Сейсмическое воздействие массовых взрывов на наземные сооружения

Актуальность. Увеличение мощности вскрышных пород и размеров добычной зоны разреза «Нерюнгринский» ОАО ХК «Якутуголь» потребовало увеличения массы одновременно взрываемых зарядов взрывчатых веществ (ВВ), что повлекло за собой необходимость решения задач по оценке уровня сейсмического воздействия взрывов на охраняемые объекты. Традиционное решение этих задач на основе Единых правил безопасности при взрывных работах, хотя и обеспечивает безопасный уровень негативного воздействия на наземные сооружения, но в ряде случаев сдерживает производство. Наибольший интерес представляет изучение воздействия сейсмических волн массовых взрывов, которое определяет целостность ранее возведенных зданий и сооружений: обогатительной фабрики (ОФ), автобазы технологического автотранспорта (ATA), административно-бытового комплекса разреза (АБК). Поэтому задачи исследования сейсмического воздействия взрывов на наземные сооружения, находящиеся в зоне взрывных работ разреза, весьма актуальны.

Работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований. Технического института (филиала) ЯГУ по теме «Построение геолого-геофизических моделей прогноза состояния и поведения массива горных пород при технологических воздействиях № 38.63.51- 38.65.17 (2003;2004 г. г.), а также по хоздоговорам с ОАО ХК «Якутуголь»: «Разработка методики расчёта сейсмического воздействия на охраняемые объекты при производстве взрывных работ», «Мониторинг сейсмического воздействия промышленных взрывов на особо охраняемые объекты ОАО ХК «Якутуголь» (20 062 008 г. г.).

Целыо работы является оценка степени сейсмического воздействия массовых взрывов на объекты, находящиеся в зоне взрывных работ разреза «Нерюнгринский», и разработка методики, позволяющей выбрать рациональные параметры технологии БВР и минимизировать вредное воздействие сейсмических волн от массовых взрывов на наземные сооружения.

Основная идея работы — повышение точности прогноза сейсмического воздействия взрывов на наземные сооружения за счет учета взаимосвязи между наиболее значимыми горно-геологическими, технологическими факторами и сейсмическим эффектом от взрывов.

Задачи исследований:

• выполнить анализ состояния и проблем оценки воздействия сейсмических эффектов на здания и сооружения;

• установить фактические величины вредного воздействия сейсмических волн от взрывов на охраняемые объекты: административно-бытовой комбинат, обогатительная фабрика, автобаза технологического автотранспорта;

• исследовать влияние природных и технологических факторов на уровень неблагоприятного воздействия сейсмовзрывных волн на наземные сооружения и определить значение локального коэффициента пропорциональности К 1.5 для оценки сейсмического воздействия взрывов на основания охраняемых сооружений ОАО ХК «Якутуголь»;

• разработать методику расчета предельно допустимой массы зарядов ВВ в зависимости от расстояния до охраняемых объектов и уровня сейсмического воздействия взрывов на наземные сооружения, находящихся на промп-лощадке разреза «Нерюнгринский».

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы регрессионно-корреляционного анализа и математической статистики, вычислительной математики и программирования, натурные эксперименты.

Защищаемые положения:

1. Коэффициент пропорциональности К15, рассчитанный по общепринятой методике, изменяется в значительных пределах (144±88) и не может служить надежной основой для оценки сейсмического воздействия взрывов на наземные сооружения для условий Нерюнгринского разреза.

2. Критерием сейсмической опасности взрывной волны, способной вызвать повреждения сооружений, является максимальная векторная скорость от взрывов при проведении взрывных работ в разрезе «Нерюнгринский», которая не превышает допустимую векторную скорость для ОФ, АБК (Vxyz11011 =1,25 см/с) и ATA (Vxyz-ion = 1,7 см/с).

3. Основными факторами, определяющими интенсивность сейсмического воздействия короткозамедленных взрывов на наземные сооружения, находящиеся в зоне взрывных работ разреза «Нерюнгринский», являются: обводненность, многолетняя и сезонная мерзлота горных пород, масштабы массовых взрывов, масса заряда в группе, гипоцентральное расстояние от взрыва до объекта.

4. Разработанная методика расчета сейсмического воздействия взрывов на наземные сооружения, расположенные в зонах сезонной и вечной мерзлоты, учитывающая значения приведенной массы заряда в группе, как меры мощности взрыва, суммарной векторной скорости, которая является критерием оценки сейсмического действия взрыва, и прикладная программа «SeismPrognoz» позволяют оперативно и с необходимой точностью производить вычисления максимальной векторной скорости колебания грунта, массы приведенного заряда, максимального в группе, безопасного расстояния до охраняемых сооружений.

Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования обусловлена использованием современных методов исследования, большим объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментов.

Новизна исследований заключается в следующем: • впервые установлены доминирующие факторы: обводненность, многолетняя и сезонная мерзлота горных пород, масштабы массовых взрывов, масса заряда в группе, гипоцентральное расстояние от взрыва до объекта, оказывающие влияние на сейсмический эффект от массовых взрывов при производстве буровзрывных работ на Нерюнгринском разрезе;

• определены допустимые и установлены максимальные скорости колебаний грунта для обогатительной фабрики (ОФ), административно-бытового комбината разреза (АБК), автобазы технологического автотранспорта (ATA);

• экспериментально установлены преобладающие значения отношения амплитуд колебаний здания к амплитудам колебаний грунта для объектов АБК, ОФ и ATA;

• разработанная методика позволяет оперативно и с достаточной точностью выполнять расчеты массы приведенного заряда, максимального в группе, безопасного расстояния, интенсивности сейсмического воздействия взрывов на охраняемые объекты, находящиеся в зоне ведения взрывных работ разреза «Нерюнгринский».

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследований позволяют:

• при использовании разработанной методики оперативно и с достаточной точностью рассчитывать максимальную векторную скорость колебания грунта в основании сооружений, массу приведенного заряда, максимального в группе, и безопасное расстояние до охраняемых объектов при разработке проектов массовых взрывов при наличии многолетней и сезонной мерзлоты;

• при производстве массовых взрывов учитывать влияние степени обводненности, наличия многолетней и сезонной мерзлоты, масштабов массовых взрывов на воздействие сейсмических эффектов от взрывов на наземные сооружения;

• оценить степень сейсмического воздействия от массовых взрывов на здания и сооружения АБК, ATA и ОФ.

Личный вклад автора состоит в разработке методики проведения исследований, организации и непосредственном участии в натурных исследованиях, разработке методики расчета влияния массовых взрывов на устойчивость зданий и сооружений.

Реализация работы. Разработанная методика оценки и прогноза сейсмической опасности промышленных взрывов утверждена Управлением по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по РС (Я) и внедрена в ОАО ХК «Якутуголь» на разрезе «Нерюнгринский».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических советах Технического института (филиала) ЯГУ, ОАО ХК «Якутуголь» (2005;2009 г. г.), научно-практической конференции «Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)» (Нерюнгри, 1999 г.), IV международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Москва, 2004 г.), Международной конференции «Разработка и изготовление смесительно-зарядной техники» (Белгород, 2005 г.), Международном семинаре «Техника ведения взрывных работ» (Мурманск, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Южная Якутия — новый этап индустриального развития» (Нерюнгри, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного освоения георесурсов» (Хабаровск, 2007 г.), I Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность, качество, энергои ресурсосбережение» (Якутск, 2008 г.), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и содержит 133 страницы машинописного текста, 26 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 93 наименований и 2 приложения.

Основные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Разработанная методика прогноза сейсмического воздействия взрыва на охраняемые объекты, учитывающая установленные закономерности изменения сейсмических колебаний грунта в основании охраняемых объектов в зависимости от характеристики взрыва и гипоцентрального расстояния, позволяет оперативно и с достаточной точностью определять уровень сейсмического воздействия взрыва на наземные сооружения, массу приведенного заряда, максимального в группе, безопасное расстояние до охраняемых объектов и использовать полученную информацию для оптимизации параметров буровзрывных работ. Методика внедрена в ОАО ХК «Якутуголь» на разрезе «Не-рюнгринский».

2. Максимальная векторная скорость колебания грунта при взрывах в мерзлых породах выше, чем при взрывах в талых породах, и достигает более 30% при значениях приведенной максимальной массы заряда в группе >1.0 (кг/м)1/3. В интервале 0.7−1.0 (кг/м)1/3 максимальная векторная скорость колебания грунта практически не меняется.

3. Установлено, что максимальные векторные скорости колебаний грунта в основаниях охраняемых сооружений при производстве массовых взрывов в разрезе «Нерюнгринский» составляют: АБК — (0,04 — 0,09 см/с), в ОФ — (0,010,158 см/с), ATA — (0,013 — 1,37см/с). Преобладающие частоты колебаний грунта при взрывах лежат в диапазоне 1,5 — 2,5 Гц., собственные частоты колебаний зданий ABK-(fx-2,75 Гцfy- 1,96 Гц), ОФ — (fx — 2,51 Гцfy — 1,65 Гц) и ATA — (fx — 1,19 Гцfy — 1,18 Гц).

4. Экспериментально установлено, что при взрывах амплитуды раскачки верхней отметки АБК и 42-ой отметки ОФ превышают амплитуды колебаний грунта: по компоненте X в 3−4 разапо компоненте У, соответственно, в 4 и 3 раза. При этом, по вертикальным компонентам зданий Z максимальные амплитуды колебаний верхних отметок в 2−3 раза больше нижних. Для ATA амплитуды колебаний верха сооружения могут превышать амплитуды колебаний грунта в большинстве случаев в 3 — 11 раз.

5. Установлено, что для Нерюнгринского месторождения не существует зависимости между изменением литологических типов пород в блоках и векторной скоростью колебания пород. Максимальная векторная скорость колебания грунта при взрывах в обводненных горных породах выше, чем при взрывах блоков, слагаемых сухими породами. При значениях приведенной.

1/3 максимальной массы заряда в группе > 0,95 (кг/м) разница в максимальной векторной скорости колебания грунта возрастает до 20% и более.

6. При использовании систем неэлектрического инициирования зарядов (СИНВ) установлен факт разброса амплитуд скоростей колебаний грунта при одной и той же приведенной массе заряда ВВ, максимальной в группе. Это объясняется тем, что интервал замедления между скважинами меньше отклонений по точности срабатывания замедлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи расчета сейсмического воздействия массовых взрывов на наземные сооружения, максимальной массы заряда ВВ в группе, безопасного расстояния до охраняемых объектов и имеющей существенное значение для исследования процессов разрушения пород взрывом в условиях распространения сезонной и многолетней мерзлоты.