Сергей Кузьмин, генеральный директор DeepMine Lab
Эрик Канаев, генеральный директор ГЕОСУППОРТ
Сейсмическое действие взрывных работ — тема, которую на горных предприятиях чаще вспоминают уже после появления трещин, чем заранее, на этапе проектирования. Между тем контролируемое обращение со взрывной сейсмикой позволяет одновременно и сохранить безопасность зданий, сооружений и горных выработок, и не душить производство излишними ограничениями.
Когда в массиве срабатывает заряд, энергия взрыва расходуется не только на дробление породы. Часть её уходит в виде упругих волн, которые распространяются от очага во все стороны. Одни бегут в глубину массива, другие — вдоль поверхности земли.
В крепких породах продольные волны распространяются со скоростью до нескольких километров в секунду. Поперечные движутся чуть медленнее. А поверхностные волны Релея — медленнее всех, но именно они чаще всего представляют наибольшую опасность для зданий и открытых откосов. Они низкочастотные, «длинные»: длина волны часто сопоставима или больше характерных размеров сооружения — в этом случае возрастает риск резонанса и усиления колебаний.
Основной показатель
Основной показатель, с которым работает инженер при оценке воздействия взрыва, — скорость колебаний частиц массива в основании объекта. На практике именно она лучше всего коррелирует с появлением дефектов и повреждений как в строительных конструкциях, так и в породном массиве. Вибрации регистрируются сейсмической аппаратурой в трёх взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль линии от взрыва к датчику, поперёк этой линии и по вертикали. Это важно, потому что максимум воздействия далеко не всегда приходится на одну и ту же компоненту, а реальное напряжённое состояние определяется совместным действием всех трёх.
Современные измерительные комплексы строятся на базе виброметров и акселерометров. Виброметры регистрируют непосредственно скорость, акселерометры — ускорение, которое затем интегрируют, получая велосиграмму. Взрывозащищённые исполнения позволяют безопасно работать в шахтах, опасных по газу и пыли.
Сегодня практически все промышленные системы — трёхкомпонентные, то есть в одном корпусе установлены три чувствительных элемента по взаимно перпендикулярным осям. Качественный монтаж играет не меньшую роль, чем сам прибор: для регистрации у охраняемого объекта датчики устанавливают на грунт или на уровне фундамента со стороны взрыва, при мониторинге здания — на колонны и перекрытия в характерных сечениях. При малых уровнях воздействия допускается установка на грунт с прижимом, при высоких ускорениях требуется жёсткое крепление к основанию.
Способы описания скорости взрыва
В нормативных документах и научной литературе используется несколько способов описания скорости. Можно анализировать максимум по одной компоненте, можно рассчитывать истинную векторную сумму трёх компонент в каждый момент времени, выбирая её максимальное значение, а можно использовать энергетическую псевдоскорость, основанную на максимумах каждой оси.
Эти показатели немного по-разному отражают характер воздействия. Практика показывает, что появление дефектов чаще всего связано с максимумом одной из компонент, но критерии, основанные на векторной или энергетической скорости, лучше описывают общий энергетический уровень нагружения и деформации грунта под сооружением.
Не менее важен частотный состав колебаний. Взрывы с большими диаметрами скважинных зарядов на угольных разрезах обычно формируют спектр с преобладающими частотами в нижней части диапазона.
В карьерах строительных материалов частоты смещаются в сторону более высоких значений, а при шпуровых работах на стройплощадках спектр не только шире, но и более высокочастотный. На частотную картину влияют масса и геометрия заряда, свойства пород, расстояние до объекта и то, регистрируется ли сигнал на поверхности или в подземных выработках. Низкочастотные поверхностные волны особенно опасны для зданий, поскольку их собственные частоты, как правило, не превышают нескольких герц. В случае совпадения частот колебания усиливаются, и нарастает вероятность появления трещин и нарушений.
Частота, тип грунта, расстояние
В мировой практике критерии допустимых скоростей заметно различаются. В одних странах допустимые значения скорости жёстко увязаны с частотой, в других применяются частотно независимые показатели с поправочными коэффициентами на тип грунта, расстояние и характер взрывных работ.
Китайские стандарты детально регламентируют допустимые скорости не только для зданий, но и для тоннелей, подземных выработок, оборудования электростанций, твердеющего бетона. Отечественная научная школа традиционно использует классификацию зданий и сооружений по степени ответственности, задавая диапазоны допустимых скоростей колебаний в основании в зависимости от класса и состояния конструкций. При этом частотный состав напрямую в критерий не вводится, что, с одной стороны, упрощает применение, с другой — требует более осторожного подхода при интерпретации.
Узкий диапазон допущений деформации
Отдельная задача — оценка воздействия на сам горный массив. Строительные критерии здесь неприменимы. Для пород ключевым является предел упругих деформаций. При многократном воздействии взрывных волн накопление остаточных деформаций может привести к нарушению устойчивости откосов, целиков, стволов и тоннелей. Отечественные исследования показывают, что допустимые относительные деформации для обеспечения устойчивости массива лежат в очень узком диапазоне. Именно от него логично отталкиваться при выборе предельных скоростей для различных классов горных сооружений. В зарубежной практике дополнительно используют рейтинги качества массива, такие как RMR, учитывающие трещиноватость, заполнители трещин, шероховатость поверхностей и обводнённость.
Критически важный момент
Прогнозирование скорости вибраций в точке, которая нас интересует, опирается на эмпирические зависимости, связывающие измеренные скорости с расстоянием до взрыва и массой единовременно взрываемого заряда. Коэффициенты в этих зависимостях определяются по результатам натурных измерений для конкретных геолого-технических условий. К выбору показателя степени при учёте массы заряда единых подходов нет: одни исследования показывают лучшую согласованность данных при использовании кубического корня, другие — при квадратном. На практике выбор зависит от типа пород, геометрии зарядов и того, где именно установлены датчики — на поверхности, в кровле или в почве подземных выработок.
Критически важен корректный учёт именно единовременно взрываемой массы. Для этого используют специализированное программное обеспечение, в которое загружаются параметры буровзрывных работ и схема коммутации.
«Земная» сторона мониторинга
Подход компании DeepMine Lab позволяет увидеть, какие массы взрываются в заданные временные окна, и определить реальный максимум с учётом замедлений. В разных нормативных документах фигурируют разные интервалы: где-то ориентируются на 8 миллисекунд, где-то на 17, в российских регламентах часто используется окно 20 миллисекунд. Это напрямую влияет на расчётную величину Q и, как следствие, на прогнозируемые уровни вибраций.
Не стоит забывать и о «земной» стороне сейсмического мониторинга — установке датчиков в реальных условиях. Регистрация вблизи охраняемого объекта выполняется обычно у фундамента со стороны взрыва. Для зданий и сооружений датчики ставятся на характерные элементы каркаса — колонны, балки, перекрытия. В подземных выработках — на бока, кровлю и почву выработки. При малых ускорениях возможно использование шипов и пригрузки, при высоких — обязательна жёсткая фиксация на шпильках или анкерных точках. Синхронная запись с нескольких датчиков даёт возможность не только оценить воздействие, но и измерить скорость распространения волн, а также раскачку здания или выработки.
Грамотная система мониторинга сейсмовзрывных воздействий включает в себя три ключевых компонента: правильно выбранные критерии допустимых скоростей для каждого типа объекта, достоверный прогноз по данным натурных измерений и корректно организованную полевую регистрацию. Только в этой связке можно не «страховаться» чрезмерными ограничениями, а уверенно использовать потенциал взрывных работ, сохраняя при этом безопасность зданий, сооружений и горного массива.
Реклама: ООО «ГЕОСУППОРТ» ИНН: 9717113621 erid: 2SDnjcJ9KwM
г. Москва, ул. Краснопролетарская, 16/1
+7 495 888 04 95
info@geosupport.ru
