CC BY
123
© А.И.Гончаров, В.И. Куликов, Н.М. Мартинсон,2002
УДК 622.8
А.И.Гончаров, В.И. Куликов, Н.М. Мартинсон О СЕЙСМИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ НА КАРЬЕРАХ КМА
П
ромышленные взрывы занимают ведущее место в технологиях добычи руд и нерудных материалов. Достаточно сказать, что суммарный годовой расход ВВ в мире составляет около 107 т (в пересчете на тротил). Средний по масштабам промышленный взрыв имеет мощность около 100 т. Количество таких массовых взрывов, проводимых за год, около 105 . На карьерах КМА в течение года производится около 70 массовых взрывов мощностью от 500 до 1000 т ВВ.
Наряду с дробящим полезным действием, массовый взрыв является источником сейсмических волн. По амплитуде сейсмических волн, регистрируемой сетью сейсмостанций на расстояниях более 1000 км от эпицентра взрыва, определяют магнитуду источника, являющуюся мерой сейсмической энергии, излучаемой источником. Магнитуда массовых взрывов на КМА составляет 2,8-3,2. Ежегодно на Земле происходит около 104 землетрясений такой силы, поэтому с точки зрения глобальной сейсмичности Земли массовые взрывы на КМА являются рядовыми сейсмическими событиями.
Однако это не означает, что следует пренебрегать локальным местным (до 10 км от карьеров) сейсмическим действием массовых взрывов. Тем более, что эти массовые взрывы проводятся в асейсмич-ном районе, и это делает их значимым событием для населения региона КМА. Ведь человек ощущает колебания с амплитудой от 2 мм/с (интенсивность колебаний 2 балла) Рис. 1. Велосиграммы колебаний грунта в мм/с (а - вертикальная составляющая, б -горизонтальная юг-север и в - запад-восток) и запись акустического давления в Па (г) при массовом взрыве на Лебединском карьере
и чувствует при этом определенный дискомфорт. Кроме того, периодически поднимаются вопросы негативного сейсмического воздействия сейсмовзрывных волн на инфраструктуру и застройку региона. А руководство ГОКов озабочено устойчивостью бортов карьеров и охраняемых сооружений, расположенных в черте карьера.
Интенсивность сейсмического воздействия, выражаемая в баллах сейсмической шкалы, разработанной С.В. Медведевым для горных взрывов, определяется по макси-
мальной скорости колебаний грунта, которая является функцией мощности взрыва и эпицентрально-го расстояния. Однако практика показала, что такие второстепенные факторы, как спектр колебаний и состав грунтов, могут существенно изменить результат сейсмического воздействия на сооружения. Поэтому для оценки сейсмического воздействия массового взрыва,
кроме регистрации колебаний грунта, необходимо проводить расчет колебаний сооружения с учетом свойств реального грунта в основании, либо экспериментально исследовать реакцию сооружения на сейсмическое воздействие. Этот второй путь был выбран для исследования сейсмического воздействия на регион массовых взрывов КМА.
Исследования сейсмического воздействия массовых взрывов проводились путем регистрации скорости колебаний грунта, возбуждаемых приходом сейсмовзрывной волны, и колебаний первых и верх-
Рис. 2. Затухание максимальной массовой скорости колебаний грунта с расстоянием, приведенным по массе ВВ в группе
них этажей зданий. Сейсмические каналы состояли из сейсмоприемников СМ-3КВ, усилителей с фильтрами низких и высоких частот, аналого-цифрового преобразователя и регистратора NoteBook. Амплитудно-частотная характеристика такого канала имеет стволообразный вид с коэффициентом преобразования около 2*104 В/м/с и полосой пропускания 0,5-40 Гц. Каналы позволяли регистрировать скорости колебаний от 1 мкм/с. В каждом пункте регистрации размещались три сейсмоприемника, которые регистрировали вертикальную составляющую колебаний и две горизонтальные.
Еще один канал регистрации был использован для записи давления в акустической волне от массового взрыва. Давление регистрировалось с помощью емкостного микрофона в полосе частот от 0,1 Гц до 1 кГц. Чувствительность канала составляла около 0,06 В/Па. Ограничением для такого канала служили лишь фоновые ветровые
акустические возмущения.
На рис.1 показаны зарегистрированные велосиграммы колебаний грунта при массовом взрыве на Лебединском ГОКе 25 мая 2000 г. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат скорость колебаний грунта в мм/с. Верхний рисунок соответствует вертикальной составляющей колебаний, второй сверху - горизонтальной составляющей в направлении юг-север и третий - горизонтальной составляющей запад-восток.
Мощность массового взрыва составляла 1142 т. Всего были взорваны 8 блоков с задержками подрыва блоков 0, 4, 10, 22, 26 и 30 с относительно взрыва первого блока. Сейсмический пункт был установлен на борту карьера, так что эпицентральные расстояния от блоков составляли от 1,1 до 3,3 км. На нижнем рисунке приведена з апись акустического давления.
Рис. 3. а - скорости и б - смещения горизонтальных колебаний жилого дома, первый этаж (сплошная линия) и девятый этаж (точечная линия), в - акустическое давление
Как видно из веденных велоси-грамм, цуги сейсмовзрывных колебаний от различных блоков не перекрываются.
Амплитуда колебаний за 3 с падает на порядок. Межблоковой держки, 3 с, достаточ-точно, чтобы
вратить суперпо-цию волн и связанное с ней усиление ко-баний.
Максимальная плитуда колебаний от блоков не превысила 4 мм/с, т.е. интенсивность колебаний на борту карьера согласно шкале
ской интенсивности для горных взрывов не превысила 2 баллов. Численная обработка велосиграмм показала, что максимальные щения грунта составили 0,07 мм, а максимальные ускорения 500 мм/с2 . Столь низкие значения достигнуты благодаря применению схемы КЗВ с массой ВВ в группах менее 5 т. Фактически можно констатировать
что сейсмическая безопасность массового взрыва при применяемой на Лебединском ГОКе технологии ровзрывных работ обеспечена.
Из записи акустического давления на рис. 1 видно, что акустические сигналы от блоков разделены по времени, так что амплитуды акустических волн на борту карьера не превысили 50 Па. Это примерно на порядок меньше величины давления, опасной для остекления.
Аналогичные велосиграммы колебаний были зарегистрированы
при массовых взрывах на Стойлин-ском и Михайловском карьерах. По этим данным в двойном логарифмическом масштабе была построена показанная на рис. 2 зависимость затухания максимальной скорости колебаний от эпицентрального расстояния, приведенная по корню кубическому из массы ВВ в блоке. Скорость колебаний отложена в мм/с, эпицентральное расстояние в м/кг1/3. Данные, полученные
на различных карьерах, изображены различными значками. Затухание амплитуды сейсмовзрывных волн удовлетворительно описывается единой для трех карьеров КМА зависимостью (сплошная прямая) со степенью 1,5. Эта зависимость установлена для широкого диапазона расстояний (от 500 м до 100 км) и для широкого диапазона масс ВВ в группе (от 0,5 до 10 т). Полученная зависимость подтверждает, что интенсивность сейсмических колебаний определяется массой ВВ в группе, а степень затухания свидетельствует о независимости сейсмического эффекта от числа групп.
Полученная обобщенная зависимость затухания амплитуды сейсмовзрывных волн является основой для оценки сейсмического воздействия массовых взрывов на стадии их проектирования. Как отмечалось выше, наряду с колебаниями грунта большое значение имеет реакция сооружений на сейсмовзрывное воздействие. При взрывах на Михайловском карьере была проведена регистрация колебаний первых и верхних этажей трех- девяти- и четырнадцатиэтажных зданий. Для примера на рис. 3 приведены записи, зарегистрированные в доме № 8 по ул. Мира г. Железногорска (ближайший к карьеру квартал го-
рода, удаленный от взрываемых блоков на 3-4 км) при массовом
взрыве семи блоков 19 мая 2000 г. общей мощностью 586 т ВВ. Верхний рисунок демонстрирует скорости горизонтальных колебаний здания относительно его длинной оси в мм/с, средний показывает горизонтальные смещения в мм, нижний является записью акустического давления на крыше здания. Сплошные линии на сейсмозаписях соответствуют колебаниям первого этажа, точечные - верхнего, девятого этажа.
Анализ показал, что продолжительность интенсивных сейсмических колебаний грунта составляла около 10 секунд. И этому периоду времени соответствуют колебания здания с амплитудой скорости около 1 мм/с и смещений около 0,1 мм, причем первый и верхний этажи колеблются практически с одинаковыми амплитудами. Спустя 10 с колебания здания резко возрастают, амплитуда колебаний первого этажа возрастает в 3 раза, а девятого в 5 раз, причем эти колебания происходят синфазно и являются практически монохроматическими. Из спектрального анализа была получена частота этих колебаний - 1,6 Гц, что, очевидно, является частотой собственных колебаний дома. Запись акустического давления однозначно указывает, что усиление колебаний приурочено по времени к приходу и падению на фасад здания акустических волн. Слабые акустические волны, амплитуды которых не превышают 25 Па, раскачивают здание на частоте собственных колебаний сооружения, и амплитуда раскачивания существенно превышает амплитуду колебаний от сейсмовзрывной волны. Именно это
раскачивание зданий ощущают жители верхних этажей таких домов.
Аналогичного раскачивания от акустических волн трехэтажного здания не наблюдалось - для этого эффекта важна «парусность» здания. На расстояниях 7-10 км от карьера амплитуда акустических волн уменьшается до 10 Па и менее, и эффект раскачивания становится слабым.
В целом можно заключить, что в нынешних условиях массовой многоэтажной застройки городов и поселков вокруг карьеров действию акустических волн следует уделять большее внимание не с точки зрения сохранения остекления, что акцентируется в ЕПТБ, а их способности раскачивать здания. Для многоэтажных домов такое воздействие акустических волн будет превышать воздействие сейсмовзрывных волн.
При оценке негативного воздействия массовых взрывов на застройку региона очень дискуссионным является вопрос о характере накопления микроповреждений при многократных взрывных воздействиях. По нашему заданию институт Курскгражданпроект провел сопоставительное обследование технического состояния строительных конструкций домов одинаковой серии и одного года постройки в г. Железногорске и г.Курске, которое показало, что техническое состояние зданий, подверженных сейсмовзрывным нагрузкам и лишенных этих нагрузок, сходное. Можно сделать вывод, что сейсмовзрывные воздействия интенсивностью до 2 баллов, как это имеет место в г. Железногорске, не приводят к негативному воздействию на застройку города. Основные повреждения связаны с некачественной подготовкой оснований зданий и деформированием зданий при осадках фундаментов.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------
Гончаров А.И., Куликов В.И., Мартинсон Н.М. — Институт горного дела РАН, НИИ Курской магнитной аномалии им. Л.Д. Шевякова.
