На правах рукописи
Специальности 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПО ОЦЕНКЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ НА КОНСОЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Анисимов Вячеслав Михайлович
Екатеринбург - 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук Мухаметшин Анатолий Матвеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Поляков Алексей Афанасьевич кандидат технических наук, доцент Петрушин Алексей Геннадьевич
Ведущая организация - Уральский филиал ЗАО «Взрывиспытания»
Защита диссертации состоится «30» декабря 2008 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620014, ГСП 126, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, второй учебный корпус, ауд. 2142.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Автореферат разослан «29» ноября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Багазеев В.К.
1. 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 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 научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, 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).
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 литературыных источников из 39 наименований, приложения.
Плодотворной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег - Мухаметшина А.М., Тарабукиной В.Э., Дербинского Ю.А., Ведерникова А.С., Кадыковой Т.В.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава диссертации посвящена краткому описанию и анализу результатов изучения физических аспектов взрывного разрушения горных пород и оценки влияния массовых взрывов на проявление геодинамической или техногенной сейсмичности.
К настоящему времени выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, внесших неоценимый вклад в теорию и практику разрушения горных пород взрывом. Большой вклад в развитие теории и практики техногенной сейсмичности, а также взрывных способов разрушения пород на карьерах внесли известные ученые В.В.Адушкин, М.А.Садовский, Н.В.Мельников, Н.Н.Мельников, В.В.Ржевский, К.Н.Трубецкой, Д.М.Бронников, Л.И.Барон, Г.П.Демидюк, Б.Н.Кутузов, С.Д.Викторов, Н.Н.Казаков, А.А.Козырев, С.А.Козырев, В.Н.Мосинец, Р.Н.Родионов, Г.И.Покровский, Б.Р.Ракишев, А.Н.Ханукаев, М.Ф.Друкованный, М.М.Боресков, Ф.А.Баум, О.Е.Власов, Н.Г.Дубынин, Я.Б.Зельдович, М.И.Картузов, В.М.Кузнецов, М.А.Лаврентьев, В.И.Машуков, А.М.Мухаметшин, К.П.Станикович, Н.Ф.Суханов, М.М.Фролов, Е.Н.Шер и др.
Эффективными способами перераспределения энергии взрыва являются способы, основанные на взаимодействии волн напряжений от взрыва нескольких зарядов, к которым относится метод сближенных скважинных зарядов, располагаемых по прямой линии в количестве от 2 до 5 в группе (А.А.Ансабаев, Н.В.Бородин, С.К.Рубцов, Г.И.Толкушев и др.).
Применительно к отбойке руды в подземных условиях был предложен метод пучковых параллельно-сближенных скважинных зарядов (А.В.Будько, А.А.Блинов, Н.Г.Дубынин, А.А.Еременко, В.М.Закалинский, В.И.Машуков и др.), нашедший широкое применение на ряде рудников Горной Шории, Хакасии, Урала и Кривбасса. Достоинством этого метода является возможность замены сосредоточенных зарядов пучковыми сближенными.
Результаты исследований, посвященных вопросам формирования внутренней структуры развала горной массы при взрывных работах на карьерах, представлены в работах Е.Г.Баранова, И.А.Тангаева, В.А.Болдырева, А.В.Гальянова, Г.Г.Ломоносова, Б.Р.Ракишева. Выделяются два направления теоретического описания перемещения горной массы при взрыве скважинных зарядов: рассмотрение движения кусков горной массы с позиции баллистики и рассмотрение движения масс под действием сил. С помощью законов баллистики можно описать перемещение отдельного куска, перемещение же всей горной массы подчинено иным законам. Перспективным в данном случае является применение теории деформации для описания трансформации структуры добычного массива при взрыве.
Горные породы являются сложными твердыми телами, для которых характерен многокомпонентный состав. Действие взрыва в горных породах связано с наличием специфических особенностей: нестационарным распространением поля напряжений, отличием механических констант среды в статике и динамике, быстротечностью общего процесса, появлением в среде нарушений оплошности до окончательного завершения процесса. Переходя к рассмотрению задач динамики волн, распространяющихся в неоднородных средах, следует заметить, что они тесно связаны с теорией линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами и различными специфическими функциями.
Особенности распространения сейсмических волн в функции V=V(Z) 1968 г. изучались в работах Глазовского В.М., Цепелева Н. В., Барриман 3.Н., Бортфельда Р. и др., большинство из которых обобщено Л.М. Бреховских. Из теоретических исследований прохождения импульсов через слои следует отметить работы Петрашень Г.И., Епальского В.Н., Воронина Ю.А., Резниченко Ю.В., Чекина Б.С. и др., в которых обсуждаются вопросы постановки и решения задач по экранированию и способам построения теоретических сейсмограмм. Изменение фронта сейсмических волн плоскими, сферическими, цилиндрическими границами раздела рассмотрено в работах Булдырева В.С., Гельчинского Б. Я., Яворской И.И. и др.
Модельные исследования, позволяющие качественно изучать динамические характеристики сейсмических волн, производились на установке для трехмерного моделирования на твердо-жидких и жидких моделях и на установке для двухмерного моделирования на твердых моделях. В этой области следует отметить работы Ивакина Б. Н., Пархоменко И. С., Файзулина И.С., Епинатьевой В.М. и др. В результате анализа литературных источников и исследований на моделях дается обоснование физической модели выработки как полости с плоскими, цилиндрическими или сферическими границами раздела с акустической жесткостью, отличной от основного массива.
Таким образом, из обеспечения сейсмобезопасной технологии ведения взрывных работ вытекает следующий основной вывод:
Допустимые уровни колебаний оцениваются с расчетом того, чтобы регулярно повторяющиеся взрывы не вызывали в охраняемых объектах повреждений, требующих ремонта по техническим и эстетическим соображениям.
Вторая глава диссертации посвящена вопросам сейсмобезопасной технологии ведения взрывных работ на основе оценки негативного воздействия промышленных взрывов действующего горнодобывающего предприятия на его инфраструктуру под землей и на поверхности.
Рассмотрены известные общие закономерности взрывного процесса в горных породах. Когда потенциальная энергия ВВ за весьма короткий промежуток времени (около 3 мс) преобразуется в кинетическую, носителем которой являются газообразные продукты взрыва (ПВ), выполняющие при расширении полезную работу и возбуждающие в окружающей среде сейсмические и иные волны, вследствие ударной реакции ПВ о стенки зарядных камер в породе начинает распространяться волна возмущений. Непосредственно вблизи зарядов это может быть ударная волна, однако по многим оценкам радиус действия ударных волн при взрыве химических ВВ в твердой среде весьма мал: ударная волна быстро вырождается в упруго-пластическую волну сжатия с относительно пологим фронтом, большей длительностью и меньшей, чем в ударных волнах, скоростью распространения. Волна сжатия, распространяясь, вызывает в среде в зависимости от ее свойств хрупкое или пластическое разрушение. Радиус действия упруго-пластических волн в десятки раз превышает радиус заряда. В дальнейшем по мере снижения давления в процессе распространения этих волн они переходят в упругие, т. е. не вызывающие остаточных деформаций среды. Такие волны распространяются далее с постоянной скоростью, которая зависит от свойств среды, типа волны и т. д.
При взрывании вблизи открытых поверхностей волновая картина взрыва осложняется появлением волн, отраженных от таких поверхностей. Они создают в среде напряжения, обратные по знаку сравнительно с прямыми волнами. Поскольку горные породы имеют сопротивления растяжению значительно меньше, чем сжатию, отраженные волны могут вызывать разрушения на гораздо больших расстояниях от заряда, чем прямые.
При оценке действия взрыва в твердой среде вокруг заряда схематично выделяют различные зоны в зависимости от природы происходящих при этом основных процессов. Для скальных пород выделяют зоны вытеснения, дробления, трещинообразования и упругих деформаций.