Ю. А. Дик, начальник отдела, к. т. н.
А. В. Котенков, зам. начальника отдела
М. С. Токманцев, зав. сектором буровзрывных работ
В. П. Петров, ведущий инженер
АО «Уралмеханобр», г. Екатеринбург, Россия
Необходимость контроля и управления сейсмическим воздействием при производстве взрывных работ связана с высоким уровнем сейсмических рисков, влияющих на социально-экономическое развитие населенных пунктов, а также жизнь и здоровье людей.
Решение задач взаимодействия принятых параметров систем разработки, показателей буровзрывных работ и уровня сейсмического воздействия на борта карьера, подземные выработки, объекты поверхности и другие сооружения возможно только при реализации комплекса мер, направленных на развитие и совершенствование методов мониторинга сейсмической уязвимости конкретных охраняемых объектов, способов обеспечения сейсмобезопасного воздействия при производстве взрывных работ.
Научно-исследовательские работы, выполняемые сектором БВР отдела горной науки АО «Уралмеханобр» по изучению влияния сейсмического воздействия и совершенствования технологии ведения взрывных работ, за последние 20 лет нашли широкое практическое применение в Российской Федерации, Республике Казахстан, Грузии, что обусловлено наличием приповерхностных запасов вблизи городской инфраструктуры, а также необходимостью обеспечения проектных параметров выработанного пространства.
Недостаточная оценка данных факторов приводит к социальному недовольству жителей, проживающих в зоне влияния горных работ и, как показывает практика, влечет за собой обращение граждан в органы государственной власти и органы местного самоуправления.
Совершенствование технологии ведения взрывных работ для управления сейсмическим воздействием с учетом способов отработки месторождений невозможно без оценки потенциальных охраняемых объектов, сохранение которых влияет на безопасность людей и снижение социального напряжения.
Классификация потенциальных охраняемых объектов в зависимости от способа разработки месторождений представлена на рисунке 1:
• первая группа охраняемых объектов оценивается при открытом способе разработки месторождений и включает в себя инфраструктуру промышленной площадки карьера, борта карьера, жилые здания и сооружения при наличии вблизи населенных пунктов, а также возможные объекты высокого сейсмического риска;
• ко второй группе отнесены охраняемые объекты при подземном способе разработки месторождений, такие как горные капитальные выработки, конструктивные элементы систем разработки (рудные и закладочные целики, потолочины, нарезные выработки при необходимости дальнейшего их использования), жилые здания и сооружения в населенных пунктах, расположенных непосредственно над рудником, объекты высокого сейсмического риска;
• к третьей группе относятся охраняемые объекты при комбинированной разработке месторождений в зависимости от потенциального источника сейсмического воздействия и включают в себя большинство объектов первой и второй группы.
Для разработки технологических мероприятий и сейсмобезопасных параметров взрывных работ, обеспечивающих сохранность перечисленных выше охраняемых объектов, и в дальнейшем безопасной эксплуатации месторождений в условиях регулярных динамических нагрузок предусматривается решение следующих задач:
1. Определение величины допустимой скорости сейсмических колебаний для зданий и сооружений с учетом разделения объектов по их физическому состоянию, конструктивным особенностям, применяемым строительным материалам, назначению, сроку службы и классу.
Стойкость зданий и сооружений к сейсмическим колебаниям определяется в соответствии с ранговой классификацией.
Суммарный ранг объекта (Р) определяется суммой следующих четырех частных рангов:
P = Pc + Pм + Pт + Pу,
где Рс — ранг, характеризующий состояние объекта;
Рм — ранг, характеризующий материал, из которого изготовлено сооружение;
Рт — ранг, характеризующий тип сооружения;
Ру — ранг, характеризующий наличие антисейсмических усилений.
Класс сооружения определяется степенью его важности.
Все здания и сооружения объектов атомной энергетики, объектов высокого сейсмического риска, важные для безопасности, при оценке воздействия сейсмовзрывных волн от взрывов следует относить к первому классу.
2. Определение величины допустимой скорости сейсмических колебаний для конструктивных элементов систем разработки, бортов карьера, построено на установлении закономерностей изменения интенсивности колебаний массива горных пород.
Допустимая скорость колебаний для массива пород определяется на основании следующих закономерностей:
, см/с,
где Ср — скорость распространения продольной волны в массиве;
Сs — скорость распространения поперечной волны в массиве;
µ — коэффициент Пуассона;
ε — допустимая относительная деформация.
3. Определение динамических характеристик подземных горных выработок, выбор допустимых уровней сейсмического колебания с учетом класса важности выработки, суммарного ранга выработки, учитывающий свойства пород и типа крепления, является основой разрабатываемых рекомендаций по обеспечению сейсмической безопасности.
Решение перечисленных задач является базовыми критериями контроля сейсмического воздействия на окружающую среду, что определяет индивидуальность разрабатываемых методик для дальнейшего проведения инструментальных сейсмометрических замеров.
В рамках научно-исследовательских работ осуществляется мониторинг влияния взрывных работ при выемке запасов для сохранения исследуемых объектов с последующей оценкой полученных результатов и разработкой рекомендаций, направленных на снижение сейсмического воздействия.
Методика проведения инструментальных сейсмометрических замеров, а также методика оценки допустимой скорости сейсмических колебаний для охраняемых объектов позволяет оценить фактическое и допустимое сейсмическое действие при разработке месторождений.
Измерения и регистрация параметров сейсмических колебаний выполняется методом многоканальной регистрации механических колебаний с записью на цифровой измеритель и регистратор аналоговых напряжений УРАН-Интелекон [1].
Регистрация параметров сейсмических колебаний осуществляется по трем составляющим: продольной — х, поперечной — у и вертикальной — z [2]. Измерения колебаний прибором УРАН-Интелекон осуществляются при помощи трехкомпонентных сейсмоприемников в едином корпусе GS-3C (геофон GS-20DX, геофон GS-20DX-2В), устанавливаемых на грунте и ориентированных по трем направлениям относительно взрыва.
Комплект сейсморегистрирующей аппаратуры представлен на рисунке 2.
Общий принцип охраны сооружений определяется соотношением [3, 6]:
V ≤ Vдоп,
где V — фактическая скорость сейсмических колебаний при взрывах, см/с;
Vдоп — допустимая скорость колебаний, см/с.
Скорость колебаний охраняемого объекта при взрыве связана с величиной заряда ВВ и расстоянием от места взрыва до объекта следующей зависимостью [4]:
, см/с,
где V — скорость колебаний грунта, см/с;
Q — масса заряда ВВ в ступени замедления (группе), кг;
R — расстояние от места взрыва до охраняемого объекта;
К — коэффициент, зависящий от ряда факторов;
µ — показатель степени затухания колебаний.
В случае превышения допустимых скоростей сейсмических колебаний предусмотрена разработка ряда мероприятий, направленных на снижение сейсмического воздействия путем корректировки существующих параметров буровзрывных работ.
Количественные значения полученных данных позволяют уточнить в конкретных условиях разработанные способы прогнозирования сейсмического воздействия взрыва.
Ниже представлены основные результаты НИР в зависимости от поставленных задач.
Снижение сейсмического воздействия на детский сад при подземном способе разработки месторождения
При подземной разработке месторождения, расположенного под населенным пунктом, в зону сейсмического влияния попадают как жилые дома (класс сооружения III), так и детский сад (класс сооружения II).
Поскольку детский сад относится к сооружению гражданского назначения с большим скоплением людей, данное строение имеет наименьшую допустимую скорость сейсмических колебаний, что определило необходимость исследования данного объекта, относительно взрываемой камеры (рисунок 3).
Детский сад является одноэтажным кирпичным зданием на бетонном фундаменте, в стенах и заполнителе имеются небольшие трещины, отмечены отслоения штукатурного покрытия на фундаменте и в помещениях (рисунки 4, 5). По типу — здание с несущими стенами, антисейсмические усиления отсутствуют.
Визуальный осмотр позволил рассчитать суммарный ранг объекта и определить допустимую скорость сейсмических колебаний 0,5 см/с.
По результатам проведения первичных инструментальных сейсмометрических исследований была получена велосиграмма, представленная на рисунке 6, с фактической векторной скоростью сейсмических колебаний 0,61 см/с, представленной в таблице 2, что превышало допустимую скорость.
После корректировки параметров БВР на основании результатов первого взрывания были проведены повторные сейсмометрические замеры с ограничением массы заряда до 250 кг и корректировкой интервалов замедления средств инициирования.
По результатам проведения проверочных инструментальных сейсмометрических исследований была получена велосиграмма, представленная на рисунке 7, с фактической векторной скоростью сейсмических колебаний 0,21 см/с, представленной в таблице 3.
Результатом оценки сейсмического воздействия на детский сад при подземном способе разработки месторождения является сохранность исследуемого объекта путем определения оптимальной массы заряда в группе и корректировки интервалов замедления с учетом расстояния до охраняемого объекта и скорости прохождения волн в массиве по данным велосиграмм. Решение данного вопроса позволило предприятию рассмотреть возможность увеличения объемов взрывания, исключающего превышение допустимой скорости сейсмических колебаний.
Оценка влияния подземных взрывных работ на устойчивость борта карьера и транспортного съезда при комбинированной разработке месторождения
При отработке прибортовых запасов подземным способом возникает необходимость сохранения бортов карьера и транспортных съездов.
Решение задачи данного частного случая рассматривалось для следующих условий:
— на первом этапе производится отбойка вееров скважин, разбуренных из штрека гор. -300 м, расположенных на контакте рудного тела вдоль борта карьера. На этих участках произойдет отделение большей части рудного массива от борта карьера;
— на втором этапе производится отбойка вееров, разбуренных из штрека гор. -320 метров.
Учитывая данный порядок ведения взрывных работ, сейсмическое воздействие будет направлено в сторону транспортного съезда в верхнем торцевом направлении 1 и борта карьера в боковом направлении 2, представленных на рисунке 8.
Допустимая скорость сейсмических колебаний, согласно проведенным расчетам с учетом физико-механических свойств пород, слагающих борт, составляет 18 см/с.
Карьерный транспортный съезд, проходящий по борту карьера на минимальном удалении от взрываемого веера № 1, имеет допустимую скорость сейсмических колебаний 15 см/с.
Взрывание веера № 1 осуществляется скважинными зарядами с максимальной массой заряда в скважине 330 кг.
Расчетная скорость колебаний пород и руд для борта карьера в зависимости от массы ВВ на одну ступень замедления, а также удаления от взрыва с учетом направления действия взрыва представлена в таблице 4.
В боковом направлении взрыва при массе заряда в группе 4 450 кг воздействие на борт карьера в ближней зоне до 18 метров приведет к существенному превышению скорости сейсмических колебаний от 158 см/с до 22 см/с. В таких условиях не обеспечивается сохранность участка борта, примыкающего к взрываемому вееру.
При массе заряда в группе 1 200 кг допустимая скорость сейсмических колебаний 18 см/с, обеспечивается на удалении 10 метров от взрываемого веера. Однако на расстоянии менее 10 метров произойдет дробление и интенсивное трещинообразование массива борта. Сохранность прибортового массива не обеспечивается.
При массе заряда в группе 330 кг, соответствующей массе заряда скважины, имеющей наибольшую длину, дробление и интенсивное трещинообразование произойдет на расстоянии до 4–5 метров от взрываемого веера.
Анализ результатов, приведенных в таблице 4, показал, что оптимальная масса заряда в группе на удалении от 0 до 10 метров до проектного контура карьера должна быть не более 330 кг, на расстоянии от борта более 10 метров масса заряда в группе не должна превышать 1 200 кг.
Расчетная скорость колебаний пород и руд для карьерного транспортного съезда в зависимости от массы ВВ на одну ступень замедления, а также удаления от взрыва с учетом направления действия взрыва представлена в таблице 5.
Анализ расчетов, приведенных в таблице 5, показал, что сохранность транспортного съезда будет обеспечена, а допустимая скорость сейсмических колебаний 15 см/с не будет превышена при условии взрывания веера № 1 с максимальной массой заряда в группе 330 кг на расстоянии до 10 метров от борта карьера и 1 200 кг на расстоянии более 10 метров от борта карьера.
По результатам проведенных исследований, представленных в таблицах 4 и 5, для снижения сейсмического воздействия на охраняемые объекты необходимо ограничение массы заряда в группе (ступени замедления) до 330 кг при взрывании скважинных зарядов, попадающих в 10-метровую зону рудного тела по контуру борта карьера.
Данная зона представлена желтым цветом на рисунке 9.
Для уточнения разрушающего воздействия взрыва заряда массой 330 кг в группе на борт карьера была проведена оценка распространения зон дробления и трещинообразования по массиву.
Радиус зоны дробления составил 1,4 м, радиус зоны трещинообразования 4,4 м.
На основании проведенных исследований для обеспечения безопасной технологии ведения взрывных работ при отработке прибортовых запасов месторождения подземным способом были сделаны следующие выводы и рекомендации:
— при мгновенном взрывании скважин (с массой заряда ВВ в группе, равной 4 450 кг) разрушающее воздействие на борт карьера распространяется на расстояние до 18 м, что приведет к локальной потере устойчивости массива борта и не обеспечит сохранение транспортного съезда;
— анализ расчетов, приведенных в таблицах 4 и 5, показал, что сохранность транспортного съезда будет обеспечена при условии взрывания веера № 1 с максимальной массой заряда в группе 330–350 кг на расстоянии до 10 м от контура борта карьера и 1 200 кг на расстоянии более 10 м от борта карьера;
— для снижения сейсмического действия отбойку руды следует вести с внутривеерными замедлениями, оптимальная масса заряда в группе (ступени замедления) на удалении от 0 до 10 м до проектного контура карьера должна быть не более 330–350 кг;
— на расстоянии от борта карьера более 10 м масса заряда в группе не должна превышать 1 200 кг;
— для снижения воздействия взрывов на борт карьера и локализации зоны дробления и трещинообразования при подземной отработке прибортовых запасов рекомендуется разбуривание массива руды производить с недобуром скважин до проектного контура отбойки на величину не менее 1,5–2 м.
Для своевременной корректировки и уточнения параметров БВР, на начальном этапе отработки прибортовых запасов, также был организован сейсмометрический контроль.
Оценка сейсмического воздействия на законтурный массив карьера при открытой разработке месторождения
Целью проведения сейсмометрических наблюдений являлись оценка и предотвращение возникновения остаточных деформаций в массиве борта карьера при существующих параметрах буровзрывных работ на основании замеров фактических скоростей колебаний массива и их сравнения с допустимыми скоростями в зоне отсутствия контурной щели и за зоной предварительного щелеобразования.
Для определения эффективности предварительного щелеобразования и оценки уровня воздействия взрывных работ на законтурный массив борта при производстве замеров сейсморегистраторы были установлены в зоне отсутствия контурной щели и непосредственно за контурной щелью.
Замеры осуществлялись в 2 этапа, в ближней зоне расположения взрываемого блока и в дальней зоне расположения.
Схема расположения сейсморегистраторов и взрываемого блока при замерах 1-го этапа представлена на рисунке 10.
Параметры колебаний регистрировались в двух точках. В исследованиях учитывались минимальные расстояния от приборов до отбиваемого блока, точка замера № 1 = 42 м, точка замера № 2 = 47 м. Результаты проведенных сейсмометрических замеров представлены в таблице 6.
Схема расположения сейсморегистраторов и взрываемого блока при замерах 2-го этапа представлена на рисунке 11.
Параметры колебаний регистрировались в двух точках. В исследованиях учитывались минимальные расстояния от приборов до отбиваемого блока, точка замера № 1 = 301 м, точка замера № 2 = 283 м. Результаты проведенных сейсмометрических замеров представлены в таблице 7.
Проведенная оценка сейсмического воздействия на месторождении позволила сравнить допустимую и фактическую скорости колебаний для борта карьера (средней группы уступов). По результатам проведенных сейсмометрических исследований установлено, что фактические скорости сейсмических колебаний при ведении взрывных работ не превышают допустимую скорость 9,3 см/с как за зоной предварительного щелеобразования, так и вне этой зоны.
За зоной предварительного щелеобразования отмечено резкое снижение сейсмического воздействия на массив и подтверждена эффективность предварительного щелеобразования:
— при расстоянии от взрываемого блока до места установки сейсмоприемников (до 50 м) сейсмическая нагрузка снизилась в 2,4 раза;
— при расстоянии от взрываемого блока до места установки сейсмоприемников (более 250 м) сейсмическая нагрузка снизилась в 1,8 раза.
На основании приведенных выше исследований для обеспечения общей устойчивости бортов карьера и предотвращения накопления остаточных деформаций массивов при ведении взрывных работ рекомендовано в зонах слабоустойчивых пород и особо охраняемых участков проводить контурное взрывание методом предварительного щелеобразования.
Внедрение систем контроля сейсмического воздействия
На основании установленных количественных закономерностей и опыта, наработанного специалистами отдела горной науки АО «Уралмеханобр», одним из перспективных направлений деятельности является интеграция на горнодобывающих предприятиях систем контроля сейсмического воздействия (СКСВ) на поверхности, предоставляемого российскими разработчиками геофизического оборудования.
Внедрение систем СКСВ позволило решить предприятию следующие задачи:
• адаптация геофизического оборудования под нужды предприятия в условиях конкретных требований горного производства;
• обеспечение круглосуточной записи сейсмических явлений;
• возможность получения данных в реальном времени;
• сохранение полученных данных за предыдущие периоды;
• мгновенное оповещение о скоростях сейсмических колебаний после производства взрывных работ, превышающих заданные пороговые значения по средствам СМС-информирования.
На основании получаемых оперативных данных сотрудниками института АО «Уралмеханобр» проводится тарировка стационарного сейсмометрического оборудования, корректировка параметров БВР и изменение направления инициирования зарядов с учетом движения фронта горных работ и расположения охраняемых объектов.
Показанные в публикации примеры управления сейсмическим воздействием взрывов реализованы на горнодобывающих предприятиях. Это позволило существенно снизить риски влияния взрывных работ на инфраструктуру гражданских и промышленных объектов.
Список литературы
1. «Руководство по эксплуатации. Измеритель и регистратор аналоговых напряжений УРАН-Интелекон. — АВМЮ.411116.012 РЭ. — 2007.
2. ГОСТ Р 52892-2007. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию. Утв. Фед. агентством по тех. регулированию и метрологии от 27.12.2007 № 586-ст. — М.: Стандартинформ, введен 10.01.2008.
3. В. Ф. Богацкий, В. Х. Пергамент. Сейсмическая безопасность при взрывных работах. — М.: Недра, 1978. — 128 с.
4. Г. В. Кузнецов. Сейсмическая безопасность сооружений при взрывных работах в карьерах. — Горный журнал, 1971 г. № 4. — Стр. 47–49.
5. Б. Н. Кутузов. Безопасность взрывных работ в промышленности. — М.: Недра, 1992. — 544 с.
6. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия РБ Г-05-039-96, утверждено постановлением Госатомнадзора России 31 декабря 1996 г. № 100.
