авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Геоинформационная модель по оценке сейсмического воздействия подземных взрывов на консольные конструкции поверхностных сооружений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АНИСИМОВ Вячеслав Михайлович

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПО ОЦЕНКЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВЗРЫВОВ

НА КОНСОЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Специальности 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук

Мухаметшин Анатолий Матвеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Поляков Алексей Афанасьевич

кандидат технических наук, доцент

Петрушин Алексей Геннадьевич

Ведущая организация - Уральский филиал

ЗАО «Взрывиспытания»

Защита диссертации состоится «30» декабря 2008 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620014, ГСП 126,

г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, второй учебный корпус, ауд. 2142.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан «29» ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Багазеев В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большой объем (до 80%) извлекаемых горных пород добывается с помощью энергии взрыва взрывчатых веществ (ВВ). Значительная часть энергии взрыва расходуется на сейсмический и ударновоздушноволновой (УВВ) эффект, который сопровождается повреждениями зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от взрыва.

Оказываемое взрывами сейсмическое воздействие на здания и сооружения на поверхности является весьма существенным. С целью снижения вредного сейсмического влияния взрывных работ необходимо ограничить массы заряда ВВ в единичной ступени мгновенно взрываемого заряда, изменить величину замедлений между ступенями или взаимного расположения зарядов в разных ступенях и т.п.

Особенно большое значение приобретает оценка сейсмического воздействия в условиях строительства метрополитенов.

Так, при строительстве Свердловского метрополитена сотрудники лаборатории горной геофизики неоднократно регистрировали сейсмический эффект от взрывов практически по всей трассе метро. Было показано, что наблюдаемые смещения не всегда находятся в допустимых пределах. По нашим наблюдениям за влиянием взрывных работ на здание цирка города Екатеринбурга администрацией города было предписано дать экспериментальные оценки этого влияния, что обусловливает актуальность наших исследований.

Объектом исследования является сейсмическое воздействие взрыва в подземных условиях на прилегающие здания и сооружения.

Предметом исследования является волновое воздействие взрыва на балки городских сооружений

Цель работы: оценить влияние взрывных работ при проходке подземных горных выработок на консольные конструкции поверхностных сооружений.

Идея работы: оценить возможное сейсмическое влияние взрыва на поверхностные сооружения.

Методы исследования: теоретический анализ и обобщение влияния взрывных работ на поверхности сооружений, исследование на модели в лабораторных условиях, измерения на поверхностных сооружениях.

Основные защищаемые научные положения:

1. Установлено, что основное воздействие подземных взрывов на консольные нагрузки выражается в увеличении амплитуды колебаний.

2. Допустимым для безаварийной работы является режим упругих колебаний консольной балки.

3. Установлено, что при существующих параметрах буровзрывных работ при строительстве станции метро «Геологическая» несущие консольные балки работают в режиме упругих колебаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Установлено, что безаварийным режимом работы является режим упругих колебаний.

- Разработана геоинформационная модель по оценке сейсмического воздействия подземных взрывов на консольные конструкции поверхности сооружений.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждается:

- представительностью и надежностью исходных материалов исследований сейсмического эффекта от взрывных работ в разнообразных горно-геологических условиях урбанизированной территории Среднего Урала;

- теоретическими результатами моделирования;

- сопоставимостью данных теоретических и экспериментальных исследований непосредственно на балках Б-2 здания цирка.

Практическое значение работы заключается: в оценке состояния основных несущих элементов здания или сооружения с помощью сейсмометрических измерений вынужденных колебаний этого элемента под воздействием колебаний от промышленных взрывов. При этом обеспечивается контроль за безопасностью эксплуатации зданий и объектов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований автора использованы при разработке рекомендаций по безопасной эксплуатации уникального здания Екатеринбургского государственного Цирка.

Апробация работы.

Результаты, основные положения и выводы доложены на научных симпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, г. Москва, 2004, 2005, 2007 и 2008), на седьмом международном симпозиуме «Освоение месторождений минеральных ресурсов и подземное строительство в сложных гидрогеологических условиях» (г. Белгород, 2003).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 134 страницах машинописного текста, и также включает 36 рис. 5 табл., список литературыных источников из 39 наименований, приложения.

Плодотворной работе над диссертацией способствовала творческая и доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег – Мухаметшина А.М., Тарабукиной В.Э., Дербинского Ю.А., Ведерникова А.С., Кадыковой Т.В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена краткому описанию и анализу результатов изучения физических аспектов взрывного разрушения горных пород и оценки влияния массовых взрывов на проявление геодинамической или техногенной сейсмичности.

К настоящему времени выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, внесших неоценимый вклад в теорию и практику разрушения горных пород взрывом. Большой вклад в развитие теории и практики техногенной сейсмичности, а также взрывных способов разрушения пород на карьерах внесли известные ученые В.В.Адушкин, М.А.Садовский, Н.В.Мельников, Н.Н.Мельников, В.В.Ржевский, К.Н.Трубецкой, Д.М.Бронников, Л.И.Барон, Г.П.Демидюк, Б.Н.Кутузов, С.Д.Викторов, Н.Н.Казаков, А.А.Козырев, С.А.Козырев, В.Н.Мосинец, Р.Н.Родионов, Г.И.Покровский, Б.Р.Ракишев, А.Н.Ханукаев, М.Ф.Друкованный, М.М.Боресков, Ф.А.Баум, О.Е.Власов, Н.Г.Дубынин, Я.Б.Зельдович, М.И.Картузов, В.М.Кузнецов, М.А.Лаврентьев, В.И.Машуков, А.М.Мухаметшин, К.П.Станикович, Н.Ф.Суханов, М.М.Фролов, Е.Н.Шер и др.

Эффективными способами перераспределения энергии взрыва являются способы, основанные на взаимодействии волн напряжений от взрыва нескольких зарядов, к которым относится метод сближенных скважинных зарядов, располагаемых по прямой линии в количестве от 2 до 5 в группе (А.А.Ансабаев, Н.В.Бородин, С.К.Рубцов, Г.И.Толкушев и др.).

Применительно к отбойке руды в подземных условиях был предложен метод пучковых параллельно-сближенных скважинных зарядов (А.В.Будько, А.А.Блинов, Н.Г.Дубынин, А.А.Еременко, В.М.Закалинский, В.И.Машуков и др.), нашедший широкое применение на ряде рудников Горной Шории, Хакасии, Урала и Кривбасса. Достоинством этого метода является возможность замены сосредоточенных зарядов пучковыми сближенными.

Результаты исследований, посвященных вопросам формирования внутренней структуры развала горной массы при взрывных работах на карьерах, представлены в работах Е.Г.Баранова, И.А.Тангаева, В.А.Болдырева, А.В.Гальянова, Г.Г.Ломоносова, Б.Р.Ракишева. Выделяются два направления теоретического описания перемещения горной массы при взрыве скважинных зарядов: рассмотрение движения кусков горной массы с позиции баллистики и рассмотрение движения масс под действием сил. С помощью законов баллистики можно описать перемещение отдельного куска, перемещение же всей горной массы подчинено иным законам. Перспективным в данном случае является применение теории деформации для описания трансформации структуры добычного массива при взрыве.

Горные породы являются сложными твердыми телами, для которых характерен многокомпонентный состав. Действие взрыва в горных породах связано с наличием специфических особенностей: нестационарным распространением поля напряжений, отличием механических констант среды в статике и динамике, быстротечностью общего процесса, появлением в среде нарушений оплошности до окончательного завершения процесса. Переходя к рассмотрению задач динамики волн, распространяющихся в неоднородных средах, следует заметить, что они тесно связаны с теорией линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами и различными специфическими функциями.

Особенности распространения сейсмических волн в функции V=V(Z) 1968 г. изучались в работах Глазовского В.М., Цепелева Н. В., Барриман 3.Н., Бортфельда Р. и др., большинство из которых обобщено Л.М. Бреховских. Из теоретических исследований прохождения импульсов через слои следует отметить работы Петрашень Г.И., Епальского В.Н., Воронина Ю.А., Резниченко Ю.В., Чекина Б.С. и др., в которых обсуждаются вопросы постановки и решения задач по экранированию и способам построения теоретических сейсмограмм. Изменение фронта сейсмических волн плоскими, сферическими, цилиндрическими границами раздела рассмотрено в работах Булдырева В.С., Гельчинского Б. Я., Яворской И.И. и др.

Модельные исследования, позволяющие качественно изучать динамические характеристики сейсмических волн, производились на установке для трехмерного моделирования на твердо-жидких и жидких моделях и на установке для двухмерного моделирования на твердых моделях. В этой области следует отметить работы Ивакина Б. Н., Пархоменко И. С., Файзулина И.С., Епинатьевой В.М. и др. В результате анализа литературных источников и исследований на моделях дается обоснование физической модели выработки как полости с плоскими, цилиндрическими или сферическими границами раздела с акустической жесткостью, отличной от основного массива.

Таким образом, из обеспечения сейсмобезопасной технологии ведения взрывных работ вытекает следующий основной вывод:

Допустимые уровни колебаний оцениваются с расчетом того, чтобы регулярно повторяющиеся взрывы не вызывали в охраняемых объектах повреждений, требующих ремонта по техническим и эстетическим соображениям.

Вторая глава диссертации посвящена вопросам сейсмобезопасной технологии ведения взрывных работ на основе оценки негативного воздействия промышленных взрывов действующего горнодобывающего предприятия на его инфраструктуру под землей и на поверхности.

Рассмотрены известные общие закономерности взрывного процесса в горных породах. Когда потенциальная энергия ВВ за весьма короткий промежуток времени (около 3 мс) преобразуется в кинетическую, носителем которой являются газообразные продукты взрыва (ПВ), выполняющие при расширении полезную работу и возбуждающие в окружающей среде сейсмические и иные волны, вследствие ударной реакции ПВ о стенки зарядных камер в породе начинает распространяться волна возмущений. Непосредственно вблизи зарядов это может быть ударная волна, однако по многим оценкам радиус действия ударных волн при взрыве химических ВВ в твердой среде весьма мал: ударная волна быстро вырождается в упруго-пластическую волну сжатия с относительно пологим фронтом, большей длительностью и меньшей, чем в ударных волнах, скоростью распространения. Волна сжатия, распространяясь, вызывает в среде в зависимости от ее свойств хрупкое или пластическое разрушение. Радиус действия упруго-пластических волн в десятки раз превышает радиус заряда. В дальнейшем по мере снижения давления в процессе распространения этих волн они переходят в упругие, т. е. не вызывающие остаточных деформаций среды. Такие волны распространяются далее с постоянной скоростью, которая зависит от свойств среды, типа волны и т. д.

При взрывании вблизи открытых поверхностей волновая картина взрыва осложняется появлением волн, отраженных от таких поверхностей. Они создают в среде напряжения, обратные по знаку сравнительно с прямыми волнами. Поскольку горные породы имеют сопротивления растяжению значительно меньше, чем сжатию, отраженные волны могут вызывать разрушения на гораздо больших расстояниях от заряда, чем прямые.

При оценке действия взрыва в твердой среде вокруг заряда схематично выделяют различные зоны в зависимости от природы происходящих при этом основных процессов. Для скальных пород выделяют зоны вытеснения, дробления, трещинообразования и упругих деформаций.

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, (1)

где - относительное (в диаметрах заряда) расстояние от заряда до рассматриваемой точки; – 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.

От скорости смещения среды переходят к радиальному напряжению в волне по формуле

, (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

, (3)

где – 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.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.