CC BY
26
УДК 621.833
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
И.А. Афанасьев, асп. ТулГУ, (4872) 30-34-92, leader-express@tula.net (Россия, Тула, ТулГУ),
С.Б. Лукашин, асп. ТулГУ, (4872) 35-20-41, (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТИ СЕЙСМИЧЕСКОГО РИСКА ОПАСНОСТИ ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ
Приводится расчет вероятности сейсмического риска с использованием данных фактических сейсмособытий и показаний сейсмографов. С помощью метода «SSA (Singular spectrum analysis)» решается задача о прогнозировании времени возникновения нештатной ситуации.
Ключевые слова: расчет крепи, оценка риска, временной ряд, метод «SSA».
Сегодня в развитых странах широко применяется методология риска, основу которой составляет определение последствий и вероятности нежелательных событий. Используя количественные показатели риска, можно измерять потенциальную опасность. В широком смысле слова риск выражает возможную опасность, вероятность нежелательного события. Применительно к проблеме сейсмической опасности на подземном сооружении таким событием может быть ухудшение здоровья или смерть человека, повреждение или разрушение конструкции крепи и оборудования.
Данная статья посвящена определению вероятности события, связанного с ущербом от сейсмического воздействия на Тыретском солеруд-нике Иркутской области. Предлагаемая схема включает в себя следующие этапы:
1. Определение вероятности и силы сейсмического события с помощью метода «SSA» на основе обработки двух временных рядов - ряда фактических сейсмособытий и ряда показаний сейсмографа;
2. Расчет величин возможных напряжений на крепь аналитическим и численным методами;
3. Оценка прочности крепи путем сравнения напряжений (внутренних сил) в крепи с характеристиками прочности материалов в соответствии с действующими нормами.
Математическое выражение риска P - это соотношение числа неблагоприятных проявлений опасности п к их возможному числу N за определённый период времени, т.е.P — n/N. Помимо этого используется понятие «степень риска» R, т.е. вероятность наступления нежелательного события с учётом размера возможного ущерба от события. Степень риска можно представить как математическое ожидание величины ущерба от нежелательного события:
/=1
где р- вероятность наступления события, связанного с ущербом; тл -случайная величина ущерба, причинённого экономике, здоровью и т.п.
Все подземные сооружения строятся с учетом сейсмического районирования, которое определяет величину возможного землетрясения на заданной территории. В расчетной схеме напряжений на крепь [6] присутствует условное сейсмическое ускорение частиц пород, которое зависит от уровня сейсмичности в данном районе. Однако, несмотря на то, что карты сейсмического районирования ОСР-97 являются гораздо более «реалистичными», по сравнению с картами ОСР-98, существует вероятность превышения расчетной сейсмичности, и, следовательно, возникает вероятность того, что конструкция крепи подземного сооружения может не выдержать расчетных нагрузок.
Интенсивность сотрясений в рассматриваемой территории на заданном расстоянии от эпицентра, как известно, рассчитывается с помощью макросейсмического уравнения Н.В. Шебалина [7] для материковой части Северной Евразии, включая Кавказ, Байкал и др.:
/ = 1,5М -3,51§л/А2 + Н2 + 3 (1)
где: М - магнитуда; А - эпицентральное расстояние; Н - глубина гипоцентра; г = >/а2 +Н2 - гипоцентральное расстояние; С - региональные эмпирические коэффициенты, описывающие затухание интенсивности сотрясений с увеличением эпицентрального расстояния. Эта формула справедлива для магнитуд 5 баллов и выше.
Если принимать в расчет свойства горных пород Прибайкалья, то на основании экспериментальных результатов, полученных в Байкальском сейсмическом регионе и теоретического обобщения, определена зависимость изменения интенсивности с удалением от очага землетрясения в области опасных и ощутимых сейсмических нагрузок [7]:
где имлх - значение скорости, равное 0.7-0.8 м/с, рЪ - среднее волновое сопротивление среды, составляющее ~107 кг/(м2с), =0,0185.10°'43А/ -размер очага в сферическом приближении, В -
гипоцентральное расстояние. Показатель р = 2 при Я < 87^, р = 3 при
5 6 7 8 9
5 Л 7 ° 9
Магнитула
Рис. 1. График зависимости МЗК интенсивности и балльности на расстоянии 100 км для материковой части Северной Евразии. 1-наблюденные точки; 2 - зависимость по Н.В.Шебалину [9], 3 - линейная регрессия и 4 - ортогональная регрессия для наблюденных точек; 5-рекомендуемая зависимость
Таблица 1
Сейсмическая оценка п. Тыреть
Географические координаты п. Тыреть Максимальная зафиксированная бальность по шкале MSK-64 в период с 1725 по 2011гг. Максимальная бальность по шкале MSK-64 согласно карте ОСР - 78 СНнП П-А.12-69* Максимальная бальность по шкале MSK-64 согласно карте ОСР - 97 СНнП II-7-81*. Уточненное сейсмическое районирование
Широта. ° Долгота. о
53.40 102.19 7Д 6 А В С 8
7 7 8
Для оперативного мониторинга и прогноза сейсмически опасных ситуаций предлагается использовать один из методов прогнозирования временного ряда - метод «SSA (Singular spectrum analysis)» [1].
Исходными данными для обработки являются фактические сейсмо-события организации "U.S.Geological Survey" (USGS), формат которых представлен в табл. 2.
Таблица 2
Формат представления данных каталога USGS
CAT YEAR MO DA ORIG TIME LAT LONG DEP MAGNITUDE
PDE 2007 05 02 084512.85 39.64 28.68 10 3.9
Также для обработки используются данные сейсмографов сейсмической станция "Талая" (международный код - TLY), которая входит в телесейсмическую сеть ГС РАН, интегрированную в систему глобальных сейсмических наблюдений земного шара.
Обрабатывая вышеуказанные данные (два временных ряда) методом «SSA», мы получаем прогнозирование возникновения риска через определенный промежуток времени с определенной вероятностью [3].
Определив вероятность и силу возможного сейсмического события, мы тем самым можем определить величину возможных нагрузок (растягивающих и сжимающих напряжений), действующих на крепь. Расчеты нагрузок с целью получения более достоверных результатов проводятся двумя методами:
1. Аналитический, основанный на коэффициентах передачи нагрузок [6]. Данный метод реализован в программном продукте РК2-М;
2. Численный - метод конечных элементов, реализованный в программном продукте COSMOS.
Рис. 2. График STA/LTA для канала lne сейсмографа Streckeisen Model STS-1/VBB станции TLY за 08.08.2011
Сейсмические волны отличаются большой длиной, существенно превышающие размеры поперечных сечений подземных сооружений, в следствии чего задача расчета подземных сооружений на сейсмические воздействия сводится к решению двух квазистатических задач. Динамическое поле напряжений в массиве заменяется эквивалентным квазистатическим, вызываемым действием экстремальных значений нормальных и касательных напряжений, приложенных на бесконечности и определяемых выражениями:
0 max =± ^ ^VÄ =±Р; (3)
min
Т max =± ^ AK1 TsT К =±S; (4)
min
где A - условное сейсмическое ускорение частиц пород в долях g (g -ускорение свободного падения). Коэффициент A принимает значения 0,1; 0,2; 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов; К - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения обделки; T - преобладающий период собственных колебаний частиц породы; Kh - коэффициент, учитывающий глубину заложения сооружений.
Нагрузки и воздействия, испытываемые системой «крепь-массив», представляются либо в виде эквивалентных напряжений, прикладываемых на бесконечности, либо в виде напряжений, прикладываемых к внутреннему контуру сечения крепи [6].
Таким образом, была предложена схема расчета вероятности геодинамического риска и прочности крепи для подземного сооружения.
Список литературы
1. Голяндина Н.Э. Метод «SSA»:nporao3 временных рядов: учеб. пособие. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2004. 78 с.
2.Чистова Г.К. Модели и методы обработки сейсмических сигналов в системах распознавания. Пенза: издательство Пензенского государственного университета, 2004. 230 с.
3. Elsner J., Tsonis A. Singular Spectrum Analysis. A New Tool in Time Series Analysis. New York: Plenum Press, 1996. 163 p.
4. Данилов Д.Л. Метод «Гусеница» для прогнозирования временных рядов. СПб.: Пресском, 1997. 213с.
5. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Изд-во «Высшая школа», 1972. 355с.
6. Булычев Н.С.. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. М.: Изд-во «Недра», 1989. 265с.
7. Чернов Е.А. Уравнение макросейсмического поля с ковергент-ным решением. Иркутск: Институт земной коры РАН, 2007. С. 881-888.
N.M.Kachurin, I.A Afanasiev, S.B. Lukashin
DEFINITION THE PROBABILITY OF SEISMIC RISK FOR UNDERGROUND FACILITIES
We give a calculation of the geodynamic risk probability, using data from actual seismic events and the testimony of seismographs. By the «SSA» method (Singular spectrum analysis) we solve the problem ofpredicting the time of emergency
Key words: calculation of the lining, the risk assessment, time series, the «SSA»
method.
Получено 17.02.2012
УДК 622.012:658.2.016
О.В. Коновалов, канд. техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
И.М. Каверин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, kim 2005 63 63@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Е. Харламов, канд. техн. наук, асс., (4872) 35-20-41, borhar@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИТУАЦИОННОГО АНАЛИЗА ГЕОТЕХНОЛОГИЙ И ГЕОРЕСУРСОВ
Приведена общая структура, содержание и последовательность основных этапов ситуационного анализа георесурсов и геотехнологий.
Ключевые слова: горные ситуации, ситуационный анализ, георесурсы, геотехнологии, прогнозирование.
Ситуационный анализ геотехнологий и георесурсов позволяет, исходя из более глубокого понимания возникающих горных ситуаций и динамики их развития, вырабатывать и принимать обоснованные технологические и организационные решения по управлению горным производством, а также прогнозировать возможные возникновения критических горных ситуаций и принимать своевременные меры по их предотвращению или устранению.
Имея в виду особенности горного производства в части неопределенности горно-геологической информации и высокой инерционности технологических и геомеханических процессов, проведение ситуационного анализа для решения задач горного производства является весьма актуальным и представляющим особую важность.
Методические принципы ситуационного анализа предполагают наличие ряда этапов его проведения.
На первом (подготовительном) этапе формулируется определение ситуации, цели и задачи проводимого анализа, одинаково понимаемые специалистами.
