УДК 622.235: 622.271

О.П. Стрілець – гірничий інженер, директор Центру з проблем підривних робіт
Державний ВНЗ «Національний гірничий університет»

МОНІТОРИНГ СЕЙСМІЧНИХ КОЛИВАНЬ ҐРУНТУ ТА РОЗРОБКА АНТИСЕЙСМІЧНИХ ЗАХОДІВ  ПРИ ПРОВЕДЕННІ МАСОВИХ ВИБУХІВ НА ГРАНІТНИХ КАР’ЄРАХ УКРАЇНИ

Розглянуто сучасний стан питання та наведено результати досліджень. Розроблено антисейсмічні заходи щодо збереження житлових будівель та споруд, які знаходяться в межах санітарно-захисної зони кар’єрів. Зроблено висновок та визначено напрямок подальших досліджень.

Актуальність теми. Одним з основних виробничих процесів при розробці скельних корисних копалин є буропідривні роботи. Ефективність та безпека виконання буропідривних робіт має дуже важливе значення, особливо на гранітних кар’єрах, які знаходяться в густонаселених районах. Як показує практика, лише 15÷25% загальної енергії вибуху використовується для подрібнення скельних гірських порід до необхідного фракційного складу, інша,  значна частина цієї енергії створює сейсмічні коливання та ударно-повітряну хвилю, що призводить до ушкодження житлових будівель та споруд розташованих у безпосередній близькості до кар’єру.

Існуюча методика визначення сейсмобезпечних параметрів вибухів і відстаней [1] не дає об’єктивної картини, оскільки не враховує багатьох факторів. Серед них такі важливі, як структура масиву, що підривається, особливості гірських порід на шляху розповсюдження сейсмічних хвиль, конструкції свердловинних зарядів і спосіб їх ініціювання та ін. Це призводить до невиправданого заниження об’ємів масових вибухів або значному віддаленню об’єктів, що проектуються і навіть переносу існуючих об’єктів за межі сейсмонебезпечної зони. В деяких випадках ставиться питання навіть про закриття гірничодобувних підприємств.

Особливо важливе значення питання сейсмобезпеки стоїть перед багаточисельними кар’єрами скельних нерудних корисних копалин, які як правило, розміщуються в густонаселених районах.

Моніторинг сейсмічних коливань дозволить визначити фактичні та встановити допустимі коливань ґрунту в основі фундаментів житлових будівель та споруд. Результати моніторингу дозволять розробити оптимальні параметри буропідривних робіт та антисейсмічні заходи для збереження будівель та споруд.

Аналіз досліджень і публікацій. Дослідженнями Садовського М.О., Шемякіна Є.І., Єфремова Е.І., Баранова Є.Г., Кучерявого Ф.І., Мосинця В.М., Ханукаєва О.Н., Цейтліна Я.І., Пергамента В.Х., Швеця В.Ю. та ін. встановлено природу і закони розповсюдження сейсмічних хвиль при проведенні вибухових робіт в різних породах. Разом з тим значна кількість факторів, що  впливають на розповсюдження сейсмічних хвиль не дають змоги навіть сьогодні розробити універсальну залежність, здатну достатньо точно прогнозувати сейсмічну небезпеку промислових вибухів.

Різними авторами розроблено багато способів зниження сейсмічного ефекту вибуху, однак вони не враховуються в методиці визначення сейсмобезпечних параметрів вибухів і відстаней [1] результаті точність прогнозу значно знижується. Також методика [1] не передбачає зв’язок сейсмоефекту вибуху з якістю вибухового подрібнення гірських порід. Разом з тим, багаторічні дослідження показують, що зниження сейсмоефекту є наслідком перерозподілу вибухової енергії на корисну форму роботи. Одна з причин такого перерозподілу є підвищення часу вибухового навантаження скального масиву з одночасним зниженням початкового імпульсу вибуху в свердловині, в результаті чого складаються умови досягнення критичного стану стійкості гірських порід при більш низьких навантаженнях [2, 3].

Ціль та задачі досліджень. На основі експериментальних досліджень сейсмічних коливань ґрунту в основі фундаментів житлових будівель та споруд встановити реальний об’єднувальний коефіцієнт (К), який залежить від умов проведення вибуху та поширення сейсмічних вибухових хвиль [1] для конкретних гірничо-геологічних та технологічних умов гірничодобувних підприємств і розробити антисейсмічні заходи для збереження житлових будівель та споруд. 

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити наступні задачі:
- дослідити сейсмічну та подрібнюючу дію вибуху свердловинних зарядів при перерозподілі енергії вибуху шляхом зміни напрямку детонації, діаметра свердловини і конструкції свердловинного заряду;
- дослідити інтенсивність сейсмічних коливань ґрунту в основі фундаментів житлових будівель та споруд в залежності від місця їх розташування відносно блоку, що висаджується та схеми ініціювання свердловинних зарядів.

Матеріали та результати досліджень. В зв’язку з тим, що сейсмічна дія вибуху в скельному масиві є багатофакторним процесом, і його достовірно аналітично описати неможливо, поставлені задачі вирішувалися експериментальним шляхом.

Експериментальні дослідження виконувалися згідно з ДСТУ 7116:2009 «Вибухи промислові. Метод визначення фактичної сейсмічної стійкості будинків та споруд» [4] та ДСТУ 7117:2009 «Вибухи промислові. Метод визначення тиску на фронті ударної повітряної хвилі та границі безпечної зони» [5].

Для реєстрації сейсмоколивань та тиску на фронті ударної повітряної хвилі використовувалися (рис.1):
- сейсмостанція ZET 048-E з трьохкомпонентним акселерометром ВС 1313 та приймачем для синхронізації з ГОНАСС/GPS і ноутбуком з програмним забезпеченням ZETLab Seismo;
- цифровий сейсмографа BlastMate III з мікрофоном та двома трьохосьовими геофонами і ноутбуком з програмним забезпеченням BlastWаre.

Рис. 1 Обладнання для реєстрації сейсмоколивань та тиску на фронті ударної повітряної : 1 - сейсмостанція ZET 048-E; 2 - сейсмографа BlastMate III

Обробка результатів проводилась з використанням програмного забезпечення ZETLab Seismo та BlastWаre додатково застосовувалися програми:
- моніторинг та діагностика будівель і споруд відповідно до ГОСТ 53778-2010 "Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния";
- система моніторингу будівель і споруд та навколишнього середовища для визначення періоду і логарифмічного декремента основного тону власних коливань відповідно до ГОСТ Р 54859-2011 "Здания и сооружения. Определение параметров основного тона собственных колебаний" и определения параметров сейсмических воздействий по ГОСТ Р 53166-2008 "Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Землетрясения".

Згідно з ДСТУ 4704: 2008 «Проведення промислових вибухів. Норми сейсмічної безпеки» [1] нами були встановлені допустимі норми швидкості сейсмічних коливань для житлових будинків та споруд, які найбільш наближених до кар’єрів ТОВ «Юнашківський гранкар’єр», ПрАТ УМР «Гідроенергобуд», ПрАТ «БЛАСТКО», ПАТ «ЗАПОРІЖНЕРУДПРОМ», ПАТ «Запорізьке кар’єроуправління», ВАТ «Первомайський кар’єр «Граніт», ПАТ ККУ “Кварц», ВАТ «Микитівський гранітний кар’єр», ТОВ «Вирівський  кар’єр граніт» та ін. Майже всі будівлі та споруди, які підлягали збереженню можна було віднести до IV класу та 4 категорії будівель та споруд [1]. Конструктивні особливості і стан цих будинків відповідає вимогам – глинобитні, цегляні і великоблокові будівлі житлового призначення (в тому числі будівлі, які мають термін експлуатації більше ніж 50 років, але придатні до експлуатації) і мають ознаки деформацій у вигляді тріщин в несучих стінах та фундаментах. Відповідно до шкали інтенсивності сейсмічних коливань під час вибухів [1] допустима швидкість коливань ґрунту для таких будівель не може перевищувати 0,4 см/с, що є верхньою межею рівня 2 балів або нижньою межею рівня 3 балів. Такі коливання відчувають деякі люди або ті, кому відомо про проведення вибуху та не становлять загрози житловим будівлям, що знаходяться в задовільному стані [1, 6]. Недопустимими є сейсмічні коливання зі швидкістю понад 1,5 см/с, які становить більше 5 балів. Такі коливання відчувають багато людей, спричиняють деренчання скла, опадання побілки та пошкодження старих і ветхих будівель.

Результати реєстрації сейсмічних коливань в основі фундаментів житлових будівель та споруд показали перевищення допустимих значень в 1,5÷3 рази, що підтвердило об’єктивні нарікання мешканців цих будівель.

На всіх наведених вище кар’єрах застосовувалися заряди вибухових речовин  україніт-ПП-2Б, анемікс, граммоніт-79/21, ігданіт та утилізовані вибухові речовини такі, як піроксиліновий порох, ТГФА,  ДКРП в свердловинах з діаметром від 105 мм до 250 мм. Ініціювання свердловинних зарядів виконувалося детонуючим шнуром або неелектричними системами ініціювання.

На основі експериментальних досліджень сейсмічних коливань для кожного конкретного випадку, з урахуванням періодів коливань ґрунту і власних коливань будівель та споруд [2] було встановлено допустиму швидкість коливань ґрунту в основі фундаментів житлових будівель та споруд. Аналізуючи сейсмограми швидкості коливань ґрунту, фактичну масу вибухових речовин в свердловинах і схеми їх ініціювання для кожного окремого випадку в залежності від конкретних гірничо-геологічних умов залягання гірських порід, тріщинуватості та технологічних потреб гірничодобувних підприємств встановлено реальний об’єднувальний коефіцієнт (К), який залежить від умов проведення вибуху та поширення сейсмічних вибухових хвиль [1]. Це дозволило скласти карти районування кар’єрів та прилеглих територій по сейсмобезпеці вибухів та розробити антисейсмічні заходи для збереження житлових будівель та споруд наближених до кар’єру. 

В результаті впровадження розроблених антисейсмічних заходів на кар’єрах та дотримання «Рекомендацій щодо сейсмобезпеки масових вибухів для прилеглих до кар’єру промислових та громадських будівель і споруд» зменшено сейсмічні коливання ґрунту до допустимого рівня і покращено якість вибухових робіт. Так при проведенні вибухових робіт на кар’єрі ТОВ «Юнашківський гранкар’єр» (рис. 2) отримані результати контрольних вимірювань (рис.3) показали, що загальна тривалість процесу сейсмічних коливань становила 1,6 с, при цьому результативна швидкість зміщення ґрунту у пункті вимірювань протягом цього періоду не перевищувала допустиму норму 0,4 см/с при частоті 24÷42 Гц. Такі коливання відповідають 2 балам за шкалою інтенсивності сейсмічних коливань під час вибухів [1]. Зазначені коливання реєструються приладами, відчувають деякі люди, або ті кому відомо про проведення вибуху.

Рис. 2 ТОВ «Юнашківський гранкар’єр» і житлові будівлі та споруди с. Юнашки.

Рис. 3 Сейсмограма швидкості сейсмічних коливань ґрунту поблизу житлових будівель с. Юнашки (широта –   49°29'43.8099"N, довгота - 29°24'58.9199"E) при проведенні масового вибуху на кар’єрі ТОВ «Юнашківський гранкар’єр».

Висновок. Зареєстровані коливання не перевищують допустиму норму та мають високочастотний характер. Відповідно до ДСТУ 4704:2008 такі коливання не становлять загрози будівлям, що знаходяться в задовільному стані [2, 3, 4]. Даний масовий вибух не становить загрози житловим будівлям с. Юнашки. Загальна маса вибухових речовин на блок не обмежується, однак маса вибухових речовин на ступінь уповільнення для наступних вибухів має складати не більше 150 кг. З віддаленням від села ця маса може бути збільшена. Комутацію та ініціювання свердловинних зарядів слід проводити таким чином, щоб об’єкти, які охороняються знаходилися на фланзі блоку, а детонація свердловинних зарядів проходила зі сторони об’єкта. Це дозволить розподілити інтенсивність сейсмічних коливань та зменшити їх вплив на житлові будівлі та споруди с. Юнашки.

Напрямок подальших досліджень. При зміні параметрів сітки свердловин, конструкції свердловинного заряду, вибухової речовини та умов підривання, а саме розкриття нового горизонту та наближення вибухових робіт до житлових будівель «Рекомендації щодо сейсмобезпеки масових вибухів …» необхідно уточнювати, оскільки змінюється об’єднувальний коефіцієнт (К), а це тягне за собою необхідність зміни допустимої маси вибухових речовин на ступінь уповільнення. Для цього необхідно виконати контрольні вимірювання швидкості та частоти сейсмічних коливань при проведенні масових вибухів з наданням оперативних висновків, рекомендацій та уточнень щодо наступних масових вибухів в залежності від умов їх проведення.

Література

1 ДСТУ 4704:2008 «Проведення промислових вибухів. Норми сейсмічної безпеки». –Київ.: Держспоживстандарт України, 2009.– 11 с..
2 Швец В.Ю. Разработка технологии сейсмобезопасного взрывания скважинными зарядами на карьерах с учетом перераспределения энергии взрыва на дробление и сейсмоэффект: Дис. ... канд. техн. наук / Днепропетровск. - 1988. - 141 с.
3 Гуменик І.Л., Стрілець О.П., Швець В.Ю. Визначення оптимальних параметрів сейсмобезпечного виконання  буропідривних  робіт  на  Піщанському родовищі  мігматитів і  гранітів. / «Сучасні  ресурсое-нергозберігаючі  технології  гірничого  виробництва».  –  Науково-виробничий  журнал:  Кремен-чуцький  національний  університет  імені  Михайла  Остроградського.  –  Кременчук:  КрНУ,  2012.  – Випуск  2(10).  –  с.  112-119.
4 ДСТУ 7116:2009 «Вибухи промислові. Методи визначення фактичної сейсмічної стійкості будинків і споруд». – Київ.: Держспоживстандарт України, 2010.– 6 с.
5 ДСТУ 7116:2009 «Вибухи промислові. Методи визначення тиску на фронті ударної повітряної хвилі та границі безпечної зони». – Київ.: Держспоживстандарт України, 2010.– 9 с.
6 ДБН В.1.1-12:2014 «Будівництво у сейсмічних районах України» – Київ.: Міністерство регіонального розвитку будівництва та житлово-комунального господарства України, 2014. – 110 с.