CC BY
72
УДК 622.831
О ПЕРЕХОДЕ СЕЙСМОВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ ОТ СКАЛЬНЫХ ПОРОД В ОСАДОЧНЫЙ ЧЕХОЛ
Владимир Федорович Юшкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования нелинейных геомеханических процессов в блочных средах, тел. (383)217-07-16, e-mail: [email protected]
Рассматриваются особенности перехода сейсмовзрывной волны со свободной поверхности скальных пород в осадочный чехол борта карьера при добыче известняков. Анализируется трансформация кинематических и спектральных параметров волны при распространении в разнотипных грунтах и вариации связанных с этим процессов деформирования осадочного чехла.
Ключевые слова: скальный массив, осадочный грунт, сейсмостанция, спектр волны.
TRANSITION OF SEISMIC BLAST WAVE FROM SOLID ROCKS TO SEDIMENTARY MANTLE
Vladimir F. Yushkin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Modeling Nonlinear Geomechanical Processes in Blocky Media, tel. (383)217-07-16, e-mail: [email protected]
The author examines the features of seismic blast wave transition from the free surface in solid rocks to the sedimentary mantle in limestone opencast mining. The transformation of the kinetic and spectral parameters of the wave propagating in different type soil and the varied related deformation of the sedimentary mantle are analyzed.
Key words: hard rock mass, sedimentary cover, seismic station, wave spectrum.
Технологические взрывы при добыче твердых полезных ископаемых в карьере способны влиять на устойчивость его бортов и оказывать в результате формирования сейсмовзрывных волн техногенные воздействия на объекты технической инфраструктуры горнодобывающего предприятия, поэтому обеспечение геомеханической безопасности ведения горных работ при заданных технологических условиях добычи остается одной из основных задач эффективного освоения месторождения. Причинами существенного действия сейсмовзрывной волны при распространении по борту карьера могут быть особенности структурного строения горных пород, обусловленные системами трещин и разломов вблизи очага взрыва, а также наличием осадочных грунтов, что усложняет механизм процесса. Правильное понимание особенностей прохождения волн на сопряжениях осадочных грунтов и скальных пород с учетом их структуры поможет продвинуться в решении этой задачи.
Для оценки влияния сейсмовзрывной волны от технологического взрыва были изучены параметры ее распространения по откосу осадочных грунтов борта карьера месторождения известняков в районе г. Искитим (см. план на рис. 1а) Новосибирской обл. Известняки по внешнему виду массивные, крепкие, мелкозернистые, с неровным изломом, окраска изменчива - от
темно-серой до светло-серой, почти белой, в северо-западной части месторождения мраморизованы, расположены под слоем осадочных пород, представленных в основном суглинками с примесью глины [1, 2].
Рис. 1. План участка Искитимского карьера известняков с указанием места проведения массового взрыва (а), внешний вид взрыва (б) и схема измерений волны взрыва с расстановкой сейсмоприемников по откосу и верхнему
уступу
борта карьера (в). ВВ - взрывчатое вещество
Вскрышные горизонты расположены на отметках + 125, 130 м, добычные - на отметках + 125, 110, 95, 80, 65, 40 и 25 м. Продуктивная толща сложена однородными по физико-механическим свойствам известняками с крутым моноклинальным падением, имеющим различную степень закарстованности: до глубины 6 м - 14.8 %, ниже - 5 %. Присутствуют граниты блочные. Кровля продуктивной толщи имеет неровную поверхность с карстовыми воронками и западинами. Карсты заполнены глиной с разновидностями суглинков. На верхних горизонтах известняки среднетрещиноватые и среднекрупноблочные. Нижние горизонты известняка малотрещиноватые, крупноблочные.
Для получения новой информации о динамико-кинематических параметрах распространения волны массового взрыва и оценки влияния особенности работы групп скважинных зарядов ВВ вблизи свободной поверхности горных пород на формирование сейсмовзрывной волны в массиве выбран уступ борта карьера на отметках гор. +123- +134 м (см. рис. 1 а, б), где нижний горизонт - блочные граниты, выше расположены осадочные грунты (суглинки).
Запись сейсмической волны взрыва выполнялась широкополосной сейсмостанцией «Лакколит 24-М» [3] с использованием сейсмоприемников
GS20-DX (см. рис. 1в), установленных попарно в грунт с интервалом 10 м с ориентацией оси чувствительности сейсмоприемников 1-7 вертикально к почве и оси чувствительности сейсмоприемников 8-14 горизонтально перпендикулярно борту для каждой пары. Пара сейсмоприемников 1, 8 была закреплена в скальном массиве. Длина измерительной трассы сейсмоприемников составляла 55 м. Принятая ориентация сейсмоприемников позволила зарегистрировать вертикальную и горизонтальную компоненту сейсмической волны массового взрыва, который был произведен на расстоянии ~ 400 м от борта карьера.
Регистрация волны взрыва осуществлялась в режиме «По обнаружению». Этот режим обеспечивает включение сейсмостанции на запись при наступлении сейсмического события, амплитуда сигнала которого превышает заданное пороговое значение срабатывания запускающего сейсмоприемника. При записи волны взрыва коэффициент усиления по каналам измерений был принят равным 1, время задержки сигнала на запись установлено 8 мс. Частота дискретизации выбрана 500 Гц как оптимальная по длительности записи волны взрыва.
Массовый взрыв производился в вертикально расположенных рядами скважин согласно схеме буровзрывных работ, где заряды 107 скважин, объединенных в 15 групп, были инициированы с интервалами замедления 25 мс в каждой группе. Инициирование взрывания скважин каждой из групп обеспечивается с помощью поверхностных детонаторов неэлектрической системы инициирования (НСИ), имеющих номинальное время замедления 25 мс, и внутрискважинных детонаторов, имеющих номинальное время замедления 500 мс.
При взрыве заряда ВВ в массиве волна давления формирует зону дробления вблизи взрываемых скважин, где происходит разрушение горных пород. По мере ослабления волны давления разрушение пород в массиве прекращается и формируется объемная упругая волна. Если исходить из минимально возможного времени существования волны давления - времени разложения ВВ (~14-метрового цилиндрического заряда эмуласта), это время составит ~ 3 мс. За это время фронт волны распространится на расстояние до 12 м. С увеличением расстояния в массиве действие волны может изменяться под влиянием отраженных волн от поверхностей, существующих в структурах массива.
На рис. 2 показан запись скорости смещений пород при действии сейсмовзрывной волны, зарегистрированной сейсмостанцией «Лакколит» по каналу 1 на удалении 400 м от места взрыва (см. рис. 1 в). По ординате на записи указана амплитуда вертикальной скорости смещений пород в мм/с, по абсциссе - время ? в мс от момента запуска сейсмостанции на запись сигнала. Зная номинальные интервалы замедления, на записи можно выделить вступления волны взрыва зарядов практически от всех групп скважин, т. к. сейсмоприемник 1 находится в зоне прямого действия сейсмовзрывных импульсов от взрываемых скважин.
Как видно по сейсмограмме, на момент вступления колебаний от взрыва зарядов группы скважин последующего интервала замедления, скорость колебаний пород от взрыва зарядов предыдующего интервала не успевает снизиться до нуля, хотя и испытывает значительное затухание. Таким образом горный массив при взрывании с номинальным замедлением 25 мс не успевает успокоиться и сейсмовзрывная волна накладывается на волну давления от взрыва зарядов очередной группы скважин. Нижеприведенный частотный анализ выполнен по интервалам ступеней замедления для всего цуга записанных колебаний.
Рис. 2. Запись исходного сигнала волны взрыва сейсмоприемником 1 на удалении 400 м от места взрыва
На рис. 3 показано изменение частот максимальных значений спектральной плотности скорости смещений пород, выделенных на интервалах замедлений (см. рис. 2) при взрыве соответствующих групп скважин. На графике рис. 3а, построенном по записи сейсмоприемника 1 (см. рис. 1 в), видно, что несущие частоты максимумов спектральной плотности, зарегистрированных по выделенным интервалам на скальных породах, изменяются в диапазоне от 24 до 38 Гц, при этом отмечены два отклонения до частот 90 и 48 Гц.
На графике рис. 3б, построенном по записи сейсмоприемника 3, установленном на осадочный грунт в центре склона борта карьера (см. рис. 1 в) видно, что несущие частоты максимумов спектральной плотности изменяются в диапазоне от 13 до 35 Гц, при этом отмечены отклонения до частот 41 и 1 Гц. На графике рис. 3в, построенном по записи сейсмоприемника 4, установленном на осадочный грунт верхнего горизонта борта карьера (см. рис. 1 в) видно, что несущие частоты максимумов спектральной плотности изменяются в диапазоне от 17 до 33 Гц, при этом отмечены отклонения до частот 41 и 1 Гц. Как следует из графиков на рис. 3а-в, переход сейсмовзрывной волны со скальных пород в осадочные грунты на удалении ~400 м от места взрыва, на частотах 13 и 19 Гц приводит к формированию маятниковой волны с кратностью 2 и корень из 2 по линейке частот выделенных максимумов пиков спектральной плотности.
По сейсмограмме исходных сигналов взрыва, зарегистрированной установленными по трассе сейсмоприемниками 1-14, согласно методике [4]
были определены максимальные амплитуды вертикальной и горизонтальной компонент смещений грунта (см. рис. 3г), остаточное смещение по трассе варьирует от 0.6 до 3.6 мкм. Максимальные смещения, определенные для положительной и отрицательной полуволн взрыва, показывают усиление амплитуды осадочных грунтов колебаний и знакопеременный характер реакции массива на динамическое воздействие взрыва.
Порядковый номер группы взрываемых скважин Порядковый номер группы взрываемых скважин
б .. г
УК
Л- --- - - «' N N— —__щ
/
Л*'
10 20 30 40 50
Расстояние по трассе измерений, м Сейсмоприемники:
Порядковый номер группы взрываемых скважин
Рис. 3. Графики изменения частот максимальных значений спектральной плотности скорости смещений пород, выделенных при взрыве зарядов разных групп скважин по записям сейсмоприемников 1 (а), 3 (б) и 4 (в); амплитуды максимальных смещений грунта по трассе для положительной и отрицательной полуволны на сейсмограммах взрыва (г). Начало отсчета расстояний по осям координат принято от сейсмоприемников 1 и 8
б
а
Таким образом, анализ сейсмовзрывной волны по интервалам замедлений показал, что каждая из групп взрываемых скважин возбуждает колебания, собственные частоты которых, характерные для скальных пород, при переходе волны в осадочные грунты, смещаются в низкочастотную область, что соответствует условиям формирования маятниковой волны в массиве, при этом максимальные смещения в грунтовом массиве усиливаются по амплитуде.
Автор выражает благодарность специалистам Искитимского карьера Пороховскому Н.Н., Кабанцу В.И., Михайлову М.В. за помощь в проведении эксперимента в карьере.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта ОНЗ3.1 РАН за 2013-2014 гг.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Опарин В.Н., Середович В.А., Юшкин В.Ф., Иванов А.В., Прокопьева С.А. Формирование объемной цифровой модели поверхности борта карьера методом лазерного сканирования // ФТПРПИ. - 2007. - № 5.
2. Опарин В.Н., Багаев С.Н., Орлов В.А., Чугуй Ю.В., Юшкин В.Ф. и др. Методы и системы сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов. Т. 1. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.
3. Программа управления станцией сейсморазведочной инженерной цифровой «Лакколит 24-М» (модель 01). РО. - М.: ООО «Логис» (Раменское), 2005.
4. Сейсморазведка. Справочник геофизика / Под ред. И.И. Гурвича, В.П. Номоконова. - М.: «Недра», 1981.
© В. Ф. Юшкин, 2014
