CC BY
32
СЕМИНАР 1
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
С.А. Козырев, ГИКНЦ РАН
Особенности сейсмического действия массовых взрывов в системах этажного принудительного обрушения с отбойкой руды веерами скважин
В настоящее время обеспечение устойчивости горных выработок достигается за счет расположения их за пределами зоны интенсивного действия взрыва или путем снижения веса зарядов. Однако в системах с массовым обрушением и площадным выпуском руды комплекс всех откаточных, подготовительно-нарезных и вентиляционных выработок не может быть отнесен за пределы сейсмически опасной зоны, и по своему назначению они располагаются непосредственно под массовым взрывом. Расчеты сооружений на сейсмические воздействия осуществляются в основном по статической теории сейсмостойкости [1], линейно-спектральной теории сейсмостойкости [2], по аналоговым акселерограммам [3]. Анализ расчетных методов показал, что статическая теория не учитывает спектральный состав воздействия и деформации сооружения. В проектировании подземных сооружений линейно-спект-ральные методы расчета широкого распространения не получили из-за ряда специфических трудностей и прежде всего из-за отсутствия соответствующих спектральных кривых подземных сооружений. Расчеты, основанные на использовании аналоговых сейсмограмм, в основном пригодны для оценки сейсмонапряженного состояния тогда, когда имеется довольно представительный банк сейсмограмм. Применительно же к подземным короткозамедленным массовым взрывам, параметры которых никогда не бывают одинаковыми, как таковой не может быть аналоговой сейсмограммы. С другой стороны, когда выработки располагаются на расстояниях намного меньших размера отбиваемого слоя, а в качестве источника
3 і 1999
сейсмоизлучения служат веера скважин, различно ориентированные в плоскости отбойки, вообще не представляется возможным теоретически оценить сейсмонап-ряженное состояние вокруг подземных горных выработок. Поэтому в промышленной сейсмологии наибольшее распространение получили экспериментальные методы оценки сейсмического действия массовых взрывов на горные выработки. Известные методики определения массы сейсмически безопасных зарядов при отбойке не учитывают особенностей геометрического расположения плоских систем зарядов и очистных выработок. Обычно горные выработки эксплуатируются в непосредственной близи района массовых взрывов, на расстояниях намного меньших размеров отбиваемых слоев. Поэтому известные методики верны лишь в той мере, в которой действительный заряд можно считать сосредоточенным, т.е. когда охраняемая выработка находится на расстоянии от места взрыва значительно дальше характерного размера слоя зарядов [4].Распространение волны сжатия от взрыва по материалу среды характеризуется, как известно, смещением частиц за фронтом волны (А), массовой скоростью смещения (V), ускорением (а) и периодом колебания (Т). Наибольшей информативностью, по мнению большинства специалистов, обладает массовая скорость смещения частиц среды за фронтом волны, поэтому будем считать основными параметрами механических движений среды при взрыве массовую скорость смещения частиц (V) и период колебания (Т). Установление основных требований к технологии взрывных работ по фактору сейсмической безопасности
выдвигает на первый план решение следующих задач:
1. Установление закономерностей воздействия сейсмических волн на горные выработки в зависимости от размеров секции, в которой распределены заряды, расстояния до охраняемого объекта, условий работы зарядов, интервала короткозамедленного взрывания; веса заряда ВВ в группе замедления; числа последовательно взрываемых групп; размещения зарядов в отбиваемом слое; порядка инициирования массового взрыва; подсечки отбиваемого массива.
2. Разработка мероприятий по снижению сейсмического действия массовых взрывов и методики расчета сейсмобезопасных весов зарядов для конкретных горногеологических условий. Для решения поставленных задач были проведены наблюдения при массовых взрывах на горизонте +252 м Кировского рудника ОАО «Апатит». Инструментальные наблюдения за сейсмическим действием массовых взрывов велись в выработках днища блока непосредственно под массовым взрывом и на различных удалениях от границ отбойки вглубь массива. При этом применялась стандартная измерительная аппаратура с предварительной тарировкой измерительного тракта в лабораторных условиях на специальных вибростендах. Результаты наблюдений показали, что сейсмическое действие массового взрыва в напряженных массивах по мере удаления от границы отбойки проявляется по разному и зависит от следующих факторов: геометрических размеров секций, количества подэтажей, площади подсечки в секции, количества ВВ, величины статических напряжений.Во всех рассмотрен-
113
ных случаях изменение скоростей колебаний контура откаточных ортов по мере удаления от границы отбойки в глубь массива носит волнообразный характер, с двумя максимумами. Первый максимум наблюдается непосредственно под массовым взрывом, где расстояние от вееров скважин до откаточных выработок не превышает 1011 м. Скорости смещения контура выработок на этом промежутке изменяются от 50 до 150 см/с и зависят от местоположения секции в пределах отрабатываемого горизонта, площади подсечки и общего количества ВВ. Так, минимальная скорость смещения наблюдалась при отбойке секций в районе лежачего бока, а при отбойке секций под висячим боком скорости смещения под центром секции в 1.52.0 раза выше, чем в лежачем боку, хотя условия отбойки были примерно одинаковыми. По мере удаления от границы отбойки в зависимости от толщины и высоты секции во всех зарегистрированных взрывах наблюдается снижение скоростей смещения на контуре выработок. Как правило, этот минимум приурочен к границе секции. Далее происходит увеличение скоростей смещения и на расстояниях от границы отбойки, равных толщине секции, наблюдается второй максимум, со скоростями в отдельных случаях в 1.52.0 раза выше чем под секцией. Наибольшие скорости от 150 до 200 см/с получены при взрывах, которыми отбивались секции под висячим боком месторождения. Несколько меньшие скорости получены при отбойке секции на границе с висячим боком и отбойке как одного верхнего, так и одного нижнего подэтажа. В этих случаях наблюдалась незначительная разница в выявленных максимумах. При всех зарегистрированных взрывах в зонах максимума скоростей при их превышении выше 60 см/с происходили вывали горной породы из кровли выработок, а при наличии бетонной крепи - ее разрушение в виде вывалов и трещин. Можно пред-
положить, что такой характер изменения скоростей смещения вызван следующими причинами:
1. Условиями формирования сейсмических волн от взрыва группы зарядов в веере на подэтажах и их взаимного воздействия на горные выработки.
2. Наличием подсечного пространства под отбиваемой секцией.
3. Изменением поля статических напряжений на пути распространения сейсмических волн. В следующей серии натурных экспериментов изучалось сейсмическое действие взрывов при различных геометрических размерах отбиваемых секций. Для оценки влияния соотношения между шириной фронта отбойки и толщиной отбиваемой секции (числом взрываемых рядов) рассмотрим полученные значения скоростей смещения пород кровли выработок откаточного горизонта, размещавшихся в пределах контура отбойки при взрывах № 2, 5, 8, 7, 6, 10, 13, 14, первые четыре из которых выполнены в лежачем боку месторождения, а остальные - под породами висячего бока. Взрывом № 6 отбивалась секция размером в плане 40 х 38 м при одной плоскости обнажения на границе с не обрушенными породами висячего бока. Взрывом № 10 отбивалась секция размером в плане 75 х 19 м , т.е. соотношение длины фронта отбойки к толщине секции составляло 4:1, в то время как при взрыве № 6 это соотношение составляло 1:1. Секция имела также одну плоскость обнажения и располагалась под консолью не обрушенных пород. Параметры БВР при отбойке этих секций были одинаковыми. Одинаково оформлялся и горизонт подсечки. Полученные значения скоростей смещения по оси взрыва № 6 составили 114 см/с. Секции, отбиваемые взрывами № 10 и № 13 располагались над тремя смежными откаточными ортами, что позволило замерять скорости смещения по оси секции и на ее северном и южном флангах. Скорости смещения пород в кровле рассматриваемых ор-
тов при указанных взрывах получены не одинаковые. Так, для взрыва № 10 скорость смещения по оси секции составила 74 см/с, на северном фланге 88 см/с, а на южном - 120 см/с. При массовом взрыве № 13, которым отбивалась секция вслед за взрывом № 10 и характеризующимся такими же параметрами, получено такое же распределение скоростей смещения: минимум в средней части секции V = 80 см/с, а на флангах соответственно 120 и 140 см/с. Увеличение скоростей смещения при взрыве № 13 по отношению к взрыву № 10 вызвано большим уровнем статических напряжений из-за увеличения длины консоли не обрушенных пород. В лежачем боку и средней части месторождения при отбойке секций с соотношением сторон 3,5:1 (Взрыв № 2), 1:0,88 (Взрыв №7) и 4:1 (Взрыв № 5) скорости смещения по ширине секции были примерно одинаковыми и изменялись от 28 до 50 см/с, что значительно ниже, чем для секций под висячим боком месторождения. В среднем в секциях под висячим боком соотношение скоростей смещения по центру секции по отношению к скоростям смещения на флангах со стороны обрушенных пород составляет 1: (1,0^1,1), а со стороны не обрушенного массива 1 : (1,4^ 1,6), в то время как в лежачем боку (при таких же параметрах секций) величины скоростей смещения во всех сечениях примерно равны. Из вышеизложенного следует, что при неизменной площади отбиваемой секции, за счет увеличения длины последней по фронту отбойки и сокращения ее толщины можно существенно снизить динамические нагрузки на выработки днища. Этот фактор особенно важен при отбойке вырезных секций в зоне высокого горного давления. В целях установления влияния толщины взрываемой секции и степени зажима на сейсмический эффект взрыва были проведены инструментальные наблюдения при отбойке секций толщиной 30-55 м (Полученные
результаты свидетельствуют о том, что при расчете сейсмобезо-пасных расстояний нельзя руководствоваться только весом ВВ в ступени, а необходимо учитывать и степень зажима, которую можно выразить через коэффициент увеличения сейсмичности (Кс).
Коэффициент увеличения сейсмичности по мере удаления веера от свободной поверхности с достаточной степенью точности описывается следующей зависимостью
Кс = 2.^їп(0,023Г + 0,5)
(і)
где Т - текущее расстояние от первоначальной границы обрушения до рассматриваемого веера, м .При расчете коэффициента уве-
дики расчета сейсмически опасных зон для горных выработок, расположенных непосредственно под массовым взрывом или вблизи района массовых взрывов, на расстояниях, намного меньших или соизмеримых с размером слоя зарядов, заложен принцип независимого действия каждой ступени замедления, а сейсмический эффект определяется весом ВВ в ступени замедления в зависимости от расстояния в плоскости отбойки. Схема для определения расчетной скорости смещения при веерной схеме расположения зарядов ВВ и порядном взрывании, что харак-терно для подземных рудников Хибин, представлена на рисунке. Зависимость для ее опре-
Схема для определения расчетной скорости смещения при веерной схеме расположения скважин и порядном взрывании.
личения сейсмичности область допустимых значений Т находится в пределах 2 м < Т < 50 м Длительные наблюдения за сейсмическим действием массовых взрывов на подземных рудниках позволили установить, что при замедлениях между взрывами веерных зарядов более 23 ms при расстояниях от взрыва менее 50 м наложение сейсмических волн от соседних ступеней отсутствует, а сейсмический эффект определяется весом ВВ в ступени замедления. Обработка экспериментальных данных показала, что зависимость скорости смещения V от массы заряда Q и расстояния R при соотношениях высоты взрываемого слоя (Н) к расстоянию до охраняемой выработки НЖ > 4 не апроксимиру-ется известной формулой М.А. Садовского для сосредоточенных зарядов. Поэтому в основу мето-
деления имеет следующий вид.
R(1 + е-х/1)
йПГ
5Іп(0.023Г + 0,5), см/с
(2)
где Кф - коэффициент сейсмичности. (Коэффициент сейсмичности принимается в зависимости от местонахождения взрываемой секции в пределах отрабатываемого горизонта и расположения охраняемых выработок относительно плоскости отбойки. Для рассматриваемых условий под висячим боком: Кф = 192
- для выработок, расположенных на флангах секций со стороны не обрушенных пород; Кф = 128 - для выработок, расположенных по центру секции и со стороны обрушенного массива)Д - расстояние от начала взрываемого веера до точки наблюдения, м; х - расстояние по горизонтали от взрываемо-
3 і 1999
-2,1
V = 2.1 К
го веера до точки наблюдения, м (х > 0); 1 - суммарная высота веера, взрываемого на одну ступень, м. е - основание натурального логарифма; Г - расстояние от первоначальной границы обрушения до рассматриваемого веера, м. gпр
- приведенный вес заряда на ступень замедления в зависимости от ориентации выработки по отношению к фронту отбойки, кг. Для выработок, расположенных перпендикулярно фронту отбойки, g - определяется только для слоя, ограниченного в обе стороны от оси охраняемой выработки расстоянием в две высоты днища блока (рис. Ь), а для выработок, расположенных параллельно фронту отбойки (рис. с), определяется для участка, где на первом подэтаже сконцентрировано наибольшее количество ВВ. К таким участкам при веерном расположении скважин относится зона, непосредственно примыкающая к буровым выработкам, ограниченная также расстоянием в две высоты днища блока в обе стороны от ее оси Зависимость (2) отражает изменение условий геометрического расположения отбиваемого слоя и охраняемой выработки и показывает, что в плоскости отбойки сейсмический эффект тем меньше зависит от общей массы заряда в ступени, чем ближе точка регистрации находится к плоскости заряда. Увеличение высоты и ширины отбиваемого слоя выше некоторого предела уже не приводит к росту сейсмического эффекта в точке регистрации, так как вклад краевых зон заряда в сейсмический эффект на этих расстояниях становится незначительным. Определив расчетные скорости смещения для различных участков, сравнивают их со скоростями, допустимыми для данного класса выработок и устанавливают возможный характер их повреждения. По характеру повреждений принимают решение о выборе или типе крепления, или уменьшения приведенного веса ВВ на ступень замедления. Для определения допустимых скоростей смещения на протяжении ряда лет фиксировал-
113
ся характер повреждений незакрепленных выработок и выработок, закрепленных монолитной бетонной крепью. При этом до и после массового взрыва производилась визуальная оценка состояния горных выработок. Если происходили вывалы кусков породы из кровли выработок и развитие старых трещин или другие повреждения, то в случае регистрации сейсмических колебаний в месте нарушений оценивалась скорость смещения, а если скорости смещения не регистрировались, то по формуле (2) рассчитывались скорости смещения в месте вывала. Минимальная из этих скоростей принималась критической для выработ-
ки данного сечения, что позволило горные выработки для рудников Хибин на глубинах 200-500 м подразделить по характеру повреждений на группы. Таким образом, разработанная методика позволяет на стадии проектирования массовых взрывов оценить в зависимости от конструкции массового взрыва ожидаемые скорости смещения и прогнозировать характер повреждения горных выработок, а учет рассредоточенности заряда в плоскости отбойки дает возможность увеличить общую массу заряда в ступени замедления без повышения сейсмического действия на горные выработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основы теории сейсмостойкости зданий и сооружений/ К.С. Заври-ев, А.Г. Назаров, Я.М. Айзенберг и др. - М., Стройиздат, 1970, - 224 с.
2. Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования. СНиП - II - 7 - 81. - М. Стройиздат, 1982. - 48 с.
3. Т.Р. Рашидов Динамическая теория сейсмостойкости сложных систем подземных сооружений. - Ташкент, ФАН, 1973. - 182 с. П.В. Швыдько Влияние взрыва системы зарядов на устойчивость подземных сооружений. Автореф. канд. дисс. -М., МГИ, 1981. - 15 с.
© С.А. Козырев
