CC BY
140
В.П. Доманов
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ «ВостНИИ»
И.В. Машуков
канд. техн. наук, директор Института горного дела и геосистем ФГБОУ ВПО «Сиб-ГИУ»
УДК 622.232
мониторинг сейсмического воздействия на охраняемые объекты при производстве массовых взрывов на разрезах Кузбасса
Приведены примеры расчета безопасных расстояний по сейсмическому воздействию массовых взрывов на охраняемые объекты, результаты мониторинга этого проявления для разрезов Юга Кузбасса, показаны отдельные превышения и возможные причины такого воздействия. Приведен ряд мер для снижения сейсмического действия взрыва и уменьшения воздействия ударной воздушной волны. Работа выполнена по государственному заданию Министерства образования и науки РФ, регистрационный номер 548922011.
Ключевые слова: СЕЙСМИЧЕСКОЕ, ВОЗДЕЙСТВИЕ, ОХРАНЯЕМЫЙ, ОБЪЕКТ, МАССОВЫЙ, ВЗРЫВ, БЕЗОПАСНОЕ, РАССТОЯНИЕ, ПАРАМЕТРЫ, БУРОВЗРЫВНЫЕ, РАБОТЫ, УДАРНАЯ, ВОЗДУШНАЯ, ВОЛНА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЗАБОЙКА
Открытый способ разработки угольных месторождений в Кузбассе по сравнению с подземным способом имеет ряд преимуществ, главными из которых являются малая себестоимость добычи угля, высокая производительность и безопасность труда рабочих (без учета затрат на восстановление экологического равновесия, проведение работ по рекультивации нарушенных земель). При этом воздействие на окружающую среду в значительной степени будет определяться последствиями в процессе ведения открытых горных работ, а также после их завершения. В свою очередь, на угольных разрезах в настоящее время остается востребованным способ разрушения коренных горных пород и в ряде случаев крепкого угля с использованием энергии взрыва. Преимущества такого способа подтверждены многолетней практикой
ведения буровзрывных работ при добыче угля и на данном этапе развития горнодобывающей техники не требуют доказательства. Однако со взрывными работами, использующими увеличенные объемы взрывчатых веществ при массовых взрывах на разрезах, связан ряд негативных проявлений. Основные из них - это ударная воздушная волна, разлет кусков породы, вредные газы взрывчатого превращения современных составов, пылеобразо-вание, сейсмическое воздействие на окружающие объекты. Данные проявления становятся предметом внимания промышленной безопасности и подлежат непрерывному контролю, начиная со стадии проектирования буровзрывных работ с последующим мониторингом за их интенсивностью и заканчивая разработкой мероприятий по их снижению до допустимых норм либо исключению.
С увеличением количества угольных разрезов в Кузбассе и ростом объемов вскрышных работ, в том числе и объемов взрываемых ВВ, а также с учетом приближения этих работ к населенным пунктам и другим важным объектам существенную опасность в числе прочих представляет сейсмическое воздействие массовых взрывов. Уже в настоящее время имеются многочисленные жалобы населения жилого сектора объектов, расположенных не только в непосредственной близости от участков открытых горных работ, но и находящихся на значительном удалении от них.
Массовые взрывы на угольных разрезах, как и при их производстве в других отраслях, выполняются на основании требований «Единых правил безопасности при взрывных работах» [1], в соответствии с типовыми проектами производства буровзрывных работ, которые, в свою
^ научно-технический журнал № 1.1-2013
ВЕСТНИК
очередь, разрабатываются согласно «Типовой инструкции по безопасному проведению массовых взрывов на земной поверхности» [2], с учетом параметров буровзрывных работ проекта разработки конкретного месторождения.
В проектной документации безопасные расстояния по сейсмическому воздействию массовых взрывов рассчитывают по формулам, приведенным в главе VIII [1]. В расчетах учитывают как параметры заряжаемого блока, так свойства грунтов в основании охраняемых объектов (зданий, сооружений и др.), состояние и значимость этих объектов. Расстояния, на которых колебания грунта, вызываемые однократным взрывом сосредоточенного заряда взрывчатых веществ, становятся безопасными для зданий и сооружений, определяют по формуле:
гс = Кг Кса сЦз ,
где Гс - безопасное расстояние от места взрыва до охраняемого здания (сооружения), м;
К - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемого здания или сооружения (таблица 1);
Кс - коэффициент, зависящий от типа здания (сооружения) и характера застройки (таблица 2); а - коэффициент, зависящий от условий взрывания (таблица 3);
Q - масса заряда, кг.
При одновременном (без замедления) взрывании группы из N зарядов взрывчатых веществ общей массой Q в тех случаях, когда расстояния от охраняемого объекта до ближайшего заряда и до наиболее удаленного заряда различаются не более чем на 20 %, безопасное расстояние определяют по формуле:
гс = М1 1 6 КгКса .
При большем различии в расстояниях охраняемый объект будет находиться вне сейсмически опасной зоны, если будет соблюдаться условие:
(ССС^а )с X Ц сС с ,
м г,
Таблица 1 - Значения коэффициента К
Скальные породы плотные, ненарушенные 5
Скальные породы нарушенные, неглубокий слой мягких грунтов на скальном основании 8
Необводненные песчаные и глинистые грунты глубиной более Юм 12
Почвенные обводненные грунты и грунты с высоким уровнем грунтовых вод 15
Водонасыщенные грунты 20
Таблица 2 - Значения коэффициента Кс
Одиночные здания и сооружения производственного назначения с железобетонным или металлическим каркасом 1
Одиночные здания высотой не более двух-трех этажей с кирпичными и подобными стенами 1,5
Небольшие жилые поселки 2
Таблица 3 - Значения коэффициента а
Камуфлетный взрыв и взрыв на рыхление 1
Взрыв на выброс 0,8
Взрыв полууглубленного заряда 0,5
где N - число зарядов взрывчатых веществ;
- масса отдельного заряда взрывчатых веществ, кг; г- расстояние от отдельного заряда взрывчатых веществ до охраняемого объекта, м.
При неодновременном взрывании N зарядов взрывчатых веществ общей массой Q со временем замедления между взрывами каждого заряда не менее 20 мс безопасное расстояние определяют по формуле:
г = № с ссс с с с
При определении N и Q можно не учитывать заряды, масса которых меньше массы максимального заряда взрываемой группы в 3 раза и более.
В тех случаях, когда расстояние г. от крайних зарядов массой до охраняемого объекта различается более чем на 20 %, последний будет находиться вне сейсмически опасной зоны, если будет соблюдаться условие:
N
1/4
* г .
1=1 '<
Ряд других обязательных требований при расчете безопасных расстояний заключается в следующем:
• при размещении заряда в воде или в водонасыщенных грунтах значения коэффициента а увеличивают в 1,5-2 раза;
• при определении N не учитываются заряды, для которых величина / г.3 меньше максимальной из всей взры-
ваемой группы в 3 раза и более;
• при взрывании групп зарядов с замедлениями между взрывами в отдельной группе менее 20 мс каждую такую группу следует рассматривать как отдельный заряд с общей массой для группы;
• сейсмическая безопасность зданий и сооружений при взрывах предполагает отсутствие повреждений, нарушающих нормальное их функционирование (вероятность появления в отдельных зданиях и сооружениях легких повреждений составляет около 0,1);
• при наличии повреждений в зданиях (трещин в стенах и т.п.) безопасные расстояния, определенные по этим формулам, должны быть увеличены. Это увеличение устанавливается по заключениям специализированных организаций. При отсутствии таких заключений безопасные расстояния должны быть увеличены не менее чем в 2 раза.
Следует отметить, что расчет безопасных расстояний по приведенным формулам не учитывает такие энергетические параметры взрываемых ВВ, как теплота взрывчатого превращения, скорость детонации, плотность ВВ. Эти параметры, другие условия взрывания, не предусмотренные п. 4 главы VIII Правил [1], а также такие факторы, как направленность сейсмического действия группы зарядов большой протяженности, наличие повреждений зданий при повторяющихся взрывах, необходимо учитывать при определении безопасных расстояний для зданий и сооружений уникального характера (башни, высотные здания, монументальные общественные здания и т.п.) и для ответственных и сложных инженерных сооружений (мосты, реакторы различного назначения, гидротехнические сооружения, радиомачты и т.п.). Расчет безопасности таких объектов необходимо производить с использованием специальных методик, например [3-6].
На основании обращений разрезов южных регионов Кузбасса за последние два-три года мониторинг уровня сейсмического воздействия осуществлялся на охраняемых объектах при производстве массовых взрывов на горных отводах ООО «Разрез Березовский», ООО «Разрез Бунгурский-Северный», ООО «Разрез «Корчакольский», ОАО «Разрез «Томусинский», ОАО «Междуречье», ООО «Энергоуголь», других разрезов. Измерения проводились специалистами ФГБОУ «СибГИУ» (г. Новокузнецк) с экспертизой совместно с ОАО «НЦ ВостНИИ» проектной документации на массовые взрывы и разработкой (при установлении несоответствия требованиям безопасности) рекомендаций по корректировке параметров БВР, обеспечивающих безопасность по этому проявлению. Анализ результатов проведенных измерений сейсмического воздействия показывает, что в большинстве случаев при проведении массовых взрывов колебания земной поверхности не превышали допустимых значений (в десять и более раз). Однако наблюдались аномальные
проявления этого воздействия, например в жилом секторе поселка Притомского г. Междуреченска. Территория с охраняемыми зданиями и сооружениями этого поселка находится на расстоянии менее одного километра от опасного производственного объекта - горного отвода ОАО «Разрез «Томусинский». Одноэтажные жилые здания по СНиП 2.01.07-85 относятся ко II классу ответственности и по состоянию (в несущих конструкциях трещины до 0,5 мм, в стенах из кирпича и крупных блоков до 3 мм, вертикальность массива фундамента нарушена, повреждения в размере до 40 %) - ко II категории. Грунты в основаниях зданий и сооружений поселка Притомского согласно классификации ГОСТ 25100-95 соответствуют II группе. Допустимая скорость колебаний в основании одноэтажных жилых зданий (РТМ 36.22-91) для грунтов II группы составляет 2 см/с.
Выбор места регистрации сейсмических колебаний был обусловлен значимостью охраняемых объектов и наличием жалоб от жителей конкретных домов. Измерения максимальных значений вертикальных и горизонтальных скоростей сейсмических колебаний земной поверхности от массовых взрывов на разрезе «Томусинский» выполнялись за период с июля по ноябрь 2010 г. Расчет массы взрываемых зарядов при условии обеспечения безопасного расстояния по сейсмическому воздействию в проектах массовых взрывов, проводимых ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса», соответствовал «Единым правилам безопасности при взрывных работах» [1] (гл. VIII, п. 4) и разработанным рекомендациям Магнитогорского государственного технического университета. Превышение предельно допустимых значений скорости сейсмических колебаний земной
поверхности произошло при производстве четырех массовых взрывов: 07.09.10 (масса ВВ 252801 кг), 24.09.10 (106144 кг), 13.10.10 (100536 кг), 19.11.10 (48752,38
кг) в жилом доме по адресу: ул. Луначарского, д. 39. Полученные при измерениях максимальные значения скоростей сейсмических колебаний земной поверхности составляли до 3,0 см/с (в горизонтальном направлении). Причем при производстве массового взрыва 19.11.10 регистрация сейсмических колебаний земной поверхности производилась в двух пунктах наблюдения: в жилых одноэтажных домах по улице Луначарского, д. 39 и в доме 41 на расстоянии 20 м друг от друга. При этом значения скорости сейсмических колебаний земной поверхности существенно отличались: в доме 39 сейсмические колебания земной поверхности превысили предельные значения, а в доме 41 значения скорости были в 3-6 раз меньше. Это свидетельствовало о наличии аномальной зоны (неоднородность пород по акустической жесткости, тектонические нарушения). Также отмечалось, что превышения скорости сейсмических колебаний не зависели от общей массы взрываемого ВВ при близких значениях массы одновременно взрываемых ВВ. При отсутствии данных горно-геологических изысканий этого района с большой долей вероятности предполагалось, что негативные проявления сейсмических колебаний земной поверхности в отдельных районах поселка Притомского (в жилом доме по адресу: ул. Луначарского, д. 39) обусловлены наличием аномальной зоны (неоднородность грунта по акустической жесткости, относительное увеличение сейсмоэффекта при короткозамедленном взрывании групп зарядов по сравнению с уровнем колебаний от взрывания
зарядов одной группы, отсутствие наносов в пойме реки Томь и наличие подземных скоплений воды или водонасыщенных грунтов, тектонические нарушения или сочетание этих факторов).
Надо отметить, что в отдельных случаях колебания земной поверхности могут происходить с большими значениями, чем это получено при расчетах. К таким случаям относятся проведение массовых взрывов в горных массивах с тектоническими нарушениями, наличием пластов с различными физико-механическими свойствами. В первом случае тектоническое нарушение в массиве является плоскостью отражения и сейсмическая волна отражается от нее, что усиливает колебания земной поверхности от поверхностной волны. Во втором случае пласт горных пород может являться волноводом для распространения колебаний на большие расстояния с незначительными потерями интенсивности.
Для таких случаев, особенно при отсутствии результатов горногеологических и гидрологических изысканий, необходимо проведение инструментальных наблюдений за уровнем сейсмических колебаний земной поверхности от массовых взрывов, проводимых вблизи от охраняемых объектов. Требуется определение уровня безопасности проведения массовых взрывов по допустимым величинам колебаний охраняемых зданий с учетом степени их ответственности. По результатам проведенных измерений можно найти общие закономерности и определить мероприятия по снижению воздействия этих взрывов. При величине скорости колебаний земной поверхности, близкой к предельно допустимой скорости, необходима корректировка параметров буровзрывных работ путем снижения массы одновременно
взрываемого заряда, использования рассредоточения ВВ по длине скважин, изменения параметров скважинных зарядов.
Кроме рассмотренного проявления сейсмического воздействия, при определенных условиях необходимо также учитывать воздействие ударной воздушной волны на охраняемые объекты. Такие воздействия, например, наблюдались на объектах поселка Рассвет при проведении массовых взрывов в ООО «Энергоуголь». Результаты измерений показали, что массовые взрывы с массой ВВ до 19 т на расстоянии более 1100 м не вызывали опасных колебаний зданий этого поселка.
Однако при производстве массового взрыва 04.08.11 с массой ВВ 19446 кг отмечалось проявление ударной воздушной волны, зарегистрированное сейсмограммой, что
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-01) / Безопасность при взрывных работах: сб. документов. -Сер. 13. - Вып.1. -М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2007. - 230 с.
2 Типовая инструкция по безопасному проведению массовых взрывов на земной поверхности: утв. Госгортехнадзором России 14.05.93 №10. -12 с.
3 РТМ 36.22-91. Определение критических параметров колебаний охраняемых объектов при взрывном дроблении фундаментов и обрушении зданий при реконструкции / Сост. Л.М. Глозман, Н.А. Маковская, В.О. Изофов [и др.]. - М., 1991. -8 с.
4 СНиП 2.01.07-85 (с изменением №2). Нагрузки и воздействия. -М., 2003. - 32 с.
5 Безопасность сейсмического и воздушного воздействия массовых взрывов /Б.Н. Кутузов, В.К. Совмен, Б.В. Эквист, В.Г Вартанов. - М.: МГГУ 2004. - 180 с.
6 Безопасность взрывных работ в промышленности: под ред. Б.Н. Кутузова. -М.: Недра, 1992. - 544 с.
MONITORING OF SEISMIC EFFECT ON PROTECTED OBJECTS Доманов
DURING MASS EXPLOSIONS ON KUZBASS OPEN CAST MINES Виктор Петрович
V.P. Domanov, I.V. Mashukov e-mail: [email protected]
Examples of calculation safe distances by seismic impact of mass
explosions for protected objects, monitoring results of this manifestation Машуков
for open cast mines in the south of Kuzbass and individual excess and Игорь Владимирович
possible causes of such impact are provided. The number of measures to e-mail: [email protected]
reduce a seismic impact of explosions and to lower the effect of blast air
waves is shown.
The work was done under instructions of the RF Ministry of Education and
Science, 548922011 registration number.
Key words: SEISMIC, IMPACT, PROTECTED, OBJECT, MASS,
EXPLOSION, SAFE, DISTANCE, PARAMETERS, DRILLING, BLASTING,
WORKS, BLAST, AIR, WAVE, EFFICIENCY, TAMPING
потребовало корректировки схем инициирования и конструкции скважинных зарядов в части увеличения эффективности действия забойки. Для снижения массы взрывчатого вещества и количества одновременно взрываемых скважинных зарядов рекомендовано применять диагональные схемы взрывания с инициированием зарядов в блоке со стороны поселка Рассвет. В схеме монтажа поверхностной взрывной сети необходимо применять средства инициирования с двумя и более величинами времени замедления и интервалом между ними не менее 25 мс. Для снижения сейсмического действия взрыва и уменьшения звукового эффекта ударной воздушной волны от взрывания скважинных зарядов в «зажатых» (близких к камуфлетному) условиях в диагональной схеме взрывания в
магистральных линиях необходимо применять средства инициирования с меньшим временем замедления, в участковых - с большим временем замедления.
При необходимости для постоянного мониторинга уровня сейсмического воздействия массовых взрывов на охраняемые здания необходимо устанавливать постоянно действующую сейсмическую станцию и результаты регистрации скорости сейсмических колебаний представлять в экспертную организацию. До установки такой станции регистрацию сейсмического воздействия проводить специализированной организацией на наиболее значимых объектах, с наибольшими нарушениями их целостности и с соответствующим обследованием таких объектов.
