УДК 622.235:550.340

НОМОГРАММА СВЯЗИ БАЛЛОВ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ СОТРЯСЕНИЙ И ИСПЫТЫВАЕМЫХ СТЕПЕНЕЙ РЕАКЦИЙ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ СО СКОРОСТЬЮ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ЗЕМЛЯТРЯСЕНИЯХ И ВЗРЫВАХ

Пергамент В.Х., Мельников И.Т., Пыталев И.А., Кравчук Т.С., Белан А.Р.

Сейсмические проявления естественных и техногенных событий (землетрясений и взрывов), оцениваются по баллам интенсивности сейсмических шкал, построенных по психологическому принципу Вебера-Фехнера [5,6,7,9,10]. Каждый шаг (ступень, балл интенсивности) таких шкал характеризуется двукратным увеличением соответствующих им параметров колебаний грунта - скорость V и ускорение а.

В международном варианте сейсмической шкалы (MSK-64), предложенной С.В. Медведевым, В. Шпонхойером и В. Карником на основе 12‑балльной сейсмической шкалы Института Физики Земли России и в последующих дополнениях и модернизации [4,5,8,9,10]. Использованы инструментальные оценки величин скоростей, ускорений и приведены оценки реакций разных объектов: людей (l), зданий (s), предметов (p), трубопроводов (t). Указана так же детализация разных объектов с указанием их числа в общей массе, испытывающих основную и приращенные степени реакции.

Применительно к взрывам, балл интенсивности может быть соотнесен, как с отмеченными степенями реакций основных классов и типов объектов, так и с величиной скорости колебаний грунта, при знании которой могут быть определены соответствующие реакции тех или иных объектов [7,9,10]. При этом величина скорости для взрывного источника определяется с учетом предложенного М.А. Садовским [3] двухпараметрического аргумента подобия ‑ эквивалентного приведенного расстояния взрыва Rэ, (м/кг^1/3), представляющим отношение расстояния r (м) до места взрыва к корню кубичному из энергии Q (кг) в тротиловом эквиваленте с параметром энергоёмкости взрывчатки Е_вв=1000 Ккал/кг ВВ взрывного источника эквивалентного мгновенному взрыву.

Вид зависимости скорости колебаний от этого аргумента отражается обобщенной зависимостью [1,2,5,6,7], где в качестве коэффициента пропорциональности используется сейсмический коэффициент грунтовых условий K_V (м/с), учитывающий упругие характеристики пород в месте взрыва и в основании охраняемых объектов. В отдельных диапазонах приведенного расстояния обобщенная зависимость скорости колебаний от этого аргумента отображается степенными приближениями с примерно постоянным показателем степени [1,2,6,7]. Для оперативных расчетов прогноза сейсмопроявлений при заданных параметрах колебаний и при решении обратной задачи (оценки величин баллов интенсивности по известным проявлениям) построена номограмма на параллельных выровненных шкалах (Рис.1).

Описание степенной реакции для основных объектов и номографированные соотношения приведены к прилагаемой к рисунку таблице. При этом для взрывного источника при прогнозе скорости колебаний используется обобщенная зависимость (1) из [1,2,6] и ее степенные приближения в различных диапазонах:

_-0,05

V = K_V·R_Э ^-
2,2·1Rэ≈ B·К_V·R_Э^-m , м/с; (1)

Rэ = r/Q ^1/3, м/кг ^{1
/ 3};

где В = 1,042, m = 2,25, для R_Э= 0,4-2,0, м/кг ^{1 / 3};B = 0,950, m = 2,00, для R_Э = 1,0-6,5, м / кг ^{1 / 3};B = 0,633, m = 1,75, для R_Э = 3,4-25,0, м / кг ^{1 / 3}; B = 0,514, m = 1,67, для R_Э = 5,3-40,0, м / кг ^{1 / 3};B = 0,300, m = 1,50, для R_Э = 14,0-64,0 м/кг ^{1 / 3};B = 0,150, m = 1,33, для R_Э = 64,0-350,0 м / кг ^{1 / 3}.

Сейсмический коэффициент грунтовых условий (K_V, м/с) может быть определен из сочетания упругих характеристик пород взрываемых и в основании объекта.

м/с (2)

где C_Р – скорость звука во взрываемых породах, м/с;

μ – коэффициент Пуассона взрываемых пород;

ɣ ‑ плотность взрываемых пород, т/м³;

C_Рн и γ_н– скорость звука объектов, м/с и плотность пород в основании охраняемых объектов, т/м³.

Практически при взрывах в скальных породах и породах в основании объектов (от скалы до наносов) типичные значения K_V находятся в диапазоне К_V = 4-10 м/с.

Ключ пользования номограммой показан на рисунке. Оси (I), (II) и (III) отображают связь приведенного расстояния R_э эквивалентного мгновенному взрыву ось (II), сейсмического коэффициента грунтовых условий K_V ось (I) со скоростью колебаний грунта V ось (III a); а на параллельной ей оси (III б), указанны баллы интенсивности, соответствующие уровню скорости ось (III a) ‑ слева на оси (III б) указаны баллы интенсивности при взрыве, а справа ‑ землетрясении. С использованием осей (III б, IV и V) устанавливаем связь балла интенсивности i (ось III б) и основной степени реакции (ось V), для различных типов объектов, указанных на осях слева и справа от оси (IV). Для каждого из типов объектов зданий (К_s = 4÷9 м/с), людей (К_l = 2,5÷4 м/с), предметов (К_р = 4÷7 м/с), трубопроводов (К_t = 6÷7,5 м/с) численные оценки (К_splt) каждого типа сносятся на ось (IV) и проведением прямой линии соединяющий балл интенсивности на шкале (III б), которому соответствует заданная (или ограничиваемая) скорость колебаний на шкале (III а), на шкале (V) находится основная степень реакции, которую испытывают многие (≈50%) объектов. Проведением прямой линии, соединяющей точки шкалы (V) и (VI), указывающей долю объектов, испытывающих приращение реакции, на оси (VII) находим приращенную степень реакции, испытанную некоторыми (20%), отдельными (10%) и единичными (≈2%) объектами на фоне реакции основной (ось V).

В случае, когда для заданных значений допустимой скорости колебаний грунта (или балла сотрясения) при известном сейсмическом грунтовом коэффициенте, определяются сейсмобезопасные условия взрывания, допустимое значение приведенных расстояний взрыва сосредоточенного заряда (R_э), и по известным значениям допустимой скорости колебаний (ось III а, напротив которой на оси III б указан реализуемый (допустимый) балл интенсивности проведением прямой линии через заданное значение допустимой скорости колебаний, ось III а) и сейсмического коэффициента грунтовых условий K_V (ось I), на оси (II) находится значение допустимого приведенного расстояния R_э, и по найденному значению R_э могут быть оценены допустимые либо мгновенные эквиваленты зарядов для заданного расстояния r:

, кг (3)

Например, для [V]=25 мм/с, (5-й балл интенсивности), при K_V=5 м/с на оси (II) определяется сейсмобезопасное значение [R_э]=15 м/кг^1/3.

После, по зависимости (4), определяются сейсмобезопасные расстояния (r_с) для известного эквивалента мгновенного заряда (Q_э):

[ , (4)

Пример исходных данных для работы с номограммой: сейсмический коэффициент грунтовых условий K_V=7,5 м/с, допустимый мгновенный эквивалент заряда Q=1000 кг, сейсмобезопасное расстояние r_с=250 м. Находим приведенное расстояние, оно равно [R_э]=25 м/кг^1/3, затем, используя номограмму, соединяем прямой шкалу (I) со шкалами (II и IIIа), тем самым находим скорость колебаний [V]=23 мм/с. Проведем прямую линию, соединяющей балл интенсивности на шкале (IIIб), получаем i=5 баллов интенсивности. Проведем линию на шкалу (IV), а затем на шкале (V) находится основная степень реакции, которую испытывают многие (≈50%) объектов, она равна d_l₍_spt)=2 (для людей), описание степенной реакции представлено в таблице.

Теперь узнаем долю объектов, испытывающих приращение реакции. Для этого соединяем точки шкалы (V) и (VI), а на шкале (VII) получают балл интенсивности, соответствующий приращенной реакции, испытанной некоторыми (20%), d_z=2,5, отдельными (10%), d_z=3 и единичными (≈2%), d_z=3,5(для людей, аналогично для других объектов) на фоне основной реакции.

Выводы

1. Представленные соотношения обеспечивают достаточно точный прогноз величин скоростей колебаний и позволяют выбирать сейсмически безопасные условия производства взрывов в различных условиях. С учётом упругих характеристик пород, технологических особенностей взрыва, типов охраняемых объектов и допустимых для них уровней сотрясений (баллов интенсивности по сейсмическим шкалам или величинам допустимых скоростей колебаний грунта), определяющих выбор допустимого приведённого расстояния, используемого при расчётах безопасности взрывов.

2. Использование номограммы позволяет оперативно корректировать параметры БВР на горных предприятиях по условиям сейсмобезопасности близко расположенных зданий и сооружений.

3. Разработанная номограмма позволяет производить оценку мощности природных сейсмопроявлений при землятрясениях по степени реакции подземных и наземных зданий различных типов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пергамент В.Х., Медведев С.В., Богацкий В.Ф. Прогноз скоростей сейсмических колебаний при взрывах // Сб. научн. тр. Сейсмобезопасное взрывание на горных предприятиях, вып. 151. Магнитогорск: МГМИ, 1975. С.3-22.

2. Богацкий В.Ф., Пергамент В.Х. Сейсмическая безопасность при взрывных работах. Сер. Безопасность буровзрывных работ, М.: Недра, 1978. 128 с.

3.Садовский М.А. Оценка сейсмически опасных зон при взрывах // Тр. Сейсмологического института АН СССР, вып. 106. М.: Изд-во АН СССР, 1947. 64 с.

4. Медведев С.В. Сейсмика горных взрывов. М.: Недра, 1964. 188 с.

5. Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической интенсивности / Под ред. А.Г. Назарова и Н.В. Шебалина. М.: Наука, 1975. 280 с.

6. Пергамент В.Х., Атлас А.Б., Мельников И.Т., Сураев В.С. Автоматизированный расчёт безопасных условий сейсмики взрывов. Магнитогорск: МГМИ, 1993. 64 с.

7. Пергамент В. Х., Калмыков В.Н., Гитерман Е.Н. Прогнозные оценки скоростей колебаний и их сопоставление с результатами измерений при экспериментальном взрыве. //Материалы Международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук», т. 1. Геомеханика. Новосибирск: 2002. С. 246-252.

8. Ершов И.А., Шебалин Н.В. Проблема конструкции шкалы интенсивности землетрясений с позиций сейсмологов. // Прогноз сейсмических воздействий. Вопросы инженерной сейсмологии. Вып. 25. М.: Наука, 1984. С. 78-95.

9. Медведев С.В., Нерсесов И.Л., Ершов Н.А. Использование скорости колебаний грунта для определения интенсивности землетрясений // Вопросы инженерной сейсмологии. М.: Недра, 1974. Вып. 16 с.118-127.

10. Аптикаев Ф.Ф. Сейсмические колебания при землетрясениях и взрывах. М.: Недра, 1978, 104с.

Сведения об авторах

Мельников Иван Тимофеевич – канд. техн. наук, доцент кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, Тел: 8(3519)298466. E-mail: Starmell@mail.ru;

Пыталев Иван Алексеевич – канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: vehicle@list.ru.

Пергамент Владимир Хаймович - старший научный сотрудник “Лаборатории сейсмики и звукометричеcких методов исследования взрывных работ” Института горных технологий и транспорта Магнитогорского государственного технического университета (МГТУ) им. Г.И. Носова, проспект Ленина 38, Тел: 8(3519)298466.

Кравчук Татьяна Сергеевна - канд. техн. наук, доцент кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, Тел: 8(3519)298556.

Белан Алексей Романович - аспирант кафедры открытой разработки месторождений полезных ископаемых ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, проспект Ленина 38, Тел: 8(3519) 298 466. E-mail: lexa13@list.ru.

Data on authors

Melnikov Ivan Timofeyevich – а Cand. Tech. Sci., the senior lecturer of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Phone: (3519)298556. E-mail: Starmell@mail.ru;

Pytalev Ivan Alekseevich – a Cand. Tech. Sci., the senior teacher of chair of open-cast mining of mineral deposits of Federal State budget institution of higher education «Magnitogorsk State Technical University named G.I. Nosov». E-mail: vehicle@list.ru

Pergament Vladimir Haymovich  Senior Researcher, "Laboratory and seismic methods zvukometricheckih blasting" of the Institute of mining technologies and transport of the Magnitogorsk State Technology University (MSTU), 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Phone: (3519)298556.

Kravchuk Tatyana Sergeevna a Cand. Tech. Sci., the senior teacher of chair of open-cast mining of mineral deposits of Federal State budget institution of higher education «Magnitogorsk State Technical University named G.I. Nosov».

Belan Aleksey Romanovich – а post-graduate of the department of open mining of deposits of minerals of the FSEI HPE «Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov», 455000, Magnitogorsk, Lenin's 38 prospectus, Tel: (3519) 298 466. E-mail: lexa13@list.ru.