В статье обоснована возможность минимизации разрушающего воздействия сейсмических колебаний, генерируемых взрывными работами, для обеспечения безопасности работ и качества строительства подземных объектов. Систематизированы сведения об использовании способов управления параметрами взрывной отбойки пород в окрестностях строящихся подземных объектов. Показана роль сейсмовзрывных колебания пород в устойчивости сооружений на бетонной основе. Рекомендован метод профилактики опасных сейсмических колебаний путем разделения процессов взрывного разрушения во времени посредством экранирования взрывных волн.

УДК 504.55.054:622(470.6)

В.И. ГОЛИК, доктор техн. наук, профессор Северо-Кавказского государственного технологического университета, главный научный сотрудник геофизического института Владикавказского научного центра РАН; Т.Т. ИСМАИЛОВ, доктор техн. наук, профессор кафедры экономики Всероссийской государственной налоговой академии Министерства финансов РФ

Ключевые слова: технология, бетон, сейсмическое колебание, взрывная волна, безопасность, прочность, порода
Keywords: technology, concrete, seismic, vibration, blast, safety, strength, breed

Технология строительства подземных объектов должна обеспечить их сохранность как во время строительства, так и при эксплуатации, безопасность производства горных работ и охрану недр и окружающей среды. Наибольшие риски строительства подземных объектов связаны со взрывными работами, поэтому для уменьшения риска необходим учет воздействия сейсмовзрывных колебаний на объекты [1].

Большинство объектов подземного строительства воздвигается в скальных массивах в устойчивых породах с коэффициентом крепости по Протодьяконову не менее 12. При меньшей устойчивости строительство осуществляется с применением специальных технологий.

Оптимизация нормативной прочности бетонных смесей состоит в сокращении сроков перевода их в состояние объемного сжатия и использовании других методов регулирования напряжений [2, 3].

При варианте с предохранительными массивами на границе строящегося объекта создается защитная стенка, после чего производятся основные строительные работы (рис. 1).

При технологии с предварительным упрочнением пород используют стальные канаты диаметром 18-25 мм или железобетонные анкеры, бетонируемые в скважинах длиной 10-17 м (рис. 2).

Укрепление пород способствует рациональному использованию энергии породного массива, но эффективно не всегда, так как рассчитано только на статические условия работы массивов, которые не могут быть обеспечены при производстве в окрестностях строящихся объектов взрывных работ.

Критерием динамического воздействия при производстве взрывных работ является скорость смещения V на фронте сейсмовзрывных колебаний. Сохранность подземных объектов обеспечивается, если скорость смещения при взрывах Vb не превышает допустимых пределов Vд [4]:

Vb< Vд

Развитие природных трещин и вывалы пород наблюдаются при Vb=20-50 см/с, поэтому это значение принимается как предельно допустимое по динамическому проявлению. При оценке сейсмического действия взрыва деформации горных пород не должны превышать величины относительной деформации 0,0002-0,0003 [5].

Скорость смещения пород:

см/с,

где К – коэффициент, характеризующий свойства проводящей сейсмические колебания среды;  – приведенная масса заряда, кг/м; Q – масса заряда, кг; r – расстояние от эпицентра взрыва, м; n – коэффициент, характеризующий условия взрывных работ.

При известной массе заряда безопасное расстояние по сейсмическому действию взрыва:

, кг

Чувствительность участков земной коры проявляется в виде сейсмического отклика на событие, вызвавшее изменение естественного напряженного состояния [6]. Наведенная сейсмичность активизируется в том числе подземным строительством.

Способом регулирования напряжений является корректировка напряжений в породах во времени и пространстве методами, позволяющими изменять динамические явления на статические.

Основным фактором воздействия на строящиеся подземные объекты является взрывание зарядов взрывчатых веществ (ВВ). Степень воздействия взрыва на массив определяется взрываемым при одной ступени замедления количеством ВВ, а критерием сейсмического действия взрывов является скорость смещения поверхности породного массива. Одна из главных причин деформаций массива с опасными последствиями − возникновение постоянных сейсмических колебаний в элементарных структурных породных блоках.

Объекты подземного строительства находятся в полях напряжений, вызванных взрыванием зарядов ВВ. Между резонансной частотой сейсмических колебаний и параметрами устойчивости пород и бетонных изделий существует корреляция [7].

Скорость сейсмоколебаний частиц пород зависит от веса заряда:

,

где K – коэффициент, зависящий от геолого-технологических условий и энергетической характеристики ВВ; n – показатель, зависящий от вида сейсмических волн и условий взрывания.

В породах с высокой акустической жесткостью сейсмические колебания по интенсивности невелики, поэтому деформирование происходит упруго. При расстояниях от центра взрыва до 15 м скорость сейсмических колебаний возрастает, а деформации получают упругопластический и пластический характер.

В скальных породах для ослабления сейсмических колебаний применяют ступени замедлений с интервалом 25-35 м∙с, что оказывается достаточным для разделения процессов разрушения на отдельные этапы [8].

При взрывном разрушении пород в массиве формируется волна разрушающих напряжений. Она не нарушает сплошности массива, пока не достигает поверхности раздела сред с разной акустической жесткостью. Свободная поверхность порождает отраженную волну и создает условия для образования трещин, заколов и вывалов, влияющих на бетонные объекты.

Сейсмическое действие взрыва оценивают по скорости, при которой деформации не превышают прогнозируемой величины. При возбуждении в массиве пород скорости колебаний выше допустимой сохранность зданий или сооружений не гарантируется. Критической скоростью колебаний является такая скорость, выше которой сохранность сооружений оценивается с вероятностью менее 0,5 [9].

В зоне действия взрыва с радиусом 5 м происходит дробление и трещинообразование, затем интенсивность трещинообразования уменьшается, а энергия перерождается в энергию сейсмической волны. С удалением на 10 м энергия взрыва полностью переходит в энергию сейсмических колебаний. Наиболее опасной по сейсмическим воздействиям является зона от 10 до 70 м от места взрыва.

Бетонные сооружения подземного объекта сохраняют устойчивость, если напряжения на фронте волны не превышают предела прочности бетона, что обеспечивается при ограниченном количестве взрываемого ВВ в одном замедлении. Максимальные напряжения на фронте сейсмической волны в искусственных целиках могут быть определены графически (рис. 3) [10].

При взрывании вблизи бетонных сооружений на их контуре возникают сжимающие и растягивающие напряжения, превышающие величину напряжения на фронте ударной волны и достаточные для их разрушения.

Снижение сейсмического воздействия взрывов достигается короткозамедленным взрыванием, которое обеспечивает максимальное использование энергии взрыва на дробление горных пород и снижение расхода энергии на работу сейсмических волн. Интервал замедления, при котором исключается наложение напряжений от взрыва зарядов соседних серий, должен быть равным или большим 25 м∙с. При мгновенном взрывании интенсивность сейсмического воздействия в 2 раза выше, чем при короткозамедленном взрывании [11].

Скорость колебаний при короткозамедленном взрывании:

, м/c,

где V – скорость колебаний частиц пород, м/c; К – коэффициент пропорциональности; r – расстояние от места взрыва до точки наблюдения, м; q – вес заряда в одной ступени, кг; L – длина взрываемого интервала, м; Δt – время замедления одной ступени, с.

Защита бетонного массива от сейсмического воздей­ствия взрыва производится экранированием. Для этого основную часть скважин, примыкающих к искусственному целику, взрывают с замедлением по сравнению с концами этих скважин (рис. 4).

В первую очередь без замедления взрывают заряды в концах скважин, примыкающих к закладке. После этого взрывают вторую часть заряда скважин с замедлением, и центральные скважины с еще большим замедлением. Подбором интервалов замедления и расхода заряда добиваются возникновения разрыхленной зоны – экрана.

Эффективность экранирования зависит от совместного действия продольных и поперечных волн и рациональна на тех расстояниях, где продольные и поперечные волны действуют совместно. При мгновенном взрывании образующих экран зарядов время его образования составляет 70-75 м∙с.

Устойчивость бетонного объекта определяется рядом факторов (рис. 5).

Условие прочности, при котором бетонный объект не подвержен нарушению:

σ≤σc,

где σ – напряжение на фронте волны, МПа; σс – предел прочности бетона при одноосном сжатии.

Если границей раздела двух сред будет не «массив – воздух», а «массив – разрыхленная порода», энергия отраженной волны будет существенно меньше энергии падающей волны, поэтому для получения нужных параметров дробления энергия взрыва должна быть увеличена на коэффициент зажима [12]:

,

Тогда Wуд=W0⋅Kзаж.

Полученные результаты могут найти применение при строительстве подземных объектов для минимизации рисков сооружения бетонных объектов путем учета учет воздействия сейсмовзрывных колебаний, а также при разработке скальных месторождений полезных ископаемых подземным способом [13-19].

Выводы:

Горно-геологические, гидрогеологические и геомеханические условия строительства подземных объектов весьма неоднородны, и скорости смещения вмещающих их пород неоднозначны даже при одинаковых условиях взрывания.

Особенностью поведения бетонных объектов является опасность разрушения искусственного массива взрывными работами с появлением технологических отслоений пород в массиве. При этом ведущую роль играют сейсмовзрывные колебания пород, если скорость смещения при взрывах превышает допустимые для данных условий пределы.

Профилактика опасных сейсмических воздействий осуществляется использованием ступеней замедлений взрывов ВВ в скважинах для разделения процессов разрушения во времени. Управление сейсмическим действием взрыва с целью сохранения безопасных условий для подземного строительства осуществляются с помощью экранирования взрывных волн и регулирования параметров взрывания.

Библиографический список

1. Голик В.И. Природоохранные технологии разработки рудных месторождений. – М.: Инфра, 2014. – 190 с.

2. Стародумов А.В. Определение параметров технологии тросоцементного укрепления горных пород Стрельцовского рудного поля // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 7, 2015, с. 89-94.

3. Юшина Т.И., Петров И.М., Авдеев Г.И., Валавин В.С. Укрепление вмещающих пород при отработке урановых месторождений Стрельцовского рудного поля камерными системами разработки // Горный журнал, № 2, 2015, с. 90-94.

4. Ляшенко В.И., Голик В.И., Штеле В.И. Создание и внедрение малозатратных ресурсосберегающих методов, средств и технологий на горных предприятиях. – М.: ЦНИИ экономики и информации, 1995. – 95 с.

5. Golik V.I., Hasheva Z.M., Galachieva S.V. Diversification of the Economic Foundations of Depressive Mining Region // The Social Sciences, № 10 (5), 2015. Medwell Journals, 2015, рр. 678-681.

6. Гуриев Г.Т., Воробьев А.Е., Голик В.И. Человек и биосфера: устойчивое развитие. – Владикавказ: Терек, 2001. − 474 с.

7. Исмаилов Т.Т. Оценка изменения удельного расхода ВВ с учетом горного давления при переходе на комбинированный способ разработки месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 7, 2006, с. 39-42.

8. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Gaponenko I. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // Metallurgical and Mining Industry, № 7, 2015, pp. 383-386.

9. Ляшенко В.И. Природоохранные технологии освоения сложноструктурных месторождений полезных ископаемых // Маркшей­дерский вестник, № 1, 2015, с. 10-15.

10. Исмаилов Т.Т. Влияние напряженного состояния горного массива на упругие параметры горных пород. – М., 1983, ЦНИЭИУголь. – 56 с.

11. Ляшенко В.И., Савельев Ю.Я., Ткаченко А.А. Научно-технические основы сейсмобезопасной технологии подземной разработки урановых месторождений // Металлургическая и горнорудная промышленность, № 6, 2006, с. 107-111.

12. Дудченко А.Х., Савельев Ю.Я., Крук П.Т. Сейсмическое действие веерных скважинных зарядов на элементы камерной системы разработки и охранные целики. – В кн.: Взрывное дело, № 85/42. – М.: Недра, 1983, с. 182-185.

13. Golik V.I., Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A. Experimental Study Of Non-Waste Recycling Tailings Ferruginous Quartzite // Research India Publications, № 15, 2015, pp. 35410-35416.

14. Еременко А.А., Гахова Л.Н., Еременко В.А. Влияние порядка отработки рудных залежей и технологических блоков на напряженно-деформированное состояние вмещающего массива в условиях полиметаллического месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень, № 7, 2015, с. 67-74.

15. Голик В.И., Ермоленко А.А., Лазовский В.Ф. Организационно-экономические проблемы использования природных ресурсов Южного федерального округа. – Краснодар: ЮИМ, 2008. − 328 с.

16. Golik V., Komaschenko V., Morkun V., Khasheva Z. The effectiveness of combining the stages of ore fields development // Metallurgical and Mining Industry, № 5, 2015, pp. 401-405.

17. Голик В.И., Комащенко В.И., Качурин Н.М. Концепция комбинирования технологий разработки рудных месторождений // Известия ТулГУ. Науки о Земле, вып. 4, 2015, с. 76-88.