Сейсмическое воздействие взрыва на окружающие объекты

1. Сейсмическое воздействие взрыва на окружающие объекты

Необходимость защиты окружающей среды и инженерных сооружений от сейсмического действия промышленных взрывов и ударных воздушных волн возникла в последние годы в связи с созданием: высокопроизводительных буровых станков для открытых и подземных горных работ, позволяющих обуривать значительные объемы горной массы и применять многорядное взрывание уступов, взрывание в зажатой среде с сохранением геологической структуры массива - на открытых горных работах; систем подэтажного и этажного принудительного обрушения, подэтажных штреков и ортов, слоевого обрушения - на подземных работах. Их эффективная реализация возможна только при условии резкого повышения величин одновременно взрываемых зарядов ВВ.

За короткое время масса одновременно взрываемых зарядов ВВ повысилась на открытых горных работах с 20 - 30 до 200 – 300 т, а в отдельных случаях до 500 – 1000 т, на подземных работах - с 5 - 6 до 20 - 30, а в отдельных случаях до 50 – 100 т.

Распространение упругих сейсмических волн характеризуется скоростью массового смещения среды и (см/с) и периодом колебаний T (c). На основании этих параметров возможно также определение таких параметров сейсмических волн, как амплитуда смещения S, см; ускорение смещения j, см/с²; энергия сейсмических колебаний W_s, кДж.

Общепринятымикритериями оценки интенсивности сейсмическихколебаний являются скорость частиц и и энергия колебаний W_s:

.                                                                (1)

В целях выражения параметров сейсмических волн в зависимости от массы заряда ВВ Q и расстояния до места взрыва R, общепринята их интерпретациячерез параметры энергетическогои геометрического подобия:

.                                                             (2)

Тогда смещение, скорость и период сейсмических колебаний могут быть выражены соответственнокак

                                                          (3)

                                                                      (4)

,                                                                  (5)

где f(n) - функция показателя действия взрыва; k₁, k₂, k₃ - эмпирические коэффициенты грунтовых условий; n₁ и n₂ - показатели степени затухания сейсмических колебаний.

Управление сейсмическим действием взрыва возможно за счет изменения массы заряда ВВ Q и расстояния до центра взрываR.Изменение эмпирических коэффициентов грунтовых условий и показателей степени затухания сейсмических колебаний существенно зависит от условий взрывания, которые устанавливаются экспериментально.

Анализ волновой картины действия взрыва вгорных породах показывает, что если в области действия ударных волн затухание напряжений и соответственно скорость смещения пропорциональны R^-3 (в отдельных случаях, в средах высокой сжимаемости, R^-4), в области упругопластических волн R^-2 (в отдельных случаях R^-3), то в области сейсмических волн затухание скорости смещения пропорционально R^-1  и только в зоне ближнего действия взрыва, где наблюдается нелинейно упругое поведение пород, R^-1,5 в зонераспространения поверхностных волн R^-0,5. В сейсмическую волну переходит около 1% потенциальной энергии ВВ, что упрощает сейсмическую защиту инженерных сооружений от действия взрыва.

Общепринятым критерием оценки сейсмического: действия взрывов в России является допустимая скорость колебаний в преобладающей по интенсивности волне и. В США и ряде других стран (Швеция, Канада) критерием сейсмической безопасности служит уровень допустимой энергии сейсмической волны. Совместные расчеты по данным критериям показывают, что их количественные параметры принципиально не отличаются. Если в России допустимая скорость колебаний для гражданских и промышленных сооружений находится в пределах 1 - 12 см/с, то безопасный уровень сейсмической энергии, принятый за критерий в США, предусматривает допустимую скорость колебаний в пределах 3 - 12 см/с.

Анализ результатов экспериментальных исследований,выполненных по изучению составляющих колебаний по осям х, у, z в скальных породах, показывает, что в области расстояний , где преобладает по интенсивности продольная волна, основная энергия сейсмических колебаний (до 100%) связана с горизонтальной составляющей скорости колебаний u_x этой волны; в области , где наблюдается переход преобладающих колебаний от продольной к поверхностной волне, доля горизонтальной составляющей снижается с 85 - 90 до 35 - 42% и в области , где преобладают поверхностные волны, составляющие скоростей колебаний распределяются по осям х, у, z примерно равнозначно. Таким образом, в наиболее опасной области сейсмических колебаний при  максимум сейсмической энергии связан с горизонтальными составляющими колебаний в продольной волне, тогда как вертикальные и поперечные колебания быстро затухают. Это дает основание в скальных породах оценивать сейсмическое действие взрыва на здания и сооружения по допустимой скорости колебаний одной горизонтальной составляющей продольной волны, несущей в области  около 80% сейсмической энергии. Допустимой скоростью колебаний называется такая скорость, при которой сохранение зданий или сооружений полностью гарантировано, а возможные локальные деформации не превысят прогнозируемые. Наряду с допустимой скоростью u₀ для решения некоторых практических задач необходимо введение такого понятия, как предельная скорость колебаний u_пр соответствующая граничным условиям сохранности зданий или сооружений. При возбуждении в массиве пород скорости колебаний выше допустимой и₀ сохранность зданий или сооружений носит вероятностный характер. Критической скоростью колебаний может быть названа предельно допустимая скорость, выше которой сохранность зданий или сооружений реализуется с вероятностью менее 0,5.

Определение допустимых и предельных скоростей колебаний для гражданских и промышленных зданий и сооружений может осуществляться на основании специальной шкалы, разработанной для оценки последствий землетрясений, но применимой с известным коэффициентом надежности и для оценки последствий взрывов. Эта шкала имеет XII баллов.

Сейсмические колебания в области от I до V баллов не причиняют вреда сооружениям, а большие (от Х до XII) недопустимы по техническим условиям.

Таблица 1. Шкала оценки величин сейсмических воздействий на промышленные здания и сооружения