WPŁYW WARUNKÓW GEOLOGICZNYCH NA STRUKTURĘ DRGAŃ
WZBUDZANYCH DETONACJĄ ŁADUNKÓW MW
INFLUENCE OF GEOLOGICAL CONDITIONS ON THE STRUCTURE OF VIBRATIONS INDUCED BY DETONATION OF EXPLOSIVE CHARGES
Stosowanie, do odpalania ładunków MW, nowoczesnych systemów inicjowania, wiąże się niewątpliwie z poszerzeniem zakresu doboru właściwych opóźnień milisekundowych oraz uzyskania jak największej precyzji zadawania czasu odpalania. Stwarza to szerokie możliwości dla masowego urabiania skał metodą długich otworów. Należy jednak zdawać sobie sprawę z tego, że odpalanie milisekundowe jest źródłem sygnałów sejsmicznych wzbudzanych kolejno w określonych odstępach czasu, co powoduje zmiany przebiegów falowych, wpływając tym samym na strukturę częstotliwościową drgań. Z uwagi na to, że w kopalniach ładunki MW odpalane są bardzo często w kilku surowcach o różnych właściwościach sprężystych, wzbudzany de-tonacją sygnał sejsmiczny dochodzący do stanowiska pomiarowego (obiektu chronionego) może być modyfikowany w wyniku przechodzenia przez różne warstwy. Tym samym, zmienia się jego intensywność i struktura częstotliwościowa. Dlatego tak ważne jest rozpoznanie charakterystyki drgań podłoża poprzez odpalanie pojedynczych ładunków MW. Wzbudzone w wyniku tego sygnały nie są zakłócone detonacjami innych ładunków, co pozwala na rozpoznanie dominujących w sygnale częstotliwo-ści charakterystycznych dla miejsc odbioru drgań. Dzięki temu, projektując odpalanie milisekundowe siatek wielootworowych, można w znacznym stopniu uniknąć wyboru opóźnienia, które może być przyczyną wzmocnienia intensywności drgań właśnie w zakresie częstotliwości dominujących.
Słowa kluczowe: górnictwo, technika strzelnicza, strzelanie milisekundowe, oddziaływanie drgań
The use of state-of-the-art initiation systems to initiate explosive charges is unmistakably expanding the range of choice of milliseconds delayed and firing times as accurately as possible. This creates wide possibilities for mass-mining of rocks by long holes method. However, it is important to realize that millisecond blasting technique is a source of seismic signals that are triggered sequentially at specific intervals, resulting in changes in waveforms, thereby affecting the frequency structure of vibrations. Due to the fact that in mines explosive loads are detonated very often in several raw materials with different elastic properties, the induced seismic signal coming to the measuring station (protected object) can be modified as a result of passing through different layers. Thus, its intensity and frequency structure changes. It is therefore important to recognize the vibration characteristics of the substrate by firing individual explosive charges. The resulting signals are not disturbed by the detonations of other charges, which allows to recognize the dominant frequences in signals specific to the vibration reception sites. Thus, by designing the millisecond firing of multi-hole patterns, the choice of delay can be largely avoided, which can cause vibration intensities to be just within the dominant frequency range.
Keywords: mining, blasting works, millisecond blasting technique, ground born vibration Anna Sołtys - AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Górnictwa Odkrywkowego
Wprowadzenie
Dający się zauważyć w ostatnim okresie dynamiczny roz-wój techniki strzelniczej opartej na mechanicznym załadunku MW do otworów oraz na inicjowaniu ładunków systemami nieelektrycznymi i elektronicznymi, stwarza nowe możliwości dla masowego urabiania skał za pomocą strzelania milisekun-dowego metodą długich otworów.
Przy powszechnie stosowanym, do końca ubiegłego wieku, elektrycznym systemie odpalania ładunków MW, dobór opóź-nień milisekundowych do lokalnych warunków geologiczno--górniczych był ograniczony do czasu 25 ms lub jego krotności. Zastosowanie zapalarek milisekundowych (sekwencyjnych) poszerzyło w istotny sposób możliwości doboru opóźnienia,
a wnioski płynące z prac badawczych (Winzer, Biessikirski 1996; Winzer i in. 1997; Winzer i in. 2016), którego przykładem mogą być Nonel Unidet, Exel, Rionel, Nitronel, Indetshock, Euronel, Daveynel i Detinel, oprócz podniesienia bezpieczeń-stwa wykonywania robót, niesie z sobą wiele udogodnień natury wykonawczej. Podstawową nowością systemu jest większa różnorodność czasów opóźnień jak i nieograniczona ich liczba, możliwa do zastosowania w różnych konfigura-cjach. Należy jednak zwrócić uwagę na związane z tym pewne różnice w technice wykonywania robót i konieczność zmiany sposobu projektowania robót (Onderka, Winzer 2002; Winzer i in. 2001).
Jeszcze większe możliwości stwarza zastosowanie syste-mów elektronicznych. Bardzo wysoka precyzja zadawanych
opóźnień oraz możliwość wyboru opóźnienia w zakresie od 0 do 15 sekund, pozwala projektować wieloszeregowe siatki otworów o dużej liczbie ładunków MW z zachowaniem ogra-niczeń dotyczących masy ładunku przypadającego na opóź-nienie milisekundowe. Coraz częściej stosowane w polskim górnictwie skalnym systemy elektroniczne (i-kon, E*star, Hot Shot, Unitronic 600, Riotronic, Ergonic) wspomagane są programami komputerowymi do projektowania opóźnień w siatkach ładunków. Opóźnienia dobierane są w aspekcie minimalizacji oddziaływania drgań na otoczenie i / lub regu-lacji rozdrobnienia urobku (Landman 1993; Persson i in. 1993; Winzer i in. 2014).
Dobra praca programu do projektowania robót strzałowych z uwzględnieniem ochrony otoczenia wymaga przygotowania odpowiedniej bazy danych, która stanowi punkt wyjścia do prowadzenia komputerowych symulacji odpalania ładunków w konkretnych warunkach i dokonywania prognozy oddziały-wania drgań na otoczenie. Nigdy nie jest to jedno rozwiązanie, gdyż programy proponują czasem dziesiątki rozwiązań a osta-teczny wybór należy do projektującego.
Przykładowo w programie Blasting Solution, bazę buduje się na podstawie pomiarów drgań w otoczeniu robót strzało-wych przy odpalaniu pojedynczych ładunków MW. Pozwala to na rozpoznanie propagacji i struktury wzbudzanych drgań. Sejsmogram drgań od pojedynczego ładunku MW jest sygna-łem niezakłóconym przez detonację kolejnych ładunków, jest, więc dobrą informacją o zmienności warunków geologicznych w wyrobisku i w jego otoczeniu. Są to informacje o podstawo-wym znaczeniu dla wyboru optymalnego czasu opóźnienia dla odpalania serii ładunków.
Przeprowadzone w jednej z kopalń odkrywkowych bada-nia wykazały, że wpływ na intensywność i strukturę drgań ma nie tylko masa ładunku MW i odległość, ale również miejsce odpalenia ładunku i miejsce wykonywania pomiarów. Przygoto-wanie bazy danych wymaga niejednokrotnie wykonania nawet kilkunastu strzelań w różnych lokalizacjach uwzględniających części wyrobiska i piętra eksploatacyjne oraz wykonania pomiarów w kilku miejscach w otoczeniu z uwzględnieniem lokalizacji zabudowań.
Charakterystyka drgań przy odpalaniu pojedynczych ładunków MW
W latach 90. ubiegłego wieku, w jednej z kopalń surowca cementowego, przeprowadzono badania rozpoznawcze z zasto-sowaniem pojedynczych ładunków MW, odpalanych w różnych surowcach i w dwóch piętrach eksploatacyjnych (Archiwum prac badawczych KGO AGH). Pomiary intensywności drgań wykonano na dziewięciu stanowiskach pomiarowych z wyko-rzystaniem aparatury z zapisem cyfrowym. Drgania wzbudzone odpalaniem poszczególnych serii ładunków MW rejestrowano jednocześnie na czterech stanowiskach pomiarowych. W cza-sie badań różnicowano również masę odpalanego ładunku MW. Przykładowe sejsmogramy drgań (składowa pionowa z) zarejestrowanych na czterech stanowiskach pomiarowych przedstawiono na rysunku 1.
Nawet wizualna analiza sejsmogramów przedstawionych na rysunku 1 wskazuje na wyraźne różnice w charakterystyce częstotliwościowej wzbudzonych drgań. Analiza struktury tych drgań, przeprowadzona z zastosowaniem filtrowania tercjowego potwierdza to spostrzeżenie (rys. 2).
Najwyższą intensywność reprezentują częstotliwości 50,12 Hz i 63,10 Hz na stanowisku VIII oraz częstotliwość 7,94 Hz na stanowisku VI. Zdecydowanie najniższa intensyw-ność drgań została zarejestrowana na stanowisku IX, najbardziej oddalonym od miejsca strzelania. Na stanowiskach III, VI i VIII można zauważyć zbliżony poziom intensywności drgań o częstotliwości 31,62 Hz i 39,81 Hz.
Porównując strukturę drgań zarejestrowanych na stanowi-skach III i VI należy wskazać, jako dominujące częstotliwości 7,94 Hz, 31,62 Hz i 39,81 Hz. Podkreślenia wymaga zdecydo-wanie wyższa intensywność drgań o częstotliwości 7,94 Hz na stanowisku VI, położonym najbliżej miejsca strzelania.
Dodać należy, że struktura drgań rejestrowanych na po-szczególnych składowych (z, x, y
szczególnych składowych (z, x, y
szczególnych składowych ( ) jest różna, co przedstawiono na rysunku 3 dla stanowiska III. Na wszystkich składowych można wyróżnić dwa zakresy częstotliwości dominujących – niższych od 6,31 Hz do 10,0 Hz oraz wyższych 25,12 Hz i 31,62 Hz. Jak wynika z rysunku 3 na składowych poziomych
Rys. 1. Sejsmogram drgań zarejestrowanych na czterech stanowiskach pomiarowych (składowa pionowa z)
Fig. 1. Structure of vibrations measured at four measurement points (vertical component z)
Rys. 2 Struktura drgań przedstawionych na rysunku 1 – składowa z Fig. 2. The frequency structure of the vibrations shown in the Fig. 1 -
x i y wyższą intensywność reprezentują częstotliwości niższe, a na składowej pionowej częstotliwości wyższe.
Są to bardzo ważne informacje, gdyż w świetle później-szych badań (Pyra 2013; Winzer i in. 2014), można stwierdzić, że milisekundowe odpalanie ładunków MW w istotny sposób wpływa na strukturę wzbudzanych drgań, co może przyczy-niać się do wzrostu ich intensywności w pewnych zakresach częstotliwości, charakterystycznych dla podłoża w rejonie stanowiska pomiarowego.
Bardzo często zdarza się, że roboty strzałowe w kopalni prowadzone są w kilku surowcach o istotnie różnych właści-wościach sprężystych, a sygnał sejsmiczny dochodzący do stanowiska pomiarowego, przechodząc przez różne warstwy, może być modyfikowany, przez co zmienia się jego intensyw-ność i struktura częstotliwościowa. Na rysunku 4 przedstawiono strukturę drgań wzbudzonych w czasie detonacji pojedynczych ładunków MW w trzech surowcach, a zarejestrowanych na tym samym stanowisku pomiarowym. W czasie badań, ładunki o masie 185 kg (surowiec II i III) i 151 kg (surowiec I) odpalano w odległości 725 m i 750 m od stanowiska pomiarowego. Jak wynika z rysunku 4, najbardziej intensywne są drgania wzbu-dzane odpalaniem pojedynczego ładunku w surowcu I. W struk-turze tych drgań dominują częstotliwości 7,94 Hz i 39,81 Hz, z wyraźnie intensywniejszymi wyższymi częstotliwościami.
Analiza struktury drgań wzbudzanych odpalaniem pojedyn-czych ładunków MW pozwala na rozpoznanie dominujących w sygnale sejsmicznym częstotliwości charakterystycznych dla miejsc odbioru drgań (pomiaru). Wiedza ta jest bardzo przydatna przy projektowaniu milisekundowego odpalania większej liczby ładunków MW, gdyż pozwala uniknąć wyboru opóźnienia, które może być przyczyną wzmocnienia intensyw-ności drgań właśnie w zakresie częstotliwości dominujących.
Struktura drgań wzbudzanych odpalaniem ładunków MW z opóźnieniem milisekundowym
Milisekundowe odpalanie ładunków MW powoduje rozło-żenie w czasie energii propagowanej do otoczenia. Zjawisko to można określić, jako wzbudzanie kolejnych sygnałów sejsmicz-nych w określosejsmicz-nych odstępach czasu. Każda detonacja ładunku MW jest źródłem fal sejsmicznych, a czas opóźnienia doko-nywany w ich źródle, powoduje zmiany przebiegów falowych przez interferencję, co wpływa na strukturę częstotliwościową drgań. Jest to zjawisko złożone ze względu na bardzo krótki czas trwania jak i zmienną budowę ośrodka skalnego, w którym
Rys. 3. Struktura drgań zarejestrowanych na stanowisku III na składowych z, x, y Rys. 3. Struktura drgań zarejestrowanych na stanowisku III na składowych z, x, y Rys. 3. Struktura drgań zarejestrowanych na stanowisku III na składowych z Fig. 3. The frequency structure of the vibrations measured at Positions III on
the components z, x, y
Rys. 4. Porównanie struktury drgań rejestrowanych na jednym stanowisku a wzbudzanych odpalaniem pojedynczego ładunku MW w różnych surowcach
Fig. 4. Comparison of the vibrations structure measured at the one measurement point and induced by the detonating of a single explosive charge in different raw materials
Rys. 5. Porównanie struktury drgań wzbudzanych pojedynczym ładunkiem MW i serią 13 ładunków odpalanych z opóźnieniem 25 ms – stanowisko III
Fig. 5. Comparison of the vibrations structure induced by the detonating of a single explosive charge and the blasting patterns of 13 charges designed with a delay of 25 ms – Position III
Rys. 6. Porównanie struktury drgań wzbudzanych pojedynczym ładunkiem MW i serią 13 ładunków odpalanych z opóźnieniem 25 ms – stanowisko VI
Fig. 6. Comparison of the vibrations structure induced by the detonating of a single explosive charge and the blasting patterns of 13 charges designed with a delay of 25 ms – Position VI
Rys. 7. Porównanie struktury drgań wzbudzanych pojedynczym ładunkiem MW i serią 13 ładunków odpalanych z opóźnieniem 25 ms – stanowisko VIII
Fig. 7. Comparison of the vibrations structure induced by the detonating of a single explosive charge and the blasting patterns of 13 charges designed with a delay of 25 ms – Position VIII
propagowane są drgania. W efekcie do punktu pomiarowego dociera „paczka fal” o różnych parametrach sprężystych i ich analiza bez dokładnego poznania struktury zarejestrowanych drgań jest prawie niemożliwa.
Jak już wspomniano dobór czasu milisekundowego opóź-nienia detonacji kolejnych ładunków MW ma zasadnicze zna-czenie dla techniki prowadzenia robót strzałowych w górnictwie odkrywkowym, zarówno ze względu na optymalne rozdrobienie urobku jak i ograniczenie oddziaływania drgań na otoczenie. Obserwując postęp techniczny w odpalaniu (inicjowaniu) ładunków MW można zauważyć, dążenie do poszerzenia moż-liwości wyboru czasu opóźnienia milisekundowego i uzyskanie jak największej precyzji zadawania czasu odpalania.
Badania wpływu opóźnienia milisekundowego na efekt sej-smiczny strzelania, prowadzone na początku lat 90. ubiegłego wieku, były ograniczone dostępnością środków strzałowych i sprzętu strzałowego, które umożliwiałyby stosowanie różnych opóźnień milisekundowych w szerszym wyborze. Praktycznie, ładunki można było odpalać z opóźnieniem 25 ms lub jego krotnością. W czasie badań prowadzonych w kopalni surowca cementowego, po wstępnej fazie, w której analizowano efekt odpalania pojedynczych ładunków MW, wykonano szereg strzelań z zastosowaniem opóźnienia 25 ms, 50 ms i 75 ms. Po-miary drgań wykonywano w tych samych punktach co w fazie wstępnej, poszerzając zakres o dwa dodatkowe stanowiska.
Wykorzystując te pomiary, w celu porównania efektu sejsmicznego wzbudzonego w czasie odpalania pojedynczego ładunku MW i serii ładunków odpalanych z opóźnieniem milisekundowym, aktualnie przeprowadzono dodatkowe ana-lizy z zastosowaniem filtrowania tercjowego. Pozwoliło to na porównanie struktury wzbudzanych drgań na poszczególnych
stanowiskach pomiarowych. Efekt takiej analizy przedsta-wiono na rysunkach 5, 6 i 7 dla stanowisk III, VI i VIII (dla opóźnienia 25 ms).
Jak wynika z rysunku 5, na stanowisku III w czasie odpa-lania serii ładunków zarejestrowano drgania o wyższej inten-sywności o częstotliwościach dominujących, zbliżonych do występujących w strukturze drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW. Tylko w przypadku częstotliwości 15,85 Hz nastąpiło wyraźne wzmocnienie intensywności.
W przypadku stanowiska VI (rys. 6) wystąpiło silne tłumie-nie drgań w zakresie niższych częstotliwości oraz wzmoctłumie-nietłumie-nie w zakresie częstotliwości wyższych – 39,81 Hz. Porównując struktury zarejestrowanych drgań można stwierdzić wyraźny wzrost intensywności w przypadku odpalania serii 13 ładun-ków MW.
Tylko w przypadku stanowiska VIII (rys. 7) nastąpiło lekkie obniżenie intensywności drgań przy jednoczesnym przesunięciu częstotliwości dominujących do wartości 31,62 Hz. W zakresie częstotliwości niższych nie obserwuje się większych zmian.
Analizując strukturę częstotliwościową drgań (rys. 5 i 6) można zadać sobie pytanie, jak wyglądają przebiegi czasowe dla częstotliwości dominujących 7,94 i 39,81 Hz. Odmienna reakcja podłoża, na stanowiskach III i VI, na drgania wzbudzone odpa-leniem serii ładunków MW, powinna znaleźć odzwierciedlenie w przebiegu czasowym drgań o określonej częstotliwości. Prze-biegi takie przedstawiono na rysunkach 8 i 9, jako porównanie efektu sejsmicznego od serii i pojedynczego ładunku MW. Na rysunkach widać, że częstotliwości wyższe są związane z falą podłużną, o większej prędkości, a częstotliwości niższe to fala powierzchniowa, która pojawia się na sejsmogramie w drugiej kolejności (niższa prędkość fali).
porównanie struktury wzbudzanych drgań na poszczególnych kolejności (niższa prędkość fali).
Rys. 8. Porównanie przebiegów o częstotliwości 7,94 Hz i 39,81 Hz dla drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW i serią 13 ładunków odpalanych z opóźnieniem 25 ms – stanowisko III
Fig. 8. Comparison of the vibrations recordings structure at frequencies 7,94 Hz and 39,81 Hz for vibrations induced by the detonating of a single explosive charge and the blasting patterns of 13 charges designed with a delay of 25 ms – Position III
W przypadku częstotliwości 39,81 Hz można mówić o dużym podobieństwie przebiegów, chociaż czas trwania jest zdecydowanie dłuższy na stanowisku VI. Natomiast fala powierzchniowa, która na stanowisku III ulega niewielkim modyfikacjom w porównaniu do pojedynczego ładunku MW, na stanowisku VI została w zdecydowany sposób wytłumiona. Oznacza to, że struktura drgań wzbudzonych w czasie odpalania serii ładunków z opóźnieniem 25 ms, uległa modyfikacji, ale w różnym stopniu na dwóch stano-wiskach pomiarowych.
Z powyższych analiz wynika, że struktura drgań wzbu-dzanych w czasie odpalania serii ładunków MW w istotny sposób zależy od charakterystyki częstotliwościowej drgań podłoża na poszczególnych stanowiskach pomiarowych. Należy to rozumieć, jako sygnał, że wybór opóźnienia milisekundowego musi być prowadzony z uwzględnieniem możliwej zmienności budowy geologicznej w otoczeniu wyrobiska, w którym wykonuje się roboty strzałowe. Analiza czasowo-częstotliwościowa drgań
wzbudzanych odpalaniem ładunków MW z opóźnieniem milisekundowym
Jak już wspomniano w II fazie badań, przy odpalaniu milisekundowym serii ładunków MW, pomiary wykonywano dodatkowo na dwóch stanowiskach pomiarowych, zlokali-zowanych między wyrobiskiem a zwartą zabudową miesz-kaniową. W rejonie tym, w podłożu następuje wyklinowanie warstw nadkładowych, czyli grubość tych warstw maleje ze wzrostem odległości od wyrobiska. W efekcie pomiary
drgań wykazują większą intensywność drgań na stanowisku bardziej oddalonym od miejsca strzelania (rys. 10).
Różnice w charakterystyce częstotliwościowej i inten-sywności drgań przedstawiono na rysunku 11 – na stano-wisku XI (dalszym) zarejestrowano drgania o dominującej częstotliwości 25,12 Hz i ponad dwukrotnie wyższej inten-sywności. Na stanowisku X intensywność drgań o dominują-cych częstotliwościach 7,94 Hz i 25,12 Hz ma intensywność na zbliżonym poziomie.
Uzyskane w trakcie pomiarów rejestracje drgań poddano dodatkowo analizie czasowo-częstotliwościowej z zasto-sowaniem algorytmu dopasowania krokowego – Matching Pursuit (MP) (Mallat, Zhang 1993; Sołtys 2015). Jest to analiza, która pozwala na identyfikację w czasie, również częstotliwości drgań. Podobnie jak w analizie tercjowej wyniki analizy MP można przedstawić w postaci histo-gramów, w tym przypadku atomów Gabora, których cechą charakterystyczną jest częstotliwość, amplituda i energia sygnału. Elementem uzupełniającym wyniki analizy są mapy Wignera-Ville’a, które pokazują kształt i położenie atomów Gabora na płaszczyźnie tworzonej przez czas i czę-stotliwość. Mapy te można przedstawić również, jako obraz przestrzenny (Sołtys 2015). Jakościowo wykresy mogą być uzupełnione wynikami analizy zestawionymi tabelarycznie, w których każdemu atomowi Gabora przypisana jest ampli-tuda, częstotliwość i związana z nim część energii sygnału. Wyniki analizy, przykładowo dla drgań zarejestrowanych na stanowiskach X i XI przedstawiono na rysunkach 12 i 13 oraz w tabelach 1 i 2. Ze względu na obszerny materiał analityczny, w tabelach zestawiono dane tylko dla 5
pierw-Rys. 9. Porównanie przebiegów o częstotliwości 7,94 Hz i 39,81 Hz dla drgań wzbudzonych pojedynczym ładunkiem MW i serią 13 ładunków odpalanych z opóźnieniem 25 ms – stanowisko VI
Fig. 9. Comparison of the vibrations recordings structure at frequencies 7,94 Hz and 39,81 Hz for vibrations induced by the detonating of a single explosive charge and the blasting patterns of 13 charges designed with a delay of 25 ms – Position VI
szych atomów Gabora.
Jak wynika z danych zawartych w tabelach 1 i 2, ener-gia sygnału na stanowisku dalszym (XI) jest o 22 procent większa niż na stanowisku bliższym. Na stanowisku X naj-większą energię reprezentują atomy Gabora o częstotliwo-ściach niższych 6,8 Hz i 7,7 Hz (prawie 50 % energii), a na stanowisku XI atomy Gabora o częstotliwościach wyższych 25,7 Hz i 19,0 Hz (ponad 50 % energii).
Analizując czas wystąpienia atomów Gabora (rys. 12 i 13) można stwierdzić, że największa energia sygnału, w przypadku stanowiska bliższego jest związana z falą po-wierzchniową, natomiast w przypadku stanowiska dalszego z falą podłużną, która szybciej pojawia się na sejsmogra-mach.
Rys. 10. Sejsmogram drgań zarejestrowanych na stanowiskach X i XI w czasie odpalania serii ładunków z opóźnieniem milisekundowym 50 ms (składowa pionowa z)z)z
Fig. 10. Seismograms of vibrations measured at positions X and XI during firing blasting patterns of charges designed with a delay of 50 ms (vertical component z)z)z
Rys. 11. Struktura częstotliwościowa drgań przedstawionych na rysunku 10 Fig. 11. The frequency structure of the vibrations shown in the Fig. 10
Rys. 12. Obraz przestrzenny struktury drgań podłoża – stanowisko X – opóźnienie 50 ms
Fig. 12. 3D image of vibrations structure of the ground and foundation – Position X – 50 ms delay
Rys. 13. Obraz przestrzenny struktury drgań podłoża – stanowisko XI – opóźnienie 50 ms
Fig. 13. 3D image of vibrations structure of the ground and foundation – Position XI – 50 ms delay
Wpływ opóźnienia milisekundowego na strukturę wzbudzanych drgań
Analiza drgań rejestrowanych na stanowiskach X i XI, a wzbudzanych w czasie odpalania serii ładunków MW z opóźnieniem milisekundowym 25 ms, 50 ms i 75 ms wykazała, że ich struktura ulega modyfikacji, ale dla do-stępnych w tym czasie opóźnień zmiany te dotyczyły przede wszystkim intensywności w poszczególnych zakresach częstotliwości (rys. 10, 14 i 15). Ze względów technicz-nych w seriach odpalono różną liczbę ładunków o masie 150 kg (odpowiednio dla opóźnienia 25 ms 8 ładunków, dla opóźnienia 50 ms – 15 ładunków, po 2 ładunki na sto-pień opóźnienia, dla opóźnienia 75 ms – 5 ładunków). We wszystkich trzech przypadkach w strukturze drgań wyraź-nie zaznaczają się częstotliwości 7,94 Hz i 25,12 Hz. Dla serii odpalanych z opóźnieniem 25 ms i 75 ms dodatkowo zaznacza się częstotliwość 12,59 Hz.
Porównując wartości prędkości drgań dla poszcze-gólnych częstotliwości można zauważyć również
zde-cydowany wpływ masy ładunku MW przypadającego na opóźnienie milisekundowe – podwojenie masy ładunku przy opóźnieniu 50 ms skutkowało silnym wzmocnieniem intensywności drgań szczególnie na stanowisku dalszym (XI) (rys. 10).
Wyniki przedstawionej analizy (rys. 10, 14 i 15) po-zwalają stwierdzić, że silna ingerencja w strukturę drgań jest możliwa poniżej pewnych wartości opóźnienia milise-kundowego. Określenie granicznej wartości jest możliwe przez badanie struktury drgań wzbudzanych pojedynczym ładunkiem MW. Przekroczenie pewnego czasu opóźnienia może skutkować rozdzieleniem efektu sejsmicznego od kolejnych ładunków MW.
Podsumowanie
Postęp techniczny w robotach strzałowych, skutkujący wprowadzeniem ładowanych mechanicznie nowoczesnych materiałów wybuchowych oraz nieelektrycznych i elektro-nicznych systemów odpalania, wymaga od projektujących i wykonujących roboty coraz szerszej wiedzy związanej z milisekundowym odpalaniem ładunków MW. Jest to szczególnie ważne w przypadku stosowania elektronicz-nych systemów odpalania, których precyzja i możliwości wyboru opóźnienia milisekundowego idą w parze z zagro-żeniem osiągnięcia efektu odwrotnego do zamierzonego. Korzystanie w procesie projektowania robót z dostępnych już systemów informatycznych wymaga:
- zbudowania bazy o lokalnych warunkach geologicz-nych i górniczych na podstawie analizy efektu sejsmicznego wzbudzanego odpalaniem pojedynczych ładunków MW,
- szczegółowego określenia parametrów projektowanej siatki i jej położenia względem obiektów chronionych,
- wskazania parametrów stosowanego materiału wybu-chowego i ograniczeń wynikających z wcześniej przepro-wadzonych badań propagacji drgań.
Przeprowadzone badania nad efektem sejsmicznym wzbudzanym przez odpalenie pojedynczych ładunków MW pozwalają stwierdzić, że na strukturę i intensywność drgań wpływ mają zarówno budowa geologiczna złoża w miejscu wykonywania robót strzałowych jak i w otoczeniu wyro-biska (budowa geologiczna na drodze fal sejsmicznych i w miejscu odbioru drgań).
Zastosowanie do analizy nowych metod matematycz-nych pozwala na wniknięcie w strukturę drgań propago-wanych do otoczenia, co w zdecydowany sposób ułatwia wybór optymalnych rozwiązań dla warunków lokalnych poszczególnych kopalń.
Tab. 1. Wyniki analizy MP – stanowisko X
Tab. 1. Results of MP analysis – Position X Tab. 2. Wyniki analizy MP – stanowisko XITab. 2. Results of MP analysis – Position XI
Rys. 14. Porównanie struktury drgań zarejestrowanych na stanowiskach X i XI – seria odpalona z opóźnieniem 25 ms
Fig. 14. Comparison of the vibrations structure measured at the Positions X and XI - blasting pattern of charges designed with a delay of 25 ms
Rys. 15. Porównanie struktury drgań zarejestrowanych na stanowiskach X i XI – seria odpalona z opóźnieniem 75 ms
Fig. 15. Comparison of the vibrations structure measured at the Positions X and XI - blasting pattern of charges designed with a delay of 75 ms
Z cyklu: Tajemnicza moc nacieków mineralnych Fot.
Renata
S-K
Literatura
[1] Archiwum prac badawczych Katedry Górnictwa Odkrywkowego AGH
[2] Landman G.R.V.: How electronics can release the imagination. The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy. Volume 110, 2010. s. 491-499
[3] Mallat S., Zhang Z.: Matching Pursuit with Time-Frequency Dictionaries, IEEE Transactions on Signal Processing, 41, 12, 1993, s. 3397–3415
[4] Onderka Zb. Winzer J.: Odpalanie milisekundowe a intensywność drgań parasejsmicznych przy strzelaniu długimi otworami w kopalniach odkrywkowych. Prace Naukowe Głównego Instytutu Górnictwa Nr 43. Bezpieczeństwo robót strzałowych w górnictwie. Katowice 2002. str. 137-142
[5] Persson P., Holmberg R. and Lee J.: Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press, 1993, p. 560. ISBN 9780849389788
[6] Pyra J.: Przegląd badań nad wpływem opóźnienia milisekundowego na intensywność i strukturę drgań wzbudzanych robotami strzałowymi w polskich kopalniach odkrywkowych. Technika Strzelnicza w Górnictwie i Budownictwie. Ustroń 2013. s. 215 – 228
[7] Sołtys A.: Analiza oddziaływania na otoczenie drgań wzbudzanych przez roboty strzałowe z zastosowaniem metody Matching Pursuit. Monografia – Wydawnictwa AGH Kraków 2015, 188s, ISBN 978-83-7464-752-6
[8] Winzer J., Biessikirski R.: - Uwagi o doborze opóźnienia milisekundowego ze względu na ograniczenie wielkości drgań parasejsmicznych. Konferencja „Technika strzelnicza w górnictwie” Jaszowiec. Wydawnictwo IGSMiE PAN Kraków 1996. s. 297 – 306
[9] Winzer J., Biessikirski R., Sieradzki J.: – Minimalizacja szkodliwego oddziaływania robót strzałowych na otoczenie, jako kierunek prac badawczych prowadzonych w Katedrze Górnictwa Odkrywkowego AGH. Górnictwo Odkrywkowe a Ochrona Środowiska – Fakty i mity. Kraków 1997 r. s. 367-378
[10] Winzer J., Biessikirski R., Sieradzki J.: Uwagi praktyczne do nieelektrycznego odpalania długich otworów na przykładzie systemu Nonel Unidet. Konferencja „Technika strzelnicza w górnictwie” Jaszowiec 2001. s. 241-251
[11] Winzer J. Pyra J., Sołtys A.: Minimalizacja oddziaływania na środowisko przez zmianę struktury drgań wzbudzanych robotami strzałowymi. Nowe techniki stosowania materiałów wybuchowych. Główny Instytut Górnictwa. Katowice 2014. s. 148 – 161
[12] Winzer J. Pyra J., Sołtys A.: Opóźnienia milisekundowe a minimalizacja oddziaływania robót strzałowych na zabudo-wania w otoczeniu. Przegląd Górniczy 10/2014 r. s. 71-78
[13] Winzer J. Sołtys A., Dworzak M.: Dobór optymalnego opóźnienia milisekundowego – studium przypadku. Konferencja: Technika Strzelnicza w Górnictwie i Budownictwie. Ustroń 2015. s. 225 – 236
[14] Winzer J, Sołtys A., Pyra J.: Oddziaływanie na otoczenie robót z użyciem materiałów wybuchowych. Wydawnictwa AGH. Kraków 2016, 312s, ISBN 978-83-7464-882-0
