Горный институт Кольского научного центра РАН
advertisement
Козырева С.А. УПРАВЛЕНИЕ ДРОБЯЩИМ И СЕЙСМИЧЕСКИМ ДЕЙСТВИЕМ ВЗРЫВОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ МОЩНЫХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ХИБИН Горный институт Кольского научного центра РАН Введение Проблема управления дробящим и сейсмическим действием взрыва в горных породах для повышения эффективности и обеспечения безопасного ведения горных работ является ключевой для горнодобывающих предприятий, ведущих разработку месторождений полезных ископаемых с применением взрывных работ. Особую важность эта проблема приобретает при переходе горных работ на более глубокие горизонты, где из-за усложнения геологических и горнотехнических условий и возрастания горного давления значительно ухудшается качество дробления горной массы и состояние горных выработок, усиливаются негативные сейсмические эффекты массовых взрывов, учащаются случаи динамических проявлений горного давления в виде горных ударов и техногенных землетрясений в процессе проведения взрывных работ и промежутках между ними. В настоящее время при разработке мощных рудных месторождений на больших глубинах применяется в основном система этажного принудительного обрушения с отбойкой руды веерами или пучками параллельных глубоких скважин. Наибольшее распространение данная система разработки получила на подземных рудниках Хибин, использование которой позволило достичь самых высоких технико-экономических показателей в нашей стране. В то же время, несмотря на применение в целом рациональной технологии ведения взрывных работ, показатели отбойки и выпуска руды на рудниках, горизонтах, блоках и в различных секциях блоков существенно изменяются. Удельный расход ВВ на отбойку руды изменяется от 370 до 470 г/т., а на выпуске от 65 до 200 г/т, что говорит о неравномерности дробления взрываемых массивов. Особенно возросли затраты на отбойку и выпуск при переходе на более глубокие горизонты и отработке высоконапряженных участков под висячим боком месторождений и блоков-целиков. Неудовлетворительное дробление руды и большие разрушительные последствия после массовых взрывов диктуют необходимость детального изучения механизма разрушения напряженных сред энергией взрыва, особенностей сейсмического действия в новых горногеологических условиях и научного обоснования выбора технологии ведения взрывных работ для глубоких горизонтов. Рассмотренные известные классификации управления дробящим и сейсмическим действием подземных взрывов показали, что наиболее приемлемыми являются способы, основанные на взаимодействии зарядов ВВ, в которых регулируемыми факторами являются величина ЛНС, коэффициент сближения, очередность взрывания, интервал замедления, число рядов скважин и их расположение в массиве, а также технологические способы, основанные на выборе ориентировки фронта горных работ и последовательности отработки отдельных частей месторождения, числа и площади обнажений, размеров взрываемых секций, необходимого разрыхления зажимающей среды, метода разгрузки массива от высоких статических напряжений. Улучшения качества дробления, снижения сейсмического действия и управления состоянием массива возможно, добиться только при совокупном рассмотрении единичных факторов, особенно для глубоких горизонтов, и их взаимной увязке, так как развитие зон разрушения от взрыва скважинного заряда и от их совместного действия предопределяют параметры буровзрывных работ - величину ЛНС и расстояние между концами скважин; размещение скважин в отбиваемом слое - равномерность дробления и вес ВВ на ступень замедления; количество отбиваемых слоев - степень зажима; интервал замедления и вес ВВ на ступень замедления - сейсмический эффект массового взрыва; частота проведения массовых взрывов и уровень сейсмического воздействия - сейсмоактивность массива горных пород и перераспределение во времени статических напряжений. Поэтому, эффективная и безопасная отработка мощных рудных месторождений может быть достигнута путем оптимизации параметров буровзрывных работ, способов отбойки и выбора рациональных конструкций массовых взрывов на основе использования данных о реакции массива горных пород на мощные динамические воздействия, кинематических характеристик колебаний в различных зонах действия взрыва, а также выявленных особенностей напряженнодеформированного состояния массива горных пород. 1. Повышение эффективности отбойки при отработке месторождений Хибин в условиях высокого горного давления мощных рудных Для установления механизма разрушения напряженных сред энергией взрыва была выполнена оценка напряженно-деформированного состояния массива вокруг очистных пространств с использованием метода конечных элементов в плоской и объемной постановке и сейсмического метода в натурных условиях. При этом выявлено, что за счет сложения напряжений от тектонического и гравитационного силовых полей формируется три различных по напряженности зоны, характеризующиеся: неравнокомпонентным полем напряжений вблизи границы обнажения при преобладающем действии вертикальной компоненты напряжений; гидростатическим сжатием и зона, где напряженное состояние соответствует нетронутому массиву. Протяженность первой зоны, в которой в основном располагаются отбиваемые секции, зависит от высоты отрабатываемых горизонтов, длины консоли необрушенных пород и составляет при принятой системе разработки 15 - 25 м. Характер распределения напряжений в блоках-целиках носит более сложный характер с преобладанием неравнокомпонентного поля напряжений при различном соотношении величин главных напряжений. Таким образом, применительно к условиям отработки апатитовых месторождений, где используются веерные схемы расположения взрывных скважин, каждый заряд в веере из-за различной пространственной ориентации в плоскости отбиваемого слоя и в объеме секции взрывается в неодинаковых условиях по напряженности, что требует корректировки основных параметров БВР по сравнению с ненагруженными массивами. Для выявления основных закономерностей разрушения напряженных сред энергией взрыва за основу принята физическая модель асимметрии развития зон трещинообразования в зависимости от направления и величины главных напряжений, приводящие к снижению размеров зон разрушения по сравнению с ненагруженным массивом, а в качестве критерия энергоемкости дробления приняты размеры зон разрушения от взрыва различно ориентированных в поле напряжений скважин, определяющие параметры БВР и удельный расход ВВ на дробление. Оценка влияния в объеме секции пространственного расположения скважин относительно нормальных напряжений на размер и форму зоны разрушения производилась по результатам математического моделирования. Основой для построения модели послужила зонная схема действия взрыва. Следует отметить, что полученные значения зон разрушения носят приближенный характер, так как точный расчет не представляется возможным из-за отсутствия данных о прочностных характеристиках среды в различных зонах и секторах действия взрыва, где имеют место различные виды напряженного состояния. Расчетные значения параметров зон разрушения при различных соотношениях прикладываемых нагрузок для одной из разновидностей горной породы σ∗ = 170 МПа; µ = 0.18; C Ο = 5300 м/с и для ВВ с параметрами ρ вв = 1100 кг/м 3 ; Q = 0.43⋅ 107 Дж/кг представлены. Из приведенных данных следует, что наибольшая асимметрия в разрушении наблюдается при одноосном напряженном состоянии и α =0 o . С увеличением угла наклона асимметрия уменьшается и при α = 90 o статические напряжения не влияют на конечный радиус трещинообразования. При неравнокомпонентной нагрузке происходит еще большее уменьшение зон разрушения с сохранением асимметрии. При равнокомпонентном поле угол наклона скважины не влияет на развитие зоны разрушения. В данном случае решающую роль играет величина статических напряжений. Следует отметить, что наибольшее снижение зон разрушения происходит при уровнях статических напряжений, сопоставимых с пределом прочности горных пород на отрыв. Таким образом, проведенные исследования позволили выявить характер развития трещин в поле действия статических напряжений; установить, что на качество дробления в напряженных средах величина ЛНС оказывает большее влияние, чем расстояние между концами скважин; установить взаимосвязь пространственного расположения скважин с размером зон разрушения в зависимости от их ориентировки в поле действия главных напряжений и оценить уровень напряжений, при которых это влияние наиболее существенно. Полученные результаты о разрушающем действии взрыва при всех рассмотренных видах напряженного состояния позволили сделать вывод о том, что при прочих равных условиях наименьшей энергоемкостью разрушения обладает первая по напряженности зона, где напряженное состояние близко к одноосному вертикальному сжатию, а наибольший объем разрушения в данной зоне достигается при углах наклона скважин от 60 до 90 o . Это позволило сформулировать требования к выбору толщины взрываемой секции и схемам заложения взрывных скважин. По размерам выявленных зон получено, что под висячим боком толщина взрываемой секции должна быть не более 25 м. При этом, в целях сохранения объема массового взрыва и снижения влияния угловых зон необходимо увеличить ширину взрываемой секции до (2.5-3.0) Т (Т - толщина взрываемой секции). Для повышения эффективности использования энергии взрыва на дробление горных пород в условиях высокого горного давления разработан новый способ расположения взрывных скважин при веерных схемах отбойки, сущность которого заключается в том, что скважины в веерах располагают преимущественно по линии к максимальным действующим напряжениям ( α = 6090 o ), за счет этого увеличивается объем разрушения от каждого заряда. В каждом последующем слое веера скважин располагают как "зеркальное" отображение скважин предыдущего слоя, в результате на 30% повышается равномерность насыщения ВВ в массиве и устраняются зоны неуправляемого дробления по концам скважин. Этот способ отбойки нашел применение на подземных рудниках Хибин. При выбранных геометрических размерах секций и схемах обуривания для качественного дробления руды необходимо добиться максимального использования энергии взрыва. Основными параметрами, определяющими временные, силовые и энергетические характеристики процесса разрушения, являются ЛНС и расстояние между концами скважин. Применительно к рассматриваемым условиям на основе упрощенных моделей разрушения горных пород разработана методика расчета основных параметров буровзрывных работ. Отличительной особенностью данной методики является то, что она позволяет учитывать напряженное состояние массива через приведенную прочность горной породы. При экспериментальной проверке указанных размеров секций при новых схемах взрывания, расчетных значениях ЛНС и расстояниях между концами скважин, учитывающих горное давление, достигнуто качественное дробление руды и снижение сейсмического действия массовых взрывов при меньших материальных затратах по сравнению с применяемыми вариантами отбойки. Разработанные зависимости положены в основу методики автоматизированного расчета параметров скважинной отбойки для подземных рудников Хибин. 2. Особенности сейсмического действия массовых взрывов на подземные горные выработки В целях установления основных требований к технологии взрывных работ по фактору сейсмической безопасности были проведены длительные наблюдения за сейсмическим действием подземных массовых взрывов на горные выработки и окружающий массив горных пород, в результате которых получены новые ранее не известные сведения о характере сейсмического воздействия на горные выработки и массив горных пород в условиях высокого горного давления. При этом выявлено, что в наиболее напряженных участках массива скорости смещения (c примерно одинаковыми параметрами взрывов) в 1.3-1.5 раза выше, чем в ненапряженных участках, а изменение скоростей колебаний контура откаточных выработок по мере удаления от границ отбойки имеет волнообразный характер с двумя максимумами. Первый находится непосредственно под массовым взрывом, а второй - на расстоянии, сопоставимом с зоной, где массив находится в состоянии квазигидростатического сжатия, со скоростями в отдельных случаях в 1.5-2.0 раза выше, чем под секцией. Образование второго сейсмического максимума обусловлено взаимодействием статических и динамических полей напряжений, а также формированием волны напряжений с узким фронтом направленности и преобладающим его развитием по линии действия максимальных напряжений. Увеличение скоростей колебаний на контуре горных выработок наблюдалось и вблизи разломов, которое также связано с образованием зон концентрации напряжений вблизи разломов и взаимодействием падающих и отраженных от разлома сейсмических волн. По визуальной оценке состояния горных выработок установлено, что именно в зоне второго сейсмического максимума происходит наибольшее их разрушение, и на этих участках необходимо в первую очередь осуществлять сейсмоохранные мероприятия. В последующих экспериментах оценивалось влияние ширины взрываемой секции, степени зажима и местоположения горных выработок относительно границ отбойки на сейсмоэффект массовых взрывов. Установлено, что в секциях под висячим боком соотношение скоростей смещения по оси секции по отношению к скоростям смещения на флангах со стороны обрушенных пород составляет 1:(1.0 ÷ 1.1), а со стороны необрушенного массива 1:(1.4 ÷ 1.6), в то время как в лежачем боку (при таких же параметрах секций) величины скоростей смещения во всех сечениях примерно равны. Экспериментально выявлено, что по мере удаления веера от свободной поверхности происходит увеличение скоростей смещения на контуре горных выработок. Коэффициент увеличения сейсмичности в диапазоне расстояний от 2 до 50 м с достаточной степенью точности описывается эмпирической зависимостью Кс = 2.1 ⋅ sin (0.023T + 0.5) , (1) где Т - текущее расстояние от свободной поверхности до рассматриваемого веера, м. Проведенные исследования явились базой для создания методических положений для оценки уровня сейсмического воздействия на горные выработки. Анализ экспериментальных данных показал, что зависимость скорости смещения V от массы заряда и расстояния R при соотношениях высоты (Н) и ширины (В) взрываемого слоя к расстоянию до охраняемой выработки больше 4 не апроксимируется известной формулой М.А.Садовского для сосредоточенных зарядов. Поэтому в основу методики расчета сейсмически опасных зон для горных выработок, расположенных непосредственно под массовым взрывом, заложен принцип независимого действия каждой ступени, а сейсмический эффект определяется по приведенному весу ВВ в ступени замедления в зависимости от расстояния в плоскости отбойки. Схема для определения расчетной скорости смещения (V) при веерной схеме расположения зарядов ВВ и порядном взрывании, характерном, например, для подземных рудников Хибин, а (V) определяется эмпирической зависимостью вида − 2 ,1 ⎡ R (1 + e )− x l ⎤ ⎥ sin (0 .023 T + 0 .5 ) , (2) V = 2 .1K ™ ⎢ 3 q ⎢ ⎥ пр ⎣ ⎦ где K с - коэффициент сейсмичности; R - расстояние от начала взрываемого веера до точки наблюдения, м; x - расстояние по горизонтали от взрываемого веера до точки наблюдения, м (х>0); e основание натурального логарифма; l - суммарная высота вееров, взрываемых на одну ступень, м; q пр приведенный вес заряда на ступень замедления в зависимости от ориентации выработки относительно фронта отбойки, кг. Для выработок, расположенных перпендикулярно фронту отбойки, q пр определяется только для слоя, ограниченного в обе стороны от оси охраняемой выработки расстоянием в две высоты днища блока, а от выработок, расположенных параллельно фронту отбойки определяется для участка, где на первом подэтаже сконцентрировано наибольшее количество ВВ. К таким участкам при веерном расположении скважин относится зона непосредственно примыкающая к буровым выработкам, ограниченная также расстоянием в две высоты днища блока. Зависимость (2) отражает изменение условий геометрического расположения отбиваемого слоя и охраняемой выработки и показывает, что в плоскости отбойки сейсмический эффект тем меньше зависит от массы заряда в ступени, чем ближе точка регистрации находится к плоскости заряда. Увеличение высоты и ширины отбиваемого слоя выше некоторого предела уже не приводит к росту сейсмического эффекта в точке регистрации, так как вклад краевых зон отбиваемого слоя в сейсмический эффект на этих расстояниях становится незначительным. Таким образом, в результате экспериментальных наблюдений за сейсмическим действием взрывов выявлена неоднородность поля скоростей смещения в различных направлениях вокруг плоских систем зарядов и определены места усиления колебаний. Это позволило разработать методику расчета сейсмически опасных зон для горных выработок с учетом этих установленных факторов. 3. Оценка реакции массива горных пород на мощные динамические воздействия. Анализ имевших место на подземных рудниках горных ударов показал, что во многих случаях они возникают вслед за массовыми взрывами и около 80% всех проявлений горного давления отмечаются в основании блоков, в подсечных и откаточных выработках и в блоках-целиках. На подземных рудниках Хибин с 1978 года зарегистрировано 37 горных ударов, шесть из которых с энергией 10 7 - 1012 Дж классифицированы как горнотектонические. По данным сейсмологических наблюдений, слабые толчки в массиве ( Е<10 4 Дж) регистрируются ежедневно, что свидетельствует о высокой сейсмической активности горных пород этих массивов. Так, на Кировском руднике фиксируется ежегодно более 1000 таких сейсмических явлений. В настоящее время в условиях удароопасности большое внимание уделяется безопасности горных работ. Однако исследования в большей мере направлены на разработку методов и методик прогноза удароопасности массива пород, чем на создание эффективных и безопасных технологий, снижающих вероятность возникновения динамических проявлений горного давления. Анализ горно-геологических факторов показал, что наряду с высокой напряженностью массива, на удароопасность оказывают влияние и такие факторы как частота производства массовых взрывов, развитие фронта очистных работ, мощность массового взрыва и очередность их проведения в пределах отрабатываемого горизонта. В целях установления влияния на проявление динамических событий (в виде горных ударов) временного интервала между массовыми взрывами, был проведен анализ порядка отработки действующих горизонтов на подземных рудниках АО ”Апатит” более чем за 20- летний срок их эксплуатации. При этом установлено, что динамических проявлений между взрывами не отмечается, если отбойка ведется равномерно по всему шахтному полю с периодичностью не более 1 раза в 3 месяца. Наиболее неблагоприятными являются участки, где взрывы не производились более 6 месяцев, и участки вблизи сочленения разломов, где за счет очистного пространства оконтуривались довольно крупные блоки и появилась вероятность их перемещений под действием взрывных нагрузок. После проведения взрывов на этих участках практически всегда происходили горные удары, а вблизи сочленения разломов имели место и групповые горные удары. Влияние мощности массовых взрывов на динамические проявления горного давления оценивалось по реакции массива на динамические воздействия. Эксперименты проводились на гор. +252 м Кировского рудника, в процессе которых наблюдениями были охвачены участки под висячим боком месторождения, в блоке-целике и в лежачем боку. Регистрации подлежали массовые взрывы с одинаковыми параметрами буровзрывных работ и интервалами замедления ( τ = 23 ms), но с разным общим весом ВВ. Анализ результатов наблюдений показал, что в данных горно-геологических условиях изменяя мощность взрывов можно активно вмешиваться в ход сейсмического процесса и с их помощью или снять энергию упругих напряжений в горных породах и тем самым предотвратить ее высвобождение в форме землетрясения или горного удара, или вызвать катастрофические последствия. Результаты обработки данных сейсмостанции ОАО “Апатит” показали, что практически более 70% всех сейсмических событий происходит в зоне влияния массового взрыва, где возможны необратимые локальные деформации в массиве горных пород. Размер данной зоны по результатам сейсмометрических замеров апроксимируется следующей эмпирической зависимостью. R = 3, 125 ⋅ V −0. 767 3 S⋅ Q ⋅ W , T (3) где R - расстояние от центра секции до границы зоны сотрясательного воздействия взрыва, м; Q - общий вес ВВ, кг; S - фронтальная площадь сечения отбиваемой секции, м 2 ; W - величина ЛНС, м; T - толщина взрываемой секции, м; V - критическая скорость смещения в волне сжатия, которая по данным экспериментальных наблюдений составляет [V] = 0.1 м/с - для напряженных участков и [V] = 0.15 м/с - для остальных участков. В свою очередь, чем больше зона влияния массового взрыва, тем более продолжительное время проявляется сейсмоактивность массива. Время существования наведенной взрывом сейсмичности определяется также местоположением взрывов в границах шахтного поля. Если в зону влияния массовых взрывов не попадают тектонические нарушения и консоль пород висячего бока, то имеет место незначительная сейсмическая активность массива с продолжительностью от нескольких часов до 1 суток и все сейсмические события приурочены к зоне влияния массового взрыва. При взрывах вблизи тектонических нарушений и консоли не обрушенных пород резко возрастает сейсмоактивность массива, а продолжительность проявления сейсмических событий колеблется от 3 до 5 суток. Амплитуда сейсмических событий и их повторяемость меняется во времени. Первые события в большинстве случаев формируются в консоли и вблизи нарушений, а затем непосредственно у границ отбойки в угловых зонах и зонах второго сейсмического максимума, т.е. в зонах концентрации статических напряжений, чередуясь между собой. Такой характер проявления сейсмических событий, по всей видимости, связан с изменением влияния действующих сил, вызванных движением блоков. О том, что происходит подвижка блоков наглядно свидетельствуют данные о форме колебаний массива пород от массовых взрывов. Так взрывы в лежачем боку, при отсутствии в массиве ярко выраженных тектонических нарушений генерируют близкие к синусоидальным колебания по всем трем компонентам. При взрывах под висячим боком колебания носят более сложный характер. Отличие обусловлено тем, что на фоне высокочастотных колебаний на различных стадиях взрыва формируются длиннопериодные волны. Начало формирования длиннопериодных волн под висячим боком приурочено к моменту взрыва нескольких первых ступеней замедления, а в лежачем боку, вблизи тектонических нарушений - после завершения массового взрыва. Проведенные лабораторные и натурные эксперименты показали, что формирование длиннопериодной волны связано именно с вовлечением в движение структурных блоков различного ранга. При этом установлено, что по вступлению этой волны можно определять начало сдвижения отдельностей, а по периоду колебаний оценить размер вовлекаемой в движение отдельности. В свою очередь с образованием низкочастотной волны в данных горногеологических условиях наблюдалось увеличение числа мощных сейсмических событий с энергией более 10 4 Дж и увеличивалось время существования наведенной взрывом сейсмичности. Выявлено, что длиннопериодная волна в районе висячего бока фиксируется при мощности взрыва более 100-120т ВВ, а в лежачем боку более 200 т ВВ. Это связано с тем, что под висячим боком вовлекаются в движение в основном блоки консоли необрушенных пород, так как наибольшее проявление длиннопериодной волны наблюдается по вертикальной компоненте. Образовавшиеся блоки в консоли обладают большей подвижностью из-за подработки и потери связи с нижележащим массивом, и для вывода их из положения равновесия требуется меньше энергии, что и наблюдалось в натурных условиях. Движение блоков в консоли из-за их незначительных размеров не приводит к каким либо негативным последствиям в районе ведения очистных работ, и в диапазоне весов массовых взрывов от 100 до 180 т высвобождение упругой энергии, накопленной в среде за предшествующий период времени, происходит без заметных динамических проявлений в горных выработках. Если вес ВВ меньше нижнего предела, то уменьшается зона необратимых локальных деформаций и сокращается количество сейсмических событий. Это определяет частичное высвобождение упругой энергии и только на локальных участках. В случае же превышения верхнего предела указанного диапазона весов зарядов ВВ в движение вовлекаются и более крупные блоки на уровне отрабатываемого горизонта, подвижка которых может привести к значительным нарушениям в горных выработках. Это положение подтверждается наблюдениями в лежачем боку месторождения, когда при производстве массовых взрывов с общим весом ВВ более 200 т ВВ фиксировалась низкочастотная волна с периодом значительно большим, чем под висячим боком, а при взрыве 16.04.89 г. произошло техногенное землетрясение. Результаты проведенных исследований позволили обосновать требования для регламента к ведению взрывных работ на участках, угрожаемым по горным ударам. 1. Массовые взрывы необходимо производить не реже 1 раза в 2-3месяца, распределяя их поочередно по флангам шахтного поля. 2. Равномерность распределения секций по флангам шахтного поля и периодичность их отбойки определять областью влияния массовых взрывов, которая вычисляется по зависимости (3). При этом распределение массовых взрывов должно быть таким, чтобы в процессе отбойки в заданные промежутки времени происходило перекрытие зон действия массовых взрывов. 3. В целях более эффективного управления состоянием массива мощность массового взрыва должна быть не менее 120 т ВВ и не более 180 т ВВ. Окончательный выбор мощности массовых взрывов производится после оценки уровня сейсмического воздействия на жилые и производственные здания. Использование разработанных рекомендаций на подземных рудниках Хибин, наряду с другими профилактическими мероприятиями, позволили значительно снизить число динамических проявлений горного давления в виде горных ударов. 4. Сейсмическое действие подземных сооружения. массовых взрывов на поверхностные Широкие исследования сейсмики взрывов при подземной отработке рудных месторождений показали, что в силу крайнего разнообразия горногеологических условий разработки, применяемых технологий очистной выемки и взрывной отбойки вопросы сейсмической безопасности не могут быть решены без проведения сейсмометрических наблюдений на конкретных объектах. Поэтому на следующем этапе экспериментальных работ оценивалось сейсмическое действие массовых взрывов на жилые массивы и производственные объекты. Это позволило установить наиболее значимые факторы, определяющие уровень сейсмического воздействия. На основе сейсмометрических наблюдений установлено, что для данных горногеологических условий условно можно выделить две зоны с различными частотными характеристиками колебаний. Первая зона - для расстояний менее 1000 м и мощности наносов менее 50 м. В данной зоне преобладает относительно широкий спектр колебаний, который зависит от конструктивных особенностей массовых взрывов. Для второй зоны - более 1000 м - характерен достаточно узкий спектр, с преобладанием низкочастотных колебаний в диапазоне 2-7 гц., а на участках с высоким уровнем грунтовых вод во второй зоне, преобладающие частоты находятся в диапазоне 2-5 гц и не зависят от деталей процесса в источнике, а определяются в основном грунтовыми условиями – мощностью наносов, физико-механическими свойствами грунтов и наличием грунтовых вод. В свою очередь, увеличение мощности наносов и расстояния приводит к увеличению продолжительности колебаний и интенсивности сейсмических волн. Коэффициент усиления колебаний в зависимости от мощности наносов описывается эмпирической зависимостью вида: К г = 0 ,61 * Н 0 ,17 - для грунтов первой и второй категории; К г = 0,74 * Н 0,22 - для грунтов третьей категории (при уровне грунтовых вод менее 4,5 м от поверхности, H- мощность наносов, м. Проведенные экспериментальные исследования показали, что основное влияние на интенсивность сейсмического воздействия оказывают следующие факторы: общий вес ВВ и вес ВВ в ступени замедления; количество ступеней и интервал замедления между ними; наличие выработанного пространства между массовым взрывом и охраняемым объектом; мощность наносов, на которых расположены охраняемые объекты и гидрогеологические условия. При этом, для конкретных горно-геологических условий в разных зонах действия взрыва указанные параметры сказываются по разному. Учитывая, что здания и сооружения являются резонансными системами и избирательно реагируют на сейсмовоздействия, необходимо уделять внимание и частотным характеристикам сейсмоколебаний, а уменьшение сейсмоопасности рассматривать на основе регулирования их спектрального состава. Фактически здание может выдержать воздействия значительных по амплитуде сейсмовзрывных колебаний, но только в том случае, если в полосе резонансной частоты в спектре действующего колебания будет находится минимум, а максимум - как можно дальше от частоты резонанса. При этом наибольшую опасность представляют низкочастотные составляющие спектра сейсмоколебаний, на которых возникают резонансные явления. Частоты собственных колебаний для наиболее распространенных конструкций зданий и сооружений находятся в диапазоне 2-10 Гц. Поэтому степень сейсмичности можно уменьшить, если снизить энергонасыщенность указанного диапазона частот. На основе хорошо разработанного в сейсмологии аппарата теории интерференционных систем, получено выражение, позволяющее оценить амплитудно-частотную характеристику короткозамедленного взрыва, 2 2 ⎛ n ⎞ ⎛ n ⎞ A(ω ) = ⎜ ∑ ak ⋅ cos tkω ⎟ + ⎜ ∑ ak ⋅ sin tkω ⎟ , ⎝ k =1 ⎠ ⎝ k =1 ⎠ (4) где A ( ω ) -амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) массового взрыва; ak - амплитуда колебаний к-ой группы, м; t k - промежуток времени между моментами взрыва первой и к-ой ступени, с; n- число групп (ступеней) в короткозамедленном взрыве; k - номер группы заряда; τ ω - круговая частота, 1/с. Заметим, что A ( ω ) зависит от распределения общей массы заряда всего массового взрыва по ступеням, задающего набор ak и моментов времени детонации t k , которые определяются номиналами электродетонаторов. В формуле (4) на стадии проектирования массового взрыва наборами ak и t k , применимыми и по другим технологическим критериям, можно минимизировать значения A( ω ) в зоне резонансных частот охраняемого объекта. Для расчета АЧХ короткозамедленных взрывов разработан алгоритм и программа расчета. Алгоритм позволяет использовать не только номинальные (паспортные) значения времени замедления, но и фактический разброс времени срабатывания детонаторов. Кроме того, при составлении алгоритма было учтено влияние зажима, так как известно, что с увеличением степени зажима возрастает сейсмическое действие массового взрыва. По разработанному алгоритму были выполнены расчеты и определены АЧХ при следующих конструкциях массовых взрывов. Приведена АЧХ массового взрыва при интервале замедления между ступенями τ = 23 ms (1 - без учета разброса времени срабатывания ЭД и зажима; 2 - с учетом влияния зажима и разброса; 3 - АЧХ при τ = 23 ms, начиная с 10-ой ступени замедления (графики 1-3 получены для 10 ступеней взрывания); 4 - АЧХ при =23 ms и 18 ступенях замедления с учетом времени разброса ЭД и степени зажима). Приведены АЧХ для τ = 46 и 69 ms между ступенями соответственно 1 и 2 без и с учетом влияния зажима и разброса времени срабатывания ЭД. Приведенные АЧХ получены при одинаковых весах зарядов в ступени замедления, на основании которых можно сделать выводы, что при увеличении интервала замедления максимум смещается в область низкочастотного диапазона, близкого к резонансным частотам зданий, а наиболее безопасным (по критерию энергонасыщенности низкочастотного диапазона), является спектр, полученный при интервале замедления τ = 23 ms и 18 ступенях замедления. В свою очередь, разброс времени срабатывания электродетонаторов существенно изменяет амплитудночастотную характеристику по сравнению с паспортными номиналами. Поэтому при прогнозе АЧХ массового взрыва требуется обязательно учитывать это обстоятельство. В целях оценки влияния веса ВВ в ступени замедления были выполнены расчеты для трех конкретных массовых взрывов, результаты которых приведены. Интервал замедления во всех взрывах был принят равным τ = 23 ms, количество ступеней соответственно - 11, 14 и 17, а вес ВВ в ступени изменялся от 4 до 19т при взрыве № 1, от 7 до 17 - во втором и от 6 до 16 т ВВ в третьем взрыве. Наиболее безопасным по критерию энергонасыщенности в диапазоне частот от 3 до 14 Гц являлся третий взрыв, в котором были использованы 17 ступеней замедления. Взрывы 1 и 2 по энергонасыщенности спектра в диапазоне частот от 4 до 9 Гц практически идентичны, хотя веса зарядов массовых взрывов отличались друг от друга почти в 2 раза (соответственно 117,2 т и 223,6 т). Проверка адекватности результатов расчетов АЧХ проведена по сейсмометрическим наблюдениям за взрывами с теми же интервалами замедлений и показала достаточную сходимость полученных результатов. В качестве примера приведены сейсмограммы горизонтальных составляющих колебаний фундамента вентиляционно-калориферной установки, расположенной на расстоянии 450-520 м от места производства массовых взрывов и амплитудно-частотный спектр колебаний при указанных интервалах замедления. Анализ сейсмограмм показал, что при интервале замедления τ = 23 ms наблюдается широкополосный спектр колебаний с примерно одинаковыми амплитудными значениями в диапазоне частот от 3 до 30 Гц, за исключением максимума на частоте 12 Гц, что говорит о равномерном распределении энергии сейсмовзрывных волн в указанном диапазоне частот, за счет чего снижается общая интенсивность колебаний. При замедлениях τ = 46 и 69 ms имели место довольно узкие спектры с преобладающими частотами при τ = 46 ms f =8-18 Гц, а при τ =69 ms f=6-15 Гц, т.е. четко прослеживается тенденция смещения спектра в диапазон частот, в котором возникают резонансные явления в зданиях. Полученные конкретные значения спектров хорошо коррелируют с расчетными спектрами короткозамедленных взрывов, где также при τ = 23 ms в спектре присутствуют различные частоты, а при τ = 46 и 69 ms наблюдается смещение спектра в область низких частот. Таким образом, с точки зрения сейсмической безопасности, целесообразно применять интервал замедления между ступенями в 23 ms при максимальном использовании всех ступеней при монтаже массового взрыва. С другой стороны, анализ параметров колебаний в основании жилых зданий в верхней и нижней части Саамской долины, соответственно при мощности наносов 30 м и 120 м показал, что с увеличением вдвое расстояния скорость смещения снижается в 5-10 раз, в то время как величина смещения остается примерно одинаковой. Так как определяющим фактором прочности строительных конструкций зданий в целом при колебаниях с частотами до 10 Гц являются перемещения, то скорость смещения нельзя использовать во второй зоне в качестве критерия сейсмической опасности. Поэтому для данных горно-геологических условий для первой зоны, где преобладает в основном широкополосный спектр и наиболее высокие частоты, предлагается использовать в качестве критерия сейсмической опасности скорость смещения в основании сооружений, а в дальней зоне (на расстояниях более 1000 м) наряду с оценкой скорости смещения необходимо производить проверку по максимально возможным перемещениям. Основываясь на данных о параметрах колебаний в различных зонах действия взрыва разработана новая методика расчета сейсмоопасных зон, и получены эмпирические зависимости для расчета ожидаемых скоростей смещения вблизи охраняемых объектов. В случае расположения охраняемых объектов на внешней границе полусферы с радиусом R < 1000 м, не отделенных от взрываемой секции выработанным пространством . -1,304 ⎛ Rф ⎞ ⎟ (5) V = 145 ⋅ К у.в. ⋅ K α ⋅ К г ⋅ ⎜ ⎜ 3 1 .5 q ⎟ ст ⎠ ⎝ В случае расположения охраняемых объектов на внешней границе с радиусом полусферы R<1000м, отделенных от взрываемой секции выработанным пространством. -1,304 ⎛ Rф ⎞ ⎟ (6) V = 207 ⋅ К у.в. ⋅ К г ⋅ ⎜ ⎜ 3 1.5q ⎟ ст ⎝ ⎠ где V - расчетная скорость смещения в основании зданий и сооружений, см/с; фактическое расстояние от центра взрыва до охраняемого сооружения, м; вес ВВ в ступени замедления, кг.; Кα q ст Rф - - максимальный К у.в. - коэффициент, учитывающий условия взрывания: - коэффициент, учитывающий ориентировку секций по отношению к охраняемым объектам К α = 0.67 + 0.107α + 0.081α 2 ( К α учитывается при R< 1000 м только для секций не отделенных выработанным пространством; α - угол между фронтом отбойки и охраняемым объектом, рад;) К г - коэффициент, учитывающий усиление колебаний грунтом в зависимости от мощности наносов (учитывается при Н>25м.) ; К г = 0,61 * Н 0,17 - для необводненных грунтов; К г = 0,74 * Н 0,22 - для водонасыщенных грунтов при уровне грунтовых вод менее 4,5 м от поверхности. H- мощность наносов, м. В связи с большим количеством сооружений в зоне влияния взрыва, а также наличием зон с повышенным уровнем сейсмического воздействия и различных условий взрывания при оценке сейсмического действия массовых взрывов использование таблиц, расчётных формул или диаграмм не совсем удобно. Поэтому для этих целей разработана компьютерная программа оценки сейсмической опасности массовых взрывов "Сейсмонитор", в основу расчетного алгоритма которой заложены зависимости по определению массовых скоростей смещения грунтов, полученные по результатам инструментальных замеров при регистрации массовых взрывов. Для работы программы создана цифровая модель совмещенного плана горных работ и территорий застройки жилой и промышленных зон с отображением всех жилых и производственных зданий, гидрогеологических условий, изолиний рельефа и мощности наносов. Таким образом, на основе созданной базы данных по сейсмическому действию массовых взрывов на жилые здания и промышленные сооружения получены статистические зависимости, разработана новая методика оценки сейсмической опасности для широкого диапазона изменяемых параметров массовых взрывов и грунтовых условий и разработан блок «Сейсмонитор», представляющий комплекс программ для ПЭВМ, позволяющих с высокой степенью достоверности производить расчеты и оценивать степень опасности массовых взрывов на предпроектной стадии. Этот блок может быть использован автономно или включен в САПР рудника. Методика оценки сейсмической опасности и блок «Сейсмонитор» внедрены в практику проектирования массовых взрывов на рудниках ОАО «Апатит». Заключение Основные научные и практические выводы, сделанные в результате завершенных исследований, заключаются в следующем. 1. Экспериментально и на основе численного моделирования установлены основные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород вблизи очистных пространств, заключающиеся в том, что при совместном действии в массиве гравитационных и тектонических сил формируются различные по напряженности зоны, а приграничная область, где располагаются отбиваемые секции, находится в состоянии неравномерного объемного сжатия при преобладающем действии вертикальной составляющей напряжений. 2. Установлены основные закономерности формирования зон разрушения от взрыва скважинных зарядов при различных видах напряженного состояния. Выявлено, что наименьшей энергоемкостью разрушения обладает первая по напряженности зона. На этой основе сформулированы требования к геометрическим размерам отбиваемых секций и схемам бурения взрывных скважин и разработаны новые способы отбойки, позволяющие (в отличии от традиционных схем веерного расположения скважин) повысить в среднем на 30% равномерность насыщения массива ВВ, достичь качественного дробления и снизить сейсмоэффект массовых взрывов на горные выработки. 3. Установлено, что сейсмическое действие массовых взрывов в условиях сложного напряженного состояния характеризуется усилением колебаний в зонах концентрации статических напряжений, что требует первоочередного осуществления на таких участках сейсмоохранных мероприятий. 4. Разработана новая методика расчета сейсмоопасных зон для горных выработок при отбойке руд веерными зарядами, распределенными в плоскости значительных размеров, в которой учитывается степень зажима, геометрические размеры секций и местоположение горных выработок относительно границ отбойки. 5. Разработана технология ведения взрывных работ на участках, склонных к горным ударам, основанная на учете реакции массива горных пород на мощные динамические воздействия, позволяющая уменьшить динамические проявления горного давления и управлять состоянием массива путем выбора развития фронта очистных работ, необходимой мощности массового взрыва, очередности их проведения и временного интервала между ними. 6. Установлены основные закономерности сейсмического действия массовых взрывов применительно к грунтам с переменной мощностью наносов. Показано, что для ближней зоны взрыва, где преобладают высокочастотные колебания, критерием опасности является скорость смещения у основания зданий, а для дальней зоны, где период колебаний функционально зависит от мощности наносов, критерием опасности является смещение в конструктивных элементах сооружений. 7. Установлено, что снижение сейсмического действия массовых взрывов достигается подбором конструкции массового взрыва и тем самым можно обеспечить спектр колебаний, наиболее безопасный по критерию энергонасыщенности низкочастотного диапазона, на котором возникают резонансные явления. Для этих целей предложен способ и разработана математическая спектральная модель короткозамедленного взрыва, позволяющая оценить амплитудно-частотные характеристики массовых взрывов в зависимости от их конструкции и методика расчета сейсмически опасных зон применительно к грунтам с переменной мощностью наносов. Практическое применение результатов комплексных исследований позволило значительно повысить эффективность и безопасность ведения взрывных работ на рудниках ОАО «Апатит».
