ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
Актуальность темы
Большой объем (до 80%) извлекаемых горных пород добывается с помощью энергии взрыва взрывчатых веществ (ВВ). Значительная часть энергии взрыва расходуется на сейсмический и ударновоздушноволновой (УВВ) эффект, который сопровождается повреждениями зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от взрыва.
Оказываемое взрывами сейсмическое воздействие на здания и сооружения на поверхности является весьма существенным. С целью снижения вредного сейсмического влияния взрывных работ необходимо ограничить массы заряда ВВ в единичной ступени мгновенно взрываемого заряда, изменить величину замедлений между ступенями или взаимного расположения зарядов в разных ступенях и т. п.
Особенно большое значение приобретает оценка сейсмического воздействия в условиях строительства метрополитенов.
Так, при строительстве Свердловского метрополитена сотрудники лаборатории горной геофизики ИГД УрО РАН неоднократно регистрировали сейсмический эффект от взрывов практически по всей трассе метро. Было показано, что наблюдаемые смещения не всегда находятся в допустимых пределах. По нашим наблюдениям за влиянием взрывных работ на здание цирка города Екатеринбурга администрацией города было предписано дать экспериментальные оценки этого влияния, что обусловливает актуальность наших исследований.
Объектом исследования является сейсмическое воздействие взрыва в подземных условиях на прилегающие здания и сооружения.
Предметом исследования является волновое воздействие взрыва на балки городских сооружений.
Цель работы: оценить влияние взрывных работ при проходке подземных горных выработок на консольные конструкции поверхностных сооружений.
Идея работы: оценить возможное сейсмическое влияние взрыва на поверхностные сооружения.
Методы исследования: теоретический анализ и обобщение влияния взрывных работ на поверхности сооружений, исследование на модели в лабораторных условиях, измерения на поверхностных сооружениях.
Основные защищаемые научные положения:
1. Установлено, что основное воздействие подземных взрывов на консольные нагрузки выражается в увеличении амплитуды колебаний.
2. Допустимым для безаварийной работы является режим упругих колебаний консольной балки.
3. Установлено, что при существующих параметрах буровзрывных работ при строительстве станции метро «Геологическая» несущие консольные балки работают в режиме упругих колебаний.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— Установлено, что безаварийным режимом работы является режим упругих колебаний.
— Разработана геоинформационная модель по оценке сейсмического воздействия подземных взрывов на консольные конструкции поверхности сооружений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается: представительностью и надежностью исходных материалов исследований сейсмического эффекта от взрывных работ в разнообразных горно-геологических условиях урбанизированной территории Среднего Урала;
— теоретическими результатами моделирования;
— сопоставимостью данных теоретических и экспериментальных исследований непосредственно на балках Б-2 здания цирка.
Практическое значение работы заключается: в оценке состояния основных несущих элементов здания или сооружения с помощью сейсмометрических измерений вынужденных колебаний этого элемента под воздействием колебаний от промышленных взрывов. При этом обеспечивается контроль за безопасностью эксплуатации зданий и объектов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований автора использованы при разработке рекомендаций по безопасной эксплуатации уникального здания Екатеринбургского государственного цирка.
Апробация работы.
Результаты, основные положения и выводы доложены на нескольких научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГТУ, г. Москва, 2004, 2005, 2007 и 2008), на седьмом международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (г. Белгород, 2003), и др.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, и также включает 36 рис. 5 табл., список литературных источников из 39 наименований, приложения.
Результаты исследования показывают, что балка Б-2 работает в режиме упругих деформаций [37].
4.4.Теоретическая модель сейсмометрических измерений в геоинформационной системе.
Теория любых измерений занимается изучением закономерностей измерений, и строится она с использованием математических моделей тех составляющих, которые участвуют в процессе измерения и оказывают влияние на результат измерения. В процессе измерения выделяют следующие основные компоненты: объект измерения — носитель измеряемой величины, средство измерения и среда, в которой происходят измерения. Поэтому теория таких измерений оперирует математическими моделями (описаниями) указанных выше компонентов измерительного процесса. Относительно математической модели среды отмечено, что среда характеризуется дискретным набором величин, ее характеризующих: температура, влажность, давление, запыленность и т. п. Обычно средство измерения создается таким образом, чтобы перечисленные величины в определенном диапазоне их измерений не влияли на получаемый результат [18].
Далее, под математической моделью величины предложено понимать ее описание математическими средствами. Кроме того, сейсмометрические измерения на балке Б-2 являются детерминизированными величинами, т. е. скорости сейсмических волн однозначно определяются их причинно-следственными связями с другими величинами [36].
В измерениях свойство детерминированности проявляется в том, что при повторении измерений поведение детерминированной измеряемой величины остается неизменным. Здесь можно выделить построенные величины, функции, последовательности. Так как в нашем случае имеет место функциональная зависимость, рассмотрим следующую детерминированную величину. Наиболее универсальной математической моделью такой величины является, как известно, обобщенный ряд Фурье с конечным числом членов ряда. Она представляется обычно в следующем общем виде [36]:
Ск<�ркУрcp (t)С =T](t, с), i где Ск, к=1,7- постоянные коэффициенты, С = (с,., С,)т — векторстолбец коэффициентовg>k (t), k =, l — система базисных функцийp{t) = {(pl (t),.,(pl (t)T — вектор — столбец базисных функцийТ — знак транспортирования матрицы.
Далее [33] следует ряд Тейлора, комплексный ряд Фурье, интегральное преобразование Фурье, преобразование Лапласа, ряд Котельникова и математическая модель в форме последовательности.
В данной работе используются лишь модели, получаемые по интегральному преобразованию Фурье в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) средства измерения (рис. 35) и фазо-частотной характеристики измеряемой величины. Чаще всего мы получаем амплитудно-частотный спектр зарегистрированного сигнала (рис. 36) в виде набора частот сигнала, зарегистрированного нашей геоинформационной системой.
Для механических колебательных систем (МКС) весьма чувствительной характеристикой для оценки их состояния являются их диссипативные параметры [20]. Из истории развития техники известно, что диссипативные характеристики гораздо более чувствительны по сравнению, например, с упругоинерционными, к конструктивным изменениям и могут быть использованы для диагностики объектов [23].
Как уже отмечено выше, диагностика и идентификация МКС осуществляются в основном по вектору вибрационного состояния. Однако в связи с недостаточным совершенством измерительной аппаратуры (речь идет об ультразвуковых системах) ошибки измерения вектора вибрационного состояния оказываются того же порядка, что и ожидаемый эффект. Поэтому приняты более точные фазочастотные методы измерения, основная погрешность в которых не превышает 0,0001°. При этом принято [20]., что фазовый угол механического импеданса (ФМИ) есть острый угол между вектором импеданса диссипативного элемента и мнимой осью, т. е. угол между внешним возмущением и скоростью смещения. Такое представление фазового угла соответствует аппаратурной реализации электромеханической аналогии «сила — ток». Измерение ФМИ дает возможность наиболее полно использовать преимущества точных аппаратурных методов получения информации.
Рассмотрим квазиконсервативную линейную МКС вида [23]: AX + BX + CX = f, (4.16) где A, B, C^Rm" — матрицы инерции, диссипации и жесткости соответственнох — веткор колебательного состояния, хе R" - f — вектор внешних возмущений, / eR'(l <п).
Решения данной системы уравнений (4.16) позволяют выделить наиболее оптимальную зависимость, например, в области резонанса, т. е. вблизи какой-либо из собственных частот. v.,=2 (Л,.-Л,)/Л0, (4.17) где Яы — одна из собственных частот МКС;
V] - расстройка частот, которая в области резонанса равна удвоенному значению девиации частоты относительно ее резонансного значения.
Из приведенного краткого анализа следует, что в случае изменений состояния МКС (в нашем случае это балки Б-2) мы должны были отмечать смещения частоты их собственных колебаний. Однако, таких смещений не наблюдалось. Следовательно можно считать, что диссипативные параметры балок в период их регистрации (на момент измерения 1997;1998 г. г.) изменений не претерпели, и потому балки продолжают «работать» в режиме упругих колебаний [36].
С lb' 20 30 40 50 GO 70 '80 90 «ioo» ^ консоль 4 Б-2.
10 I ib 20 30.
20 10.
0 50 60 70 60 $ 0 '100 Г V.
Б-1 сгж tft'-ilXlOdti/c.
20 10.
20 30 40 50 60 70 80 W 'I0O.
— м.
0 10 20 Эо.
40 $ 0 60 V0 'ВО '90 '100.
VI-л'(0* си/с колонна Б-2.
0 10 20 30 40 50 60 70 to to '100^.
Рис. 35. Амплитудно-частотный спектр скорости смещения элементов конструкции северо-западного сектора Цирка от взрывных работ.
При этом отметим, что в соответствии с рекомендацией [33] для характеристики изменения скоростей сейсмических волн в зависимости от изменений состояния контролируемого элемента в конструкции здания цирка нами использован известный ряд Котельникова.
В заключение необходимо отметить следующий фундаментальный результат, приведенный в монографии С. М. Скоробогатова [12]. Здесь выполнен весьма основательный анализ практического существования «.более или менее равномерной сети наклонных трещин по длине и по высоте тонкой стенки» каждой из балок, приведенных на рис 36 (а, б). Указаны вероятные причины их возникновения. Физической основой теории С. М. Скоробогатова и развиваемого им принципа информационной энтропии в механике разрушения инженерных сооружений и горных пластов является установленная им условно-нормализованная иерархия в трещинообразовании и вложенной блочности в прочностной структуре твердого тела (бетона или гранита).
Этот принцип используется им для назначения величины масштабного коэффициента при расчете резерва живучести крупноразмерных сооружений и горных массивов [12].
Следует согласиться с ещё одним выводом С. М. Скоробогатова о том, что горные пласты (массивы) с их блочной структурой представляют естественное продолжение картины предразрушения, возникающей в менее массивных железобетонных конструкциях. Отсюда следует необходимость использования критерия живучести, проверенного на железобетонных конструкциях, при составлении схемы предельного состояния горного массива в различных сечениях относительно тектонических разрушений, например, разломов. Очевидно, что после включения или дополнения этими рекомендациями соответствующих ГОСТов и СНиПов можно будет определить резервы живучести исследуемого объекта [17, 19 и др.].
121 а).
YV ^ (1 у т -1——-—4- i'.
7 °F.-ТТГ7Т;
1—- MSO J <530 ± fSSO J. iSSO j. <530 $ 020 * ] б).
7гго.
Рис. 36 Расположение трещин а) на левой поверхности балки-консоли Б-2 по оси Юр / lip, б) на наружной поверхности балки-стенки Б-4 по оси lip [12].
Под руководством заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РААСН, профессора С. М. Скоробогатова в 1998 году была выполнена реконструкция основных несущих элементов здания Екатеринбургского цирка, в том числе по усилению балок Б-2 [13]. Эффективность реконструкции подтверждена инженерносейсмологическими исследованиями, приведенными в отчете ИГД Уро РАН, выполненном под руководством А. М Мухаметшина в том же году [14]. Несмотря на то, что в течении 2004 — 2005 г. г. обследования основных несущих элементов этого уникального здания были выполнены в ещё больших объемах времени [16], утверждать о полной безопасности эксплуатации здания цирка в настоящее время невозможно, так как в течение уже около 10 лет никаких взрывных работ в непосредственной близости не было. Таким образом, в настоящее время для обоснования безопасности эксплуатации здания существует весьма острая необходимость выполнения повторных обстоятельных исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
На основе изученных материалов и результатов экспериментальных, лабораторных и теоретических исследований можно отметить, что сейсмическое влияние промышленных взрывных работ, кроме полезной работы по подготовке горной массы к выемке, оказывает ещё и весьма заметное негативное воздействие на объекты промышленной и социальной инфраструктуры, окружающей место проведения взрывов.
В диссертации дано решение актуальной задачи создания геоинформационной модели по оценке сейсмического воздействия подземных взрывов на консольные конструкции поверхностных сооружений, имеющей существенное значение для строительства метрополитенов.
Основные научные выводы:
1. На основе анализа волновых спектров сейсмических колебаний предложен метод расчета сохранности объекта промышленной и социальной инфраструктуры, окружающей источники взрывной рудоподготовки извлекаемых горных пород.
2. Выполнены теоретические расчеты по моделированию режимов собственных и вынужденных колебаний одного из основных несущих элементов уникального здания Екатеринбургского государственного цирка (балки Б-2).
3. Выполнены экспериментальные оценки параметров вынужденных колебаний балок Б-2 при сейсмическом воздействии промышленных взрывов.
4. Показано на основе сравнения теоретических и экспериментальных исследований, что балки Б-2 работают в режиме упругих колебаний.
5. Установлено, что при сохранении неизменными всех остальных горно-геологических условий, в том числе и уровня подземных вод под зданием Екатеринбургского цирка, основные несущие элементы этого здания не изменяют своего состояния.
