Зона вытеснения (полость) образуется в непосредственной близости к зарядной камере. В пределах этой зоны среда находится под воздействием гидростатического сжатия ПВ. В скальных породах при взрыве сосредоточенного заряда радиус зоны вытеснения ограничивают 2,5 радиуса заряда.
Далее выделяют зону дробления, разрушение в которой вызывается напряжениями сжатия в волне, превышающими предел прочности породы, и давлением ПВ, проникающих в трещины. Породы разрушаются в условиях неравномерного трехосного сжатия. Внешняя граница зоны может располагаться от центра сосредоточенного заряда на расстоянии около десяти его радиусов.
На более дальних расстояниях (до 100 радиусов сосредоточенного заряда) выделяют зону трещинообразования. Этот процесс обусловлен воздействием растягивающих и сдвиговых тангенциальных напряжений в отраженной волне вблизи открытых поверхностей и движения ПВ к этим поверхностям.
Далее выделяют зону упругих деформаций, в которой все параметры материала среды не изменяются. А так как переход от зоны трещинообразования к зоне упругих деформаций постепенный, то иногда выделяют переходную зону микротрещин. В зоне упругих деформаций влияние взрывов проявляется в виде сейсмического воздействия, опасного при определенном уровне интенсивности для сооружений на поверхности или в глубине массива пород или для устойчивости откосов в этом массиве.
При постановке и решении конкретных задач управления взрывом должны быть определены основные энергоносители - ПВ или волновое поле. Так, при оценке характера распределения в пространстве выбрасываемой взрывом породы (взрывы на выброс, развал и разлет при взрывах рыхления) кинетическая энергия среде передается в основном непосредственно от ПВ. В зоне трещинообразования в скальных породах энергия волн вызывает начальное раскрытие трещин, затем под давлением ПВ происходит движение породы в сторону открытой поверхности, в процессе которого продолжается развитие трещин, т.е. кусковатость взорванной зоны определяется действием обоих рассматриваемых носителей. Положение границ зоны трещинообразования в глубине скального массива определяется действием прямой, а поблизости от открытой поверхности - отраженной волны. Сейсмическое действие взрыва целиком определяется его волновым полем. Определение основного энергоносителя позволяет успешно применять аналитические (обычно полуэкспериментальные) методы решения задач защиты охраняемых объектов при взрывах.
Накоплен значительный опыт измерений интенсивности волнового поля взрыва, причем наиболее часто измеряемым параметром является скорость смещения среды V. Экспериментально установлено, что этот параметр можно рассчитывать в зависимости от расстояния до заряда по степенным формулам типа
v,
где - относительное (в диаметрах заряда) расстояние от заряда до рассматриваемой точки; н - эффективный коэффициент затухания скорости смещения с расстоянием, причем для волн сжатия в зоне трещинообразования вблизи ее внешней границы и объемных волн в зоне упругих деформаций величина коэффициента затухания близка к 2.
где с - скорость распространения волны, которая в пределах зоны трещинообразования близка, а в зоне упругих деформаций равна скорости продольной упругой волны в данной среде, м/с.
С учетом свойств породы определяют тангенциальное напряжение
где м - коэффициент Пуассона для породы.
Эта формула относится к случаю плоских волн, однако в приближенных расчетах согласно данным А.Н.Ханукаева, может использоваться также для сферических и цилиндрических волн в зонах трещинообразования и упругих деформаций.
Рассмотрены также известные общие закономерности сейсмического действия взрыва. Выполнен анализ признаков сейсмического воздействия в различных породах в зависимости от трещиноватости и сопротивляемости горных пород трещинообразованию.
Третья глава диссертации посвящена описанию геоинформационных систем, их достоинствам, технологии проведения мониторинговых исследований, в т.ч. на примере здания Екатеринбургского цирка.
Для решения технических и методических задач при исследованиях сейсмического влияния взрывных работ предложена компьютеризированная портативная геоинформационная система. В техническом плане система содержит три стандартных компонента (блок) (рис. 1):
1) первичные преобразователи сейсмических колебаний в электрические сигналы, в качестве которых используются стандартные сейсмоприемники типа СМ-3, GS-20 DХ;
2) внешний модуль аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразования электрических сигналов. Здесь нами использованы платы L-Card типа L-1250 или Е-330 которые обеспечивают многоканальный (до 32 каналов) прием и преобразование сейсмических сигналов с частотой до 500 Гц. Данные устройства передают преобразованные ими электрические сигналы через принтер-порт в режиме ЕРР или Bidirectional прямо на входную шину компьютера.
3) в качестве регистратора используется ноутбук, который осуществляет сбор данных через цифровой выход внешнего модуля и одновременно служит блоком его питания. В данном случае это был RoverBook-Ехр1огег FТ.4. Такой вычислитель соответствовал компьютерам типа Pentium II.
Таким образом, из минимального числа стандартных изделий создана портативная автономная компьютеризированная измерительная система, содержащая до 16 каналов (дифференцированных и электрически независимых) или до 32 каналов (с общей "землей"). Система вместе с тем является в полном смысле слова геоинформационной. Докажем это следующим образом.
Вышеописанные блоки, соединенные в виде технического средства непрерывных во времени (т.е. мониторинговых) измерений конкретного физического параметра, являются средством сбора, преобразования, систематизации и переработки первичной информации. Для этого в основном служит блок №2, т.е. внешний модуль Е-33О. Программное обеспечение этого блока содержит ряд программ со специализированными и вспомогательными функциями. С их помощью сигналы от всех сейсмоприемников группируются, преобразуются и в заданном порядке передаются на вход ноутбука. Последний регистрирует полученные данные и позволяет оператору практически в реальном времени осуществлять визуальный контроль зарегистрированных сигналов в приемлемом графическом виде. Например, на рис. 2 приведена сейсмограмма регистрации сейсмических сигналов на конкретных объектах (инженерных сооружениях) от технологического взрыва. Данная сейсмограмма была зарегистрирована в реальном масштабе времени и проконтролирована оператором. Это означает, что результаты измерений были получены и зарегистрированы с высокой степенью оперативности и надежности. Благодаря этому появилась возможность повысить надежность проводимых исследований в части получаемого результата. Как уже отмечено выше, такая система, являясь малогабаритной, т.е. портативной, является еще и автономной, так как у ноутбука имеется аккумуляторное питание, гарантирующее непрерывную работу всей системы в течение нескольких часов.
Кроме этого, используемый ноутбук позволяют на месте выполнить некоторые преобразования, например быстрое преобразование Фурье, получить некоторые спектральные характеристики исследуемых объектов. Этим самым достигается еще более высокая оперативность выполняемых исследований и решается очередная задача геоинформационной системы: по классификации и анализу зарегистрированной информации.
Рис. 1. Схема геоинформационной системы и ее связей с объектом и результатом исследования.
Так как из практики регистрации сейсмических сигналов каждый канал несет информацию о режиме колебаний на отдельном объекте, ценность оперативной оценки этих режимов трудно переоценить.
Разработанная портативная геоинформационная система используется не только для регистрации сейсмических сигналов. С ее помощью можно выполнять мониторинговые измерения с любыми другими первичными преобразователями, на выходе которых образуется аналоговый или цифровой электрический сигнал.
В последнее время на объектах гражданского назначения все чаще происходят аварии, причинами которых являются природные и техногенные воздействия. Достаточно напомнить случаи обрушения сооружений: аквапарка (Москва, 2004), супермаркета (Германия, 2005), выставочного зала (Польша, 2006), когда был понесен не только значительный экономический ущерб, но и были многочисленные человеческие жертвы. Из числа последних событий напомним факт обрушения крыши Басманного рынка в Москве в феврале
2006 г. Для предотвращения возникновения подобных происшествий необходимо осуществлять непрерывный контроль текущего состояния строений и сооружений, подверженных опасности разрушения. Отмеченное обстоятельство определяет необходимость разработки и внедрения геоинформационных систем, осуществляющих мониторинг состояния объектов социальной и промышленной инфраструктуры антропогенной среды. сейсмобезопасный взрыв горный порода
В основу разработанных и введенных в эксплуатацию подобных систем на разных объектах гражданского назначения положены следующие принципы:
- автономность энергопотребления и портативность контрольно-измерительной аппаратуры;
- непрерывность измерений в режиме мониторинга;
- обучаемость персонала используемой геоинформационной системы;
- резервируемость собираемых данных в виде базы данных и базы знаний;
- помехозащищенность измерительной аппаратуры при наличии полей-помех, на порядок и более превышающих полезный сигнал;
- ориентированность на работу в режиме экспертной системы;
- быстродействие, достаточное для регистрации параметров измеряемых процессов.
Для исследования и оценки влияния факторов естественного и искусственного происхождения в разработанных геоинформационных системах были использованы следующие общеизвестные геофизические методы или их шахтные модификации:
- сейсмометрия;
- электрометрия;
- магнитометрия;
- активационные методы.
Особенности регистрируемых сигналов определили необходимость разработки специальных методов обработки и визуализации, позволяющих дать адекватную геофизическую интерпретацию полученной ситуации. Например, с помощью методов классического Фурье-анализа для оценки напряженно-деформированного состояния горного массива была разработана и применена методика выделения полезного сигнала на фоне промышленных помех.
Наиболее общая блок-схема геоинформационной системы представлена на рис. 2. Здесь различные параметры объекта исследования 7 регистрируются с помощью датчиков 2 и через согласующее устройство 3 передаются в устройство сбора информации 4. Полученная информация об объекте передается в подсистему предварительной обработки информации 5, в которой происходит анализ допустимости зарегистрированных параметров на основании статистических данных, хранящихся в базе данных. Сигналы, имеющие хотя бы один недопустимый параметр, передаются в подсистему 6, в которой устанавливается, является ли сложившаяся ситуация в системе аварийной. При этом на основании базы знаний, хранящей информацию об аварийности по многим параметрам, происходит идентификация зарегистрированного параметра сигнала, вышедшего за допустимые пределы, а также анализ состояния комплекса других параметров на этом же объекте. Далее при условии, что по другим датчикам (не менее двух) наблюдаются превышения допустимых параметров, сигнал аварийной ситуации будет сформирован и передан в подсистему экспертной оценки 7.
Рис. 2. Общая структурная схема разработанной геоинформационной системы:
1 - объект исследования; 2 - датчики; 3 - согласующее устройство; 4 - устройство сбора информации; 5 - подсистема предварительной обработки информации; 6 - подсистема оценки свойств, структур, строения и состояния контролируемого объекта; 7 - подсистема принятия решения на основе экспертных оценок
Один из новых и весьма перспективных видов информационных технологий - геоинформационные технологии на основе (ГИС), которые играют сегодня все более важную роль в задачах социально-экономического и экологического развития и управления в природной, производственной и трудовой сферах страны. Представляется, что развитие геоинформатики как научного базиса и геоинформационных технологий как прикладного инструментария обеспечит интеграцию данных, знаний и методов для эффектов нового решения задач. Анализ полученных результатов при практическом использовании ГИС показал правильность выбранных принципов построения структурной схемы и применения выбранных геофизических методов.
Четвертая глава диссертации посвящена теоретическому анализу динамики сооружения и экспериментальным результатам геоинформационных измерений, оценке влияния взрывных работ при проходке горных выработок на состояние конструкций поверхностных сооружений.