CC BY
18Раздел 2. Региональные проблемы природопользования и строительства
УДК 550.348.4
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ МАССОВЫХ КОРОТКОЗАМЕДЛЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВОВ В РАЗЛИЧНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ КРЫМА
Скляр А. А., Останин А.М.
Институт сейсмологии и геодинамики (структурное подразделение), ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет
им. В.И. Вернадского»,
295000, г. Симферополь, ул. Студенческая 3. е-тай Smr.sklar@gmail.com
Аннотация: Представлены результаты работ по оценке сейсмических воздействий при проведении промышленных короткозамедленных взрывов на территории Крыма. Проведен сравнительный анализ сейсмических воздействий промышленных взрывов в различных инженерно-геологических условиях на здания и сооружения находящиеся в непосредственной близости от эпицентра.
Ключевые слова: Короткозамедленный взрыв; промышленный взрыв; оценка сейсмической интенсивности.
ВВЕДЕНИЕ
Сейсмическое воздействие промышленных взрывов является значимым геоэкологическим фактором при открытом способе разработки полезных ископаемых. Интерес к этой проблеме определяется, прежде всего, необходимостью обеспечения безопасности ведения горных работ в районе размещения различных зданий, сооружений и жилых домов. При постоянно ужесточающихся требованиях к охране окружающей среды необходим детальный анализ и мониторинг геоэкологических эффектов промышленных взрывов для снижения негативного влияния разработки полезных ископаемых на среду обитания.
В настоящий момент на территории Крыма находится около 70 действующих и порядка 20 проектируемых карьеров. Только в 2015 году сейсмическими станциями, работающими на полуострове, было зафиксировано порядка 70 взрывов различной мощности из различных карьеров. Сейсмические колебания от наиболее сильных взрывов зарегистрированы сетью станций на расстояниях более 50 км.
АНАЛИЗ СВЕДЕНИЙ О СЕЙСМИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ ВЗРЫВОВ
В настоящее время общепризнанным критерием оценки сейсмической опасности взрывов является скорость колебания частиц грунта V [1]:
V = А • (2 л/ Т) (1)
где А, Т - амплитуда и период колебаний соответственно.
Сейсмический эффект массовых взрывов в значительной степени зависит от производства взрывных работ: веса, расположения и глубины заложения заряда, вида ВВ (взрывчатых веществ), направления детонации, конструкции заряда и забоя, геологических условий участка взрывных работ.
Для вычисления скорости колебаний грунтов при мгновенных взрывах используется формула [2]:
V = к х а^О / г3 (2)
где к - коэффициент, равный 200; а - коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва; О - вес заряда в кг; г - расстояние между пунктами взрыва и регистрации.
Скорость колебаний и сейсмическая энергия мгновенных взрывов увеличивается до глубины полного камуфлета и при дальнейшем увеличении глубины заложения снижается [3, 4]. Увеличение скорости колебаний отмечается в направлении детонации, а также при использовании более мощных ВВ заряда [3 - 5].
Сейсмический эффект короткозамедленных взрывов зависит, в основном, от числа замедляемых групп «п» и интервала замедления «т». Считается установленным, что сейсмическое воздействие взрывов снижается с увеличением числа замедляемых групп и может быть оценено по формуле:
,/ТП (3)
где акзм - сейсмический эффект короткозамедленного взрыва; амгн - сейсмический эффект мгновенного взрыва; п - число групп замедления.
Интервал замедления в данной формуле не учитывается и, таким образом, формула, по существу, определяет воздействие замедленных, а не короткозамедленных взрывов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель работы - оценка вариаций сейсмической интенсивности при проведении промышленных взрывов для зданий и сооружений в различных инженерно-геологических условиях на основании анализа результатов инструментальных сейсмологических исследований.
Задача: обобщение и анализ результатов исследований по оценке сейсмической опасности массовых короткозамедленных взрывов проведенных в различных промышленных карьерах на территории Крыма.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В разное время Институтом сейсмологии и геодинамики (структурное подразделение КФУ им. В.И. Вернадского) проводились работы по оценке интенсивности сейсмических воздействий массовых взрывов на территории Крыма. В данной статье приводятся результаты исследований по оценке интенсивности сейсмического воздействия массовых короткозамедленных взрывов произведенных:
- в скважинах южного борта Шархинского карьера, 22 июня 2004 года (Шарха);
- в камнедобывающем карьере, расположенном в 3,5 км к юго-востоку от плотины Тайганского водохранилища 17.08.2007 года (Тайган);
- в карьере строящегося цементного завода на здания и сооружения в районе города Керчь, 13.11.2012 года (Керчь);
- в карьере «Курцы», 17.08.2016 года (Курцы).
Регистрация взрывов осуществлялась цифровыми сейсмическими станциями 8БЛ8, изготовленными в Институте геофизики НАН Украины [6]. При записи взрывов 1 и 2 использовались маятниковые сейсмометры СМ-3КВ, при записи взрывов 3 и 4 - модифицированные сейсмометры ВЭГИК, снабженные калибровочными катушками. Динамический диапазон станций составляет 120 дб, частота квантования сигнала - 100 отсчетов в секунду. Экспериментальная проверка идентичности каналов и определение соотношения между записью в единицах АЦП и «истинным» движением земной поверхности выполнена на вибрационной поверхности по методике, изложенной в [6]. Погрешность взаимной идентификации каналов не превышала 12%.
При выполнении полевых исследований в каждом пункте наблюдений были установлены трехкомпонентные сейсмические станции, регистрировавшие скорость смещения дневной поверхности в трех взаимоперпендикулярных направлениях.
Оценка сейсмической опасности взрыва осуществлена на основании сейсмической шкалы балльности взрывов (табл. 1), предложенной С.В. Медведевым [7].
Таблица 1. Шкала балльности взрывов [7]
I в баллах 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-
12
V, см/с 0.2 0.2-0.4 0.4-0.8 0.8-1.5 1.5-3.0 3.0-6.0 6.0-12.0 12.0-24.0 24.0-48.0 48.0
По записям взрыва для каждой компоненты с учетом амплитудно-частотных характеристик сейсмометрических каналов были определены амплитуды смещений Атах и соответствующие им периоды колебаний Т или частота^ Затем по формуле (1) определены максимальные скорости колебания.
Взрыв 22.04.2004 г. (Шарха)
Карьер Шархинского месторождения строительных материалов расположен в 10 км к юго-западу от г. Алушты, в 1,0 км к северо-востоку от с. Запрудное, на южном склоне горы Шарха. Согласно геоморфологическому районированию территория месторождения находится в районе Южного склона главной гряды Крымских гор со сложным низкогорным эрозионно-холмистым рельефом, для которого характерно наличие узких извилистых полого-холмистых водоразделов, вытянутых от подножия яйлы к берегу моря, развитых в глинистых породах таврической серии. Водоразделы с поверхности перекрыты гравитационными и делювиальными шлейфами глыбовых, щебнистых и суглинистых отложений различной мощности, включающие смещенные массивы и блоки верхнеюрских пород. Овражная сеть характеризуется глубоко врезанными У-образными балками с крутыми склонами, осложненными оползневой деятельностью. По геоструктурному положению территория находится в пределах Туакского поднятия, на его юго-западном погружении. Тектоническое строение этого района осложнено воздействием наложенных процессов, связанных с влиянием Центрально-Крымского глубинного разлома, выраженного здесь интенсивным смятием пород
таврической серии и активизацией интрузивной деятельности. В геологическом строении месторождения участвуют гранодиорит-порфириты среднеюрского возраста представляющие собой интрузивный массив, выступающий на 50 м из-под толщи коренных флишевых пород таврической серии в виде асимметричного купола диаметром 500-600 м.
Взрыв 22.06.2004 г. в карьере «Шарха» зарегистрирован в двух пунктах, расположенных на участке расположения газопровода высокого давления Алушта-Ялта, на расстоянии около 840 м от пункта взрыва (рис. 1). Один из пунктов наблюдений размещался в пределах оползня, второй - на выходах коренных пород.
По данным «Крымвзпрывпрома» общее количество ВВ на взрыв составило 2=10627 кг. Максимальный заряд на одну ступень замедления - О/п = 349 кГ.
ЕЗ ■ гР...... ™рир. Условные обозначения
, I ЧТ Плип отрыто
[ ^^ | I [IIIIIII и Г П|ШП| II 1.11111 |!| I_Л_I >
Г™-1 - || ПК I Ы ННСфУМРШ 11.1ЬНЫ1
ГйщцАимыьнйгоАпшл* I ** I няблмлстИ
Рис. 1. Схема сейсмологических наблюдений взрыва 22.06.2004 г. В карьере Шарха.
Рис. 2. Велосиграммы взрыва 22.06.2004г. на разных составляющих записи Я (Е"" 2), в пунктах наблюдений: А - оползень, В - коренные породы.
Таблица 2.
Характеристики сейсмических воздействий вз рыва 22.06.2004г. в пунктах наблюдений 1 и 2.
№ пункта г, м. Я Г, Гц V, см/с I, балл
Е" 4.1 0.041 <1
1 840 № 3.8 0.056 <1
2 7.1 0.030 <1
Е" 4.1 0.027 <1
2 840 № 3.3 0.058 <1
2 4.1 0.026 <1
Взрыв 17.08.2007 г. (Тайган)
Массовый взрыв был произведен в камнедобывающем карьере, расположенном в 3,5 км к юго-востоку от плотины (исполнитель взрывных работ «Крымвзрывпром»). Взрыв произведен в 84 скважинах глубиной 7-11 м. Взрыв короткозамедленный: число групп замедлений - 7, интервал замедлений - 20-25 миллисекунд. Общая масса заряда - 0=6800 кг.
Взрыв 17.08.2007 зарегистрирован в 6 пунктах непосредственно на гребне плотины Тайганского водохранилища (рисунок 3).
V •№[/ V о § Л* у-г 4» _Ж ~ п О ¡1 1 О г О ГЧ. IV Я^О. . о // ш
щ ч т?^ - * — р ^ У • о 1 ■
Условные обозначения 1-6 Ш - Пункты регистрации специального взрыва
Рис. 3. Схема расположения пунктов регистрации взрыва 17.08.2007 г.
Рис. 4. Велосиграммы взрыва 17.08.2007 г. на разных составляющих записи Я (Е"" N8, 2), в пунктах наблюдений: А - №3; В - №6;
Результаты расчетов максимальных скоростей колебаний и сейсмической интенсивности взрыва в пунктах наблюдений представлены в таблице 3.
Таблица 3.
Характеристики сейсмических воздействий взрыва 17.08.2007 г. в пунктах наблюдений 1 - 6
№ пункта г, м Я Г, Гц V, см/с I, балл
EW 0.013 1
1 3500 N8 1.8 0.015 1
Ъ 0.005 1
EW 0.017 1
2 3500 N8 2.5 0.018 1
Ъ 0.002 1
EW 0.019 1
3 3500 N8 3.0 0.021 1
Ъ 0.011 1
EW 0.015 1
4 3500 N8 2.5 0.018 1
Ъ 0.008 1
EW 0.020 1
5 3500 N8 2.5 0.017 1
Ъ 0.006 1
EW 0.011 1
6 3500 N8 1.8 0.012 1
Ъ 0.006 1
Взрыв 13.11.2012г. (Керчь)
Геоморфологически территория проектируемого строительства цементного завод в районе города Керчь представляет собой чередование обширных понижений (эрозионных долин, мульд) с холмисто-грядовыми положительными формами рельефа. Наиболее крупные отрицательные формы рельефа в этом районе -Керченская и Камыш-Бурунская мульды, к положительным относятся две скалистые гряды - Метридатский гребень и гребень Юз-Оба. По геоструктурному положению территория расположена на границе восточного погружения Мегантиклинория Горного Крыма и южного борта Индоло-Кубанского прогиба осложненного серией субширотных антиклинальных и синклинальных складок высокого порядка. Неогеновые отложения, слагающие крылья антиклинальных и ядра синклинальных складок представлены карбонатно-глинистыми, глинисто-карбонатными и песчано-глинистыми отложениями общей мощностью от 50 до 600-800 м. В геологическом строении района участвуют миоцен-плиоценовые терригенно-карбонатные отложения, практически повсеместно перекрытые чехлом четвертичных образований различного генезиса.
Четвертичные отложения сплошным чехлом покрывают коренные неогеновые образования и отсутствуют лишь на крутых склонах и в карьерах. Мощность их варьирует от 1,0 до 10-15,0 м. Литологически - это, как правило, суглинки, глины, супесчаные грунты иногда с включением обломочного материала.
Взрыв 13.11.2012 г. в карьере строящегося цементного завода зарегистрирован в трех пунктах (рисунок 5), расположенных:
Пункт № 1 - у южной границы территории радиолокационной станции, размещенной возле автодороги Феодосия - Керч в 1100 м к северу от эпицентра взрыва.
Пункт № 2 - на западной окраине г. Керчи в 3700 м к востоку от эпицентра взрыва.
Пункт № 3 - на северной окраине с. Приозерное в 4600 м к юго-западу от эпицентра взрыва.
По данным ОАО «Крымвзрывпром» взрыв 13.11.2012 г. общей массой ВВ 2=20000кг осуществлен в скважинах глубиной 4 - 14 м с п=89 замедлениями, максимальная масса ВВ на одну ступень замедления составляла Q/n =400 кг, координаты эпицентра взрыва: ф - 45° 18 '30" с.ш. X - 36 22 '14" в.д.
Рис. 5. Схема расположения пункта взрыва 13.11.2012 г. и пунктов регистрации.
Рис. 6. Велосиграммы взрыва 13.11.2012. на разных составляющих записи Я (EW, N8, Ъ), в пунктах наблюдений: А - №1; В - №2; С - №3
Результаты расчетов максимальных скоростей колебаний и сейсмической интенсивности взрыва в пунктах наблюдений представлены в таблице 3.
Таблица 4.
Характеристики сейсмических воздействий взрыва 13.11.2012 г. в пунктах наблюдений 1 - 3
№ пункта г, м Я /, Гц V, см/с I, балл
EW 2.7 0.82 4
1 1100 N8 Ъ 1.9 0.44 3
2.2 1.78 5
EW 2.4 0.08 <1
2 3700 N8 Ъ 3.9 0.05 <1
1.2 0.24 2
EW 1.4 0.15 <1
3 4600 N8 Ъ 2.0 0.06 <1
1.3 0.34 2
Взрыв 17.08.2016 г. (Курцы)
Карьер «Курцы» расположен в пределах межгорной всхолмленной равнины, которая отделяет Предгорную гряду от Главной гряды Крымских гор. По геоструктурному положению курцовское месторождение диабазов находится на северо-восточной окраине Качинского поднятия, в осевой части курцовской антиклинали и связано с породами среднеюрской субвулканической интрузии, внедрившейся в толщу таврических флишевых пород. Карьером вскрыты сложно дислоцированные породы таврической серии - аргиллиты с прослоями песчаников, которые являются вмещающими по отношению к диабазовым порфиритам. С поверхности, практически повсеместно, залегают верхнечетвертичные делювиальные суглинки мощностью от 0,3 до 10 м.
Взрыв 17.08.2016 г. в карьере «Курцы» зарегистрирован в четырех пунктах (рисунок 7), расположенных:
Пункт № 1 - в западном борту старого, заброшенного карьера на коренных выходах диабазовых порфиритов в 500 м к северу от эпицентра взрыва.
Пункт № 2 - на пологом делювиальном склоне западной экспозиции, в 550 м к северу от эпицентра взрыва.
Пункт № 3 - на юго-западной окраине с. Украинка, на пологом делювиальном склоне западной экспозиции, рядом с жилым домом на западном окончании улицы братьев Щегликовых, в 650 м к северо-западу от эпицентра взрыва.
Пункт № 4 - на юго-западной окраине с. Украинка, в тальвеге Курцовской балки, в 720 м к северо-западу от эпицентра взрыва.
По данным ОАО «Кубаньвзрывпром» взрыв 17.08.2016 г. общей массой ВВ Q =2900 кг осуществлен в скважинах глубиной 8-11 м с п=49 замедлениями, максимальная масса ВВ на одну ступень замедления составляла Q/n = 60 кг, координаты эпицентра взрыва: ф - 44° 52 '37" с.ш. X - 34° 08 '01" в.д.
Рис. 7. Схема расположения пункта взрыва 17.08.2016 и пунктов регистрации
Рис. 8. Велосиграммы взрыва 17.08.2016 г. на разных составляющих записи Я (EW, N8, Ъ), в пунктах наблюдений: А - № 1; В - № 2; С - № 3; В - № 4;
Таблица 5.
Характеристики сейсмических воздействий взрыва 17.08.2016 г. в пунктах наблюдений 1 - 4
№ пункта г, м Я /, Гц V, см/с I, балл
EW 4.5 0.01 <1
1 500 N8 Ъ 4.5 0.01 <1
5.0 0.01 <1
EW 4.1 0.03 <1
2 550 N8 Ъ 5.4 0.04 <1
5.0 0.02 <1
EW 6.2 0.04 <1
3 650 N8 Ъ 6.4 0.06 <1
5.0 0.03 <1
EW 5.5 0.02 <1
4 720 N8 Ъ 6.2 0.05 <1
6.2 0.02 <1
ВЫВОДЫ
В связи с многочисленностью и разнообразием факторов, влияющих на интенсивность сейсмовзрывных воздействий, полученные в данной статье результаты, могут быть использованы только для характеристики сейсмической опасности взрывов, аналогичных по массе взрывчатых веществ, техническим параметрам и эпицентральным расстояниям.
Согласно полученным результатам, в каждом из рассмотренных случаев, сейсмические воздействия подобной интенсивности не могут привести к разрушению или повреждению зданий и сооружений. По данным М.А. Садовского [1], повреждение наземных сооружений начинается при скоростях V = 12 - 14 см/с. В случае многократного воздействия взрывов величина опасной для зданий скорости снижается до V = 2 - 3 см/с.
Однако, зачастую, подобные исследования проводятся на основании жалоб людей, проживающих в достаточной близости от места проведения взрывных работ. В частности, постоянные взрывы в карьере «Курцы», хотя и не представляют непосредственной сейсмической опасности, все же приводят к постепенному разрушению ветхих строений ввиду несовершенных фундаментов и неблагоприятных в сейсмическом отношении грунтов залегающих в их основании. Так же, жителями отмечаются изменения в водонасыщенности грунтов.
В данном контексте, имеет смысл сравнить результаты всех трех исследований в пунктах максимумов установленных скоростей (табл. 6).
Таблица 6.
Сводная таблица результатов исследований в пунктах максимальных полученных скоростей
Карьер 0 , кг п 0/п, кг г, м. /, Гц. V см/с I балл
Шарха 10627 34 349 840 4.5 - 6.5 0.05 <1
Тайган 6800 84 80 3500 1.8 - 3.0 0.02 <1
Керчь 20000 89 400 1100 1.9 - 2.1 1.78 5
Курцы 2900 49 60 520 4.1 - 6.4 0.04 <1
Отметим, что в соответствии с формулой (3), современные технологии взрывных работ, в значительной степени нивелируют влияние общего веса заряда и соответственно сейсмический эффект короткозамедленного взрыва во многом зависит от максимального количества ВВ на одно замедление. Таким образом, взрывы в Шархинском карьере и карьере цементного завода, сходны по параметрам, что предполагает сходный сейсмический эффект. Однако из таблицы 6 видно, что если в первом случае максимальная интенсивность воздействий не превышала 1 балл, то во втором случае регистрировались скорости соответствующие воздействиям вплоть до 5 баллов.
Таким образом, анализ выходных данных подтверждает ключевое влияние локальных инженерно-геологических условий на сейсмическую опасность промышленных взрывов, с вытекающей необходимостью применения описанных методик при проектировании зданий и сооружений, а так же расчете допустимых масс взрывчатых веществ, для исследуемой территории.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящее время на территории Крыма ведется обширная разработка карьеров. Увеличение интенсивности взрывных работ может привести не только к повреждению и разрушению особо важных и экологически опасных объектов, но также негативно повлиять на общую экологическую ситуацию в целом. Учитывая неоднородное геологическое строение, происходящее в настоящий момент активное строительство и большую плотность застройки в пределах Крымского полуострова, в местах проведения взрывных работ необходимы:
1. Оценка геологических и инженерно-геологических условий в зоне потенциального влияния взрывных воздействий.
2. Прогноз и оценка негативного влияния промышленных взрывов на гидрогеологические условия территории: нарушение гидравлических связей между водоносными горизонтами; изменение естественных дренажных систем и пр.
3. Исследования по оценке сейсмических воздействий взрывов на строительные объекты инструментальными методами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Садовский, М.А. Простейшие приемы определения сейсмической опасности взрывов [Текст] / М.А. Садовский. - М.: АН СССР. - 1946. - 29 с.
2. Кириллов, Ф.А. К вопросу об исследованиях сейсмического эффекта взрывов в Институте физики Земли [Текст] / Ф.А. Кириллов //Труды ИФЗ. - 1962. -№21 (188).- 138 с.
3. Кириллов, Ф.А. Влияние глубины взрыва на сейсмический эффект [Текст] / Ф.А. Кириллов // Труды сейсмологического института АН СССР. - №106. - 1941. - 95 с.
4. Баркан, Д. Д. Сейсмовзрывные волны и действие их на сооружения [Текст] / Д. Д. Баркан // Стройиздат Наркомстроя. - 1945. - 69 с.
5. Сафонов, Л.В. Сейсмический эффект взрыва скважинных зарядов [Текст] / Л.В. Сафонов, Г.В. Кузнецов. - М.: Наука, 1967. - 211 с.
6. Королев, В.А. Цифровые сейсмические станции для инженерно- сейсмологических исследований: оснащение, калибровка, полевые испытания [Текст] / В.А. Королев, А.М. Скляр, П.Т. Тонких, С.В. Щербина // Сейсмологический бюллетень Украины за 2006 год. - Севастополь. 2008. - 111 с.
7. Медведев, С.В. Сейсмика горных взрывов [Текст] / С.В. Медведев. - М.: Недра. 1996. - 248 с.
ASSESSING THE INTENSITY OF SEISMIC EFFECTS OF MASS INDUSTRIAL SHORT-DELAY EXPLOSIONS IN DIFFERENT ENGINEERING-GEOLOGICAL CONDITIONS ON
THE TERRITORY OF CRIMEA
Sklyar A.A., Ostanin A.M.
Institute of seismology and geodynamics, national research IN KFU them. V. I. Vernadsky (structural unit), Simferopol.
Annotation: The paper presents the results of the assessment of seismic effects for industrial short-delay explosions on the territory of Crimea. Comparative analysis of seismic effects of industrial explosions in various engineering-geological conditions in the buildings and structures located dangerously close to the epicenter.
Key words: short-delay explosions; Industrial explosion; seismic effects;
