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.

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.

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.

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.

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