Методика определения уточненной интенсивности землетрясений для оценки устойчивости бортов карьеров

Методика определения уточненной интенсивности землетрясений для оценки устойчивости бортов карьеров

На территории Российской Федерации зоны повышенной сейсмической опасности (от 6 баллов и выше при периоде повторяемости 500 лет) занимают около 40% от общей площади, в том числе 9% территории относится к 8−9 балльным зонам. К основным сейсмоопасным районам относят Камчатку, Курильские острова, Алтае-Саянский регион, Забайкалье и Северный Кавказ.

Следует отметить, что наибольшее влияние землетрясений может сказаться в регионах с сейсмической опасностью (5−7 баллов), так как на этих территориях антисейсмические меры при строительстве и ведении горных работ, как правило, не осуществляются и даже не планируются. Поэтому относительно слабые сейсмические волны могут привести к повреждениям горных выработок и инженерных сооружений. В этот список входят важнейшие горнодобывающие регионы, где в последние годы наблюдается рост сейсмической активности: Кузбасс, Кольский полуостров, многие районы Урала. Поэтому при разработке месторождений открытым способом, оценка сейсмического воздействия с учетом срока службы стояния бортов карьеров и его местонахождения, является весьма актуальным.

Согласно СНиП II-7−81* строительство зданий и сооружений в сейсмоопасных районах осуществляется в соответствии с комплектом карт ОСР-97. При этом в расчеты закладываются лишь целочисленные значения интенсивности сейсмических колебаний для фиксированных периодов повторяемости землетрясений (500, 1000 и 5000 лет). Комплект карт ОСР-97 (А, В, С) позволяет оценивать степень сейсмической опасности при трех уровнях риска и предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов трех категорий, учитывающих ответственность сооружений. Карта, А предназначена для массового строительства, а карты В и С — для объектов повышенной ответственности и особо ответственных объектов. При этом отмечается, что в указанном комплекте карт ОСР-97 сейсмическая интенсивность относится к участкам со средними по сейсмическим свойствам грунтам (грунты II категории, по СНиП II-7−81*)

Наиболее распространенным подходом для учет сейсмического воздействия при прибортовой массив карьера является добавление к расчетным усилиям так называемой сейсмической силы Q_с, направление которой совпадает с направлением сдвигающих сил. При этом сейсмическая сила Q_с приближенно определяется:

(1)

где P — нагрузка, вызывающая инерционную силу (вес призмы возможного обрушения), т; а — горизонтальное сейсмическое ускорение, g — ускорение свободного падения, — коэффициент сейсмичности. Горизонтальное сейсмическое ускорение принимается, исходя из интенсивности землетрясения для конкретного района на основании сейсмического микрорайонирования (СМР). В случае отсутствия предварительного СМР балльность района принимается на основе комплекта карт ОСР-97.

При строительстве сооружений с различным сроком службы возникает необходимость определить степень сейсмического риска не только при трех стандартных сроках, показанных на картах ОСР-97, но и в течение иных периодов. Поэтому предлагается подход, более детально учитывающий географическое местонахождение сооружения и его срок службы.

При разработке месторождений открытым способом срок стояния бортов карьера зависит от целого ряда факторов: количество разведанных запасов, емкость рынка, горные факторы и т. д. Поэтому, в общем случае, для неосвоенных месторождений полезных ископаемых следует ориентироваться на горно-геологические условия. Для этого применяются эмпирические формулы Тейлора для определения продолжительности работы рудника. Под продолжительностью работы рудника подразумевается срок стояния бортов карьера:

(2)

Если необходимо оценить срок стояния бортов для какого-либо этапа разработки или участка карьера можно воспользоваться формулой:

(3)

(4)

где — срок отработки этапа, участка, — глубина разработки на данном этапе, — скорость понижения горных работ, — направление углубки карьера, — рабочий борт карьера (см. рис. 1).

Подставив формулу (4) и формулу Тейлора в (3), мы получаем срок стояния бортов для необходимого участка карьера:

. (5)

Алгоритм принятия расчетного балла землетрясений базируется на учете срока службы сооружения и нормативного коэффициента запаса при заданном допустимом риске образования оползня (по оценкам ВНИМИ допустимый риск образования оползней для нерабочих бортов карьеров составляет 5% [2]).

Рисунок 1 — Определение скорости углубки Исходные параметры для выбора максимальной интенсивности колебаний принимаются по картам сейсмического районирования Северной Евразии ОСР-97. Т.к. карта, А соответствует 10%, а карта В 5% вероятности возможного превышения в течение 50 лет указанных на картах значений сейсмической интенсивности, а риск обрушения на карьерах должен соответствовать уровню риска 5%, то принимаем для карьеров со сроком службы около 25 лет карту А, а для карьеров с большой продолжительностью обнажений бортов — карту В. Для более коротких периодов необходимо использовать линейную экстраполяцию.

При оценке вероятности колебаний той или иной балльности надо использовать данные микросейсмического районирования по близости данного участка к сейсмоопасным разломам (характеристики грунта и четвертичных отложений оказывают влияние лишь на верхние уступы карьеров). При отсутствии подобного районирования предлагается оценивать близость расположения карьера к границам зоны (по интенсивности сейсмических колебаний), в которой он находится. Естественно полагать, что при приближении к зоне более интенсивных колебаний сейсмический риск увеличивается.

Границы между сейсмическими зонами проведены по изолиниям, соответствующим значениям 5,5, 6,5, 7,5 баллам и т. д. Таким образом, величина интенсивности землетрясения для конкретного района может изменяться в диапазоне одного балла, что соответствует вариации максимальной величины ускорения в 2 и более раз [1, 6].

Для получения более точных оценок на карте ОСР-97 А отмечается местонахождение карьера, измеряется расстояние (по нормали к границе территории с более высоким уровнем сейсмичности) зоны с одинаковым уровнем сейсмичности; далее по этой же линии измеряется расстояние от объекта до границы территории с наименьшим уровнем сейсмичности. Полученное приращение прибавляем к значению балльности с наименьшим уровнем сейсмичности. В общем виде интенсивность землетрясения вычисляется:

. (6)

Аналогичные действия производятся на карте B:

_. (7)

Таким образом, мы получаем значения интенсивности колебаний с пятипроцетным уровнем риска для 25-летнего и 50-летнего периодов — (25,) и (50,), и составляем по ним уравнение для линейной экстраполяции:

_. (8)

При подстановке в уравнение (7) срок службы карьера определяется уточненная максимальная интенсивность землетрясений. Согласно значения максимальных ускорений, определенные в реальных условиях, обычно оказываются внутри следующего интервала:

см/с². (9)

По полученным ускорениям можно оценить эффективную сдвигающую силу при землетрясениях указанной интенсивности:

(10)

где k_дин - коэффициент, учитывающий влияние длительности колебаний и преобладающего периода сейсмических волн.

В качестве примеров предлагаемого метода, рассмотрим 2 угольных разреза, находящихся в Кузбассе. Все расчеты сведены в таблицу 1, а схема определения расчетной интенсивности землетрясения изображена на рисунках 2 и 3.

Таблица 1 — Расчет интенсивности сейсмических колебаний для Черниговского и Бачатского разрезов

Рисунок 2 — Схема для определения интенсивности землетрясения для Черниговского (1) и Бачатского разреза (2)

Рисунок 3 — Определение интенсивности землетрясений для Бачатского и Черниговского разрезов

Заключение

Использование целочисленных баллов интенсивности землетрясений основанных на комплекте карт ОСР-97 приводят к занижению или завышению оценок ожидаемых сейсмических воздействий. При этом одинаковые баллы на различных картах комплекта имеют разную степень риска. Поэтому при оценке сейсмического воздействия для конкретного карьера необходим дифференцированный подход, учитывающий дробные значения величин интенсивности землетрясений на основе сейсмического микрорайонирования, а также срок службы сооружения.

Предлагаемая методика позволяет учесть указанные выше приведенные поправки. Примеры вычислений для Черниговского и Бачатского разрезов (Кузбасс) показывают, что без данных поправок ошибка нахождения максимальных сейсмических ускорений составляет 10−15 и более процентов.

1. Аптикаев Ф. Ф. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности/ Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2005, № 5, С. 33? 37.

2. Звонарев Н. К. Обоснование величины коэффициента запаса при расчетах устойчивости бортов карьеров. Автореф. канд. дис… техн. наук. Л.: ЛГИ, 1964. — 21 с.

3. Методические рекомендации по геолого-экономическому обоснованию кондиций для подсчета запасов месторождений твердых полезных ископаемых (кроме угля и горючих сланцев). М.: ГКЗ МПР РФ, 1999. 75 с.

4. СНиП II-7−81 Строительство в сейсмических районах в ред. 27.12.1999. М., Госстрой, 2000.

5. Уломов В. И., Шумилина Л. С. Комплект карт Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97. Масштаб 1:8 000 000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М., 1999. 57 с.

6. Уломов В. И. Макросейсмический режим и дифференцированная оценка сейсмических воздействий. Геориск, 2009, № 3, С. 16−19.

7. Уломов В. И., Шумилина Л. С., Акатова К. Н. Электронная база данных о повторяемости сейсмических сотрясений различной интенсивности на территории северной Евразии. Режим доступа: http://eearth.wdcb.ru/shake-2.htm.