CC BY
66
УДК 504.05;622.235
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ НА СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ МАССОВЫХ ВЗРЫВОВ
© 2013 Г.В. Гриб, А.Ю. Пазынич, Н.Н. Гриб
Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета,
г. Нерюнгри
Поступила в редакцию 13.05.2013
Оценка влияния свойств массива на сейсмические эффекты от взрывов основана на анализе закономерностей, связывающих максимальную векторную скорость с литологическим составом, трещиновато-стью, неоднородностью, обводненностью взрываемых блоков, многолетней мерзлотой и другими инженерно-геологическими особенностями разрабатываемых месторождений.
Ключевые слова: литологические типы пород, физико-механические свойства, тектоника, трещино-ватость, обводненность, многолетняя мерзлота, сейсмический эффект взрыва
Для количественной оценки сейсмического действия взрывов в разрезе «Нерюнгринский» использовалась уравнение регрессии, выражающее связь приведенной массы заряда взрывчатого вещества (ВВ), максимальной в группе (pQmax), и максимальной векторной скорости колебания грунта (Uxyz ) [1]:
UxyZ = 0,1969 PQmax 3 + 1,866 PQmax2 -- 3,59 PQmax + 1,6004
При расчете приведенной массы заряда ВВ, максимальной в группе (pQmax), использовалось следующее выражение Pq max= VQ / R, где Q - масса заряда ВВ, максимальная в группе; R - гипоцентральное расстояние.
Теоретически зависимости подобного вида непосредственно учитывают всю совокупность параметров взрывных работ, влияющих на сейсмический эффект взрыва, такие, как конструктивные особенности заряда ВВ, параметры короткозамед-ленного взрывания и схемы инициирования, свойства пород и горно-геологические условия. При этом отклонение измеренных значений от аппроксимирующих зависимостей были велики, что объясняется неизбежным и неконтролируемым изменением многих параметров взрывной отбойки [1]. Необходимо отметить, что даже для однородного месторождения распространение сейсмических волн каждый раз остается особым случаем, зависящим от всего чрезвычайно изменчивого комплекса горно-геологических и технологических условий. Поэтому для каждого конкретного месторождения необходимо установить факторы оказывающие наибольшее влияние на сейсмический эффект взрыва.
Гриб Галина Владиславовна, заведующая лабораторией мониторинга и прогноза сейсмичности. E-mail: [email protected]
Пазынич Андрей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горного дела
Гриб Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры горного дела. E-mail: [email protected]
Инженерно-геологические условия
Нерюнгринского месторождения. Физико-механические свойства горного массива, а также структурно текстурные особенности пород в основном определяют способ бурения, конструкцию и массу заряда взрывчатого вещества, параметры технологии буровзрывных работ. Представление о влиянии свойств массива на сейсмический эффект взрыва основаны на анализе закономерностей, связывающих упругие и прочностные свойства горных пород с литологическим составом, пористостью, свойствами флюидов, заполняющих поры и трещины, неоднородностью и другими геологическими особенностями. Прочность горных пород, наряду с ее упругостью, являются основными показателями, которые характеризуют сопротивляемость породы разрушению [2]. Прочностные свойства вскрышных пород Нерюнгринского месторождения приведены в табл. 1. Характеристики упругих свойств вскрышных пород Нерюнгрин-ского месторождения приведены в табл. 2.
Плотностные параметры имеют тенденцию к повышению с глубиной; пористость, влажность и влагоемкость с глубиной соответственно понижаются. Изменение в пределах одного литотипа истинной плотности (плотность минерального скелета) свидетельствует о повышении по мере приближения к дневной поверхности доли окислительно-восстановительных процессов.
Горные породы вскрышного массива характеризуются высокой трещиноватостью. Степень трещиноватости пород определяет степень их разрушения. В целом, характеризуя трещиноватость пород, необходимо отметить наибольшую ее интенсивность в алевролитах. Зона повышенной трещиноватости пород, сопровождающая крупноамплитудные разрывные нарушения, характеризуется интенсивностью около 5-30 трещин/п.м., мощностью 5-10 м. По мере удаления от зон разрушения трещиноватость затухает.
Таблица 1. Прочностные характеристики вскрышных пород Нерюнгринского месторождения
Название породы Объемный вес г/см3 Прочность при растяжении Прочность при сжатии Показатель дро-бимости
Мпа коэфф. вариции кв:% МПа коэфф. вариации кв:% V тах см3 коэфф. вариации кв:%
глинистый песчаник, средне и крупнозернистый 2,42 5,9 9,3 55,0 7,5 6,4 16
кварцево-глинистый песчаник, мелко и среднезерни-стый 2,48 6,8 13 62,0 12 4,2 19
кварцево-глинистый песчаник, алевритовый 2,55 7,8 21,5 68,0 20 3,5 23,9
карбонатный песчаник, мелко и среднезернистый 2,64 7,62 17 69,0 12 4,0 22,6
кварцево-карбонатный песчаник 2,59 8,8 26 75,0 23 3,2 31
алевролит 2,5 5,8 21 74,0 17,5 4,2 28
кварцево-карбонатный песчаник, алевритовый 2,60 9,9 21 86,0 20 3,7 25
кварцевый песчаник, мелкозернистый 2,62 12,3 18 124,0 14 2,1 29
Таблица 2. Упругие свойства вскрышных пород Нерюнгринского месторождения
- т и Скор. продол. волны Скор. попе-речн. волны Коэфф. Пуассона Модуль упругос-ти Модуль всест-него сжатия К-10-5 кг/см2 Акустическая жесткость
Название породы нь § Й ч ® ън б бО V, м/сек кв;% V, м/сек кв;% кв;% Е10-5 кг/см2 кв; % 2 2м /с /г -0 Л кв; %
глинистый
песчаник, средне и кру- 2,42 3250 8,6 2160 11 0,29 29 2,55 19 1,07 7,88 8,6
нозер-нистый
кварцево-
глинистый
песчаник, мелко и 2,48 3450 17,3 2270 15,3 0,27 30,7 2,92 29 1,33 8,55 17,3
средне-
зернистый
кварцево-
глинистый песчаник, 2,55 3910 7,2 2560 8,0 0,23 24,3 3,85 15 1,74 9,98 7,2
алевритовый
карбонатный
песчаник, мелко и сред- 2,64 3370 9,3 2160 10,1 0,25 27 2,94 18 1,33 8,9 9,3
незернистый
кварцево-карбонатный 2,59 4100 7,0 2650 7,6 0,21 24 4,23 24 1,96 10,6 7,0
песчаник
алевролит 2,50 4400 12,2 2410 13,3 0,27 31,4 3,62 25 2,08 10,0 12,2
кварцево-карбонат ный песчаник, 2,60 4000 6,8 2550 7,5 0,26 24,3 4,1 13 2,01 10,4 6,8
алевритовый
кварцевый
песчаник, мелкозерни- 2,62 4600 5,9 2850 6,7 0,19 21 5,16 10 2,77 12,1 5,9
стый
Следует отметить, что одним из основных факторов, снижающих прочностные свойства пород, является тектоническая нарушенность пород. Поле разреза разбито 54 нарушениями с амплитудой смещения от 3 до 56 м и углами падения от 15 до 83°. Все нарушения имеющие падение перпендикулярно фронту работ, что снижает сейсмический эффект от взрывов. При значительной степени трещиноватости горного массива изменяется соотношение зон дробления и разрыва пород в результате взрыва. В сильнотрещиноватых породах размер зоны развала значительно превышает размер зоны дробления [2]. В этом случае кускова-тость горной массы, получаемой в результате
Необходимо отметить, что вмещающие породы «Нерюнгринского» месторождения, которые в основном сложены разнозернистыми песчаниками, за счет разнообразного цементирующего вещества, структурно текстурных особенностей и т.д., обладают большим разбросом значений физико-механических свойств. Данный факт, несомненно, оказывает влияние на сейсмический эффект от промышленных взрывов. Однако, учитывая тот факт, что охраняемые объекты (АБК, ОФ, АТА), разрез «Нерюнгринский» находятся в одинаковых инженерно-геологических условиях и в дальней зоне взрыва, где преобладают сейсмические волны Релея, то влияние рассмотренных выше свойств массива горных пород на вариации скорости колебаний грунта в основании сооружений будет объясняться не столько изменением физико-механи-ческих свойств горных пород, сколько
взрыва, в основном определяется размерами естественных отдельностей, слагающих массив горных пород. В мелкоблочном массиве размеры естественных отдельностей не превышают размеры кондиционного куска, поэтому задача взрыва здесь сводится лишь к разрушению естественной структуры массива путем «встряхивающих» взрывов. Данные факторы также снижают сейсмику взрыва. Трещиноватость массива вскрышных пород на Нерюнгринском разрезе приведена в табл. 3. Как видно из таблицы, на месторождении можно выделить три группы пород с различной трещиновато-стью.
факторами, определяющими изменчивость физико-механических свойств массива горных пород. Поэтому данные факторы боле детально и рассматриваются ниже.
Влияние литологического состава взрываемых пород на сейсмический эффект. Вскрышные породы пласта «Мощный» сложены породами холодниканской свиты, представленными, в основном песчаниками от тонкозернистых до грубозернистых. Реже встречаются алевролиты. Соотношение основных литологических типов пород для месторождения в целом приведено на рис. 1. Так как разрез месторождения по составу монотонен и представлен переслаиванием песчаников и алевролитов, а здания и сооружения также расположены на аналогичных породах, что и вскрышные блоках месторождения и их физико-механические свойства одинаковы, то существенного
Таблица 3. Классификация вскрышных пород Нерюнгринского месторождения по степени трещиноватости и блочности массива
Наименование пород Удельная трещиноватость Содержание (%) в массиве отдельностей в массиве: Средний акустический по-каза-тель трещин-новатости Категория трещинова-тости Степень тре-щинно- ватости (блочности) массива
+300 мм +700 мм +1000 мм
кварцевый песчаник, мелкозернистый 0,85 100 100 68 0,43 IV малотрещиноватые (крупноблочные)
кварцевоый песчаник, авлеролитовый 0,80 100 100 76 0,42 IV то же
кварцево- карбонатный песчаник, мелкозернистый 1,00 100 82 50 0,36 III-IV то же
карбонатный песчаник мелко и средне-зернистый 0,87 100 98 65 0,46 IV то же
кварцевоглинистый песчаник, алевритовый 1,43 93 50 10 0,29 III средне-трещиноватый (крупноблочный)
кварцево -глинистый песчаник, мелко и среднезернистый 1,8 78 35 4 0,23 II-III сильно-трещиноватый (средне-блочный)
алевролит слоистый 1,9 74 32 - - II-III то же
алевролит слоистый 2,8 56 15 - 0,15 II то же
алевролит слоистый 5-10 29-40 - - 0,10 I чрезвычайно трещиноватый (мелко-блочный)
влияния геологическое строение взрываемых блоков на изменение и^ на сейсмический эффект не оказывает, что подтверждается выполнимыми исследованиями (рис. 2). Из рисунка следует, что не существует зависимости между изменением лито-логических типов пород в блоках и векторной скоростью смещения пород.
Рис. 1. Соотношение основных литологических типов
1 - 0,8 - 42 10,6 Э 0,4 - 0,2 - ♦
♦ °
♦
: ? ; н
1 2 3 4 5 литотип
Рис. 2. Обобщенный график зависимость м И^ смещения грунта от литологического состава горных пород взрываемых блоков:
1 - алевролит, 2 - песчаник мелкозернистый, 3 - песчаник среднезернистый, 4 - песчаник крупнозернистый, 5 - пересечение литотипов
Влияние обводненности блоков на сейсмический эффект. Гидрогеологические условия месторождения сложные. На площади массива развиты трещинные и трещинно-жильные воды. Наличие мощного угольного пласта, характеризующегося малой проницаемостью, позволяет выделить два водоносных горизонта трещинных подземных вод, один из которых является безнапорным с границей по контуру обводненности пласта (холодниканский горизонт), второй - обладает напором, достигающим в центральной части мульды 150-180 м (Нерюнгринский горизонт). Изменение водопоглощения пород ^п) с глубиной (Н) описывается степенной функцией вида:
Шп = - 0,22 • Н038 + Wo,
где Wo - водопоглощение пород вблизи дневной поверхности, в среднем равно 2,8%.
На сегодняшний день весь комплекс водоносных пород в пределах месторождения находится под влиянием действующего водоотлива. В результате уровень подземных вод на севере и в центре мульды понизился на 100-120 м. Влияние гидрогеологического фактора на состояние вскрышных пород пласта «Мощный» будет выражаться в потере породами первоначальной прочности при водонасыщении, что для Нерюнгринского месторождения составляет около 30%, наибольшему размягчению подвержены алевролиты (табл. 4). Данный факт говорит о изменении прочности в зависимости от состояния пород, что должно учитывается при проектировании удельного расхода ВВ. Как известно, в обводненных породах скорость распространения упругих волн выше, чем в сухих, что подтверждается экспериментальными данными. При небольшом приведенном весе максимального заряда в группе < 0,9 (кг/м)1/3 максимальна векторная скорость смещения грунта изменяется незначительно (рис. 3.)
Таблица 4. Значения коэффициента размягчаемо-емости для различных литологических типов
Литотип Коэффициент раз-мягчаемости
алевролит 0,66
песчаник мелкозернистый 0,62
песчаник среднезернистый 0,65
песчаник крупнозернистый 0,58
• Ряд1 ■ Ряд2 — Полиномиальный (Ряд1) ^—Полиномиальный (Ряд2)
Рис. 3. График зависимости максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного максимального веса заряда в группе (1 ряд сухие блоки, 2 ряд обводненные блоки)
Из рис. 3 также следует, что максимальная векторная скорость смещения грунта при взрывах в обводненных горных породах выше, чем при взрывах блоков слагаемых сухими породами. С увеличением приведенного максимального веса заряда в группе > 0,95 (кг/м)1/3 разница в максимальной векторной скорости смещения грунта возрастает до 20% и более, это объясняется тем, что с увеличением приведенного веса заряда ВВ максимального в группе увеличивается сейсмическое воздействия массового взрыва из-за наложения сейсмических процессов от взрывов большего количества зарядов. Поэтому данный фактор необходимо
учитывать при проектировании буро-взрывных работ для обеспечения сейсмобезопасного расстояния до охраняемых объектов.
Влияние многолетней мерзлоты и сезонного состояния горных пород на сейсмические эффекты от взрывов. Интенсивность и степень изменения свойств и состава пород при криогенных процессах оцениваются влиянием многочисленных факторов, среди которых наи-более значимыми являются: литологический состав (менее подвержены изменчивости мелкозернистые песчаники, наиболее - алевролиты); структурно-текстурные особенности пород (наличие включений и растительных остатков); влажность; пористость; трещиноватость. Сезонная глубина промерзания исследуемых блоков составляла 5-7 метров.
0 , 9 0 , 8 0 , 7 1 0,6 х 0,5 0,4 0,3 0,2 0 ,1
h
/ /-
/
/у
•
1 1,1 pQmax (кг/м)1/3
* Ряд1 ■ Ряд2 -Полиномиальный (Ряд2)-Полиномиальный (Ряд1)
Рис. 4. График зависимости максимальной векторной скорости смещения грунта от приведенного максимального веса заряда в группе (1 ряд мерзлые блоки, 2 ряд талые блоки)
Максимальные значения прочности песчаников отмечаются в начале зимнего периода при понижении температуры пород до отрицательных значений, что подтверждается увеличением значений скорости продольных волн в октябре-ноябре на 20-25%. Дальнейшее понижение температуры характеризуется незначительным увеличением прочности при одновременном постоянном снижении скорости продольных волн. Летний период характеризуется снижением значений прочности пород до 30% и скорости продольных волн до 25%. Данные процессы объясняются цементирующим
действием льда в породе. При этом прогнозировать сезонное изменение прочностных и упругих свойств пород для всего поля разреза не представляется возможным из-за многочисленности факторов, которые значительно влияют на интенсивность и степень происходящих криогенных процессов. Тем не менее, данный фактор нельзя не учитывать при оценке влияния сейсмических эффектов на здания и сооружения. Поэтому были выполнены исследования по сопоставлению максимальной векторной скорости смещения грунта в мерзлых и талых породах взрываемых блоков (зимнее-осенний и весеннее-летний периоды) в разрезе Нерюнгринский. Результаты исследований приведены на рис. 4. Из рис. 4 следует, что максимальная векторная скорость смещения грунта при взрывах в мерзлых породах ниже, чем при взрывах в талых породах и достигает более 30% с увеличением приведенного максимального веса заряда в группе > 1,0 (кг/м)1/3. В интервале 0,7-1,0 (кг/м)1/3 максимальная векторная скорость смещения грунта практически не меняется. Данный эффект объясняется тем, что с увеличением приведенного веса заряда ВВ максимального в группе увеличивается сейсмическое воздействия массового взрыва из-за наложения сейсмических процессов от взрывов большего количества зарядов (сейсмоодновремен-ные взрывы), чем расчетное число в группе замедления.
При переходе мерзлых пород в талые сейсмический эффект взрыва увеличивается, поэтому в каждом конкретном случае необходимо учитывать состояние горных пород, с тем чтобы обеспечить гарантированную безопасность ведения взрывных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Гриб, Н.Н. Методика оценки и прогноза сейсмической опасности промышленных взрывов на разрезе «Нерюнгринский» / Н.Н. Гриб, Е.Н. Черных, А.Ю. Па-зынич и др. - Иркутск-Нерюнгри: Изд-во Технического института (фил.) ЯГУ, 2007. 41 с.
2. Кутузов, Б.Н. Физика взрывного разрушения горных пород / Б.Н. Кутузов, В.К. Рубцов. - М.: Изд-во МГИ, 1970. 241 с.
ESTIMATION THE INFLUENCE OF NATURAL FACTORS ON SEISMIC EFFECT FROM MULTIPLE EXPLOSIONS
0,6
0,7
0,8
0,9
1,2
1,5
© 2013 G.V. Grib, A.Yu. Pazynich, N.N. Grib Technical Institute (Branch) of North East Federal University, Neryungri
Estimation the influence of massif properties on seismic effects from explosions is based on the analysis of regularities, connecting the maximal vector speed with lithological structure, fracturing, inhomogeneity, water cut of blown-up blocks, long-term permafrost and other engineering-geological features of developed fields.
Key words: lithological types of rocks, physical-mechanical properties, tectonics, fracturing, water cutting, long-term permafrost, seismic effect of explosion
Galina Grib, Chief of the Monitoring and Seismic Forecasting Laboratory. E-mail: [email protected]; Andrey Pazynich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Mining Department; Nikolay Grib, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Mining Department. E-mail: [email protected]
