CC BY
54
массиве пород в результате ведения крупномасштабных горных работ. Разработанная методика позволяет проводить оценку изменений НДС массива, дифференцировать его по типам средних механизмов сейсмических событий и определять преимущественное направление движений выделенных тектонических блоков, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. При исследовании слабых толчков, когда отмечаются четкие первые вступления объемных волн, разработанная методика весьма эффективна.
На основе проведенных исследований возникла необходимость разработать дополнительные рекомендации по проведению мониторинга сейсмичности Хибинского массива. Эти рекомендации заключаются в следующем. Мониторинг сейсмично-
сти зон ведения горных работ на месторождениях Хибин основывается на сборе и анализе фактических данных (магнитуд, энергий, координат эпицентров, глубин очагов землетрясений, геолого-геофизических и геоме-ханических характеристик среды). По анализу данных производится оценка параметров напряженного состояния исследуемого участка массива и механизмов зарегистрированных событий, выявления основных закономерностей размещения очагов произошедших и будущих землетрясений в пространстве. Результатом такого анализа является составление карты сейсмического районирования в шкале баллов с учетом повторяемости землетрясений. Для этого необходимо решить целый ряд задач:
Уточнить скоростные модели массива.
Проводить ретроспективный анализ механизмов очагов сейсмических событий.
Проводить дальнейшее изучение техногенной сейсмичности, возникающей в результате отработки месторождений, и связанной с этим, выемки больших объемов пород.
На основе полученных данных, построить карту сейсмического районирования территории и прогнозной оценки возможных мест, величины и повторяемости землетрясений.
Результаты проведенных исследований могут быть в дальнейшем применены к прогнозу параметров техногенных землетрясений и горно-тектонических ударов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Трусделл К Первоначальный курс рациональной меха- Федотова Ю.В. Методика и результаты анализа сейсмич-
ники сплошных сред. - М.: Мир, 1975. 592 с. ности на Кольском геодинамическом полигоне // Вторая
Юнга С.Л. Методы и результаты изучения сейсмотекто- Уральская молодежная научная школа по геофизике. Сборник
нических деформаций. - М.: Наука, 1990. - 191с. докладов. - Пермь: ГИ УрО РАН, 2001. С. 168-174.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------------------------
Федотова Ю.В. - кандидат технических наук, Горный институт Кольского Научного центра Российской Академии наук (ГИ КНЦ РАН).
Козырев А.А. - доктор технических наук, ГИ КНЦ РАН.
Юнга С.Л. - доктор физико-математических наук, Объединенный институт физики Земли Российской Академии наук.
© Л.С. Воробьева, А.М. Мухаметшин, 2002
УЛК 622.235.012.3:622.862.1
Л.С. Воробьева, А.М. Мухаметшин
ОПЕНКА БЕЗОПАСНЫХ ПАРАМЕТРОВ УААРНОЙ ВОЗЛУШНОЙ ВОЛНЫ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ НА ПРИМЕРЕ МЕЛЬНИЧНО-ПАЛЕНИХИНСКОГО КАРЬЕРА
реобладающее распространение в добыче многих полезных ископаемых находит открытый способ разработки как наиболее производительный, дешевый и безопасный.
Основными направлениями развития открытого способа разработки является увеличение мощности карьеров, применение высокопроизводительного оборудования, увеличение объемов взрывных работ.
Обеспечение сохранности от разрушения зданий и сооруже-
ний, расположенных в зоне сейсмического и ударно-воздуш-ного воздействия, является одной из важнейших проблем.
В 1992 г. на Мельнично-Паленихинском карьере
Пбыли выполнены исследования по безопасному на действие ударной воздушной волны (УВВ) взрыванию. В связи с приближением взрывных работ к жилым массивам участились случаи повреждения остекления жилых домов г. Сатки. Поэтому целью данной работы явилась разработка безопасной технологии ведения взрывных работ на этом карьере по действию УВВ на г. Сатку.
Формирование и распространение УВВ при взрывах на карьерах представляет сложный физический процесс. Интенсивность УВВ обуславливается массой заряда взрывчатого вещества (ВВ), расстоянием, заглублением заряда, направлением детонации, интервалом замедления, удельным расходом. Одним из основных факторов, определяющих интенсивность УВВ, являются метеорологические условия. Скорость волны с расстояний, на которых скорость УВВ снижается до скорости звука в воздухе, зависит от температуры воздуха, направления и скорости ветра, влажности, а также от встречающихся на пути волны преград (строения, деревья, неровности местности).
Одним из самых неблагоприятных условий проведения взрыва является наличие инверсии скорости звуковых волн, когда скорость звуковых волн с высотой сначала на некотором расстоянии уменьшается, а затем увеличивается на таком же расстоянии и, наконец, уменьшается вновь. Подобный тип инверсии воздушных волн наблюдался при производстве массового взрыва 22 мая 1990 г. на карьере Южного рудоуправления в г. Асбесте. В результате воздействия УВВ в различных районах города было повреждено остекление в жилых домах и учреждениях (по результатам исследований под рук. М.И. Картузова).
На распространение УВВ оказывает влияние изменение температурного градиента с высотой. Неблагоприятные температурные градиенты обычно имеют место в течение 1 часа до захода солнца и около 1-2 часов после восхода солнца.
Зависимость давления на фронте УВВ от скорости ветра проявляется в меньшей мере, чем от воздействия температурных изменений, однако заслуживает внимания. В целом характер распространения УВВ определяется суммарным действием градиентов скоростей ветра и звука. Поэтому при прогнозировании УВВ следует, в качестве дополнительного фактора, учитывать влияние скорости ветра.
Влияние земной поверхности может оказаться существенным. Плавно направленные вверх склоны могут вызывать усиление УВВ, а склоны, направленные вниз, приведут к расширению волны и ослаблению удара. Эти эффекты локализуются вблизи местного изменения профиля и быстро ослабевают по мере удаления от неровности [1].
Короткозамедленное взрывание (КЗВ) скважинных и шпуровых зарядов существенно повышает эффективность взрыва для разрушения горных пород. Во многих случаях для ослабления УВВ приме-
няются рассредоточенное взрывание зарядов с интервалами замедления между ступенями:
’а/, (1) /Св
Т з;
где а - расстояние между рядами скважин, м; св -скорость воздушной волны, м/с/
Во избежание явления наложения и направленного действия УВВ при КЗВ интервал между группами прямолинейно расположенных зарядов должен выбираться из следующих условий:
при инициировании со стороны охраняемого объекта
Тзам Т
а
(2)
при инициировании в сторону охраняемого объекта
т = Т+а/ ’ (3)
V зим V / с
где Т - интервал действия положительной фазы УВВ.
Используя принцип "кубического корня", сформулированный Хонкинсоном и Кранцем [2] и взрыва в полигонных условиях (по результатам исследований под рук. М.И.Картузова) был оценен т+ от взрывов в карьере:
при взрывании сосредоточенного заряда
(4)
+ —0,164
+ = 24,9 х Я , мс
Тс
при взрывании ряда скважин
+ —0,164
т = 226 X Я , мс ь р
(5)
где Я - приведенное расстояние.
Для Я =10^180 м/кг1/3 соответственно имеем -+ = 32 + 48 мс Т = 36 + 53 мс
I р "С
Из формул (2) и (3) получили, что при инициировании от охраняемого объекта минимальный интервал замедления между группами зарядов т = 15 + 35 мс, при котором не происходит наложения фаз сжатия УВВ от отдельных групп взрывания. Параметры УВВ при таких интервалах замедления будут определяться массой заряда в ступени взрывания. Интервал замедления между группами зарядов т= 18 + 23 мс при инициировании в сторону охраняемого объекта самый неблагоприятный, т.к. происходит наложение импульсов от всех групп зарядов и параметры УВВ определяются общей массой ВВ взрыва. Минимальный интервал замедления между группами при инициировании в сторону объекта, когда не происходит наложение фаз сжатия УВВ составляет т> 50 + 70 мс. Такие интервалы в карьерах практически не применяются в связи с возможностью отказов.
Инструментальные наблюдения параметров УВВ были проведены на карьере при 20 взрывах с массой ВВ короткозамедленных взрывов до 20865 кг, на ступень взрывания до 1134 кг. Взрывание производилось порядное с замедлением между рядами 50 мс, 35 мс и внутрирядным 20 мс, 35 мс, поэтому интервалы замедления между ступенями взрывания
+
варьировались от 5 мс до 20 мс. Взрывание производилось с забойкой незаряженной части скважин отсевом.
Глубина взрывных скважин изменялась от 2 до 16,5 м, сетка скважин от 3x3 до 6x6 м, диаметр скважин - 220; 270 мм. Блоки на горизонте 385 м и ниже были частично или полностью обводнены. Расстояние от пунктов регистрации до взрывов варьировалось в пределах 90+675 м.
Для регистрации параметров применялись сейсмодатчики И001 с записью на светочувствительную фотобумагу с помощью шлейфового осциллографа Н-700. Параметры ударной воздушной волны регистрировались с помощью электродинамических датчиков давления типа ГД.
Максимальное избыточное давление АР=185 Па было зарегистрировано при взрывании шпуровых зарядов вторичного дробления на расстоянии 100+130 м при общей массе ВВ 120 кг. От массовых взрывов избыточное давление не превысило 132 Па.
По экспериментальным данным для взрываемых блоков, зависимость избыточного давления АР ударной воздушной волны от приведенного расстояния
Я была определена в диапазоне
20 < Я < 100 , кг/кг1/3
АР=1,4Х104ХЯ 16, (6)
где Я =
О - масса ВВ в ступени взрывания, кг; К - расстояние от ступени взрывания, м.
Разброс опытных данных обусловлен вариацией условий ведения взрывов (глубины взрывных скважин, интервалов замедления, направления взрывания и т.д.)
Зависимость (6) получена при фронтальном расположении взрываемого в одной ступени замедления ряда взрывных скважин к пункту регистрации и направлении детонации по блоку от пункта регистрации.
При фланговом расположении взрываемого в ступени ряда скважин и т = 35 мс зависимость имеет вид:
АК=0,68 X10 X Я 16 (7)
Интенсивность УВВ при взрывании зарядов ВВ в шпурах (дробление негабарита) и скважинах глубиной до 8 м в 2 раза выше, чем от взрывов блоков с глубиной скважин более 12 м. Особую опасность для остекления представляют массовые взрывы с одновременным взрыванием негабарита, подключенного к одной из ступеней. Так при взрыве на горизонте 349 величина коэффициента получена в 2 раза выше, чем при взрыве укороченных скважин или шпуровых зарядов дробления, а взрыв заряда ЗНК оказался эквивалентен взрыву 3 т ВВ на замедление. Положительная фаза УВВ характеризуется пологим нарастанием, длительность ее т+ для массовых взрывов находится в пределах 0,02+0,14 с. Совместное действие сейсмических и ударных воздушных волн одного взрыва на жилые здания возможно в случае, если длительность взрыва на предельном
контуре карьера более 1 с. В данном случае оказалось, что масштабы проводимых на Мельнично-Паленихинском карьере взрывов исключают наложение сейсмического и ударноволнового воздействия от одного взрыва.
Мерой оценки интенсивности воздействия взрывов на конструкции является избыточное давление или импульс положительной фазы УВВ. По инструментальным замерам на Мельнично-Паленихинском карьере было получено, что длительность фазы сжатия т+» 0,02+0,14. Следовательно, строительные конструкции и остекление при воздействии УВВ работают в переходном режиме от импульсного к ква-зистатическому, т.е. в динамическом режиме.
По М.А. Садовскому для остекления критическая величина избыточного давления на фронте УВВ 5,1 кПа. По другим данным критическое давление находится в пределах 0,1+3,5 кПа, причем минимальная величина относится к длинным волнам ядерного взрыва.
В режиме квазистатического приложения нагрузки деформации зависят только от амплитуды нагрузки и коэффициента жесткости конструкции. Остекление, как конструктивный элемент, имеет небольшой диапазон изменения коэффициента жесткости, поэтому при нагружении в квазистатическом режиме повреждение этих элементов должно находится в прямой зависимости от избыточного давления. Широкий диапазон критических давлений по литературным данным подтверждает, что остекление работает в более сложном - динамическом режиме, когда деформации определяются давлением и импульсом воздушной волны, а также жесткостью и массой конструкции. Стекла, закрепленные замазкой, разрушаются при более высоких величинах избыточного давления, т.е. использование замазки способствует увеличению жесткости конструкции, увеличению частоты собственных колебаний. Повреждения стекол, закрепленных по контуру замазкой, носят пробивной, проломный характер. Большая часть осколков стекла падает наружу. В стеклах, закрепленных гвоздями первоначальные повреждения наблюдаются в точках крепления, т.е. вызываются местными напряжениями под действием УВВ.
Поэтому, хотя нагружение остекления происходит в динамическом режиме, за меру оценки влияния взрывов на остекление принимаем избыточное давление.
Как следует из литературных источников [1, 3, 4] единичные случаи повреждения плохо закрепленных и составных стекол наблюдались при 620 Па. Размер стекол в жилых домах частного сектора небольшой. В связи с этим за допустимую и безопасную величину избыточного давления приняли 400 Па. Если избыточное давление 400 Па безопасно для остекления, значит оно может обеспечить сохранность и прочих более устойчивых к нагрузкам элементов жилых домов.
Расчет безопасного по действию УВВ расстояния при ведении взрывных работ на Мельнично-Паленихинском карьере производился исходя из зависимости (6) с учетом уровня надежности Р=0,95 прогноза вариации опытных данных по формуле:
R б
К *Кзаб*Ккзв*Км*3,6х10
[АР]
Гг'
(8)
Допустимая масса заряда на ступень взрывания определялась по формуле
(
Q оп. =
АР
V
К 'Кзаб'Ккзв'Км' 2,8*104
(9)
* R
где К - расстояние от взрыва до ближайших охраняемых объектов, м; [А/] - допустимое избыточное давление на фронте УВВ, Па (для остекления жилых
домов частного сектора АР=400 Па); кзаб - коэффициент забойки (при взрывании без забойки кзаб=2, с забойкой кзаб=1); к - коэффициент заглубленности заряда ВВ (при глубине 12 и более метров к=1, менее 12 м - к=2, накладные(открытые) заряды - к=8); ккзв - коэффициент интервала замедления в зависимости от ориентации взрываемого в замедлении ряда относительно охраняемого объекта (фронтальное - ккзв=0,5; 0,7; 1; 20, фланговое - ккзв=0,3; 0,5; 1; 2 с интервалом замедления тзам=50; 35; 20; 10 соответственно); км - коэффициент, учитывающий влияние метеусловий на интенсивность УВВ (инструментальные замеры параметров УВВ проводились в осенний и весенний периоды года, поэтому для этого диапазона температуры км=1).
В формуле (9) принято направление детонации по блоку от охраняемого объекта. В случае направления детонации по блоку в сторону охраняемого объекта по формуле (9) определяется общая масса ВВ заряда.
В табл. 1 и 2 приведены допустимые массы зарядов на ступень взрывания по действию УВВ на остекление жилых домов г. Сатки при направлении детонации от домов или фланговом расположении взрываемого в замедлении ряда скважинных зарядов и без забойки скважин.
Допустимая масса заряда ВВ в ступени взрывания Ост по действию УВВ на остекление жилых домов г. Сатки (т=20мс, Нске^12м) без забойки скважин. Таблица 1
Расстояние,м 300 350 400 500
Ост t<-10°C -100C< t < 5oC t > 5oC 1000 1600 3000 1550 2500 4900 2300 3700 7000 4500 7000
Цейтлин Я.И, Смолин H.H. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. - М.: Недра, 1981 - 192 с.
Взрывные явления. Оценка и последствия: в 2-х кн. Пер с анг./Бейкер У., Уэстмайн П. и др.: Под ред. Я.Б. Зельдовича - Б.Е. Гельфанда. - М.: Мир. 1986.
Допустимая масса заряда ВВ в ступени взрывания Ост для остекления жилых домов без забойки скважин (т =20 мс, Нскв< 12 м)
Таблица 2
Расстояние, м 300 350 400 500
Ост t<-10oC -10oC< t < 5oC t >5oC 300 430 620 450 700 980 640 1030 1470 1230 2000 2900
При направлении детонации по блоку на жилые районы по табл. 1 и 2 определяется общая масса заряда ВВ.
Заключение
Исследование действий ударной воздушной волны на остекление были проведены при 20 взрывах с массой ВВ короткозамедленных взрывов до 20865 кг, на ступень взрывания до 1134 кг.
1. По результатам экспериментальных исследований была определена зависимость избыточного давления ударной воздушной волны от массы заряда в одной ступени взрывания и безопасного по действию УВВ расстояния. Было установлено, что интенсивность УВВ от накладных кумулятивных зарядов в 27 раз, шпуровых зарядов и зарядов в скважинах глубиной менее 12 м до 2 раз меньше, чем от взрывания в скважинах глубиной более 12 м при производстве массовых взрывов в карьере.
2. По данным исследований была получена величина допустимого избыточного давления для остекления жилых домов равная 400 Па.
3. Была дана методика расчета допустимых зарядов в зависимости от безопасного по действию УВВ расстояния, условий взрывания в очаге, допустимого избыточного давления, метеусловий.
4. По результатам исследований была рекомендована фланговая к объекту ориентация взрываемых в ступени замедления рядов и детонация по блоку от охраняемого объекта.
5. На основе исследований были рассчитаны безопасное расстояние и допустимая масса заряда на ступень взрывания по действию УВВ на остекление жилых домов г. Сатки, при ведении взрывных работ на Мельнично-Паленихинском карьере.
Воробьева Л. С., Мухаметшин АМ, Яковлев М.В. Исследования и оценка сейсмического воздействия промышленных взрывов на антропогенную среду.// Проблемы геотехнологии и недроведения. (Мель-никовс-кие чтения). Доклад Между-нар. конф., 6-11 июля 1998 г. - Екатеринбург: УрО РАН, 1998, С. 337.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Воробьева Л.С., Мухаметшин AM. Сейсмическая безопасность жилых зданий и сооружений от взрывных работ на действующих предприятиях в условиях городской застройки. //Горная геофизика: Материалы Меж-дунар. конф. - СПб., ВНИМИ, 1998 г.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мухаметшин Анатолий Матвеевич - доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией горной геофизики Института Горного дела Уральского отделения Российской академии наук (ИГД УрО РАН),
Воробьева Лариса Сергеевна - стажер-исследователь ИГД УрО РАН, горный инженер.
