CC BY
36
УДК 622.235
ОСОБЕННОСТИ СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ВБЛИЗИ ДЕЙСТВУЮЩЕГО
ГАЗОПРОВОДА
Ю.И. Виноградов, С.В. Хохлов, С.Т. Соколов
Описаны эксперименты по созданию модельного трубопровода, созданного для определения уровня сейсмического воздействия на него при производстве буровзрывных работ. Проведён детальный анализ смещений грунта и смещений, вызванных в модельном трубопроводе при воздействии сейсмовзрывной волны. Показаны особенности проведения сейсмического мониторинга при ведении взрывных работ в непосредственной близости от действующего газопровода.
Ключевые слова: сейсмобезопасность, коэффициент сейсмичности, коэффициент затухания, скорость смещения грунта, газопровод, регистрация сигнала, измерительная аппаратура, методика расчета, сейсмовзрывная волна, параметры буровзрывных работ.
При строительстве дополнительной ветки газопровода она обычно прокладывается в створе уже существующего, это объясняется снижением капитальных затрат. Причем расстояние между строящимся газопроводом и действующим составляет порядка (15-20 метров). В качестве примера можно привести строительство 2-й ветки Северо-Европейского газопровода (СЕГ) "Nord Stream".
В ходе строительства таких газопроводов, когда траншею под трубопровод необходимо проходить в крепких скальных породах, альтернативы буровзрывному способу, к сожалению, не существует. Поэтому всегда есть опасность нарушения целостности действующего газопровода либо разлетом кусков горной породы, либо воздействием ударно-воздушных волн, либо сейсмическими волнами. Что касается первых двух непроизводительных форм механической работы взрыва, то практика использования буровзрывных работ (БВР) в строительстве нашла эффективные способы защиты - это различные виды укрытий. Однако защита действующего трубопровода, проложенного в крепких скальных породах, от сейсмического воздействия только одна - это вариация параметров буровзрывных работ, а именно масса одновременно взрываемого заряда и интервал замедления между группами зарядов. Причем оценка сейсмического воздействия определяется по скорости смещения горных пород в основании или перед охраняемым наземным сооружением (газопроводом). Обычно эту скорость определяют по формуле М.А. Садовского [1 - 3]
V = K с
R
(1)
где V - допустимая скорость смещения горных пород в основании охраняемого сооружения, см/с; Q - масса одновременно взрываемого заряда ВВ, кг; R - расстояние от места взрыва до охраняемого объекта, м; n - коэффициент затухания сейсмовзрывных волн; Kc - коэффициент условий взрывания (сейсмичности).
Для большинства сооружений и типов горных пород допустимые скорости смещения определены [1]. Для трубопроводов, к сожалению, эти смещения могут быть приблизительно оценены только расчетными методами [4 - 8].
Но даже, если допустимая скорость смещения для трубопроводов определена, прямую оценку действия взрывных работ на трубу действующего газопровода можно осуществить только инструментальным методом измеряя параметры сейсмовзрывных волн (ускорение, скорость, смещение частиц среды) в горных породах, вмещающих этот трубопровод. Поэтому согласно положениям единых правил безопасности (ЕПБ) [9] при ведении взрывных работ вблизи важных объектов следует проводить сейсмический мониторинг. Это необходимо делать из-за вероятных нарушений технологии буровзрывных работ, а именно:
- занижения установленных интервалов замедления между ступенями;
- нарушения схемы монтажа взрывной сети;
- завышения массы заряда на ступень замедления.
Естественно, при проведении такого мониторинга для подземных
трубопроводов существуют свои особенности, которые необходимо учитывать при разработке методики измерения. Выявлению и учету этих особенностей были посвящены нижеизложенные исследования.
C целью контроля уровня сейсмического воздействия на существующий газопровод и при необходимости корректировки параметров производимых БВР при производстве взрывных работ на участках строительства Северо-Европейского газопровода (СЕГ) «Nord Stream» вёлся сейсмический мониторинг (2011 - 2012 гг).
Для определения поправочного коэффициента, определяющего затухание скорости смещения грунта в сейсмовзрывной волне (СВВ) и зависящего от ряда параметров, используемого в дальнейшем при мониторинге, предварительно был поставлен полномасштабный эксперимент. Суть эксперимента заключалась в создании физической модели существующего газопровода, пролегающего в скальной породе, и в измерении сейсмических воздействий, оказываемых на него при взрывании различных зарядов в непосредственной близости.
Созданная модель представляет собой отрезок стального трубопровода (длина 11,6 м; диаметр трубы 1,22 м; толщина стенки 17,8 мм; масса 6,2 т; класс прочности К60), уложенный в траншею стандартных размеров с выполнением всех требований, обусловленных действующими нормами
297
и стандартами при строительстве подземных газопроводов [10] по аналогии с существующим газопроводом (рис. 1, 2). Один борт модельной траншеи выбирался в зоне сильно трещиноватых гранитов, залегающих на практически монолитных гранитах. Другой борт траншеи был создан путём отсыпки песка и супеси для обеспечения преимущественного распространения сейсмовзрывных волн вдоль границы монолитных гранитов.
4000
5000
Рис. 1. Поперечный разрез
Условные обозначения:
- скважина 0=102 мм;
- датчик высокочастотный 3-х компонентный Instantel (Канада);
граниты монолитные; граниты трещиноватые; песок, супесь;
- отсев (песчаная подушка);
(Т1аТ2)П"3; - точки измерения (перед трубой, в трубе, за трубой).
Скважинные заряды располагались на разном расстоянии от модельной трубы (рис. 3):
I - калибровочный заряд (использовался для настройки измерительной аппаратуры), взрыв одиночного заряда - 14,4 кг;
II - короткозамедленное взрывание 6 скважинных зарядов одинаковой массы с поскважинным замедлением 55 мс - 14,4 кг х 6 = 86,4 кг;
III - мгновенный взрыв 3 скважинных зарядов -14,4+10,9+7,4кг= =32,7 кг;
IV - взрыв одиночного скважинного заряда - 14,4 кг.
Рис. 2. Труба, подготовленная к эксперименту. Геологические слои
Для измерения параметров сейсмовзрывных волн была задействована следующая электронная аппаратура:
сейсмостанция Blastmate III с двумя трёхосными датчиками (пропускная способность 2 - 300 Hz), устанавливаемыми в измерительных точках T1 и T3 (рис. 1, 3);
сейсмостанция Minimate Plus с трёхосным датчиком (пропускная способность 2 - 300 Hz), устанавливаемым в точке T2 (рис. 1, 3).
Основной целью проводимого эксперимента являлось получение данных о затухании колебаний грунта в СВВ с расстоянием и определение поправочного коэффициента для мониторинга БВР с поверхностным размещением датчика.
Результаты измерений скорости смещения в 3 точках от 4 взрывов приведены в таблице параметров опытных взрывов (табл. 1), где v - измеренное значение суммарного вектора скорости смещения грунта (PVS) с помощью Blastmate III или Minimate (пиковый вектор суммы); R - расстояние от взрывной скважины (середины линии, соединяющей взрывные скважины) до соответствующей точки измерения.
Используя результаты, полученные эмпирическим путём (табл. 1), был рассчитан коэффициент затухания колебаний в СВВ с расстоянием. Из табл. 1 видно, что при поверхностном расположении датчика, установленного между существующей охраняемой трубой и эпицентром взрыва (горизонтальное расстояние от поверхностного датчика до оси трубы 5 м), значение суммарного вектора скорости (PVS) на поверхности (точка измерений T1) минимум в 3 раза выше значения скорости в трубе (точка измерений T2).
Исходя из того, что распространение СВВ при первом взрыве происходило в неповреждённой породе и при данных условиях ведения БВР коэффициент затухания был минимальным, полученный понижающий ко-
эффициент (значение = 3) следует принять в качестве рекомендованного значения оценки сейсмического воздействия на заглублённый объект при ведении замеров воздействия СВВ с наземным расположением фиксирующей аппаратуры.
,1000,1000,1000,1000,1000,
2300
о о см ■я-
%
СМ ЗЬсьЧ)^
-еэ-ЕНР-
СМЗ(о
:ь 1)
3000
700
700
(ось X)
2100
IV
датчик 1
" = 2.90 м!
5300
= 0.00
датчик 2
|П = - 0.60 м1
Рис. 3. Схема расположения сейсмических датчиков,
трубы и зарядов
Таблица 1
Таблица распределения скоростей
Взрыв № Общая масса ВВ, кг Точка Т1 Точка Т2 Точка Т3
V, мм/с Я, м V, мм/с Я, м v,мм/c Я, м
1 14,4 183 10,2 60,2 15,2 46,1 19,2
2 86,4 221 15,9 40,5 20,9 29,4 24,9
3 32,5 364 9,8 99,7 14,8 63,2 18,8
4 14,4 291 6,6 49,0 11,6 26,7 15,6
Второй эксперимент по определению коэффициентов сейсмичности и затухания, а также соотнесение параметров СВВ на поверхности к параметрам СВВ на глубине заложения трубы был проведен в аналогичных условиях при реконструкции газопровода.
С этой целью 8.10.2018 г. было организовано 5 экспериментальных взрывов одиночных зарядов ВВ, массой 1 кг. Расстояние от места взрыва до нахождения измерительной аппаратуры составляло от 3 до 25 метров (рис. 4, 5).
Для измерений использовались сейсмостанции (сейсмографы) Zet 048-C №2156, Blastmate III и Minimate plus. Поверхностные датчики - высокочастотный 3-компонентный Instantel (Канада) - 3 штуки, углубленные датчики - однокомпонентный пьезодатчик (Россия) - 4 штуки.
Ориентировочные значения коэффициента затухания (n=2,4) и коэффициента сейсмичности (Kc=546), полученные при мониторинге строительства Северо-Европейского газопровода в Выборгском районе Ленинградской области, были проверены и пересчитаны для условий строительства данного газопровода. Анализ результатов экспериментальных взрывов позволил сделать вывод, что данные эксперимента для расстояний 13 - 25 метров дают хорошую сходимость с расчетными данными при значениях коэффициентов затухания и сейсмичности, равных 2,2 и 542 соответственно (табл. 2).
Имитация действующего газопровода
0,5. м
0,5м 0,5. м
взрывные
скважины
(глубина 2 м),
масса заряда 1 кг,
ВВ — нитронит,
укрытие площади
взрывания - песок
(высота 1.5 м)
А-А
скважины
Рис. 4. Схема расположения измеряемой аппаратуры и взрывных скважин
301
Рис. 5. Подготовка эксперимента
Таблица 2
Распределение скоростей (горизонтальная составляющая -Long)
№ Расстояние до датчика, м Экспериментальное значение скорости колебаний, мм/с Расчетное значение скорости колебаний, мм/с Погрешность, %
1 13 19,8 19,20 3
2 16 9,39 12,16 22
3 17 9,6 10,64 10
4 19 9,3 8,33 10
5 20 6,9 7,44 7
6 22 6 6,03 1
7 25 3,9 4,56 14
Измерение ускорений колебания частиц массива горных пород в зависимости от глубины расположения датчиков (рис. 6) показало, что ускорение колебания частиц массива на поверхности превышает ускорения колебаний частиц массива на глубине 2 метра в 3-4 раза (табл. 3).
Рис. 6. Схема расположения углубленных датчиков
302
Таблица 3
Распределение ускорений колебания частиц массива_
№ Номер датчика Глубина, м Значение ускорения
1 №1 2 0,12 g
2 №2 2 0,13 g
3 №3 1 0,22 g
4 №4 1 0,26 g
5 №5 (поверхностный) 0 0,49 g
Проведённый анализ результатов экспериментов по измерению сейсмического воздействия от взрывов на подземный трубопровод позволяет сделать следующие выводы:
- при проведении сейсмического мониторинга устанавливать датчики необходимо на поверхности земли на расстоянии 5 метров от оси действующего газопровода в сторону взрыва;
- фиксирование скорости (ускорения) смещения грунта на поверхности как минимум в 3 раза выше этих значений на глубине 2 метра;
- коэффициенты сейсмичности и затухания для разных физико-механических свойств горных пород свои и должны быть определены экспериментально по опытным взрывам.
Список литературы
1. Садовский М.А. Простейшие приемы определения сейсмической опасности массовых взрывов. М. -Л. АН СССР. 1946. 47 с.
2. Медведев С.В. Сейсмика горных взрывов. М. Недра. 1964. 234 с.
3. Господариков А.П., Выходцев Я. Н., Зацепин М.А. Математическое моделирование воздействия сейсмовзрывных волн на горный массив, включающий выработку // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 405 - 411.
4. Методическое руководство по оценке сейсмического действия взрывов на карьерах КМА // A.M. Мухаметшип, М.В. Яковлев, Б.Б. Кузь-менко, И.Б. Кузьменко / НИИКМА Центргипроруда. Губкин. 1984. 87с.
5. Мазур И.И., Иванцов О.М. Безопасность трубопроводных систем. М. ИЦ «ЕЛИМА». 2004. 104с.
6. Методика оценки остаточного ресурса элементов трубопроводной обвязки компрессорных станций. М. ВНИИГАЗ. 2001. 53 с.
7. Сейсмика промышленных взрывов. // Взрывное дело. №85/42. М.: Недра, 1983.
8. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строительстве (ООО «Гидроспецпроект», АФ «Гидроспецстрой»). М. Институт Гидропроект, 1997. 232 с.
9. Единые правила безопасности при взрывных работах. 2018.
10. СТО Газпром 2-2.1-249-2008. Магистральные трубопроводы. М. ООО «ВНИИГАЗ». 2008.
Виноградов Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., vinogradov_ ji@pers.spmi .ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Хохлов Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., khokhlov_sv@pers. spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Соколов Семен Тарасович, асп., setkca@rambler.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
FEATURES OF SEISMIC MONITORING BY EXPLOSIVE WORKS NEAR EXISTING
GAS PIPELINE
Yu.I. Vinogradov, S.V. Khokhlov, S.T. Sokolov
The article describes experiments to create a model pipeline for determinng the level of seismic impact on it in the production of drilling and blasting operations. A detailed analysis of the soil displacements and displacements caused in the model pipeline under the influence of a seismic blast wave was carried out. The features of the seismic monitoring during blasting operations in the immediate vicinity of the existing gas pipeline are shown.
Key words: seismic safety, seismicity coefficient, attenuation coefficient, soil displacement rate, gas pipeline, signal recording, measuring equipment, calculation method, seismic blast wave, parameters of drilling and blasting.
Vinogradov Juriy Ivanovich, PhD, Doctnt, vinogradov_ ji@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Khokhlov Sergei Vladimirovich, PhD, Docent, khokhlov_sv@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Sokolov Semen Tarasovich, Postgraduate Student, setkca@,rambler.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
Reference
1. Sadovskij M.A. Prostejshie priemy opredeleniya sejsmicheskoj opasnosti masso-vyh vzryvov / M.A. Sadovskij. M.-L.: AN SSSR, 1946. 47 s.
2. Medvedev S.V. Sejsmika gornyh vzryvov. M.: Nedra, 1964.
3. Gospodarikov A.P., Vyhodcev YA.N., Zacepin M.A. Matematicheskoe modeliro-vanie vozdejstviya sejsmovzryvnyh voln na gornyj massiv, vklyuchayushchij vyrabotku // Zapiski Gornogo instituta. 2017. T. 226. S. 405-411.
4. Metodicheskoe rukovodstvo po ocenke sejsmicheskogo dejstviya vzryvov na kar'erah KMA / A.M. Muhametship, M.V. YAkovlev, B.B. Kuz'menko, I.B. Kuz'menko / NIIKMA Centrgiproruda.-Gubkin, 1984. 87s.
5. Mazur I.I., Ivancov O.M. Bezopasnost' truboprovodnyh system. M.: IC «ELIMA», 2004. 104s
6. Metodika ocenki ostatochnogo resursa ehlementov truboprovodnoj obvyazki kom-pressornyh stancij. Moskva, VNIIGAZ, 2001. 53 s.
304
7. Sejsmika promyshlennyh vzryvov. Sb. «Vzryvnoe delo» №85/42. M.: Nedra,
1983.
8. Tekhnicheskie pravila vedeniya vzryvnyh rabot v ehnergeticheskom stroitel'stve (OOO «Gidrospecproekt», AF «Gidrospecstroj»). M.:Institut Gidroproekt, 1997. 232s.
9. Edinye pravila bezopasnosti pri vzryvnyh rabotah. 2018.
10. STO Gazprom 2-2.1-249-2008 «Magistral'nye truboprovody». M.: OOO «VNII-GAZ». 2008.
УДК 622.831.1
ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛИ ОПОРНОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ЗОН ПЛАСТА «БАЙКАИМСКИЙ»
В.О. Торро, А.В. Ремезов, Е.В. Кузнецов
В настоящее время для предприятий по подземной добыче угля актуальным является решения проблемы сохранения ранее пройденных выработок, находящихся в зоне влияния действующего очистного забоя, и одновременно испытывающих давление от взаимного влияния, то есть расположенных в сложных зонах. В этой связи, целью работы является обоснование модели формирования опорного давления и определения его параметров для сложных зон. Такая модель позволит определить действительную величину горного давления, возникающего в этих зонах. Что будет способствовать принятию действенных решений при определении достаточности прочностных параметров используемого очистного комплекса, достаточности прочностных параметров применяемого типа крепи при проведении выработок в сложных зонах, технологических и организационных параметров ведения подготовительных и очистных работ.
Ключевые слова: очистной забой, горная выработка, активная зона, взаимное влияние, параметры опорного давления, сложная зона, напряжённое состояние массива, своды напряжений, нагрузка на крепь, грузовая площадь.
Одним из вопросов, требующих серьёзного изучения в связи с его актуальностью, является вопрос определения характера формирования и параметров опорного давления, возникающего впереди очистного забоя при движении его на ранее пройденные, взаимовлияющие горные выработки (сложные зоны). Можно предположить, что в этом случае формируется дополнительный эффект пригрузки, вызванный наложением опорного давления, возникающего при движении очистного забоя, на участок массива, где уже имеет место изменение его напряжённого состояния, произошедшее за счёт взаимного влияния ранее пройденных выработок.
На базе существующих теорий о проявлении горного давления [1 - 22] и результатов выполненных исследований [23] разработана схема расчета параметров опорного давления в сложных зонах пласта «Байкаим-ский» шахты «им. 7 ноября» «ОАО СУЭК-КУЗБАСС». Например, в зоне взаимного влияния очистного забоя, конвейерного и путевого уклонов
