CC BY
218
СЕМИНАР 3
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
4 © А.К. Черных, 2001 ^
УДК 622.235 ^_____________________
А.К. Черных
ИЗМЕРЕНИЕ И ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА НА ОБЪЕКТЫ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Введение
В связи с интенсификацией горного производства, ориентированной в основном на открытый способ разработки полезных ископаемых, большая роль отводится использованию энергии взрыва химических взрывчатых веществ (ВВ). Увеличение масштабов и улучшение качества работ предъявляют жесткие требования к проведению промышленных взрывов, обеспечивающих безопасность людей, охрану инженерных сооружений и окружающей среды. Основные мероприятия сводятся к снижению действия ударных воздушных волн (УВВ), сейсмического действия взрыва и уменьшению дальности разлета кусков горной массы.
Разработка инженерных методов прогнозирования и управления сейсмическим действием промышленных взрывов различного назначения возможна только на основе глубокого и всестороннего изучения динамики волновых процессов во взаимосвязи с природными и технологическими факторами.
1. Обзор отечественных и зарубежных сейсмометров
1.1. Унифицированный сейсмический комплекс «Парус-2»
Комплекс предназначен для оснащения сейсмических станций входящих в состав автоматизированных систем сейсмического контроля «Материк». Благодаря гибкости структуры и широким функциональным возможностям УСК «Парус-2» может использоваться и в других геофизических системах или сетях как инструмент для регистрации сейсмических сигналов, решении проблем инженерной сейсмологии, для контроля за проведением взрывных работ и т.п. УСК
обеспечивает непрерывное измерительное преобразование сейсмических сигналов в цифровые данные и передачу их по каналам связи в обрабатывающий центр. Предусмотрена возможность обработки сейсмических данных средствами вычислительной техники непосредственно на станции [1].
1.2. Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр Фремда
Трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр Фремда содержит инерционный элемент, основание, центральный стержень с утолщением и пьезоэлементы. Инерционный элемент представляет собой тело вращения, внутри которого сделана цилиндрическая полость, ось которой совпадает с осью инерционного элемента, имеющая вокруг центра тяжести инерционного элемента расширение в виде двух круглых конусов с углом при вершинах 2агсс1^л/ 2 , сложенных своими основаниями. К основанию перпендикулярно его плоскости жестко прикреплен центральный стержень, имеющий утолщение в виде двух круглых конусов с углом при вершинах 2агсс^^л/2 , сложенных основаниями. Пьезоэлементы жестко зажаты между утолщением центрального стержня и поверхностью конической полости инерционного элемента. Они расположены попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, проходящих через центр тяжести инерционного элемента и направлены под углом атс1^42 к оси симметрии сейсмометра. За счет отсутствия ограничений, связанных с наличием конических выборок во вмещающих инерционный элемент частях известных сейсмометров, масса инерционного тела и соответственно чувствительность сейсмометра увеличивается при сохранении поперечных размеров сейсмометра [2].
1.3. Зарубежные сейсмометры
Компания «УЛгоск» выпустила серию сейсмографов «Зеленый ящик», которая до настоящего времени пользуется промышленным спросом. Новая серия сейсмографов представлена портативным прибором У-401 «Черный ящик» с аккумулятором, с встроенным микрофоном и пони-
женным временем подготовки, очень компактной конструкции и малой массы, с прочным корпусом. Прибор имеет программное обеспечение Windows, что дает возможность работы с компьютером и получать копии данных. В настоящее время, в Великобритании, находится в обращении свыше 200 сейсмографов V-401 [3].
Канадская компания «Instantel» выпустила сейсмографы «Blast Mate» третьей серии для выбора безопасных режимов взрывания в зависимости от фактической интенсивности колебаний. Обработка данных измерений производится с помощью мини-ЭВМ сразу же после взрывов. Сейсмографы эффективно используются в 68 странах мира [4].
2. Обзор методик и методов интерпретации сейсмических данных
2.1. Методика сейсмоакустического моделирования
Основная цель предполагаемых наблюдений состоит в том, чтобы зафиксировать на ранней стадии развития сейсмического процесса изменения характера подземного фонового звука в диапазоне частот до 1000 Гц. Объектом исследования является верхняя часть земной коры в сейсмоактивных районах, а так же шахты и горные выработки, опасные по горным ударам и выбросам. Исследования последних лет показали, что для подземного звука наиболее информативными являются частоты до 1000 Гц. В более высокочастотной области контроль вибросмещений в геосреде становится трудным, т.к. амплитуды смещений для фонового звука на частоте 1000 Гц не превышает долей пикометра даже в сейсмоактивных горизонтах земной коры, а с повышением частоты амплитуды смещений уменьшаются со скоростью около 50 дБ на декаду увеличения частоты [5].
2.2. Контроль сейсмических колебаний при взрыве и их техническая оценка
Указанные мероприятия в дополнение традиционным разрабатываются методом массового масштаба. Улучшенные технические приемы, используемые для прогноза воздушных и земных колебаний на стадии планирования с содействия в контроле взрывных операций, снизили уровень оперативного риска относительно сейсмических колебаний при взрыве. Кроме того, принимаются во внимание: ориентация взрывных плоскостей, топографическая защита, укрепление волнового фронта и
метеорологические условия. Эти данные служат для сравнения с величиной специфических колебаний для природоохранной лицензии и условий рудничной аренды, сокращение неприятностей взрывной волны для жителей окружающей рудник площади и для контроля реакции зданий и структур горных пород на прилегающих площадях согласно рудничной лицензии [6].
2.3. Использование географических информационных систем для оценки сейсмического очага
Для оценки и распознавания сейсмических очагов использованы компьютерные графические и анатомические возможности географической информационной системы (ГИС). В компьютер ГИС в качестве начальных данных вводятся определенные ранее координаты какого либо сейсмического события, где они уточняются на основе учета всех возможных географических погрешностей (эллипсойд, превышение и т.п.). Эта процедура позволяет улавливать тонкие различия между естественными слабыми землетрясениями, взрывами в карьерах и толчками, связанными с нефтедобычей [7].
2.4. Применение и эффекты обработки сейсмических данных в различных частотных диапазонах
Разделение по частотным диапазонам в процессе обработки данных применяется в случае неэффективности стандартной обработки, связанной с небольшим отношением сигнал/шум и недостаточным числом накоплений. Для отраженных сейсмических волн, периоды которых лежат в различных диапазонах, наблюдаются значительные расхождения в результатах интерпретации и, следовательно, для каждого из диапазонов необходимо отдельно устанавливать статические поправки кросскорреляционные соотношения, а также и другие параметры. Это, в конечном счете, значительно повысит качество обработки т.к. информация, которую несут отражения в различных частотных диапазонах, дополняет друг друга, позволяя получить более достоверный геолого-геофизи-ческий разрез [8].
Рис. 1. Схема регистрации сейсмических колебаний: СМ-3КВ - сейсмоприемники с периодом собственных колебаний маятника 2сек и чувствительностью 10 В/м/с; БВХД - блок формирования характеристик
сейсмического канала с усилением ~140 и полосой пропускания 0,4-40 Гц; АЦП - тип Е-330 фирмы «Card» с числом разрядов - 12. Характеристики канала:
- чувствительность канала - 28 • 103 В/м/с;
- частота оцифровки - 200 Гц;
- полоса пропускания - 0,4 - 40 Гц.
2.5. Применение частотно-волнового спек-
тра при анализе сейсмического шума и оценке его затухания
Для анализа сейсмического шума (СШ) предложено применять частотно-волновой спектр (£ к-спектр), т.к. использование обычных полевых записей СШ и 1-мерных спектральных данных имеет существенные ограничения. На конкретных примерах показано, что применение £-к-спектров особенно эффективно при изучении характеристик СШ, определении оптимальных параметров 2-мерной волновой фильтрации, анализе геологических эффектов и др. использование £ к-спектров обеспечивает возможность количественной оценки затухания СШ, а также решение проблемы отношения сигнал/шум [9].
3. Методика проведения и обработка результатов эксперимента ИДГ РАН
Для проведения эксперимента в ИДГ РАН используются изготавливаемые в КБ «Геофиз-прибор» короткопериодные сейсмометры СМ-3КВ, работающие в режиме велосиметров, с периодом собственных колебаний маятника 2 сек и чувствительностью около 200 В/м/с. Сейсмоприемник является магнитоэлектрическим датчиком маятникового типа, преобразующим механические колебания в электрический сигнал. Напряжение электрического сигнала пропорционально скорости смещения основания датчика. Сейсмоприемники располагаются на твердой (бетон,
твердая почва и др.) горизонтальной площадке в направлении юг-север, запад-восток, а третий произвольно для регистрации вертикальной составляющей.
Сигналы с сейсмоприемников подаются на усилитель - БВХД (рис. 1), который имеет три каскада. Первый - предусилитель с коэффициентом усиления порядка 140. Второй каскад является фильтром низких частот с частотой среза около
0,5 Гц. Кроме того имеется кабельный согласова-тель, рассчитанный на емкостную нагрузку до 0,1 мкФ, что позволяет предавать сигналы по кабельной линии до 0,5 км.
Сигналы после усиления поступают на вход 12-ти разрядного АЦП типа Е-330. Частота оцифровки сигнала подбирается по полосе пропускания канала и составляет 200 Гц, что обеспечивает около 5 точек дискретизации на период колебаний наибольшей частоты, составляющей 40 Гц. Цена младшего разряда АЦП 0,5 мВ, что соответствует скорости колебаний около 2,5 мкм/с. в результате мобильная сейсмостанция обеспечивает при уровне регистрируемых колебаний около 1 мм/с превышение над шумом сейсмоприемника 130 дБ, превышение над ценой разряда АЦП 52 дБ.
Регистрируемые сигналы записываются на винчестер Notebook фирмы «Toshiba» или на
мм/с
секунды
Рис. 2. Велосиграмма колебаний при взрыве
Рис. 3. Сейсмограмма колебаний при взрыве
Рис. 4. Акселерограмма колебаний при взрыве
Рис. 5. Амплитудный спектр Фурье велосиграммы при взрыве
специальную магнитную ленту "ТЕАС". Специально разработанное математическое обеспечение позволяет оператору установить режим и длительность записи (число каналов регистрации, частоту оцифровки, цену младшего разряда АЦП и т.д.).
Первичными сейсмическими записями являются велосиграммы (скорости колебаний) (рис. 2). Дальнейшие расчеты выполняются с помощью быстрого преобразования Фурье (МаШСАО-6). Обработка зарегистрированных велосиграмм
баний (смещений при
колебаниях), акселерограммы (ускорения при колебаниях) (рис. 4) и спектры велосиграмм (рис. 5). Для их получения сначала вычисляется амплитудный спектр Фурье скоростей колебаний и затем умножением (делением) на частоту получают спектр ускорений (смещений). Далее, используя
обратное преобразование Фурье, получают акселерограммы (сейсмограммы). Для определения спектрального состава колебаний вычисляется амплитудный спектр Фурье и спектральная плотность мощности. В том случае, когда необходимо удалить случайные спектральные составляющие, используется процедура расчета среднего спектра по десяти-двадцати «окнам», на которые разбивается реализация (велоси-грамма). По спектрам колебаний выделяются, как частоты собственных колебаний сооружений, так и частоты возбуждающего колебания источника.
Интенсивность сейсмического воздействия оценивают по скорости колебаний грунта, на котором возведен объект, в баллах шкалы С.В. Медведева для горных взрывов или М^-64 для землетрясений. Заключение
В настоящее время существуют различные методики оценки сейсмического действия взрыва. Созданы и используются различные типы сейсмоприемников, сейсмографов и сейсмостанций, применение которых определяется конкретными задачами и условиями. Для современных средств оценки сейсмического действия взрыва характерны следующие особенности:
• использование в качестве первичных преобразователей, как акселерометров (в ближней зоне), так и сейсмометров в режиме велосиметров (в дальней зоне);
• регистрация показаний осуществляются как в цифровой, так и в аналоговой форме;
• обработка результатов измерений производится с помощью современных программных средств.
Одним из главных направлений является повышение точности интерпретации данных и ис-
ключение сейсмического шума, для чего разрабатываются новые типы измерительных приборов и новые программные вычислительные средства, повышающие качество регистрации и обработки сейсмических данных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Столяров О.А., Барышников А.К., Березин И.А., Любимов С.П. и др. Новые промышленные технологии - 1995 №3, №4 - с. 7579.
2. Фремд ЯМТрехкомпо-нентный пьезоэлектрический сейсмометр Фремда. Новые промышленные технологии - 1995 №4 - с. 104-108.
3. Tunnels and tunnel. Int. -1997 - 29, №8 - с. 51.
4. Liang Ch., Geophys. and Geochem. Explor. - 1995 - 19, №1
- с.34-40.
5. Беляков А.С., Николаев А.В. Физика Земли - 1995, №8 - с. 8993.
6. Int. J. Rock. Mech. and Mining Sci. and Geomech. Abstr. -1995 - 32, №4 - с. 209-215.
7. Bethany K.D., Bayars B.W., Goforth Th.T. EOS - 1994 - 75, №16, с. 242.
8. Ju X., Geophys. and Geochem. Explor. - 1994 - 18, №5 - с. 331-338.
9. Liang Ch., Geophys. and Geochem. Explor. - 1995 - 19, №1
- с. 34-40.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
Черных Алексей Константинович - магистрант, Московский государственный горный университет.
^^
