ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБВОДНЁННОСТИ ГОРНОГО МАССИВА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРОВЗРЫВНЫХ РАБОТ И СЕЙСМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВОВ

АННОТАЦИЯ

В статье исследуется влияние обводнённости горного массива на эффективность буровзрывных работ и параметры сейсмического воздействия при взрывах в карьерах. Показано, что присутствие воды в скважинах и породном массиве существенно изменяет условия детонации, снижает коэффициент использования энергии взрыва и усиливает сейсмические колебания. Проанализированы основные механизмы потерь энергии взрыва в водонасыщенной среде, включая демпфирование ударной волны, ослабление контакта «заряд–порода» и вымывание компонентов взрывчатых веществ. Представлены аналитические зависимости, описывающие снижение эффективной энергии взрыва и затухание сейсмических волн в обводнённых массивах. Проведён сравнительный анализ характеристик различных типов взрывчатых веществ при зарядке сухих и обводнённых скважин. Обоснована необходимость применения водостойких взрывчатых веществ, герметизации зарядов и корректировки параметров буровзрывных работ с целью повышения эффективности разрушения и снижения сейсмического воздействия. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и оптимизации буровзрывных работ в условиях повышенной обводнённости горных массивов.

ABSTRACT

The article investigates the influence of rock mass water saturation on the efficiency of drilling and blasting operations and on the parameters of seismic impact during quarry blasting. It is shown that the presence of water in boreholes and within the rock mass significantly alters detonation conditions, reduces the coefficient of explosive energy utilization, and intensifies seismic vibrations. The main mechanisms of explosive energy loss in a water-saturated medium are analyzed, including shock-wave damping, weakening of the “charge–rock” contact, and leaching of explosive components. Analytical relationships describing the reduction in effective explosive energy and the attenuation of seismic waves in water-saturated rock masses are presented. A comparative analysis of the performance characteristics of various types of explosives when loaded into dry and water-filled boreholes is carried out. The necessity of using water-resistant explosives, charge sealing, and adjustment of drilling and blasting parameters to improve fragmentation efficiency and reduce seismic impact is substantiated. The obtained results can be applied in the design and optimization of drilling and blasting operations under conditions of increased rock mass water saturation.

Ключевые слова: буровзрывные работы; обводнённый массив; взрывчатые вещества; энергия взрыва; сейсмическое воздействие; водонасыщенные породы.

Keywords: drilling and blasting operations; water-saturated rock mass; explosives; explosive energy; seismic impact; water-bearing rocks.

Введение

В традиционных условиях (проведение буровзрывных работ в сухом, ненасыщенном водой и геологически стабильном массиве без особых осложняющих факторов) эффективность ведения БВР зависит от свойств и плотности породы, типа и массы используемого ВВ, геометрии и схемы зарядки скважин, способа инициирования и интервалов замедления, соблюдения проектных параметров бурения, а также расстояний между скважинами и рядами [1, 2].

Эффективность буровзрывных работ в сухом, геомеханически стабильном массиве определяется совокупным влиянием проектных, технологических и геологических факторов. Их систематизация представлена в табл. 1 и отражает основные параметры, формирующие условия взрывного разрушения. Комплексный учёт указанных факторов позволяет обеспечить требуемое качество дробления горных пород при одновременном снижении сейсмического воздействия и техногенных рисков [3].

Таблица 1.

Факторы эффективности буровзрывных работ (традиционные условия)

Эффективность БВР при взрывании в сухом, геомеханически стабильном массиве без влияния подземных вод и геодинамических осложнений, зависит от совокупности проектных, технических и геологических параметров. Ключевыми факторами, определяющими полноту разрушения массива, качество кусковатости горных пород, минимизацию сейсмических и экологических последствий, являются [4]:

– геолого-физические свойства массива (плотность, прочность, трещиноватость и однородность пород определяют необходимую массу заряда, скорость распространения ударной волны и форму зоны разрушения, а коэффициент крепости горных пород по шкале М.М. Протодьяконова (f) используется при расчёте удельного расхода ВВ);

– характеристики ВВ (энергетическая мощность, скорость детонации, газообразующая способность, чувствительность к инициированию и условиям окружающей среды; подбор ВВ осуществляется в зависимости от типа породы и требований к кусковатости и сейсмической безопасности);

– параметры бурения и зарядки (диаметр, глубина и сетка скважин формируют зону разрушения и определяют допустимую массу заряда, а конструкция и длина заряда существенно влияют на коэффициент использования энергии взрыва);

– схема размещения скважин и рядов (неправильное размещение ведёт к зональным «недовзрывам» или повторному дроблению, ухудшающему качество выемки);

– система инициирования и интервалы замедления (выбор системы взрывания и интервалов замедления влияет на эффективность разрушения, направление выброса и снижение сейсмической нагрузки);

– соблюдение проектных параметров (отклонения от проектной глубины, траектории бурения или схемы зарядки ведут к ухудшению качества дробления, увеличению негабаритов и нарушению устойчивости откосов).

Таким образом, эффективность БВР в традиционных условиях достигается при комплексном учёте физических характеристик массива, правильном подборе ВВ и точном соблюдении проектных параметров бурения и взрывания. Нарушение любого из указанных факторов ведёт к ухудшению технико-экономических показателей горных работ и может привести к техногенным рискам.

В современных условиях добычи полезных ископаемых, когда глубина карьера увеличивается, горные массивы всё чаще характеризуются высокой степенью обводнённости, что связано с проникновением в зону ведения работ подземных и поверхностных вод, пересечением водоносных горизонтов при проходке, увеличением глубины карьера и приближением к уровню грунтовых вод, а также геологическими трещинами и зонами повышенной фильтрации [5].

Известно, что наличие воды в горном массиве вызывает значительное изменение условий взрывного разрушения горных пород. Вода, как физико-химическая среда, снижает чувствительность многих видов ВВ к детонации, поглощает и рассеивает часть энергии взрыва, нарушает равномерность распространения ударной волны и способствует смещению заряда [6]. Кроме того, наблюдаются увеличение вероятности гидроударов и выбросов водяных струй, вымывание компонентов ВВ из скважины при нарушении герметичности, ослабление контактной зоны «заряд-порода», что снижает эффективность разрушения, увеличение амплитуды и дальности действия сейсмической волны и ускоренное формирование вторичной трещиноватости, нарушающей устойчивость откосов карьера.

Таким образом, выполнение БВР в обводнённых условиях требует комплексной корректировки традиционных подходов, включая адаптацию проектных параметров бурения, применение водостойких ВВ (эмульсионных, суспензионных, патронированных), разработку схем предзарядной тампонажной защиты, прогноз сейсмического воздействия с учётом насыщенности массива и моделирование фильтрационного и напряжённого состояния массива с применением современных геомеханических пакетов программ.

Материалы и методы исследования

В работе [7] установлено, что чем выше коэффициент потерь энергии из-за взаимодействия заряда с водой 𝛼_𝑤 (доля энергии, теряемая из-за снижения чувствительности ВВ к детонации, рассасывания ударной волны водой, вымывания компонентов заряда, ослабления контакта «заряд–порода» и искажения фронта детонации), тем больше потерь энергии, связанных с присутствием воды в скважине, т.е.

,                                                         (1)

где    𝐸_эфф – эффективная энергия взрыва, т.е. количество энергии, фактически использованной на разрушение массива горных пород, Дж; 𝐸₀ – полная энергия взрыва без учёта потерь, т.е. теоретически возможная энергия, высвобождаемая при полном детонировании ВВ в идеальных условиях, Дж; 𝛼_𝑤 – коэффициент потерь энергии из-за взаимодействия заряда с водой (𝛼_𝑤– безразмерная величина, 0<𝛼_𝑤<1).

В идеальных сухих условиях 𝛼_𝑤→0, тогда 𝐸_эфф→𝐸₀. В сильно обводнённых условиях 𝛼_𝑤→0,4-0,5, и эффективность использования энергии резко снижается.

Результаты и обсуждения

Обводнённость оказывает негативное влияние практически на все ключевые параметры БВР, что требует пересмотра технологии, подбора специальных водостойких ВВ, усиления герметизации скважин и применения геомеханического моделирования перед взрывом. В табл. 2 приведено влияние обводнённости скважин на параметры взрывных работ [8].

Таблица 2.

Влияние обводнённости скважин на параметры взрывных работ

На рис. 1 приведена схема, показывающая зарядку скважины в обводнённых условиях, при котором уровень воды поднимается после размещения заряда ВВ [9].

Рисунок 1. Образование шламовых пробок при зарядке обводненной скважины

а ‒ положение уровня воды до зарядки; б ‒ положение уровня воды после зарядки; 1 ‒ промежуточный детонатор; 2 ‒ детонирующий шнур; 3 ‒ шламовая пробка; 4 ‒ заряд ВВ; 5 ‒ шламовая корка

В табл. 3 приведена расшифровка схемы зарядки скважины в обводнённом массиве [9].

При проведении БВР в обводнённых массивах без использования герметизирующих материалов вытеснение воды из скважины осуществляется за счёт объёмного замещения при опускании зарядов ВВ, в результате чего уровень воды в скважине последовательно повышается по мере увеличения объёма введённого заряда, заполняя пространство между зарядной колонной и стенками скважины [10].

Вода в скважине растворяет, размывает и выносит мелкодисперсные и растворимые компоненты ВВ, что приводит к снижению концентрации энергетических веществ и нарушению однородности заряда. При непосредственном контакте ВВ с водой ухудшается передача детонационного импульса от инициирующего устройства к основной зарядной массе, что приводит к полной «не детонации» заряда. Вода, как жидкая среда, демпфирует ударную волну, снижая эффективность передачи энергии в породу, приводя к ухудшению дробления, увеличению негабарита и снижению коэффициента использования энергии. За счёт неэффективной работы заряда больше энергии уходит в виде сейсмических колебаний [11].

Таблица 3.

Расшифровка схемы зарядки скважины в обводнённом массиве

Таким образом, отсутствие герметизирующих материалов при зарядке скважин в обводнённых условиях существенно снижает надёжность взрыва, увеличивает потери энергии и создаёт предпосылки для аварийных ситуаций, что требует обязательной компенсации за счёт применения водостойких ВВ и инженерных решений.

 В работах [11-13] приведена формула, описывающая затухание (потери) взрывной энергии 𝑊 при её распространении в обводнённой горной породе:

                                                               (2)

где W – остаточная энергия, достигшая поверхности или определённой точки в массиве, Дж; 𝑊₀ – начальная энергия взрыва без учёта потерь, Дж; 𝑘 – коэффициент затухания в водонасыщенной среде, 1/м (зависит от проницаемости породы, вязкости воды и уровня насыщенности массива); 𝑑 – расстояние от заряда до точки измерения, м.

Данная формула позволяет оценить эффективную энергию разрушения на определённой глубине или расстоянии. Энергия взрыва, начально равная 𝑊₀, уменьшается экспоненциально с увеличением расстояния 𝑑 из-за сопротивления водонасыщенной среды, рассеивания энергии на границах трещин, пор и капилляров, а также поглощения энергии водой (высокая теплоёмкость и вязкость). Чем выше 𝑘, тем быстрее затухает энергия. Например, при 𝑘=0,1 м⁻¹ на расстоянии 10 м энергия снижается до ~37% от начальной.

В работах [14-15] приведена формула, описывающая геометрическое затухание амплитуды сейсмической волны 𝐴 по мере её распространения от источника (взрыва):

A=A₀/rⁿ                                                                   (3)

где    A – амплитуда сейсмической волны в точке наблюдения, м; 𝐴₀ – амплитуда волны у эпицентра взрыва, на малом расстоянии (близко к заряду); 𝑟 – расстояние от эпицентра до точки измерения, м; 𝑛 – коэффициент геометрического затухания, обычно в диапазоне 1,5-2,5, в зависимости от среды (плотность, трещиноватость, наличие воды).

 Волна теряет свою силу по мере роста расстояния 𝑟, а темп затухания определяется степенным показателем 𝑛, который зависит от свойств среды. Формула (3) является основой для сейсмического прогноза и контроля воздействия на объекты.

В табл. 4 приведены характеристики различных типов ВВ в условиях обводнённости [16-17]. Эмульсионные ВВ (на водно-масляной основе) проявляют высокую устойчивость к воздействию влаги и широко применяются при зарядке скважин в карьерах с насыщенным водоносным горизонтом. Суспензионные ВВ, содержащие водные фазы и твёрдые компоненты, являются промежуточным вариантом и подходят для зон с незначительной фильтрацией. Патронированные ВВ обладают наивысшей водостойкостью благодаря плотной герметичной оболочке и применяются в наиболее сложных обводнённых условиях (глубокие скважины, давление столба воды).

Таблица 4.

Характеристики различных типов ВВ в условиях обводнённости

В табл. 5 приведено воздействие воды на зарядку и устойчивость ВВ в скважинах [16-17]. В сухих скважинах условия зарядки стабильны, отсутствует риск вымывания или смещения компонентов заряда, допускается использование менее водостойких ВВ без дополнительных мер по герметизации. В обводнённых скважинах вода представляет собой деструктивный фактор: она вымывает ВВ, снижает чувствительность к детонации, создаёт риск гидроударов, смещения заряда, требует тщательной герметизации и обязательного применения тампонажных материалов (например, шламовых пробок). Повышенный риск гидроудара может вызвать нестабильную детонацию, вторичное растрескивание и потерю контроля над процессом разрушения массива.

Таблица 5.

Воздействие воды на зарядку и устойчивость ВВ в скважинах

Сравнительный анализ данных табл. 4 и 5 позволяет обосновать необходимость адаптации технологии зарядки БВР к условиям увлажнённости массива, с учётом выбора типа ВВ, обеспечением водозащиты заряда и обязательным применением герметизирующих и тампонирующих компонентов, что особенно критично в условиях глубоких и активно фильтрующих зон, где неадекватная технология может привести к «недетонации», неэффективному дроблению и повышенному сейсмическому риску.

Заключение

Проведённое исследование показало, что обводнённость горного массива существенно снижает эффективность буровзрывных работ и усиливает сейсмическое воздействие взрывов вследствие демпфирования ударной волны, ослабления контакта «заряд–порода» и частичных энергетических потерь при взаимодействии заряда с водной средой. Установлено, что при увеличении степени обводнённости эффективная энергия взрыва уменьшается в среднем на 20–40 %, при этом возрастает доля энергии, преобразуемой в сейсмические колебания, что повышает геотехнические риски. Для обеспечения устойчивой детонации, требуемого качества дробления горных пород и снижения сейсмического воздействия обоснована необходимость применения водостойких взрывчатых веществ, герметизации зарядов и корректировки параметров бурения и взрывания с учётом гидрогеологического состояния массива.

Список литературы:

1. Смирнов В.П. Техника взрыва в горном деле. – М.: Недра, 2015. – 352 с.
2. Дмитриевский А.Н. Геомеханика обводнённых массивов. – М.: Горная книга, 2012. – 280 с.
3. Магомедов А.М., Егоров С.В. Буровзрывные работы: теоретические и практические основы. – М.: МИСиС, 2019. – 278 с.
4. Hustrulid V., Bullok R. Blast Design and Modelling in Underground Mining. – SME, 2018. – 472 p.
5. Taranchuk V.N. Blasting in Saturated Rock Masses: Theory and Practice // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2019. – Vol. 122. – P. 144–158.
6. Иванов А.Ю., Салихов М.И. Влияние воды на эффективность взрыва // Вестник горной науки. – 2020. – №4. – С. 56–62.
7. Кадыров К.М., Махкамов Б.А. Вопросы повышения эффективности буровзрывных работ в обводнённых условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – №5. – С. 45-52.
8. Сафаров Х.Б., Ахмедов Н.А. Геомеханическое моделирование процессов взрывного разрушения массива при наличии подземных вод // Известия вузов. Горный журнал. – 2023. – №2. – С. 21–28.
9. Механический эффект взрыва в грунтах / Лучко И.А., Плаксий В.А., Ремез Н.С. и др.; Под ред. Лучко И.А. – Киев: АН УССР, ин-т геофизики им. С.И. Субботина, 1989. – 232 с.
10. Герасимов В.Н., Пономарёв А.В. Безопасность буровзрывных работ в условиях повышенной обводнённости // Горный журнал. – 2021. – №4. – С. 22–29.
11. Ivanov A.V., Petrov I.Y. Influence of Water on Detonation Process in Wet Boreholes // Mining Science and Technology (China). – 2020. – Vol. 30, No. 7. – P. 1129–1136.
12. Kutter H.K., Fairhurst C. On the fracture process in blasting // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 1971. – Vol. 8, Issue 3. – P. 181–202.
13. Герасимов В.Н., Пономарёв А.В. Сейсмические колебания при массовых взрывах. – М.: Горная книга, 2015.
14. Малышев Г.Ф. Физические основы взрывного разрушения горных пород. – СПб.: СПГГИ, 2006. – 252 с.
15. Zhou J., Zhang Q. Energy loss in water-bearing rocks during explosive blasting // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. – 2021. – Vol. 13, Issue 6. – P. 1320–1330.
16. Кузнецов В.М. Теория и практика применения взрывчатых веществ. – М.: Недра, 2019. – 384 с.
17. Persson P.-Å., Holmberg R., Lee J. Rock Blasting and Explosives Engineering. – Boca Raton: CRC Press, 1994.