Г. М. Нигметов, к. т. н., доцент, Т. Г. Нигметов, А. М. Савинов
Объекты горной промышленности, которые образуются в результате механического или динамического воздействия на горные массивы, нарушают их естественное состояние устойчивости, и для обеспечения безопасности сооружений горных объектов и ближних населённых пунктов требуются особые комплексные меры по их безопасной эксплуатации. Предлагается для оценки возможных опасностей и рисков в системе «грунт — сооружение» применять метод динамико-геофизической диагностики и мониторинга.
Постановка задачи
При эксплуатации объектов горной промышленности, представляющих собой совокупность грунтовых, конструктивных и инженерных систем, в условиях непрерывно изменяемых динамических и статических нагрузок на систему «грунт — сооружение» происходит непрерывное изменение во времени ее геометрии и механических свойств (рис. 1). Такие изменения приводят к взаимозависимым геологическим и конструктивным опасностям, рискам для персонала и населения. Возникают природные и техногенные землетрясения, оползни, провалы, которые приводят к повреждению конструктивных систем и риску для людей. Для контроля за состоянием горных объектов применяются современные высокоточные геодезические, сейсмические и геофизические приборы, однако при этом остаются без достаточного внимания конструктивные и инженерные системы: здания и сооружения. Не реализован единый замкнутый подход по контролю опасностей и рисков на объектах горной промышленности, в конечном итоге обеспечивающему безопасность персонала объектов и окрестного населения. Для обеспечения безопасности персонала горных объектов и населения, находящегося в зоне влияния объектов, требуются аппаратно-программные комплексы, основанные на методах высокоточного контроля геометрии и жёсткости систем, выполняющие непрерывный анализ данных, оценку опасностей и рисков, оперативно отражающие результаты прогнозов и своевременно оповещающие об опасностях и рисках.
Мониторинг опасностей и рисков системы «грунт — сооружение» с помощью метода динамико-геофизических испытаний
Для создания замкнутых единых систем контроля системы «грунт — сооружение» горной выработки, оценки возможных опасностей и рисков необходимо обеспечить непрерывный сбор данных о постоянно изменяющейся системе и ее окрестных населённых пунктах, на которые горная выработка может оказать влияние. Такую замкнутую систему, по нашему мнению, возможно создать только на основе программно-аппаратных средств с универсальными комплексными алгоритмами, обеспечивающими оперативную оценку параметров зарождающейся опасности ее координат, трёхмерных размеров, мощности и времени срабатывания; размеров области срабатывания опасности; параметров уязвимости объектов, попадающих в область срабатывания опасности.
В 2010–2011 гг. специалистами ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) было выполнено обследование жилых и социальных зданий, находящихся в непосредственной близости от бортов Коркинского разреза, с применением метода динамико-геофизических испытаний (см. рис. 2).
В посёлке Роза Челябинской области население на момент обследования в 2010 г. составляло 13,9 тыс. чел. Расстояние от жилых домов до разреза на момент обследования составляло 100 м, длина соприкосновения застройки с разрезом составляла 2,6 км.
Эти программно-аппаратные средства предлагается строить на основе геоинформационных систем. Геоинформационная система включает в себя крупномасштабные постоянно обновляемые цифровые карты горной выработки и ее окрестностей с данными о геологии, топографии, зданиях и сооружениях, инженерных объектах, персонале и населении. Структура блок-схемы программно-аппаратного комплекса для оценки возможных опасностей и рисков в районе горной выработки представлена на рисунке 5.
Для функционирования блок-схемы необходимы данные о горном массиве, данные о зданиях и сооружениях и мониторинговые данные, характеризующие степень опасности или техническое состояние контролируемого участка горной выработки и параметры уязвимости зданий и сооружений, находящихся в выработке и ее окрестностях. Мониторинговыми данными, интегрально характеризующими техническое состояние системы «грунт — сооружение», предлагается использовать частоту колебаний системы [7, 11, 13]. Это универсальная величина, которую легко измерить с помощью акселерометров или велосиметров.
Частота колебаний может характеризовать состояние как грунтового массива, так и сооружений, находящихся на нем. Квадрат частоты колебаний объекта прямо пропорционален жёсткости, который включает в себя как параметры геометрии, так и параметры прочности [11].
На рис. 7 и 8 видно, как существенно отличаются колебания верха и низа угольного разреза. Оценка частот и ускорений горных выработок, зданий и сооружений позволит выявить зарождающиеся опасности в горном массиве, уязвимость зданий и сооружений.
Пример оценки рисков для населения в районе горного разреза
Анализ данных, выполненных авторами, показывает, что причиной активизации геологических опасностей на Кузбассе является промышленная разработка угля, связанная не только с промышленными взрывами М = 1–2, но и с перемещениями больших масс горных пород с одного места на другое, что приводит к нарушению «привычного» состояния горных пород. На Кузбассе сейсмические события в основном происходят с малыми магнитудами, что способствует более плавному снятию неравновесной энергии горных пород.
Как видно из карты комплексного риска (рис. 9), риск для населения в районах горных выработок превышает норму (10-5 – 10-6) 1/год. Ниже приведены примеры оценки индивидуальных рисков для территории Кузбасса по трём возможным сценариям, для выбора координат и мощностей возможных сценарных очагов землетрясений, сейсмостойкости зданий использовались данные измерений методом динамико-геофизических испытаний.
При норме риска (10-5 – 10-6) 1/год риск для населения Кузбасса в 50–500 раз превышает норму.
Индивидуальный риск для населения, находящегося в зоне возможного сейсмического воздействия, определяется как произведение частоты крупных сейсмических событий на математическое ожидание потерь, поделённое на количество людей, попадающих в шестибалльную зону:
Rei = P×M/N6 ,
где Rei — индивидуальный риск для населения , 1/ год;
Р — частота землетрясений в период с 1949 года, за последние 65 лет,
Р= 0,2615 событий/год (пример Кузбасса);
М — математическое ожидание потерь по рассчитанным сценариям;
N6 — количество населения, попадающего в расчетные по сценариям шестибалльные зоны.
Сценарий № 1.
Rei = P × M/N6 = 0,2615 × M/N6 = 0.
Сценарий № 2.
Rei = P × M/N6 = 0,2615 × (315..1391)/68 189=(4,6 × 10-4 – 2 × 10-2 ) 1/год.
Сценарий № 3.
Rei = P × M/N6 = 0,2615 × (16–96)/31 104 = (5,1 × 10-4 – 3,1 × 10-3) 1/год.
Применение программно-аппаратных средств с использованием метода динамико-геофизических испытаний позволит в режиме мониторинга выполнять своевременную оценку опасностей и рисков, тем самым снизив возможные ущербы и риски для персонала и населения.
Список литературы
1. Проблемы геофизики XXI века. Сб. научн. трудов в 2-х кн. Отв. ред. чл.-корр. РАН А. В. Николаев. М.: «Наука», 2003.
2. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах. Учебное пособие для строит. спец. вузов. Н. И. Безухов, О. В. Лужин, Н. В. Колкунов. — М.: Высш. шк., 1987.
3. Действие взрыва в горных породах. Отв. ред. д-р физ.-мат. наук В. Н. Родионов, изд-во «Наука думка», Киев, 1973.
4. Черепанов Г. П., Ершов Л. В. Механика разрушения, изд-во «Машино-строение», 1977.
5. С. В. Медведев, д-р техн. наук, профессор. Инженерная сейсмология. Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Москва, 1962.
6. Ракишев Б. Р., Винокуров Л. В. Пеленгация источников возмещения в массиве горных пород. Алматы: НИЦ «Fылым», 2002. — 236 с.
7. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле: пер. с англ. Изд. 3-е, стереотипное. М.: КомКнига, 2007. — 404 с.
8. Жарков В. Н. Внутреннее строение земли и планет. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. — 416 с.
9. Медведев С. В. Сейсмика горных взрывов. М.: Недра, 1964.
10. ВСН 490-87 Проектирование и устройство свайных фундаментов и шпунтовых ограждений в условиях реконструкции промышленных предприятий и городской застройки.
11. Нигметов Г. М., Акатьев В. А., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Оценка сейсмостойкости зданий динамико-геофизическим методом с учетом особенности взаимодействия сейсмической волны с системой «грунт — сооружение». Строительная механика и расчет сооружений. 2018. № 1 (276). С. 24–30.
12. ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
13. Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС МЧС России, 2003.
