Науково-дослідний інститут охорони праці

Міністерства праці та соціальної політики України

Мітюк Людмила Олексіївна

УДК 622.235.2

МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ПРУЖНИХ ХВИЛЬ

У ШАРУВАТИХ ГІРСЬКИХ ПОРОДАХ

ДЛЯ ОЦІНКИ СЕЙСМІЧНОЇ ДІЇ ВИБУХУ

05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному науково-дослідному інституті охорони праці Комітету по нагляду за охороною праці України Міністерства праці та соціальної політики України

Науковий керівник - | доктор технічних наук, професор Луговий Петро Захарович, Інститут механіки ім. С.П.Тимошенка НАН України, головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Бойко Віктор Вікторович, Інститут геофізики ім.Субботіна НАН України, начальник СКТБ;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кузьменко Анатолій Олександрович, Інститут гідромеханіки НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа - Криворізький технічний університет, м.Кривий Ріг.

Захист відбудеться " 23 " квітня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 в Національному науково-дослідному інституті охорони праці за адресою: 252060, м.Київ-60, вул.Вавілових,13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці.

Автореферат розісланий "19 " березня 1999 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент | Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як показав аналіз літературних джерел та досвід ведення підривних робіт, розрахунки сейсмічно безпечних відстаней, які характеризуються параметрами пружних хвиль, на практиці не завжди відповідають дійсності. На даний час розрахунки безпечних відстаней по сейсмічному ефекту виконують емпірично, що унеможливлює їх застосування для різних умов підривання, зокрема для більшості родовищ України (графіту, металевих руд, граніту), які являють собою шаруваті середовища. У зв’язку з цим постають питання про необхідність розроблення ефективних аналітичних методів визначення параметрів хвильових процесів, які б у повній мірі враховували складну картину взаємодії пружних хвиль на межі відокремлення шаруватих порід з різними акустичними жорсткостями для оперативного розрахунку сейсмічного ефекту.

Хвильові явища, які виникають у шаруватих масивах під час вибуху, викликають не тільки руйнування порід, але й пружні коливання масиву. Керування дією пружних хвиль у таких масивах можливе на основі дослідження трансформації їх на межі відокремлення середовищ з різними акустичними жорсткостями через урахування складної картини взаємодії пружних хвиль. Таким чином, з’являється можливість зменшити їх шкідливий вплив на об’єкти, які охороняються, а також визначати безпечні відстані по сейсмічному ефекту. З викладеного вище випливає, що складність процесу взаємодії породжених вибухами пружних хвиль з межами відокремлення шаруватих порід і відсутність ефективних чисельно-аналітичних методів розрахунку параметрів цього явища обумовлюють актуальність проведення наукових досліджень у даному напрямку.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконана автором згідно з Національною програмою поліпшення стану безпеки, гігієни праці та виробничого середовища на 1996-2000 роки, затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 2.11.96 р. № 1345, планами НДР Національного науково-дослідного інституту охорони праці, в яких автор приймав участь як виконавець робіт.

Мета роботи полягає в розробленні науково обгрунтованої методики оцінки сейсмічної дії вибуху на основі результатів моделювання розповсюдження пружних хвиль у шаруватих масивах.

Для досягнення цієї мети поставлені наступні задачі досліджень:

вибрати і обгрунтувати теоретичні моделі досліджуваних шаруватих середовищ та розробити методи розрахунку в них параметрів пружних хвиль;

з використанням розроблених методів дослідити трансформування хвиль напружень при їх відбитті та заломленні на поверхнях відокремлення порід;

розробити науково обгрунтовану методику розрахунку параметрів пружних хвиль у шаруватих породах з застосуванням ПЕОМ;

експериментально дослідити розповсюдження пружних хвиль у шаруватих середовищах з метою підтвердження достовірності та ефективності теоретичних розробок;

розробити способи керування хвильовим полем у шаруватих породах для прогнозування сейсмічної дії вибуху та перевірити їх ефективність у промислових умовах.

Наукова новизна результатів роботи:

розроблено метод дослідження розповсюдження пружних хвиль напружень у шаруватих середовищах;

розроблені алгоритм і програма, що дозволяє проводити математичне моделювання хвильових процесів на персональних комп’ютерах у широкому діапазоні зміни геометричних, фізико-механічних та амплітудних параметрів досліджуваних об’єктів і процесів;

удосконалена методика експериментальних досліджень розповсюдження вибухових хвиль у шаруватих середовищах;

вперше експериментально виявлено ефект хвильового резонансу при розповсюдженні вибухових хвиль у шаруватих середовищах.

Практичне значення одержаних результатів:

розроблена інженерна методика комп’ютерного моделювання процесів розповсюдження вибухових хвиль у пружних шаруватих середовищах;

розроблені засоби керування вибуховими хвилями в шаруватих породах з урахуванням маси та глибини розташування заряду у відповідному прошарку, що дозволяє прогнозувати сейсмічну дію вибуху;

запропонована науково обгрунтована методика розрахунку коефіцієнта гашення вибухових хвиль при екрануванні різними способами;

виявлений ефект хвильового резонансу пропонується враховувати при проведенні вибухів у шаруватих середовищах.

Отримані в дисертаційній роботі результати про закономірності розповсюдження вибухових хвиль напружень у шаруватих середовищах з неоднорідностями та розроблена методика розрахунку параметрів пружних хвиль застосовуються при опрацюванні рекомендацій по веденню підривних робіт з виконанням вимог сейсмобезпеки, а також в інших галузях, де використовується енергія вибуху.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці і чисельному розв’язанні задач про розповсюдження вибухових хвиль у шаруватих масивах, встановленні закономірностей трансформації вибухових хвиль при відбитті і заломленні на поверхнях відокремлення в шаруватих середовищах, розробці на основі отриманих результатів методів розрахунку параметрів хвиль напружень і способів зниження шкідливого впливу сейсмічного ефекту при підривних роботах.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень по темі дисертації частково і в повному обсязі доповідались і були схвалені на семінарах лабораторії безпеки технологічних процесів Національного науково-дослідного інституту охорони праці, на конференції “Проблеми гідрогеомеханіки в гірничій справі та будівництві” (8-10 жовтня 1996 р., м. Київ), на науково-технічній конференції “Основні напрямки забезпечення безпеки населення та стійкості функціонування господарства України при загрозі виникнення природних і техногенних катастроф” (10-12 грудня 1996 р., м. Київ), на ІІ міжнародній конференції “Високоенергетична обробка матеріалів” (20-21 листопада 1997 р., м. Дніпропетровськ) та на IV міжнародній науково-технічній конференції “Прикладні проблеми механіки рідини та газу” (29.09-3.10.1997 р., м. Севастополь).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 друкованих праць, а також отриманий патент на винахід.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновку і списку використаних джерел. Загальний об’єм дисертації складає 205 сторінок, в тому числі 43 рисунки, 30 таблиць, список літератури з 188 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведені актуальність тематики, мета, новизна, теоретичне значення і практична цінність дисертації. Сформульовані положення, що виносяться на захист. Коротко висвітлюється зміст роботи за розділами.

У першому розділі виконано аналіз сучасного стану теоретичних і експериментальних досліджень розповсюдження хвильових процесів у неоднорідних шаруватих середовищах і руйнуванню їх за допомогою енергії вибуху.

Теоріям руйнування та поширення хвиль у шаруватих середовищах присвячені наукові праці Є.Г.Баранова, В.В.Бойка, Л.М.Бреховських, О.Є.Власова, О.О.Вовка, В.Д.Воробйова, Г.П.Демидюка, М.Ф.Друкованого, Е.І.Єфремова, В.Г.Кравця, М.В.Кривцова, В.М.Кузнєцова, Б.М.Кутузова, Ф.І.Кучерявого, П.З.Лугового, І.А.Лучка, Г.М.Ляхова, М.В.Мельникова, Ю.С.Меца, А.В.Михалюка, В.М.Мосинця, Г.І.Покровського, В.В.Ржевського, В.М.Родіонова, К.Н.Ткачука, Є.І.Шемякіна, А.В.Arons, P.A.Heelan, C.M.Koith та інших дослідників.

З аналізу відомих теоретичних положень про складові і механізм руйнування шаруватих середовищ вибухом випливає, що навіть при наявності великої кількості математичних моделей середовищ і методів розв’язання задач геодинаміки на сьогоднішній день немає єдиного підходу до повного вивчення динаміки вибухових хвиль у шаруватих середовищах. З другого боку, з урахуванням накопиченого досвіду можна розробити нові досконаліші методи розв’язання задач щодо забезпечення сейсмічної і екологічної безпеки підривних робіт у шаруватих масивах.

Аналіз результатів сучасних експериментальних досліджень про руйнування неоднорідних масивів, а також особливостей розповсюдження вибухових хвиль через межі відокремлення середовищ дозволяє визначити актуальні та перспективні напрямки досліджень, а саме: вибір і обгрунтування моделей середовищ; моделювання розповсюдження і трансформації фронтів вибухових хвиль у шаруватих середовищах; подальші експериментальні та теоретичні дослідження питань взаємодії вибухових хвиль з перепонами і екранами різних конструкцій, які використовуються для захисту навколишнього середовища та зниження сейсмічного ефекту вибуху.

Виходячи з аналізу сучасного стану теоретичних і експериментальних досліджень розповсюдження вибухових хвиль у шаруватих середовищах, визначаються і обгрунтовуються мета та задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений питанням вибору механічних моделей динаміки шаруватих середовищ стосовно до задач розповсюдження вибухових хвиль у грунтах і гірських породах. Специфіка вивчення динамічних явищ, які характеризуються неоднорідністю гірських порід, короткочасністю високоінтенсивного початкового поля тиску, сконцентрованого в малій зоні, складним характером трансформації хвиль на поверхнях відокремлення порід з різними механічними властивостями, потребує використання найбільш простих механічних моделей, які зберігають основні властивості досліджуваних систем.

У зв’язку з цим для порід, здатних сприймати зусилля стиску-розтягу і зсуву, використовується модель пружного середовища, яка може бути описана системою скалярного і векторного рівнянь

де - відповідно швидкості розповсюдження хвиль стиску Р і зсуву S; - оператор Гамільтона; - відповідно скалярний і векторний потенціали; t – час; - відповідно скалярна і векторна функції, що описують масові сили.

У гірничій справі часто виникає необхідність у вивченні динаміки вибуху в середовищах з слабою опірністю зсувним деформаціям (глини, піски та ін.). Зважаючи на те, що розповсюдження хвиль у них у відомому наближенні носить акустичний характер, вони можуть моделюватися з тими ж припущеннями, що і в стисливих рідких середовищах. Тому для їх дослідження може бути використане тільки рівняння (1).

Для шаруватих порід рівняння розповсюдження хвиль доповнюється рівняннями контакту суміжних шарів, які визначають умови їх взаємодії в процесі падіння хвилі на поверхню відокремлення G і наступного відбиття від цієї поверхні, а також заломлення через неї в середовище суміжного шару.

Напрямки променів, вздовж яких розповсюджуються хвилі до і після взаємодії, визначаються за законом Снеліуса

де - кути розповсюдження Р- і S-хвиль; індекси 1 і 2 ідентифікують відповідно перше і друге середовища; знаками “-”, “+” позначені параметри хвиль до і після їх взаємодії на поверхні G.

Оскільки досліджувані хвилі приймаються ударними, для їх опису визначаються тільки значення напружень і швидкостей на їх фронті. Це дозволяє спростити задачу про взаємодію хвилі з поверхнею відокремлення і використати для їх аналізу умову збереження кількості руху взаємодіючих елементів до і після співудару за час (рис. 1).

Пружний елемент, розташований у виділеній ділянці на фронті падаючої хвилі прямокутного імпульсу довжиною , має кількість руху

.

В результаті взаємодії падаючої хвилі з межею G виникають відбиті P1+- і S1+-хвилі та заломлені Р2+- і S2+-хвилі, які приводять у рух різні елементи першого і другого середовищ. Кількість руху відповідних елементів у напрямку відбитих P1+- і S1+-хвиль складає

Елементи в напрямку заломлених Р2+- і S2+-хвиль мають кількість руху

(6)

Рис.1.Схема відбиття і проникнення падаючої Р-хвилі через

поверхню відокремлення

де - швидкість переміщення елемента уздовж променя; - швидкість переміщення елемента перпендикулярно напрямку променя; - базисні вектори; - щільності відповідних середовищ.

Використовуючи рівність , після проектування на осі Ох, Оу маємо перші два рівняння для визначення чотирьох невідомих . Другі два рівняння записуються з умови неперервності вектора швидкості на межі G.

За допомогою викладеного підходу побудовані рівняння взаємодії вибухових хвиль на межі відокремлення G для випадків косого падіння поздовжньої Р1-- і поперечної S1--хвиль.

Розглянуті різні комбінації послідовностей проходження хвиль, коли вони косо падають на площини G, які відокремлюють пружні середовища, пружне середовище і рідину (глина, пісок). Виконаний аналіз взаємодії хвиль з вільною (денною) поверхнею та поверхнею абсолютно твердого тіла.

Побудовані формули для розрахунку коефіцієнтів екранування для найбільш поширених у природі комбінацій розміщення порід.

У третьому розділі проведені теоретичні дослідження розповсюдження у шаруватих середовищах вибухових хвиль з криволінійними фронтами. Такі явища виникають, коли товщини шарів порівнянні з радіусами падаючих, відбитих і заломлених хвиль, тому фронти цих хвиль не можна вважати плоскими і для кожного моменту часу необхідно будувати поверхні цих фронтів і слідкувати за їх перебудовою. Оскільки в цих випадках найбільш цікавим з прикладної точки зору є визначення форм поверхонь цих фронтів і величини напружень, що переносяться хвилею на фронті, тому найбільш ефективним є застосування променевого методу в нульовому наближенні. За допомогою цього методу можна найбільш просто і наочно дослідити ефекти взаємодії вибухових хвиль на межах відокремлення порід з різними механічними властивостями. При цьому контур фронту визначається рівняннями ейконалу, які характеризують довжину шляху, пройденого хвилею вздовж променя, та рівняннями переносу.

Таким чином, для аналізу еволюції хвиль у межах прийнятого наближення необхідно тільки прослідкувати за перебудовою їх криволінійних фронтів на межах відокремлення. Для цього застосовується відомий принцип локальності, згідно з яким можна вважати будь-яку хвилю плоскою і приймати, що при відбитті-заломленні плоскої хвилі на межі відокремлення утворюються також локально плоскі хвилі, які можна будувати за допомогою методики, викладеної в другому розділі.

На основі викладеного підходу виконано теоретичне дослідження механічної дії ініційованих точковим вибухом сферичних хвиль у шаруватих масивах. З метою аналізу можливого сейсмічного впливу підземного вибуху на споруди і об’єкти, що розташовані на денній поверхні, виконано комп’ютерне моделювання взаємодії сферичного хвильового фронту з площиною відокремлення доломіту і пісковика, а потім з денною поверхнею. На рис. 2 наведена послідовність трансформування вихідної Р1--хвилі в результаті її відбиття і заломлення. Джерело вибуху позначено темною точкою, перерізи фронтів поздовжніх Р-хвиль зображені суцільними лініями, перерізи фронтів поперечних S-хвиль - пунктирними. Слід зазначити, якщо вихідна Р1-- і відбита від площини G Р1+-хвилі є сферичними, всі інші хвилі після взаємодії з площиною G і денною поверхнею (у = 0) втрачають сферичність форми, хоч і залишаються осесиметричними.

Для всіх типів хвиль знайдені також напруження на їх фронтах. Показано, що в результаті кожного акту взаємодії з межами відокрем-лення значення напружень помітно зменшуються.

Для зіставлення розгля-нуті також випадки розпов-сюдження сферичних хвиль в однорідних масивах доломіту та пісковику при наявності віль-них поверхонь. Виконане дос-лід-ження дозволило визна-чити найбільш небезпечне місце роз-ташування об’єктів на денній поверхні в залеж-ності від типу хвиль, до якого об’єкт найбільш сприйнят-ливий.

На прикладі механічної моделі системи (пружний масив - рідке середовище з вільною поверхнею) вивчено транс-фор-мацію хвиль на межі відок-ремлення граніту і глини, не здатної чинити опір зсувним деформаціям. Показана різниця механізму перебудови фронтів, яка в даному випадку викликана відсутністю (занадто малою інтенсивністю) зсувних S-хвиль у глині.

Досліджено ефект еволюції поля напружень у зонах так званих точок повного внутрішнього відбиття на поверхні відокремлення двох середовищ, які виникають під час проходження променя хвилі з середовища з меншою акустичною жорсткістю в середовище з більшою акустичною жорсткістю. При цьому в законі Снеліуса (3) деякі з рівностей втрачають смисл, оскільки для їх задовольнення значення вхідних функцій синуса повинні бути більшими одиниці. Така ситуація пов’язана з суттєвою зміною механізму взаємодії падаючої і заломленої хвиль, викликаною рівністю деяких компонентів швидкостей, що розповсюджуються уздовж межі відокремлення середовищ. Ці стани в механіці вважаються критичними, оскільки, як правило, супроводжуються нестійкими явищами. Для аналізу цього ефекту виконано комп’ютерне моделювання хвильових процесів при точковому вибуху в системі вода-органічне скло. За розробленою методикою знайдено точки повного внутрішнього відбиття на граничній поверхні та значення напружень на фронтах падаючої, відбитої і заломленої хвиль. Отримано, що при зближенні кореневих точок фронтів хвиль і точок повного внутрішнього відбиття напруження на фронті заломленої (що розповсюджується в органічному склі) поздовжньої хвилі значно зростають. Виявлений ефект може бути причиною місцевих руйнувань у шаруватих середовищах, на які діють вибухові хвилі.

У четвертому розділі наведені результати експериментального дослідження механічних ефектів під час вибуху в шаруватих середовищах. Особлива увага приділена вдосконаленню експериментальної методики реєстрації параметрів вибухових хвиль у рідині. У дослідах використовувався гідроелектророзрядний стенд, за допомогою якого можна генерувати хвилі, які мають крутий фронт (біля 10-7с) і характер спадання тиску за фронтом по експоненті. Постійна часу спадання тиску для цього стенду має діапазон 3.10-5 …6.10-5с.

Вибухові навантаження реєструвалися за допомогою датчиків тиску, чутливими елементами яких була п’єзокераміка типу ЦТС-19, що дозволяло реєструвати тиск на фронті ударної хвилі до 107Па і записувати за часом фронтальну частину хвилі починаючи від 2.10-6с. В експериментальних вимірюваннях використовувалися осцилографи С9-8 і С9-16, які мають достатньо високу частоту пропускання.

При дослідженні розповсюдження пружних хвиль у шаруватому середовищі (рідина-граніт-рідина) датчик 1 реєстрував параметри падаючої хвилі. Датчики 2, 3, 4, які реєстрували заломлену хвилю, закріплювалися на відстанях 0,07…0,30 м по перпендикуляру до центру зразка на межі відокремлення.

Досліджувалися зразки найбільш поширених в Україні гранітів з розмірами: 0,3х0,3х0,01 м; 0,6х0,3х0,02 м; 0,3х0,3х0,03 м і фізико-механічними властивостями: щільність =2670 кг/м3; модуль Юнга Е=50 ГПа ; коефіцієнт Пуассона =0,25. Обробка осцилограм проводилася за допомогою інтерфейсного обладнання, яке дозволило цифрові показники осцилографа С9-16 виводити на комп’ютер “Реntium 166” з подальшим використанням матзабезпечення “Матлаб”.

У ході експериментів було досліджено проходження хвилі через шар граніту. Визначався коефіцієнт гашення Кг, який являє собою відношення амплітуд максимальних тисків від вибуху в чистій воді до амплітуди хвилі, яка пройшла через граніт у точку розміщення 2-го датчика.

За допомогою методу найменших квадратів одержана кореляційна залежність Кг від товщини гранітних зразків. Дослідження зміни Кг в залежності від відстані заломлених через шар граніту ударних хвиль проведені для зразків товщиною 0,01 м.

Незначна розбіжність результатів теоретичних розрахунків і експериментальних даних (не більше 18%) вказує на достовірність теоретичних розрахунків і ефективність обчислювальної методики.

Моделювання багатошарових середовищ проводилося за допомогою двох гранітних зразків товщиною 0,01 м, між якими була щілина. Щілина заповнювалася водою, повітрям або двофазним середовищем (поліетиленова пузирчата плівка).

Особлива увага приділялася експериментальному визначенню кута повного внутрішнього відбиття, існування якого передбачене на основі теоретичних досліджень, які проведені в третьому розділі дисертації. Електровибух відбувався у воді, а за допомогою тензодатчиків на поверхні плити з органічного скла вимірювався стрибок деформацій, коли кут падіння фронту вибухової хвилі на плиту досягав критичного значення.

Результати експериментів наведені на рис. 3, де пунктирною лінією позначено розподіл максимальних стискуючих деформацій е1 для органічного скла в залежності від відстані до епіцентру електровибуху. Подібна залежність для максималь-них деформацій розтягу е2 позначена штрихпунктирною лінією. Для по-рівняння тут же наведені теоретичні результати розрахунку максимальних стискуючих деформацій е1 , які по-значено суцільною лінією. Макси-мальна де-формація поверхні органіч-ного скла зафіксована на відстані 0,23м від епіцентру електровибуху, що лише на 8% не збігається з теоретичними розрахунками. Середня розбіжність теоретичних і експериментальних даних по максимумах стискуючих деформацій не перевищує 25%. Таким чином, експериментальні дані якісно і кількісно підтверджують теоретичні висновки, отримані за допомогою променевої теорії, розвинутої в розділі 3.

У п’ятому розділі на основі теоретичних розробок, які виконані в роботі, досліджуються хвильові процеси в шаруватих масивах при демонтажі шахтних стволів, проведенні промислових вибухів в кар’єрах, а також екрануванні сейсмонебезпечних зон при масових вибухах. У ході викладення змісту досліджень підкреслюється їх актуальність і перспективність. Детально обгрунтовуються вибір розрахункових схем і застосування розроблених теоретичних методів для дослідження сейсмічних ефектів, які виникають під час проведення підривних робіт.

Верхня частина ствола шахти, яка руйнується вибухом, розташована в шарі глини товщиною 10…15 м; а нижня - в гранітному масиві. Оскільки руйнувалася лише верхня частина ствола шахти (6 м від денної поверхні), то сферичні заряди розташовувалися на відстані 1, 3 м та 6 м від даної поверхні. Інтенсивність джерел пружних коливань від вибухів визначалася умовою руйнування оболонки шахтного ствола. Таким чином, маємо задачу про вибух заряду в шарі, розташованому на пружному напівпросторі. Виконано детальний якісний та кількісний теоретичний аналіз хвильових явищ при математичному моделюванні вибухового демонтажу шахтних стволів у шаруватому масиві. Визначений характер сейсмоколивань точок денної поверхні в залежності від глибини закладання заряду в пружному шарі. Розподіл швидкостей у хвильових процесах від джерела вибуху, улаштованого в шарі глини, що лежить на півпросторі граніту, можна використати для складання проектів підривних робіт при демонтажі шахтних стволів у широкому діапазоні умов підривання, так як результати розрахунків співпадають з даними замірів, які проводились в аналогічних умовах СКТБ інституту геофізики НАН України.

За допомогою променевих методів проведене комп’ютерне моделювання сейсмоколивань при підривних роботах в гранітному кар’єрі для об’єктів, розташованих на денній поверхні шару глини, коли заряд закладається в промисловому масиві граніту. Показано, що в основному впливає на коливання денної поверхні межа відокремлення між глиною та шаром граніту, що розробляється. Побудовано форми фронтів хвиль, заломлених через межі відокремлення, встановлені зони на денній поверхні, в яких проходить руйнування глини. Використовуючи отримані теоретичні залежності гори-зонтальної і вертикальної складових швидкостей коливань точок денної поверхні від відстані до епіцентральної зони вибуху (рис.4) і критерії сейсмобезпеки, можна визначати розміри зон, в яких гарантується безпека промислових споруд.

Велика увага приділена дослідженню впливу екранів з різними фізико-механічними властивостями на характер розповсюдження вибухових хвиль. На базі запропонованого інженерного методу для оцінки трансформації плоскої хвилі на межі відокремлення виконано дослідження впливу екранування шаруватими неоднорідностями на механічний ефект вибуху. Наведені кількісні значення коефіцієнта гашення кг ударних хвиль для різних величин акустичної жорсткості гірської породи і екранованого шару. Вибухи проводились у вапнякових масивах. Аналіз теоретичних (кг=1,8) і відомих експериментальних даних (кг=2,3) показує, що експериментальні значення коефіцієнта гашення більші ніж теоретичні. Це пояснюється тим, що в розрахунках використовувалися пружні моделі середовищ без урахування розсіювання енергії. Тому визначені теоретично сейсмобезпечні зони будуть мати запас гарантії по відстані.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі викладено нове рішення актуальної науково- технічної задачі, що полягає у встановленні характерних особливостей розповсюдження, відбиття та заломлення пружних хвиль при вибухах у шаруватих породах і в розробці на основі цього ефективної методики оцінки сейсмічного ефекту вибуху, яка комплексно враховує параметри заряду, середовища та отримані закономірності.

Основні результати теоретичного і прикладного характеру полягають у наступному.

1. Розроблена і обгрунтована методика визначення параметрів пружних відбитих та заломлених хвиль при вибухах у шаруватих середовищах.

2. З використанням розробленої методики визначені параметри динамічної взаємодії вибухових хвиль на межах відокремлення різноманітних композицій шаруватих середовищ, доведена можливість кількісної оцінки ефекту розсіювання та екранування на шаруватих неоднорідностях.

3. Встановлено ефект зростання напружень на фронті хвилі в точках так званого кута повного внутрішнього відбиття, який вперше знайшов якісне та кількісне підтвердження при проведенні експериментальних досліджень.

4. З використанням рівнянь руху елементів пружних та рідких середовищ, а також умов динамічної взаємодії пружних хвиль на поверхнях відокремлення з різними механічними властивостями отримані формули для обчислення коефіцієнта гашення хвиль шаром породи з іншими механічними властивостями.

5. Удосконалена методика експериментального дослідження хвильових процесів у шаруватих середовищах шляхом використання п’єзокерамічних датчиків високої розрізнювальної здатності та інтерфейсного пристрою, що дозволило цифрові показники осцилографа виводити на монітор комп’ютера з наступним використанням матзабезпечення "Матлаб".

6. На основі вдосконаленої методики досліджені: трансформація вибухових хвиль у шаруватих породах, зокрема визначена залежність величини коефіцієнта гашення від товщини гранітного шару; коефіцієнт гашення при заповненні тріщини між двома гранітними зразками водою, водоповітряною сумішшю та повітрям, величина якого відповідно дорівнювала 35, 200 та 600.

7. Всебічний аналіз експериментальних результатів дослідження проходження вибухових хвиль через шаруваті середовища дозволив створити пристрій для ведення підривних робіт під водою, який надійно захищає навколишнє середовище від шкідливої дії вибуху. На пристрій отримано патент на винахід № 23773 А від 16.06.98 року.

8. Ефективність отриманих теоретичних результатів доведена задовільною збіжністю їх з експериментальними даними інших авторів, які проводили експерименти в промислових умовах гранітних кар’єрів і при демонтажі шахтних стволів пускових установок, що дозволяє рекомендувати розроблену методику моделювання розповсюдження пружних хвиль при веденні підривних робіт у шаруватих породах для оцінки сейсмічної дії вибуху.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

АНОТАЦІЯ

Мітюк Л.О. Моделювання розповсюдження пружних хвиль у шаруватих гірських породах для оцінки сейсмічної дії вибуху. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - фізичні процеси гірничого виробництва. - Національний науково-дослідний інститут охорони праці Міністерства праці та соціальної політики України, м. Київ, 1999.

Вибрані та обгрунтовані математичні моделі, що базуються на рівняннях теорій пружності та рідких середовищ відповідно для порід зі значним опором зсувним напруженням і за відсутності його.

З використанням стереомеханічної теорії удару отримані формули для розрахунку параметрів відбитих і заломлених хвиль від плоскої межі відокремлення порід і грунтів. Виконана кількісна оцінка ефекту екранування хвиль пружними шарами з різними механічними властивостями. Розглянуто дію плоскої ударної хвилі на нескінченно довге жорстке включення прямокутного перерізу. Розв’язана задача про трансформацію хвиль з криволінійними фронтами при товщині шарів, близької до радіусів кривизни хвиль.

Розроблена та апробована методика комп’ютерного моделювання хвильових процесів у широкому діапазоні зміни геометричних, фізико-механічних параметрів шарів порід і зарядів.

Експериментально досліджено проходження ударних хвиль через гранітні зразки різної товщини, між якими в щілинах була вода, пузирчата поліетиленова плівка, повітря. Отримана кореляційна залежність коефіціента гашення від товщини гранітних зразків. Створено пристрій для ведення підривних робіт під водою, на який отримано патент.

Ефективність теоретичних результатів доведена позитивним їх збігом з результатами експериментів автора та інших дослідників, що дозволяє рекомендувати розроблену методику моделювання розповсюдження пружних хвиль під час ведення підривних робіт у шаруватих гірських породах для оцінки сейсмічної дії вибуху.

Ключові слова: моделювання; хвилі вибухові; масиви шаруваті, пружні; екранування; ефект сейсмічний.

АННОТАЦИЯ

Митюк Л.А. Моделирование распространения упругих волн в слоистых горных породах для оценки сейсмического действия взрыва.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - физические процессы горного производства.- Национальный научно-исследовательский институт охраны труда Министерства труда и социальной политики Украины, г. Киев, 1999.

Для теоретического моделирования динамики слоистых горных пород выбраны и обоснованы математические модели, базирующиеся на уравнениях теорий упругости и жидких сред соответственно для пород со значительным сопротивлением сдвигающим напряжениям и при отсутствии его. На основе стереомеханической теории удара предложены упрощённые модели взаимодействия плоских ударных волн с плоскими границами раздела грунтов, горных пород, воды, позволяющие описывать локальную эволюцию волн на их фронтах.

С помощью предложенного упрощённого подхода получены формулы для вычисления интенсивности отражённых и преломлённых ударных волн после их взаимодействия с границей раздела наиболее распространённых грунтов и горных пород. Количественно оценён эффект экранирования ударных волн упругими слоями с отличающимися механическими свойствами. Построены соответствующие таблицы для коэффициентов интенсивности. Рассмотрено динамическое воздействие плоской ударной волны на бесконечно длинное жесткое включение прямоугольного сечения. Расчетные зависимости позволяют находить перемещения, скорости и напряжения в среде и на границе с включением.

Представляя уравнение движения упругой среды в векторной форме, а волновые потенциалы в виде лучевых рядов, умноженных на функцию Хевисайда, решена задача о трансформации волн с криволинейными фронтами,

возникающих при толщине слоёв, близких к радиусам кривизны волн.

Проведенные исследования позволили создать научно-обоснованную методику прогнозирования параметров упругих волн при ведении взрывных работ в слоистых горных породах. Разработанные алгоритмы и программы позволяют проводить моделирование на ЭВМ исследуемых волновых процессов в широком диапазоне изменений геометрических, физико-механических параметров слоёв пород и зарядов.

Работоспособность и эффективность разработанной методики доказана при исследовании взаимодействия сферической взрывной волны с плоскостью раздела доломит-песчаник и с дневной поверхностью. Определены наиболее опасные места расположения объектов на дневной поверхности в зависимости от типа поляризации волн и перемещений, к которым объект наиболее восприимчив. Выполнено также компьютерное моделирование взаимодействия волны с границей раздела слоя глины, лежащего на полупространстве из гранита. Изучен эффект эволюции напряжений в зоне так называемых точек полного внутреннего отражения на поверхности раздела упругих сред, возникающей при движении волны из среды с меньшей (вода) в среду с большей (оргстекло) акустической жесткостью. Установлено, что при сближении корневых точек фронтов волн и точек полного внутреннего отражения напряжения на фронте преломленной продольной волны возрастают.

Экспериментальные исследования распространения упругих волн в слоистых средах проводились с использованием современной аппаратуры для регистрации быстропротекающих процессов. Эксперименты проводились на специальном гидроэлектроразрядном стенде. Источником взрывных нагрузок служил пробой медной проволоки между двумя электродами высоковольтного кабеля. Параметры падающей, отражённой и преломлённой волн фиксировались датчиками давления с использованием осциллографов С9-8, С9-16. Моделями служили гранитные плиты различной толщины, щели между которыми заполнялись водой, пузырчатой полиэтиленовой плёнкой и воздухом.

Получена корреляционная зависимость коэффициента гашения (отношение максимальных давлений от взрыва в чистой воде к давлению прошедшей через гранитный экран волны в точку установки датчика) от толщины гранитных образцов при удовлетворительном совпадении экспериментальных и теоретических данных (различие не больше 18%). Выполнена проверка теоретически исследованного так называемого эффекта полного внутреннего отражения.

На основе анализа результатов экспериментов по изучению прохождения волн через многослойные среды с участием автора создано устройство для ведения взрывных работ под водой, на которое получен патент.

Разработанная автором методика моделирования распространения упругих волн в слоистых средах позволяет исследовать изменения во времени и пространстве полного вектора скорости сейсмических колебаний и каждой его компоненты в отдельности, что резко сокращает объём дорогостоящих сейсмических измерений. Эффективность теоретических результатов работы доказана также удовлетворительным совпадением их с данными ряда авторов, проводивших эксперименты в промышленных условиях гранитных карьеров и при демонтаже шахтных стволов пусковых установок, что позволяет рекомендовать данную методику для оценки сейсмического действия взрыва.

Ключевые слова: моделирование; волны взрывные; массивы слоистые, упругие; экранирование; эффект сейсмический.

ANNOTATION

Mityuk L. Modelling of distribution of springy waves in the laminated rocks for the evaluation of seismic action of blasting.- Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in technical sciences speciality 05.15.11. - physical processes in mining- The National Research Institute on Occupational Safety of Ministry of the labour and social politics of Ukraine, Kiev , 1999.

The mathematical models were selected and well-grounded. They base on the equations of the theory of an elasticity and liquid mediums concerning the rocks with considerable resistance for shifting stresses or without it.

With the help of stereomechanical theory of impact the formulas were obtained for account of parameters of waves that reflected and refracted from the flat boundaries of separated rocks and soils. The quantitative evaluation of the effect of reflection of waves which take place for springy stratums has carried out. The action of the flat impact wave on the infinitely long hard inclusion with slit of rectangular shape and different mechanical properties was examined. The problem concerning transformation of curvilinear fronts of the waves with thickness of stratums approximated to radius of the wave curvature was undid.

The procedure of computer modelling of wave processes in wide range of variation of geometric and physical- mechanical parameters of sphere-shaped stratums of rocks and soils was designed and approbated.

The passing of impact wave through the granite samples with different thickness and slits which were contained with water, bubble polietilen film or air, was explored theoretically.

The correlation dependence for factor of suppression and thickness of granite sample was obtained. The device for blasting under water was created and patented.

Effectiveness of theoretical results were proved by coincidence of results of author's experiments and experiments of other scientists. This allows to recommend such procedure of modelling of spreading springy waves during blast works in laminated rocks for evaluation of seismic effect of blasting.

Key words: modelling, explosive waves, laminated springy massifs, reflection, seismic effect.

Здобувач Мітюк Л.О.