Инструментальный контроль скорости поверхностной сейсмической волны.
Известную проблему при проведении промышленных взрывов представляют колебания почвы, вызванные поверхностными сейсмическими волнами, так называемыми волнами Рэлея и Лява, которые могут привести к разрушению зданий и сооружений.
Скорости сейсмических волн в горном массиве могут достигать 8 км/с. Чем дальше от эпицентра взрыва и выхода сейсмических волн на поверхность, тем их скорость резко уменьшается и соответственно возрастает амплитуда сейсмической волны, ее мощность и время воздействия на окружающую среду. Логично предположить, уменьшение вредного воздействия поверхностных сейсмических волн, согласно закону сохранения энергии увеличит полезные формы работы взрыва, а именно часть энергии уйдет на дробление прилегающего массива, ибо энергия не исчезает и не создается вновь, но энергия одного вида может перейти в эквивалентное количество энергии другого вида, т.е. происходит перераспределение энергии взрыва в полезную механическую форму в пользу подземных объемных продольных волн сжатия и сдвига, которые идут на полезные формы механической работы взрыва, в данном случае на рыхление скального грунта, за счетснижения вредного воздействия поверхностных волн.
В 2010-2011 г.г. велись взрывные работы на месторождении строительного камня на карьере «Скальное» в черте промышленной зоны г. Усть-Каменогорска Восточно-Казахстанской области. Здесь же территориально расположены пруды-испарители (карты) жидких отходов производств одного из металлургического заводов города. Общий объем всех карт хвостохранилища около 10 млн. м3. Годовой объем скального грунта, необходимого для реконструкции карт, оценивается в ~80000 м3.
Ближайший борт дамбы карты №2 находится в 400 мот места проведения массовых взрывов .
Опасения были вызваны по поводу сейсмической устойчивости гидротехнических сооружений (карт), которые находятся в непосредственной близости от места проведения взрывных работ, с учетом многократного воздействия взрывов.
При расчете сейсмического воздействия взрыва на охраняемые объекты (карты), проектом, на основании заключения РГП «Казахский государственный центр взрывных работ Республики Казахстан», принят вес взрываемого блока не более 2000 кг ВВ с учетом расстояния для охраняемых зданий и сооружений от мест проведения взрывных работ.
Надо учесть, что общепринятым критерием сейсмической опасности промышленного взрыва является повреждения, вызванные сотрясением почвы, которые связаны с поверхностными сейсмическими волнами РG-волнами. Важнейшие характеристики сейсмических волн это энергия, импульс и скорость. Таким образом, измерив скорость РG-волн в результате взрыва можно прогнозировать степень повреждения зданий и сооружений.
По международной классификации при однократном взрыве скорость смещения грунта в 5 см/сек ограничивает относительно безопасную зону от зоны вероятной опасности. По Российской классификации при однократном взрыве предельно допустимые значения скоростей колебаний грунта для наземных и подземных охраняемых объектов в нашем случае определены 1-3 см/сек. В нашем случае выбор допустимой скорости колебаний производят из условий, чтобы повторяющиеся взрывы не вызывали в охраняемых объектах повреждения или накопления скрытых деформаций. При проведении многократных взрывов вблизи одних и тех же охраняемых объектов безопасное расстояние должно быть увеличено в два раза, либо необходимо попытаться уменьшить скорость смещения грунта соответственно в два раза.
В результате было принято решение осуществить мероприятия, направленные на предупреждение и снижение вредного воздействия опасных производственных факторов и их последствий:
· при взрывании каждого взрывного блока на карьере для снижения энергии поверхностных Рg сейсмического волн взрыва перед охраняемыми объектами (карты №№ 2, 3) предусмотреть контурную щель предварительного откола параллельно фронта карт хвостохранилищ, играющей роль экрана для сейсмических волн,
· дополнительно в целях лучшей балансировки взрыва принять инициирование заряда взрывчатых веществ с расположением детонатора в «точке равновесия взрыва».
Сейсмический контроль территории мест проведения взрывных работ проводился с участием Республиканского государственного предприятия «Институт сейсмостойкого строительства и архитектуры, г. Алматы (РГП КазНИИССА).
Работы по сейсмическому контролю выполнялись с помощью цифрового комплекса РСМ-8 с акселерометрами (измерителями ускорений) ADXL и СПМ-16. Акселерометр применяется, как для измерения ускорения в сторону, в которую произошло смещение, так и для измерения ускорения, вызванного силой тяжести Земли.
Исходные проектные данные: крепость пород по СНиП – V- VI, диаметр скважин – 105…130 мм, высота уступа 5-6 м, удельный расход взрывчатых веществ (ВВ) – 0,45 кг/м3, сетка скважин 2,5 ´ 2,5 метра, глубина скважин – 6…7,5 м,. инициирование заряда ВВ –обратное.
При проведении пробного взрыва 535 кг ВВ и типового 1415 кг ВВ, РГП КазНИИССА выполнены замеры амплитуд ускорений и скоростей смещения грунта на гидротехническом сооружении карты № 2, расположенной в 400 м от мест проведения взрывных работ. При проведении экспериментальных взрывов проведены сейсмические замеры по карте № 2 и дополнительно по карте № 3, расположенной в 600 м от мест проведения взрывных работ.
Отрезная щель предварительного откола была использована при пробном взрыве в 535 кг ВВ. При этом сейсмическое воздействие по грунту на тело плотины, возбужденное пробным взрывом в 535 кг ВВ, составило по Российской 12-ти бальной шкале сейсмической интенсивности MSK-64 (Медведева-Шпонхойера-Карника) менее 3-х баллов (скорость колебаний грунта в основании плотины составила 0,045 см/сек), по типовому взрыву в 1415 кг ВВ около 3-х баллов (скорость колебаний грунта в основании плотины составила 0,07 см/сек).
Третий и четвертый экспериментальные взрывы были проведены по методу «Точка равновесия взрыва» и дополнительно с созданием щели предварительного откола.
Взрывные блоки типовой, пробный и экспериментальные по геометрии взрыва (диаметр скважин, заряд ВВ, высота уступа, величина перебура, сетка скважин, короткозамедленное взрывание и т.д.), характеристикам взрываемых горных пород, характеристикам и типам взрывчатых материалов были аналогичны. Разница заключалась лишь в размещении боевика в заряде ВВ; в типовом и в пробном случаях – по проекту, т.е. расположение боевика «на глазок» на линии отрыва уступа, в экспериментальном – по расчету в «точке равновесия взрыва».
В частности при пробном взрыве взрывная волна, дошедшая до основания плотины отстойника карты №2 со скоростью 0,045 см/сек(менее 1 балла) возбудила колебание водяной массы (около 2,0 млн. м3), которая в свою очередь раскачала тело плотины со скоростью 0,06 см/сек (около 3 баллов). Максимальные же ускорения на плотине (типовой взрыв) составили 7,95 см/сек2, что соответствует 3 баллам. При последующих 3-ем и 4-ом экспериментальных взрывах амплитудные значения максимальных воздействий на тело плотины составили по ускорениям 0,013 см/сек2или около 2-х баллов, по скоростям 0,022 см/сек или около 2 баллов.
Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и различные шкалы интенсивности:
1 балл(незаметное) – колебания почвы, отмечаемые прибором;
2 балла(очень слабое) – землетрясение ощущается в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии;
3 балла (слабое) – колебание отмечается немногими людьми;
4 балла(умеренное) – землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;
5 баллов(довольно сильное) – качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;
Во всех взрывах отмечено преобладание горизонтальной составляющей поверхностных сейсмических Рg волн. Характер записи поверхностных волн для всех 4-х взрывов аналогичен, однако амплитуды поверхностных Рg-волн экспериментальных взрывов ниже типового и пробного взрывов.
Инструментальные данные сейсмического воздействия на плотины охраняемых сооружений (карт) по проведенным взрывам сведены в таблице.
Анализ полученных инструментальных данных по ускорениям и скоростям движения грунта свидетельствует о снижении энергии поверхностных сейсмических Рg-волн. Это еще раз подтверждает, что поверхностное сейсмическое действие взрыва тем меньше, чем больше его энергии использовано в подземной зоне дробления. Важнейшим условием обеспечения сейсмической безопасности влияния сейсмических волн на земной поверхности является наиболее полное использование энергии взрыва на подземное дробление горных пород.
На рисунке ниже приведены гистограммы типового, пробного и экспериментальных взрывов по Х-компоненте сейсмоприемников, т.е. по направлению от плотин на взрыв.
Выводы. Из гистограммы карьерных массовых взрывов на карьере «Скальное» видно, что не один из взрывов не достиг показателей скорости смещения грунта в 1-5 см/сек, которая ограничивает относительно безопасную зону от зоны вероятной опасности. При этом, согласно отчетов РГП КазНИИССА при экспериментальных взрывах получены незначительный сейсмический эффект около 2-х баллов (скорость колебаний грунта в основании плотины составила 0,022 см/сек), и соответственно отсутствие смещения тела плотины, равномерное улучшенное дробление скального грунта, «мягкое» воздействие на окружающую среду. В конце 2011 г. независимой специализированной организацией дополнительно проведена экспертиза состояния прудов испарителей (карт) жидких производственных отходов. В результате установлено, что техническое состояния прудов-испарителей (карты №№ 2,3) жидких производственных отходов соответствует требованиям промышленной безопасности.
S.Grigoryev. Balancing burst of energy. Monograph, Publishing house LAP «LAMBERT Academic Publishing», Germany, 2017г., 152 p., ISBN 978-3-330-03958-8
С. Григорьев. Балансировка взрыва. Монография, издательство «LAMBERT Academic Publishing», г.Саарбрюкен, Германия, 2013г., 81 с., ISBN 978-3-659-42952-1
Отчет РГП КазНИИССА по договору № 146-10/28-04-01 от 28.10.2010 г. «Месторождение «Скальное». Сейсмический контроль территории при проведении взрывных работ».
Отчет РГП КазНИИССА по договору № 10-11/28/-04-01 от 25.03.2011 г. «Месторождение «Скальное». Сейсмический контроль территории при проведении взрывных работ».
