения сейсмического воздействия (при экспериментальном его определении) необходимо хорошее техническое обеспечение. Таким образом геоин-формационная система для регистрации и оценки сейсмического эффекта должна отвечать следующим требованиям: быть многоканальной. иметь возможность контроля режимов функционирования. возможности по преобразованию. систематизации и переработки первичной информации.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------
Мухаметшин А.М., Камалдинова И.Р. Ведерников А.С., Панфилов С.С., Яковлев М.В. - ИГД УрОРАН.
Анисимов В.М - УрГУПС.
КрупновВ.М., СафьяновВ.И. - ОАО "Высокогорский ГОК".
