Одним из основных способов предварительного разрыхления скальных грунтов при разработке котлованов и траншей и планировки поверхности на различных строительных объектах являются буровзрывные работы (БВР). Работы эти часто осуществляют в стесненных условиях, рядом с охраняемыми объектами различного назначения. В этих условиях следует учитывать отрицательное воздействие сейсмических колебаний, вызванных взрывами. Одним из способов снижения сейсмического воздействия взрывов на охраняемые объекты является использование вместо штатных промышленных ВВ газогенераторов давления ГДШ [1-3].
Разрыхляемый скальный массив был представлен долеритами слаботрещиноватыми Х÷XI групп грунтов по классификации СНиП (коэффициент крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова — 16÷20).
Предварительное разрыхление скального грунта предусматривалось осуществлять с использованием гидроклиновой установки. Ее применение было обусловлено стесненными условиями производства работ на объекте и расположением рядом с площадкой работ различных ответственных объектов и действующих коммуникаций. Однако использование механического способа разрыхления скального грунта вместо взрывных технологий оказалось неэффективным. После рассмотрения различных вариантов и проведения опытных работ для предварительного разрыхления скального грунта было решено использовать газогенераторы давления шпуровые (ГДШ), размещаемые в предварительно пробуренных вертикальных шпурах.
ГДШ предназначен для откола горных пород и для разборки искусственных (бетонных и железобетонных) строительных объектов [1,3]. ГДШ допущены к постоянному применению Госгортехнадзором России. Все работы с ГДШ должны выполняться при соблюдении требований «Правил безопасности при взрывных работах» [5]. ГДШ не относятся к изделиям, содержащим взрывчатые вещества или пиротехнические составы, а их конструктивные элементы не являются взрывными устройствами.
Принцип действия ГДШ основан на фугасном действии газов, получаемых при высокоскоростном сгорании его рабочего состава, и создания давления в шпуре, достаточного для разрушения вмещающей среды (скальный грунт, бетон и т.п.). ГДШ обладает способностью создавать квазистатическое избыточное давление газов только в замкнутом объеме. Объем газообразных продуктов сгорания — 400 л на 1 кг состава. Полная идеальная работоспособность состава ГДШ — 3200 кДж/кг. При таком способе разрыхления скального грунта обеспечивается минимальное динамическое воздействие на окружающие охраняемые строения и коммуникации и минимальный разлет кусков разрушенного материала.
ГДШ состоит из пластмассового цилиндрического пенала диаметром 20÷25 мм и длиной 100÷600 мм, содержащего окислительную композицию на основе хлората натрия, и электропускового устройства (ЭПУ). Перед применением ГДШ приводятся в рабочее состояние — непосредственно на месте работ окислительная композиция в пенале пропитывается в необходимом количестве дизельным топливом.
ГДШ помещали в шпуры, предварительно пробуренные на разрыхляемом участке по сетке 0,4х0,4 м. Длина шпуров составляла от 0,4 до 0,8 м. Фактический удельный расход ГДШ составлял около 0,5 кг/м3, что примерно соответствует удельному расходу при разрыхлении скальных грунтов с использованием промышленных ВВ [4]. В зависимости от длины, в каждый шпур помещали патрон ГДШ массой от 0,025 до 0,075 кг. Длина забойки шпуров была не менее 0,35 м. Диаметр патронов ГДШ составлял 25 мм, диаметр шпура — 36÷42 мм. Для обеспечения плотного прилегания патрон ГДШ перед установкой в шпур обматывали бумагой. Пространство между патронами ГДШ в шпуре и забойку производили песком. При засыпке в шпур песок уплотняли. Инициирование ЭПУ патронов ГДШ в шпурах производили мгновенно от одной машинки типа КПМ-3У. Концы подсоединительных проводов ЭПУ каждого патрона ГДШ выводили из шпура и соединяли последовательно. При последовательной схеме соединения ЭПУ максимальное сопротивление цепи должно быть в два раза меньше номинала, указанного в паспорте взрывной машинки. В этом случае для машинки КПМ-3У максимальное сопротивление цепи составляет 300 Ом. Массу одновременно срабатывающего ГДШ и числа шпуров в серии ограничивали исходя из обеспечения допустимого уровня воздействия сейсмических волн на охраняемые объекты. Фактическая масса зарядов ГДШ в одной серии, в зависимости от расстояния до ближайшего охраняемого объекта, составляла от 0,3 до 5,75 кг.
Известно, что сейсмический эффект при срабатывании ГДШ значительно меньше, чем при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ) такой же массы. Однако в настоящее время нет достаточных результатов инструментальных измерений, позволяющих надежно прогнозировать интенсивность сейсмических колебаний при срабатывании патронов ГДШ. Поэтому для прогноза воздействия ГДШ на охраняемые объекты обычно используют закономерности, полученные при проведении взрывных работ, в соответствии с которыми результаты расчетов воздействия ГДШ оказываются завышены.
С целью контроля воздействия проводимых работ и получения необходимых данных для повышения надежности прогноза динамического воздействия на охраняемые объекты при срабатывании ГДШ, использованных при разрыхлении скального грунта, были осуществлены измерения параметров сейсмических колебаний. Измерения проводились комплектом аппаратуры «Mini Мate Plus» («Instantel», Канада). При регистрации сейсмических колебаний датчики устанавливались на грунте в районе расположения охраняемого объекта или между разрыхляемым участком и охраняемым объектом.
На рисунке 1 представлена типичная сейсмограмма записи колебаний грунта и давления в акустической воздушной волне (АВВ) при разрыхлении скального грунта с использованием патронов ГДШ. Общая масса зарядов ГДШ составляла 2,5 кг. Регистрация производилась на расстоянии 4,5 м.
Рисунок 1. Результаты измерений сейсмических и акустических воздушных волн при разрыхлении скального грунта зарядами ГДШ
На сейсмограмме имеются четыре дорожки. На верхней дорожке приведена запись давления в акустической воздушной волне. На остальных дорожках приведены записи сейсмических колебаний по трем составляющим «Х», «Y» и «Z». Результаты измерений скорости колебаний по каждой составляющей (VX, VY и VZ) и суммарное векторное пиковое значение скорости колебаний VPEAK, полученные в автоматическом режиме, приведены в верхней левой части рисунка 1. Пиковое значение скорости колебаний VPEAK (на рисунке 1 указана величина этой скорости, равная 125 мм/с) соответствует векторной величине скорости колебаний, зарегистрированной в момент времени при достижении максимальной скорости колебаний по одной из составляющих (в рассматриваемом случае VX=90,8 мм/с).
В России критерием сейсмической опасности взрывов принята максимальная векторная скорость колебаний V, которую определяют по формуле
, (1)
где VX, VY и VZ — максимальные величины скорости колебаний по трем составляющим, мм/с.
Обработка результатов выполненных измерений показывает, что величина максимальной векторной скорости колебаний V, рассчитанная по формуле (1), в 1,05÷1,35 раза превышает величину пикового значения скорости колебаний VPEAK, которая приводится в результатах замеров на приборе. Чем меньше разница в максимальной величине скорости колебаний по отдельным составляющим, тем больше отличие рассчитанной по формуле (1) величины скорости V от величины скорости VPEAK, указанной на сейсмограммах.
Результаты обработки записей измерений величины максимальной векторной скорости колебаний грунта V в зависимости от приведенной массы заряда , полученные при проведении исследований, показаны на графике на рисунке 2.
При мгновенном взрывании величину максимальной векторной скорости колебаний определяют по формуле [6]
, (2)
где V — скорость колебаний грунта, см/с; Q — масса мгновенно взрываемого заряда ВВ, кг; r — расстояние от места взрыва, м; К — коэффициент сейсмичности, величина которого зависит от геологических и гидрогеологических условий в районах проведения взрыва и расположения рассматриваемого объекта и ряда др. факторов; υ — показатель степени.
Рисунок 2. Зависимость скорости колебаний грунта от величины
приведенной массы заряда ГДШ
Измерения проводились на расстоянии от 2 до 13,5 м, величина приведенной массы зарядов находилась в диапазоне 0,066<
<0,54 кг1/3/м (преимущественно при ρ>0,1, см. рисунок 2). Для этого диапазона приведенных масс зарядов показатель степени может быть принят равным υ=2 [6]. По результатам многочисленных инструментальных измерений средняя величина коэффициента сейсмичности при υ=2 при взрывах скальных необводненных грунтов может быть принята равной К=4000÷6000, скальных обводненных грунтов — равной К=5000÷8000.
Коэффициент K при показателе степени n=2 в формуле (2) является коэффициентом, характеризующим удельную сейсмичность взрыва [6]. Это позволяет сравнивать между собой сейсмический эффект как взрывов разных зарядов ВВ на различных расстояниях, так и сейсмический эффект, вызванный воздействием на окружающую среду невзрывных источников. Величины коэффициента К, зарегистрированные при измерениях скорости сейсмических колебаний в случае использования зарядов ГДШ (всего 45 измерений) находятся в диапазоне К=442÷2853 при среднем значении К=1306 (кривая на рисунке 2).
Большой разброс величины коэффициента К при использовании ГДШ можно объяснить различиями в условиях проведения работ по разрыхлению грунта и регистрации колебаний: работы по разрыхлению грунта выполняли при одной, двух и трех обнаженных поверхностях; регистрация колебаний проводилась как в тылу массива, так и при наличии на пути распространения сейсмических волн слоя разрыхленного грунта или обнаженного пространства; изменялась степень обводненности разрыхляемого скального массива (работы осуществлялись в весенний период, до начала и в период таяния снега). Еще одной возможной причиной разброса полученных значений коэффициента К, по нашему мнению, является различие в массе и длине заряда ГДШ в шпурах (для воспламенения заряда большей массы и длины и его срабатывания требуется больше времени, чем при использовании зарядов меньшей массы).
Средняя величина коэффициента сейсмичности (К=1306) оказалась почти в 3 раза меньше средней расчетной величины, которую используют при прогнозировании сейсмического эффекта в ближней зоне взрывов (К=4000). Это еще раз указывает на пониженное сейсмическое воздействие зарядов ГДШ по сравнению со взрывом зарядов ВВ такой же массы.
Учет результатов выполненных инструментальных измерений скорости сейсмических колебаний при разрыхлении скального массива с использованием зарядов ГДШ позволит повысить надежность и безопасность производства подобных работ и расширить область их применения.
Список литературы:
- Березуев Ю.А. Применение шпуровых газогенераторов давления на карьерах блочного камня. — Горный журнал, 2008, №1, с.50-52.
- Руководство по применению газогенератора давления шпурового (ГДШ). ТУ 7275-002-46242932-2002. – СПб.: ООО «НПК «Контех», 2002. — 7 с.
- Селявин А.И., Ненахов И.А., Фоменкова В.Е., Ганопольский М.И. Разрушение монолитного железобетонного фундамента с использованием невзрывчатых разрушающих средств. — Сб. Взрывное дело. Вып. №113/70 «Теория и практика взрывного дела». — М.: ИПКОН РАН, 2015, с.243-259.
- Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. — М.: Недра, 1972. — 240 с.
- Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности при взрывных работах. Сборник документов. Серия 13. Вып. 14. — М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2014. — 332 с.
- Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. — М.: Недра, 1981. — 192 с.[schema type=»book» name=»СЕЙСМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ РАЗРЫХЛЕНИИ СКАЛЬНОГО МАССИВА ЗАРЯДАМИ ГДШ» description=»В статье рассмотрен опыт производства работ по разрыхлению скального массива с использованием газогенераторов давления шпуровых ГДШ. Приведены результаты измерений скорости сейсмических колебаний при срабатывании зарядов ГДШ. Показано, что скорость сейсмических колебаний при срабатывании зарядов ГДШ в среднем в три раза меньше, чем при взрывании зарядов промышленных ВВ такой же массы. » author=»Ненахов Иван Андреевич, Фоменкова Вера Евгеньевна, Кириллов Сергей Сергеевич, Ганопольский Михаил Исаакович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-03″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_09(18)» ebook=»yes» ]