CC BY
77
------------------------------- © Н.Н. Гриб, В.М. Никитин,
А.Ю. Пазынич, Е.Н. Черных, 2007
УДК 622.235.535.2
Н.Н. Гриб, В.М. Никитин, А.Ю. Пазынич,
Е.Н. Черных
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ В РАЗРЕЗЕ «НЕРЮНГРИНСКИЙ»
Сейсмическое воздействие крупных промышленных взрывов является наиболее значимым геоэкологическим фактором особенно при открытом способе разработки полезных ископаемых. Интерес к этой проблеме определяется, прежде всего, необходимостью обеспечения безопасности ведения горных работ в районе расположения особо охраняемых объектов ОАО ХК «Якутуголь», к которым относятся: Нерюнгринская обогатительная фабрика (НОФ), административно-бытовой комбинат (АБК), автобаза технологического автотранспорта (АТА).
При постоянно ужесточающихся требованиях к охране окружающей среды необходимо проводить детальный анализ геоэкологических эффектов массовых взрывов с целью совершенствования технологий и снижения негативного влияния горнодобывающего производства на среду обитания. Наибольший интерес представляет изучение сейсмического эффекта массовых взрывов, которое определяет целостность промышленных и жилых объектов. Так согласно [6] сооружения НОФ, АБК, АТА относятся ко II классу. Допустимые скорости колебаний грунта для сооружений данного класс, имеющие антисейсмические усиления, составляют < 5 см/с. При многократном воздействии вследствие накопления деформаций, данная величина допустимой скорости уменьшается в 24 раза [9].
Расчет сейсмической опасности для охраняемых объектов представляет собой по ряду причин относительно сложную инженерную задачу. Решение такой задачи невозможно без проведения
комплекса экспериментальных измерений за сейсмическим эффектом от массовых взрывов.
Регистрация массовых взрывов проводимых в «Нерюнгрин-ском» разрезе выполнялась12-канальной цифровой инженерносейсмометрической станцией "Байкал-12" в комплекте с сейсмоприемниками ОСП-2М (собственный период 0,167 с, затухание 1015). Интервал регистрируемых станций амплитуд составляет от 0.003 до 200 мкм/с.
Так как при массовых взрывах производится одновременное инициирование нескольких блоков, в разной степени удаленных друг от друга в горизонтальной и/или вертикальной плоскости, сейсмоприемники ОСП-2М ориентировались не относительно взрыва, а относительно осей защищаемого сооружения по направлениям: Х - поперечное направление. У - продольное направление, Ъ - вертикальная ось.
При рассмотрении кинематических элементов сейсмических волн объективное определение сейсмического эффекта наиболее точно и полно дает векторное значение скорости перемещений [1, 3, 4, 7]. Наибольшая результирующая скорость определяется с учетом компонент Х, У, Ъ:
где - их, иу, и - амплитуды скорости перемещений по компонентам Х, У, Ъ соответственно (рис. 1).
На практике максимальная результирующая скорость определяется по трем составляющим Х, У, Ъ максимумы которых, обычно, проявляются в различное время:
Эта скорость, заменяющая и, может быть равной или большей фактической векторной скорости, но разность обычно не превышает 20-30%.
В результате интерпретации зарегистрированных сейсмограмм, установлен диапазон изменения амплитуд скоростей смещений по компонентам в основании АБК составляет 0,004-0,05 см/с, в основании ОФ 0,01-0,158 см/с, АТА - 0,013 - 0,37см/с. При этом преобладают значения максимальных векторных амплитуд в диапазоне 0,04 - 0,06см/с (рис. 2). По шкале балльности для взры-
(1)
(2)
вов [3, 5] эти значения по уровню динамических нагрузок не превышают 1 балла.
Рис. 1. Сейсмограмма скорости сейсмических колебаний 19.09.06 г АБК: Х1, У1, Z1 - амплитуд скоростей смещений грунта в основании здания; Х2, У2, Z2 - амплитуд скоростей смещений здания на уровне 6 этажа
Рис. 2. Гистограмма распределения максимальных векторных амплитуд скоростей смещения грунта
Рис. 3. Гистограмма распределения частоты колебаний грунта максимальных амплитуд скоростей смещения при взрывах
Г истограмма распределения частот колебаний грунта при массовых взрывах, соответствующих максимальным амплитудам приведена на рис. 3. Преобладающие частоты колебаний грунта при взрывах лежат в диапазоне 1,5 - 2,5 Гц.
Зависимость максимальной векторной скорости от приведенного веса заряда при взрывах на разрезе «Нерюнгринский», зарегистрированных в период с 7 июня по 16 декабря, имеет вид:
Р овщ,кг1/3/м
Рис. 4. Зависимость максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного веса заряда при взрывах в разрезе “Нерюнгринский”
и^ = 337.49робщ 2 - 13.573робщ + 0.1724 (3)
На рис. 4 представлены поле корреляции и график зависимости между и PQmax.
Для практических расчетов прогноза значения амплитуд скоростей колебаний в зависимости от расстояния или веса заряда ВМ, более удобно использовать зависимость максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного веса заряда максимального в группе. В результате обработки экспериментальных данных по серии зарегистрированных массовых взрывов в разрезе «Нерюнгринский» получено уравнение регрессии, выражающее связь приведенного веса заряда МВ максимального в группе ^тах) и максимальной векторной скорости смещения грунта (иху2 ). Зависимость имеет вид:
= 694.43рQmax 2 - 1.1081 рQmax + 0.0348 (4)
На рис. 5 представлены поле корреляции и график зависимости между ихуи и PQmax.
Рис. 5. Зависимость максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного веса заряда максимального в группе при взрывах в разрезе “Не-рюнгринский”
При анализе сейсмического действия взрывов, следует учитывать особенности колебаний защищаемых сооружений. Так здание, находящееся под действием сейсмических колебаний, можно условно сравнить с фильтром, который усиливает колебания близкие по частоте к собственным частотам конструкции и подавляет другие. В таблице приведены измеренные по записям сейсмических колебаний собственные частоты колебаний зданий АБК, ОФ и АТА.
Собственные частоты колебаний сооружений АБК, ОФ и АТА
Объект fx, Гц Гу, Гц
АБК 2.75 1.96
ОФ 2.51 1.65
АТА 1.19 1.18
Число случаев
О Ю ->■ О) 00 о
.
в
со "
ел в
ж
]
со "
й>
о\
о
Рис. 6. Гистограммы значений отношения максимальных амплитуд колебаний верха к максимальным амплитудам колебаний грунта, а - здание АБК, б - здание ОФ, с - здание А ТА
Исходя из полученных характеристик, АБК и ОФ можно отнести к жестким зданиям по оси Х, так как &> 2.5 Гц, по оси Y АБК можно отнести к полужестким, а ОФ по оси Y - к гибким, здание АТА - к гибким (Г<1.67 Гц) [8]. Учитывая спектральный состав колебаний, возбуждаемых взрывами, (рис. 4) и значения собственных колебаний зданий АБК, ОФ и АТА следует признать это неблагоприятным фактором из-за возможности возникновения резонансных явлений.
В работе [4] рекомендуется при выборе допустимой скорости учитывать раскачку здания. Здесь под раскачкой понимается отношение максимального смещения измеренного на верху здания к максимальному смещению грунта. Аналогично понимается раскачка по скорости. Опыт показывает, что для жестких зданий обычного типа величина раскачки составляет обычно 2-3 раза, а для гибких - 4-5 раз. Если прямые измерения показывают, что в данном конкретном случае раскачка превышает эти значения, то допустимую скорость рекомендуется уменьшать пропорционально раскачке [4].
На рис. 6 приведены значения отношений амплитуд колебаний верхнего этажа здания АБК, отношений амплитуд колебаний, зарегистрированных на отметка 42 м. ОФ, отношений амплитуд колебаний в пункте наблюдения на отметке 14,5 м. АТА к колебаниям грунта при взрывах.
По компоненте Х амплитуды колебаний верха АБК и отм.42 ОФ превышают амплитуды колебаний грунта для большинства взрывов в 3-4 раза. В двух случаях наблюдались значения отношений 7 раз. По компоненте У, соответствующие значения отношений для здания АБК составляют 4 раза, для здания ОФ 3 раза. Здесь также зафиксировано два случая, когда максимальная амплитуда колебания верха зданий АБК в 7 раз превышала максимальную амплитуду колебаний грунта. По вертикальным компонентам зданий преобладают отношения максимальных амплитуд 2-3 раза. Для АТА амплитуды колебаний верха могут превышать амплитуды колебаний грунта в 3 - 11 раз и более. Такие значения отношений амплитуд (11 и >), возможно, связаны с воздействием воздушной волны.
Большие значения отношений амплитуд колебаний здания к амплитудам колебаний грунта следует рассматривать как неблагоприятный фактор, связанный с возникновением резонансных явле-
ний. В то же время опыт взрывных и вибрационных испытаний зданий на сейсмостойкость показывает, что большие значения отношений наблюдаются обычно при слабых динамических воздействиях. С ростом уровня динамических нагрузок (ускорений, скоростей, смещений), наблюдается уменьшение амплитуд колебаний здания относительно колебаний грунта [2]. С учетом этого можно опираться на преобладающие значения отношений, как статистически обоснованные полученным экспериментальным материалом.
Таким образом, сейсмическая безопасность массовых взрывов является одним из наиболее важных аспектов разработки полезных ископаемых открытым способом. При постоянно увеличивающихся размерах добычной площади, приближения фронта горных работ к особо охраняемым объектам и повышении требований к устойчивости ранее возведенных зданий и сооружений, а также бортов разреза вопрос о сейсмическом воздействии стоит весьма остро. Это приводит к необходимости проведения мониторинговых исследований сейсмических волн от карьерных взрывов, а также уточнения зональности сейсмического воздействия при выборе параметров взрывной технологии для конкретных условий. Следует отметить, что детальное изучение характеристик сейсмических колебаний, порождаемых массовыми взрывами, позволит не только определить допустимые параметры взрывной технологии в конкретных случаях (масса одновременно взрываемых зарядов, расположение и объем взрываемых блоков, порядок подрыва скважин и т.п.), но также разработать рекомендации по ее совершенствованию и оптимизации.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Безопасность при взрывных работах: Сборник документов. - М., 2002. -
249 с.
2.Бержинский Ю.А., Павленов В.А., Бержинская Л.П., Ордынская А.П., Иванькина Л.И., Черных Е.Н., Масленникова Г.Н. Экспериментальные исследования сейсмостойкости безригельного каркаса серии 1.120С. //Проектирование и строительство в Сибири. - Новосибирск, 2004. - № 5. - С. 19.
3.Богацкий В.Ф. Прогноз и ограничение сейсмической опасности промышленных взрывов. //Сейсмика промышленных взрывов. - М.: Недра, 1983. - С. 201213.
4.Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981. - 192 с.
5.Кутузов Б.Н., Совмен В.К., Эквист Б.В., Ватранов В.Г. Безопасность сейсмического и воздушного воздействия массовых взрывов: Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 180 с.
6.СНиП 11-7-81*. Строительство в сейсмических районах. - М.: ГУП ЦПП, 2000. - 44 с.
7.Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. - М.: Наука, 1987. - 100 с.
8.Кузьменко А.А., Воробьев В.Д., Денисюк И.И., Дауетас А.А. Сейсмическое действие взрыва в горных породах. - М.: Недра, 1990. 173 с.
9.Штейнберг В.В и др. Методы оценки сейсмических воздействий //Вопросы инженерной сейсмологии. Вып. 34. - М., 1993. - С. 5 - 94. И5И=1
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Гриб Н.Н. - доктор технических наук, профессор, Технический институт (ф) ЯГУ
Никитин В.М. - доктор геолого-минералогических наук, профессор, Технический институт (ф) ЯГУ
Пазынич А.Ю. - разрез «Нерюнгринский» ОАО ХК «Якутуголь»
Черных Е.Н. — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт земной коры СО РАН.
