Моделирование и технология снижения риска сейсмической опасности при ведении взрывных работ на карьерах

Моделирование и технология снижения риска сейсмической опасности при ведении взрывных работ на карьерах

Цель проекта. Разработка технологии ведения взрывных работ на карьерах, обеспечивающей снижение интенсивности сейсмического воздействия на охраняемые объекты и рисков, связанных с проведением работ.

Состояние дел в области исследований. Известны несколько методов оценки сейсмического воздействия взрывных работ на близлежащие сооружения: 1) аналитический метод, недостатком которого является низкая точность, поскольку не учитываются многие факторы, существенно влияющие на оценку сейсмического воздействия, такие как геологическое строение и структура горного массива, физико-механические свойства горных пород, коммутация скважинных зарядов, величина замедления и т.д.; 2) инженерная сейсмометрия - данная методика основывается на анализе данных, регистрируемых сейсмометрической аппаратурой. Ее достоинство состоит в том, что она позволяет получить натурные данные о сейсмовзрывных волнах, а недостатком методики является ограниченность получаемых данных, как по расстоянию, так и по азимуту относительно фокуса взрыва и неполнота динамической картины сейсмического воздействия; 3) численное моделирование методом конечных элементов, основанное на расчете динамического воздействия на горный массив и охраняемые сооружения. Метод численного моделирования с привлечением результатов сейсмометрии для калибровки и тестирования расчетных моделей позволяет получить адекватный и комплексный анализ сейсмического воздействия массовых взрывов на охраняемые сооружения. С другой стороны, возможность проведения различных численных экспериментов позволяет определять параметры взрывных работ, обеспечивающие допустимое сейсмическое воздействие на сооружение.

Video file
Динамика взрыва и воздействие на подземные горные выработки

Влияние предлагаемого проекта на прогресс в данной области. Метод численного моделирования в условиях интенсивного ведения горных работ позволяет просчитывать различные варианты ведения взрывных работ, оперативно принимать решения. Для этого необходимо дополнительно создать возможность получения и обработки регистрируемых данных сейсмометрических наблюдений, подготовить пакет программного обеспечения для расчета и анализа сейсмического воздействия, внедрить высокопроизводительные вычислительные технологии на базе современных программно-аппаратных архитектур. Разработка и отладка целого комплекса аппаратно-программных продуктов обеспечат значительное сокращение расчетного времени, расширят спектр оперативно решаемых задач и ускорят принятие решений. Такой подход обеспечит внедрение методов численного моделирования физических процессов сейсмовзрывного воздействия в планирование и производство буровзрывных работ, а также позволит разработать технологические рекомендации для оперативного обеспечения сейсмобезопасного уровня буровзрывных работ на карьерах.

seismicdanger1
На рисунке представлены кадры из анимации динамики взрыва и влияния на подземные горные выработки

Ожидаемые результаты и их применение. Ожидаемыми результатами проекта являются:

  • исходная цифровая характеристика объекта исследования: модель карьера, включающая в себя: положение охраняемых сооружений, детализацию геомеханического состояния горного массива, геологию горного массива, технологические параметры буровзрывных работ на карьерах (применяемые взрывчатые вещества, средства инициирования, величина замедления технология бурения и др.);
  • оценка достоверности численного моделирования сейсмического воздействия взрывных работ путем постоянной детализации, тестировании и калибровки параметров расчетной модели;
  • пакет программного обеспечения для расчета и анализа сейсмического воздействия взрывных работ на охраняемые сооружения;
  • влияние параметров взрывных работ на интенсивность сейсмического воздействия на охраняемые объекты при проходке горных выработок;
  • рекомендации по технологии ведения буровзрывных работ на карьерах, обеспечивающие снижение интенсивности сейсмовзрывного воздействия и риска сейсмической опасности.

В рамках проекта будет осуществлена серия численных экспериментов по расчету поля скоростей, смещений, ускорений и напряжений в горном массиве, в том числе вблизи охраняемых сооружений при различных параметрах взрывных работ (время замедления, схема замедления, сетка скважин, общая масса взрываемых веществ и т.д.) Полученные результаты могут в дальнейшем широко использоваться различными горнодобывающими предприятиями для оценки сейсмовзрывного воздействия и снижения риска (вероятности) разрушений охраняемых объектов, а также органами технического надзора для уточнения или разработки новых нормативных правил и рекомендаций обеспечивающих сейсмическую безопасность взрывных работ.

disp
Диаграммы смещений в точке на кровле подземной горной выработки при различных схемах взрывания

Данные об объеме работ. В рамках проекта будут выполнены следующие основные работы:

  • cбор сведений о физико-механических свойствах пород и геологическом строении горного массива, о геометрических характеристиках поверхности, расположении блока, охраняемого сооружения, а также о технологии буровзрывных работ и параметрах взрывных веществ,
  • выбор модели среды;
  • двумерный численный расчет параметров сейсмических волн, излучаемых взрывом заряда в скважине, расположенной в массиве горных пород;
  • сбор фактических данных по массовому взрыву: масса взрывчатых веществ, конструкции скважинных зарядов, количество и сетка скважин, схемы монтажа, способ инициирования зарядов;
  • подготовка цифровой модели ‹‹заряд - горный массив››: задание начальных условий и динамических нагрузок;
  • проведение численных расчетов, обработка результатов и построение динамического поля скоростей, смещений, ускорений и напряжений в горном массиве;
  • мониторинг сейсмовзрывных волн массовых взрывов;
  • разработка и внедрение математических методов и программных средств обработки данных мониторинга;
  • разработка пакета программного обеспечения для расчета и анализа сейсмического воздействия взрывных работ на охраняемые сооружения;
  • сравнительный анализ расчетных данных с результатами проведенных натурных измерений;
  • постоянное, непрерывное уточнение математической модели расчета действия массового взрыва, динамических сейсмовзрывных нагрузок и параметров и физико-механических параметров горного массива, перманентное уточнение начальных данных, используемых при расчетах;
  • моделирование воздействия массового взрыва на охраняемые сооружения при существующей технологии буровзрывных работ на карьере;
  • расчет сейсмического воздействия массового взрыва на охраняемые сооружения на конкретном взрываемом блоке при варьируемых параметрах взрывных работ на карьере;
  • разработка рекомендаций по снижению интенсивности сейсмического воздействия массовых взрывов на охраняемые объекты.
Пример распространения волны (смещения) при взрыве скважинного заряда на уступе
Пример распространения волны (смещения) при взрыве скважинного заряда на уступе

Технический подход и методология. Основным новшеством в проекте будет анализ сейсмического воздействия взрывных работ на охраняемые сооружения методом численного моделирования с учетом технологии ведения буровзрывных работ на горных предприятиях. Достоверность цифровой модели будет обеспечиваться непрерывным тестированием и калибровкой параметров модели на основе данных сейсмического мониторинга. Цифровая модель будет готовиться на основе сведений о физико-механических свойствах пород горного массива, сведений о технологии буровзрывных работ, свойствах применяемых взрывчатых веществ. Критерии устойчивости охраняемых сооружений на сейсмическое воздействие будут определяться на основе обоснованных предельно допустимых параметров сейсмического воздействия.

Публикации. Некоторые статьи участников проекта, относящиеся к тематике проекта:

  1. Коваленко В.А., Григорьев В.В. О численном моделировании разрушения горных пород динамическим нагружением // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, Академия унаук СССР, Сибирское отделение, 1991, №5, С. 71-77.
  2. Ляхов Г.М., Коваленко В.А., Коваленко Е.А. Определение эффективности применения различных ВВ в плотных средах // Физика горения и взрыва, 1980, № 1, С.126-132.
  3. Баранов Е.Г., Коваленко В.А., Коваленко Е.А., Ляхов Г.М. Расчет параметров взрывных волн в плотных средах при различных схемах детонации // Журнал прикладной механики и технической физики, Академия наук СССР, Сибирское отделение, 1980, №1, С. 133-140.
  4. Коваленко В.А., Баранов Е.Г. Влияние параметров детонации взрывчатых веществ на распределение энергии взрыва скважинного заряда // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, Академия наук СССР, Сибирское отделение, 1975, №6, С. 64-68.
  5. Korjenkov A. M., Kovalenko V. A. and Usmanov S. F.. Long-term preservation of paleoseismic deformations as a tool for revealing traces of ancient seismic catastrophes (on example of Chon-Kemin Valley, Kyrgyzstan) - in (M. F. Buchroithner - ed.) Proceedings of the 7th International Symposium on High Mountain Remote Sensing Cartography. Bishkek, Kyrgyzstan, July, 2002. Kartographische Bausteine, Band 23, Dresden 2004. P. 137-153.
  6. Korjenkov A. M., Mamyrov E., Omuraliev M., Kovalenko V. A. and Usmanov S. F.. 2004. Rock avalanches and Landslides formed in result of strong Suusamyr (1992, M = 7.4) earthquake in the northern Tien Shan - test structures for mapping of paleoseismic deformations by satellite images - in (M. F. Buchroithner - ed.) Proceedings of the 7th International Symposium on High Mountain Remote Sensing Cartography. Bishkek, Kyrgyzstan, July, 2002. Kartographische Bausteine, Band 23, Dresden 2004. Pages 117-135.
  7. Коваленко В.А., Воробьев Д.А., Райымкулов М.А. Компьютерное моделирование изменения пространственного положения рудных тел в процессе взрывания горной массы // Вторая международная научная конференция «Моделирование нелинейных процессов и систем», Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2011, С. 264-265.
  8. Долгушев В.Г., Коваленко В.А., Усманов С.Ф. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния борта карьера Кумтор // Вестник Российского университета дружбы народов №3, Москва, 2008, С.49-52.
  9. Усманов С.Ф. Учет влияния сейсмического воздействия на устойчивость бортов карьеров // Сб. Современные проблемы механики сплошных сред – 6-й выпуск. Бишкек, НАН КР, 2007, С.110-117.
  10. Адушкин В,В., Спивак А.А. Подземные взрывы. М.Наука. 2007. 579с.
  11. Адушкин В.В., Спивак А.А., Соловьев С.П., Перник Л.М., Кишкина С.Б. Геоэкологические последствия массовых химических взрывов на карьерах// Геоэкология. 2000. №6. С.554-563.
  12. Куликов В.И., Гончаров А.И., Эткин М.Б. Акустический эффект Камбаратинского взрыва. Сб. Взрывное дело. № 109/66, 2013. с.239-257.
  13. Куликов В.И., Камчыбеков М.П., Эткин М.Б. Сейсмическое действие Камбаратинского взрыва. Сб. Взрывное дело. № 110/67, 2013. с.153-166.
  14. Куликов В.И., Спунгин В.Г., Остапчук А.А. Сейсмовзрывное действие массовых карьерных взрывов на горные выработки. НТС Взрывное дело, № 112/69, 2014. с.262-280.
  15. Куликов В.И., Камчыбеков М.П., Эткин М.Б. Сейсмическое действие Камбаратинского взрыва. Сб. трудов ИДГ. , 2013, с.126-137.
  16. Kulikov V.I., Etkin M.B.. Seismic and acoustic observation of large-scale Kambarata explosion. 7-th World conference on explosives and blasting. Moscow, Russia, 2013, Part I. European Federation of Explosives Engeneers. p.158-167.
  17. Куликов В.И., Адушкин В.В., Перник Л.М. Сейсмичность взрывных работ. Техногенная сейсмичность. с.86-130. В монографии «Взрывы и землетрясения на территории европейской части России». Под редакцией В.В. Адушкина. ГЕОС. 2013. (44 с. из 384 с.)
  18. Куликов В.И., Петухов В.Ю., Разин А.В., Собисевич А.Л. Сейсмоакустические и акустико-гравитационные волны в слоистых средах. Монография, 4 автора, Изд. ООО «Сам Полиграфист», 2013, 230 стр.
  19. Костюченко В.Н., Кондратьев С.В., Кочарян Г.Г. О параметрах сейсмических волн при короткозамедленных взрывах.// ФТПРПИ.- 1982- N 1.- С. 104-106
  20. Костюченко В.Н., Кондратьев С.В., Кочарян Г.Г. Сейсмический эффект при групповых взрывах.// Взрывное дело N 85/42.- М.: Недра, 1983.- С. 18-31.
  21. Костюченко В.Н., Кочарян Г.Г. Сейсмический эффект группового взрыва//ФТПРПИ.- 1987.- N 6.- С. 25-29.
  22. Кочарян Г.Г. Бригадин И.В., Карякин А.Г, Кулюкин А.М. Исследование закономерностей обрушения подземных выработок в горном массиве блочной структуры при динамическом воздействии. // ФТПРПИ.-1995.-N1.-С.3-11.
  23. Алексеев А.М., Джанашия С.В.,Кочарян Г.Г., Кулюкин А.М. Исследование процесса деформирования приконтурной зоны выработки в блочной среде// ФТПРПИ, -1996.-N6
  24. Адушкин В.В., Кочарян Г.Г,, Санина И.А. О вкладе взрывных работ в развитие сейсмодеформационных процессов в регионе.// ДАН, 2011, т.441, №1
  25. Budkov, G.Kocharyan Constitutive laws of the underground opening collapse due to dynamic load.// Trans. Tianjin Univ., V.14, p.p.483-490. Springer -Verlag, 2008.
  26. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М. Академкнига. 2003. 423с.
  27. Кишкина С.Б. Сейсмический эффект короткозамедленных промышленных взрывов // Горный информационно-аналитический бюллетень. №°3. 2001. С. 65-68.
  28. Кишкина С.Б., Лукишов Б.Г., Спивак А.А. Использование сейсмического сигнала массового взрыва для определения свойств и характеристик геологической среды.// Нестационарные процессы в верхних и нижних оболочках Земли (геофизика сильных возмущений). Сборник научных трудов М: ИДГ РАН. 2002. С.449-460
  29. Кишкина С.Б. Куликов В.И., Родионов В.Н. О накоплении нарушенности горного массива при массовых взрывах на карьерах// Геоэкология. 2004. №2. С.1-6
  30. Гончаров А.И., Кишкина С.Б., Куликов В.И., Родионов В.Н. Влияние сейсмики массовых взрывов на устойчивость горного массива // Сб. научных трудов ИДГ РАН в 2-х книгах. Книга 2. 2003. С. 219-229
  31. Кишкина С.Б. Параметры сейсмического эффекта массовых короткозамедленных взрывов // Вестник НЯЦ РК. Выпуск 2(18), июнь 2004. С. 169-176
  32. S. Kishkina. Seismic hazard of quarry blasts//Rock Dynamics and Applications - State of the Art - Zhao&Li(eds). 2013 Taylor&Francis Group, London. C.573-578