Сейсмический эффект массовых химических взрывов на карьерах Курской магнитной аномалии

Интенсивное использование взрывных технологий в промышленности и строительстве обусловило быстрое развитие технических средств и методов, применяемых при взрывных работах. Так, способ короткозамедленного взрывания позволил производить крупномасштабные взрывы без существенного увеличения сейсмического эффекта. Это вызвало широкое распространение подобных технологий по всему миру, что, в свою очередь, отводит проблемам, связанным с промышленными химическими взрывами, важную роль. Наряду с высокой эффективностью разрушения породы и перемещения горной массы промышленные взрывы оказывают интенсивное негативное воздействие на окружающую среду. Сейсмический эффект следует рассматривать в качестве одного из наиболее важных геоэкологических факторов взрывных работ. Вызываемые взрывом сейсмические колебания грунта приводят к сотрясению производственных и жилых зданий, других построек, а при достаточно высокой амплитуде — к разрушению конструкций и строений [8, 9, 59].

Производственная статистика свидетельствует о том, что подавляющее количество народнохозяйственных химических взрывов выполняется при открытой добыче полезных ископаемых карьерным способом. К тому же, следует отметить, что взрывы на карьерах характеризуются значительной массой взрывчатого вещества (ВВ) и, как следствие, — мощным сейсмическим эффектом. Необходимость обеспечения безопасности объектов, расположенных в окрестности горнодобывающих предприятий, требует проведения детальных исследований сейсмического эффекта промышленных взрывов.

В круг задач, связанных с необходимостью дальнейшего изучения сейсмического эффекта промышленных взрывов, попадает, также, з повышение надежности при решении сейсмологической задачи распознавания сейсмических сигналов [14, 15].

Данные, полученные при измерении сейсмического эффекта промышленных взрывов, могут быть с успехом использованы и для целей традиционного сейсмического микрорайонирования, поскольку часто проводимые крупные химические взрывы являются хорошим инструментом для изучения сейсмических свойств грунтов, а также для определения спектральных особенностей сотрясения зданий и сооружений при сильных сейсмических воздействиях. Влияние горнодобывающих предприятий необходимо учитывать и при микрорайонировании локальных участков, которые характеризуются местными особенностями сейсмического фона и сейсмическими воздействиями техногенного происхождения.

Не вызывает сомнения и возможность использования промышленных взрывов для глубинных сейсмических исследований [17, 61].

Все эти задачи требуют дальнейшего изучения проблем сейсмики массовых промышленных взрывов.

Используемая на карьерах взрывная технология дробления горных пород предусматривает последовательное проведение нескольких взрывов заранее подготовленных блоков, расположенных, как правило, на разных участках карьера. Взрыв отдельно взятого блока выполняется путем подрыва групп зарядов ВВ, расположенных в скважинах. Количество боевых скважин в блоке определяется его размерами. Такие взрывы, состоящие фактически из множества отдельных взрывов, называются массовыми.

Сейсмический эффект массовых взрывов имеет свои специфические особенности, связанные со сложной пространственной конфигурацией зарядов ВВ, а также системой временных задержек между подрывом 6 групп скважин и блоков (внутри блока ряды скважинных зарядов взрываются с интервалом в миллисекунды, а между взрывом соседних блоков может пройти несколько секунд). Все это определяет крайне неравномерное выделение энергии ВВ во времени и пространстве, что приводит к сложной структуре сейсмических колебаний. К тому же схемы проведения взрывов крайне разнообразны.

Результаты подавляющего числа выполненных на сегодняшний день исследований массовых взрывов касаются интегральных характеристик сейсмического сигнала. При этом за основу берутся данные о сейсмическом действии сосредоточенного взрыва, для которого разработаны фундаментальные положения о генерации и распространении сейсмовзрывных волн, обоснованы геометрические и энергетические законы подобия взрывных источников.

В классической задаче о сейсмическом эффекте взрыва (в грунте) для одиночного заряда характер процесса смещения грунта выражается в увеличении амплитуды и видимого периода упругой волны с возрастанием веса заряда. Впервые решение подобной задачи было проведено Шарпом (1942), который рассматривал сферическую полость радиуса г в однородной идеально-упругой среде. Однако, многочисленные эксперименты показали, что простое увеличение веса заряда очень часто является экономически крайне невыгодным, поскольку амплитуда сейсмического сигнала нарастает медленнее, чем вес заряда.

С целью экономии ВВ начали применять группирование зарядов, а для лучшего дробления породы стало практиковаться последовательное взрывание отдельных зарядов или отдельных групп зарядов с ранее заданными промежутками времени, измеряемыми миллисекундами: метод группового короткозамедленного взрывания [60, 66, 79, 85]. При таком методе каждый заряд (или группа зарядов) разрушает грунт, действуя не только в сторону свободной поверхности, но и в сторону 7 зоны дробления, образовавшейся от предыдущего заряда. Таким образом обеспечивается лучшее дробление породы, уменьшается ширина развала взорванной массы и выброс мелкодисперсного материала, увеличивается полезное использование энергии взрыва, вследствие чего уменьшается удельных расход ВВ [68, 86, 66].

Одним из важнейших аспектов при проведении взрывных работ является сейсмическая безопасность. Основным параметром при ее оценке принята максимальная скорость смещения грунта [49, 50]. А поскольку наиболее результативным способом снижения скорости колебаний при взрывных работах признано короткозамедленное взрывание, этот метод получил широкое распространение [55] при проведении горных выработок, добыче полезных ископаемых, в строительстве.

Большинство работ в области изучения сейсмического эффекта массовых короткозамедленных взрывов оперирует лабораторными и полевыми данными [87], которые позволили выявить характерные особенности метода: практически монотонное снижение сейсмического эффекта короткозамедленного взрыва при увеличении времени замедления и числа групп зарядов [60], небольшое отличие (не более чем в 1.5−2 раза) максимальных массовых скоростей больших групп зарядов от максимальной скорости при взрыве только одного заряда из группы [23, 24], большое рассеивание энергии (вплоть до 80%) в ближней зоне взрыва [29]. Таким образом, поиски способов повышения сейсмобезопасности взрывных работ продемонстрировали, что путем подбора сочетаний веса ВВ группы зарядов и времени замедления можно в широких пределах управлять сейсмическим эффектом короткозамедленного взрыва независимо от общего веса взрываемого ВВ [54], что, в свою очередь, дает возможность одновременного взрывания больших объемов пород без увеличения сейсмического действия взрыва. 8.

Помимо анализа сейсмоэффекта, возникающего в результате массовых взрывов в горном производстве, промышленности и строительстве, этот специфический вид события рассматривается некоторыми учеными как возможность имитации движения поверхности при землетрясении [63, 72, 48], а с началом запрещения надземных ядерных испытаний — как единственный путь для военных испытаний инженерных сооружений [64].

С появлением Договора об ограничении, а впоследствии о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, большой интерес стала вызывать возможность распознавания больших химических взрывов, землетрясений и ядерных взрывов, поскольку при ядерном взрыве малой мощности генерируются сейсмические сигналы, сравнимые по интенсивности с колебаниями или от химического взрыва в 50−500 т, или от землетрясения с магнитудой в пределах 2−3 [22]. Таким образом, возникает возможность сокрытия ядерных испытаний и необходим надежный способ идентификации сейсмических сигналов от разных источников [67, 82, 84, 70]. В основном, методы разрабатываются построением близких к источнику математических моделей и прямым сравнением с полученными волновыми полями и спектрами [13, 34, 80, 81]. В результате проведенных исследований разработан ряд достоверных методов идентификации сейсмических сигналов. Так, для короткозамедленных взрывов подтверждается повышенное содержание высокочастотных компонент в спектрах массовых короткозамедленных взрывов [62, 80]. Этот факт позволяет идентифицировать события с помощью вычисления отношения энергий для низкочастотной и высокочастотной части спектра [55, 72].

Но если отдельные залпы химического взрыва достаточно мощны, они могут скрыть сигналы от ядерного взрыва мощностью менее 1 кт. 9.

Одним из надежных дискриминантов сейсмических источников, в таком случае, является характерная модуляция спектров сигналов, вызванных короткозамедленными химическими взрывами [62, 71, 74]. Спектральная модуляция, как вычислено [78], задается формулой cos (a)T/2), где со — угловая частота. В ходе изучения было обнаружено, что наблюдаемая спектральная модуляция может быть эффективно воспроизведена числовой моделью в предположении, что все подвзрывы формируют одну и ту же общую волновую форму, и что все движения накладываются линейно [13, 62, 69]. Исследования обоснованности подобного предположения о линейной суперпозиции убедительно подтвердили его для ближних волновых полей от небольших близкорасположенных источников [82]. При изучении суперпозиции в полевых условиях наиболее интересным остается вопрос о расстоянии, на котором, в зависимости от свойств среды и параметров источника, происходит переход от линейного отклика к нелинейному [69, 76].

Основное число опубликованных работ посвящено анализу влияния различных параметров и условий проведения на сейсмический эффект короткозамедленных взрывов [7, 8, 9, 13, 20, 40]. Вместе с тем следует отметить необходимость получения более детальных характеристик сейсмовзрывных полей для описания пространственных особенностей волновых движений, вызванных массовыми карьерными взрывами. И здесь необходимо подчеркнуть значение инструментальных наблюдений как основного источника достоверной информации.

Повышенный интерес к сейсмическому эффекту массовых взрывов на карьерах в последнее время связан с тем, что за длительные сроки эксплуатации карьеров их размеры значительно выросли. Большое количество производственных зданий и сооружений оказались в опасной близости от места проведения взрывных работ. А поскольку многие горнодобывающие предприятия, например, европейской части России,.

10 расположены в густонаселенных районах, усилилось влияние постоянно проводимых массовых взрывов на окружающую жилую зону. Учитывая сложную пространственную структуру сейсмических волн, вызванных массовыми взрывами, а также возможность суперпозиции сейсмических сигналов от взрывов разных блоков, возникает необходимость в проведении более детальных исследований сейсмического эффекта карьерных взрывов. Для возможности планирования безопасного ведения взрывных работ необходимо также разработать методы прогноза сейсмического эффекта с учетом конкретного расположения отбиваемых блоков и параметров технологической схемы.

В настоящей работе использован большой объем данных инструментальных наблюдений, выполнен пространственно-временной анализ сейсмических сигналов от массовых взрывов на карьерах. На основе обобщения экспериментальных данных разработана расчетная модель сейсмического эффекта массовых взрывов, позволяющая оценивать параметры колебаний в разных точках пространства в зависимости от конкретных схем проведения взрыва.

Основной целью настоящей работы является получение пространственно-временных характеристик сейсмического сигналаразработка алгоритмов анализа и расчета параметров сейсмического эффекта массовых короткозамедленных взрывов со сложной пространственной конфигурацией.

Для того, чтобы получить пространственно-временные характеристики сейсмического сигналаразработать алгоритмы анализа и расчета параметров сейсмического эффекта массовых взрывов, были сформулированы основные задачи исследований:

1. Определение пространственных особенностей волнового поля массового короткозамедленного взрыва;

2. Определение в широком диапазоне расстояний амплитудных и спектральных характеристик сейсмических сигналов, вызываемых массовыми промышленными взрывами на карьерах;

3. Определение критериев для обобщенного аналитического описания сейсмического эффекта массовых взрывов, выполняемых по разным схемам подрыва зарядов;

4. Разработка расчетной модели взрывного источника сложной конфигурации со сложным графиком выделения энергии.

Научная новизна. На основе выполненных экспериментальных исследований в широком диапазоне расстояний (от первых сотен метров до 400 км) и для разных азимутов распространения сигнала получены параметры сейсмического сигнала от массовых взрывов на карьерах.

Экспериментально показано, что наиболее устойчивым амплитудным параметром сейсмического эффекта массового карьерного взрыва является абсолютная величина полного вектора скорости сейсмических колебаний грунта.

В результате анализа и обобщения экспериментальных данных получен критерий энергетического подобия массовых промышленных взрывов: в традиционной зависимости для приведенного расстояния.

1 In.

R = r/Q, где г — абсолютное расстояние от взрывного источника, в качестве массы заряда Q необходимо выбирать максимальную одновременно взрываемую массу заряда.

На основе результатов обработки реальных сейсмических сигналов, зарегистрированных при взрывах на карьерах Курской магнитной аномалии (КМА), показано, что характерная для массовых короткозамедленных взрывов модулированная форма спектра не зависит от участка сейсмической записи и сохраняется на расстояниях вплоть до 400 км от взрывного источника.

Разработана расчетная модель сейсмического сигнала массового карьерного взрыва, учитывающая распределение зарядов ВВ в группах, количество взрываемых блоков, их геометрические размеры и расположение в карьере, а также временной график проведения взрыва.

В работе показано, что регистрируемые при экспериментах пространственные вариации амплитудных характеристик сейсмического сигнала массового взрыва связаны с суперпозицией сейсмических сигналов, вызванных взрывом групп одновременно взрываемых скважин.

На основе выполненных расчетов проведена оценка допустимой формы и размера сейсмического излучателя для массового карьерного взрыва.

Результаты настоящих исследований позволяют прогнозировать сейсмический эффект в разных точках пространства, в первую очередь — в местах расположения охраняемых зданий и сооружений. Разработанная расчетная модель сейсмического сигнала позволяет определять безопасную массу одновременно взрываемых зарядов в группах скважин в зависимости от конкретной схемы расположения отбиваемых блоков и охраняемых сооружений.

В настоящей работе предложен принцип оценки сейсмического эффекта взрыва системы зарядов ВВ, который основывается на суперпозиции волновых форм. Такой подход является шагом к совершенствованию используемых на карьерах горнодобывающих предприятий взрывных технологий, основывающихся на управлении разрушающего действия скважинных взрывов, а также снижения сейсмического эффекта в охраняемой зоне.

Сформирована электронная база данных, систематизирующая цифровую сейсмическую информацию о массовых промышленных взрывах.

В работе использованы данные, полученные при регистрации сейсмических сигналов от 76 массовых взрывов, проведенных в 19 952 001 гг. на карьерах Лебединского, Стойленского и Михайловского горно-обогатительных комбинатов Курской магнитной аномалии, а также результаты численных расчетов сейсмических сигналов массовых взрывов.

Автором настоящей работы выполнены обработка и анализ сейсмической информации, полученной при регистрации массовых промышленных взрывов на карьерах КМАразработаны подходы к количественному описанию сейсмического эффекта массовых взрывов на карьерахразработана и реализована на компьютере расчетная схема сейсмического эффекта массовых взрывов на карьерахсоздано специальное программное обеспечение для обработки данных. С помощью системы управления базами данных Microsoft Access была разработана и сформирована электронная база, содержащая основные параметры каждого взрывного источника, место и технические характеристики регистрирующего пункта, а также непосредственно информацию о зарегистрированном сигнале (графический образ сигнала и имя файла, содержащего цифровую информацию).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Наиболее устойчивым амплитудным параметром сейсмического эффекта короткозамедленного взрыва является абсолютная величина полного вектора скорости сейсмических колебаний грунта.

2. Характерная для короткозамедленных взрывов модуляция спектра отмечается для всех участков сейсмической записи массовых взрывов на карьерах и является устойчивой качественной характеристикой.

14 сейсмического сигнала на расстояниях вплоть до 400 км от места проведения взрыва.

3. Принцип энергетического подобия справедлив для массовых промышленных взрывов: в качестве массы заряда в формуле для приведенного расстояния необходимо выбирать максимальную одновременно взрываемую массу заряда.

4. Пространственные вариации амплитуды сейсмического сигнала массового взрыва связаны с суперпозицией сейсмических сигналов, вызванных взрывом групп одновременно взрываемых скважин.

5. Разработанная в диссертации расчетная модель сейсмического эффекта массового взрыва позволяет определять пространственно-временные характеристики сейсмического сигнала с учетом не только массы ВВ, числа групп зарядов и времен замедления, но также линейных размеров взрываемых блоков, их конфигурации и временного графика подрыва.

6. В качестве эффективного сейсмического излучателя для массового карьерного взрыва со сложной пространственной конфигурацией зарядов допустимо выбирать окружность, радиус которой составляет 2−3 линейных размера области, занимаемой системой взрываемых блоков.

Результаты работы докладывались на пяти Международных и Российских конференциях: «Освоение недр и экологические проблемывзгляд в XXI век» (г. Москва, 2000 г.) — «Третьи научные чтения имени академика Е. М. Сергеева» (г. Москва, 2001 г.) — «Неделя горняка» (г. Москва, 2001 г.) — «Геодинамика и техногенез» (г. Ярославль, 2000 г.) — «Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных регионов» (г. Воронеж, 2001 г.) — «IY Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию» (г. Сочи, 2001 г.).

Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю А. А. Спиваку за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работыа также чл.-корреспонденту РАН В. В. Адушкину, профессору В. Н. Костюченко, профессору А. Б. Пешкову, д.ф.-м.н. В. М. Овчинникову, д.г.-м.н. Н. В. Шарову, к.т.н. Е. А. Сутулову за помощь в выполнении настоящих исследований, ценные замечания и рекомендации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (87 наименований). Объем работы — 72 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 11 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Горнодобывающая промышленность является одним из источников техногенного воздействия на окружающую среду. В России, как и во всём мире, проводится очень большое количество достаточно крупных химических взрывов, особенно при ведении открытых горных работ.

Среди факторов, определяющих влияние горнодобывающего производства на геологическую среду, одно из первых мест по значимости занимает сейсмика взрывов.

К настоящему времени как у нас в стране, так и за рубежом выполнен большой объем экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению сейсмического эффекта короткозамедленного взрыва. Однако актуальность проблемы на сегодняшний день не снижается. Это связано с несколькими аспектами.

С одной стороны, по мере разработки месторождений, границы карьеров вплотную приблизились к промышленным зданиям и сооружениям, оказались в опасной близости от жилой зоны. К тому же, существенно усложнилась технология проведения взрывов на карьерах. В настоящее время это не просто короткозамедленный взрыв, а сложная система короткозамедленных взрывов, выполняемых с интервалами в одну или несколько секунд на разных участках карьера. В связи с этим разработка схем проведения взрывов должна проводиться крайне тщательно, поскольку оценок, сделанных на основе обобщенного описания источника, может быть недостаточно.

С другой стороны, широкое распространение карьерных взрывов делает их весьма привлекательными источниками сейсмических колебаний для изучения сейсмических свойств грунтов, определения спектральных особенностей сотрясения зданий и сооружений при сильных сейсмических воздействиях, для микрорайонирования.

126 локальных участков или для проведения глубинного сейсмического зондирования. Однако использование промышленных взрывов для подобных целей требует дальнейшего изучения пространственно-временных характеристик сейсмического сигнала массового взрыва на карьере, а также разработки алгоритмов анализа и расчета параметров сейсмического эффекта массовых промышленных взрывов со сложной пространственной конфигурацией.

В круг задач, связанных с необходимостью дальнейшего изучения сейсмического эффекта промышленных взрывов, попадает, также, повышение надежности при решении сейсмологической задачи распознавания сейсмических сигналов.

В работе предложен принцип оценки сейсмического эффекта взрыва системы зарядов ВВ, который основывается на суперпозиции волновых форм. Такой подход является шагом к совершенствованию используемых на карьерах горнодобывающих предприятий взрывных технологий, основывающихся на управлении разрушающего действия скважинных взрывов, а также снижения сейсмического эффекта в охраняемой зоне.

Работа основана на обработке и анализе инструментальных данных, полученных при регистрации сейсмических сигналов от 76 массовых взрывов, проведенных в 1995;2001 гг. на карьерах Лебединского, Стойленского и Михайловского горно-обогатительных комбинатов. Экспериментальные данные охватывают большой диапазон расстояний (от первых сотен метров до 400 км) и разные азимуты распространения сигнала. Для всего спектра имеющихся данных получены основные амплитудные и спектральные характеристики сейсмических сигналов, вызванных массовыми взрывами на карьерах КМА.

Статистический анализ большого числа экспериментальных данных позволил установить, что наиболее устойчивым амплитудным.

127 параметром сейсмического эффекта массового карьерного взрыва является абсолютная величина полного вектора скорости сейсмических колебаний грунта.

В результате анализа и обобщения экспериментальных данных получен критерий для обобщенного аналитического описания сейсмического эффекта массовых взрывов, выполняемых по разным схемам подрыва зарядов: в традиционной формуле для приведенного расстояния R = r/Q1/3, где г — абсолютное расстояние от взрывного источника, в качестве массы заряда Q необходимо выбирать максимальную одновременно взрываемую массу заряда. Таким образом показано, что принцип энергетического подобия справедлив и для массовых промышленных взрывов.

На основе результатов обработки реальных сейсмических сигналов, зарегистрированных при взрывах на карьерах Курской магнитной аномалии, показано, что характерная для короткозамедленных взрывов модулированная форма спектра не зависит от участка сейсмической записи массового взрыва и сохраняется на расстояниях вплоть до 400 км от источника.

Результатом анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных при массовых промышленных взрывах, а также анализа результатов специально проведенных экспериментов по определению характеристик сейсмического сигнала от взрыва одной скважины и малых групп скважин, явилась разработка расчетной модели сейсмического сигнала массового карьерного взрыва. Созданное программное обеспечение позволяет определять амплитудные характеристики массовой скорости колебаний грунта при массовом взрыве с учетом схемы его проведения: распределения зарядов ВВ в группах, количества взрываемых блоков, их геометрических размеров и расположения в.

128 карьере, а также с учетом временного графика проведения взрыва (времен задержки между взрывом групп скважин и между отдельными блоками).

Полученные расчетные распределения максимальных амплитуд показывают, что регистрируемые при экспериментах пространственные вариации амплитудных характеристик сейсмического сигнала массового взрыва связаны с суперпозицией сейсмических сигналов, вызванных взрывом групп одновременно взрываемых скважин.

На основе выполненных расчетов сделан вывод о том, что эффективный сейсмический излучатель в случае массового карьерного взрыва допустимо выбирать в виде окружности с радиусом, составляющим 2−3 линейных размера области, которую занимает вся система взрываемых блоков.

Результаты настоящих исследований позволяют прогнозировать сейсмический эффект в разных точках пространства, в первую очередь — в местах расположения охраняемых зданий и сооружений. Разработанная расчетная модель сейсмического сигнала позволяет определять безопасную массу одновременно взрываемых зарядов в группах скважин в зависимости от конкретной схемы расположения отбиваемых блоков и охраняемых сооружений.

С помощью системы управления базами данных Microsoft Access в результате работы была разработана и сформирована электронная база, содержащая основные параметры каждого взрывного источника, место и технические характеристики регистрирующего пункта, а также непосредственно информацию о зарегистрированном сигнале (графический образ сигнала и имя файла, содержащего цифровую информацию).