Διάτρηση, Ανατίναξη και Εισαγωγή στα Υπόγεια Έργα Περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τις ανατινάξεις Δρ Παντελής Λιόλιος Σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων Πολυτεχνείο Κρήτης http://minelabmredtucgr Τελευταία ενημέρωση: 25 Νοεμβρίου 2016 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 1 / 41
Κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις Κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις Κυριότερες επιπτώσεις Πρόκληση δονήσεων στο έδαφος (vibrations) Δημιουργία ωστικού κύματος στην ατμόσφαιρα (airblast) Εκτόξευση λίθων (flyrock) Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 2 / 41
Δονήσεις εδάφους Περιεχόμενα 1 Κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις 2 Δονήσεις εδάφους 3 Ωστικό κύμα 4 Εκτόξευση λίθων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 3 / 41
Δονήσεις εδάφους Εισαγωγή 1/3 Είδη και χαρακτηριστικά παραγόμενων κυμάτων Μεταφέρουν το 10 20% της χημικής ενέργειας της ΕΥ Κύματα χώρου (body waves): θλιπτικά (compression) και διατμητικά (shear) Επιφανειακά κύματα (surface waves) Ταχύτητα κυμάτων Διαμήκες θλιπτικό κύμα (P-wave): 1800 6000m/s, μεγάλη συχνότητα, μικρή μετατόπιση Διατμητικό κύμα (S-wave): ταχύτητα 033 05 του P-wave, μικρότερη συχνότητα, μεγαλύτερη μετατόπιση Επιφανειακά κύματα (Rayleigh ή R-wave): ταχύτητα μικρότερη ή ίση με S-wave Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 4 / 41
Δονήσεις εδάφους Εισαγωγή 2/3 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 5 / 41
Δονήσεις εδάφους Εισαγωγή 3/3 Βασικές παράμετροι Πλάτος ή ένταση A Ταχύτητα δονήσεως v Ανάλυση ταχύτητας με σεισμογράφο Ταχύτητα διάδοσης c p Περίοδος T Επιτάχυνση a Συχνότητα f = 1/T Η δεσπόζουσα συχνότητα είναι συχνότητα με το μεγαλύτερο A στην ανάλυση Fourier Μήκος κύματος λ = c p /f Ο σεισμογράφος καταγράφει την ακτινική (L), την εγκάρσια (T) και την κατακόρυφη (V) συνιστώσα της ταχύτητας Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 6 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 1/9 Aπόσταση v 1 R b όπου το b εξαρτάται από την γεωλογία Συνήθως b = 16 H ένταση του κύματος μειώνεται κατά 1/3 κάθε φορά που διπλασιάζεται η απόσταση Σε μεγάλες αποστάσεις επικρατούν μόνο οι χαμηλές συχνότητες Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 7 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 2/9 Γεωλογία Χαλαρά υπερκείμενα μείωση ταχύτητας διάδοσης και συχνότητας μεγαλύτερη διάρκεια επίδρασης του κύματος Οι ασυνέχειες μειώνουν πολύ την ταχύτητα διάδοσης του κύματος Η ταχύτητα διάδοσης εξαρτάται από τον γεωλογικό σχηματισμό Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 8 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 3/9 Είδος και ποσότητα ΕΥ Μικρή ποσότητα υψηλή συχνότητα, μικρό πλάτος κύματος Μεγάλη ποσότητα χαμηλή συχνότητα, μεγάλο πλάτος κύματος Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 9 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 4/9 Ποσότητα ΕΥ ανά επιβράδυνση Έχει την κυριότερη επίδραση στην ένταση της δόνησης αρκεί να αποφεύγεται η αθροιστική επίδραση Ελάχιστος χρόνος μεταξύ σειρών: Duvall et al (1963) 8 9ms Langefors και Kihlström (1963) 3T Wiss και Linehan (1978) 17ms Nobel Explosives Co 25ms Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 10 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 5/9 Διεύθυνση έναυσης των διατρημάτων Βαθμός αποζεύξεως ΕΥ Απόζευξη ΕΥ από πέτρωμα μείωση πίεσης μείωση δονήσεων Έσχατη λύση λόγω υψηλού κόστους εκτός και αν απαιτείται ταυτόχρονα και ελεγχόμενη ανατίναξη Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 11 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 6/9 Κλίση των διατρημάτων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 12 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 7/9 Διάμετρος διατρήματος Αύξηση διαμέτρου αύξηση ποσότητας ΕΥ ανά επιβράδυνση αύξηση ταχύτητας δόνησης Λύση: Διακεκομμένη γόμωση (deck blasting) με έναυση σε διαφορετικούς χρόνους Ύψος βαθμίδας Θα πρέπει H/B > 2 καλός θρυμματισμός η ενέργεια αναλίσκεται στη θραύση μείωση των δονήσεων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 13 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 8/9 Φορτίο Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 14 / 41
Δονήσεις εδάφους Παράγοντες που επηρεάζουν τα κύματα 9/9 Μήκος επιγομώσεως Μεγάλο μήκος επιγομώσεως αύξηση περιορισμού ΕΥ αύξηση ταχύτητας δονήσεων Μήκος υποδιατρήσεως Μεγάλο μήκος υποδιατρήσεως (πάνω από το αναγκαίο): τοποθέτηση ΕΥ βαθύτερα ανώμαλο δάπεδο αύξηση κόστους διάτρησης μεγάλο ποσοστό ενέργειας σεισμική ενέργεια έντονη εδαφική δόνηση Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 15 / 41
Δονήσεις εδάφους Επιπτώσεις των δονήσεων στα κτίρια 1/2 Επίπεδα προκαλούμενων ζημιών Μικρορωγμάτωση: κυρίως στα επιχρίσματα Μικρές ρωγμές: επιφανειακές ρωγμές στην τοιχοποιία, κυρίως χιαστί μορφής Μεγάλες ζημιές: σημαντικές βλάβες στον φέροντα οργανισμό της κατασκευής Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 16 / 41
Δονήσεις εδάφους Επιπτώσεις των δονήσεων στα κτίρια 2/2 Παράγοντες επίδρασης στις ζημιές Είδος και χαρακτηριστικά των δονήσεων Είδος του εδάφους έδρασης Δυναμικά και ποιοτικά χαρακτηριστικά της κατασκευής Δεσπόζουσα συχνότητα Όταν η δεσπόζουσα συχνότητα φυσική συχνότητα (ιδιοσυχνότητα) της κατασκευής μέγιστες ζημιές (φαινόμενο συντονισμού) Τυπικές φυσικές συχνότητες: 5 15Hz ( όροφοι, συχνότητα) Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 17 / 41
Δονήσεις εδάφους Μέγιστη ταχύτητα δονήσεως 1/4 Ιστορική αναδρομή Rockwell (1934), Thoenen και Windes (1942): χαρακτηριστική παράμετρος η επιτάχυνση των σωματιδίων Morris (1950): χαρακτηριστική παράμετρος η μέγιστη μετατόπιση Langefors και άλλοι (1958): χαρακτηριστική παράμετρος η ταχύτητα των σωματιδίων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 18 / 41
Δονήσεις εδάφους Μέγιστη ταχύτητα δονήσεως 2/4 Μεθοδος Nicholls, Johnson και Duvall (1971) Στο εύρος 1 1000Hz η μέγιστη ταχύτητα δονήσεως των σωματιδίων έχει την καλύτερη συσχέτιση με την προκαλούμενη ζημιά Νόμος διαδόσεως της ταχύτητας δονήσεως από εκρήξεις: [ ] R b v = k v: μέγιστη ταχύτητα δονήσεως (ακτινική, εγκάρσια ή κατακόρυφη) R: απόσταση μεταξύ της θέσης εκρήξεως και της κατασκευής για R > 2 3 φορές του μήκους διατρήματος W: ποσότητα ΕΥ που εκρήγνυται ταυτοχρόνως με διαφορά από την επόμενη έκρηξη τουλάχιστον 8ms a, b, k: σταθερές οι οποίες διαφοροποιούνται ελαφρώς ανάλογα με την μετρούμενη συνιστώσα της ταχύτητας Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 19 / 41 W a Οι τιμές v < 2in/s(50mm/s) θεωρούνται ασφαλείς
Δονήσεις εδάφους Μέγιστη ταχύτητα δονήσεως 3/4 Υπαίθριες εκμεταλλεύσεις Για επιφανειακές εκμεταλλεύσεις: a = 05 Μέγιστη ταχύτητα δονήσεως [ ] R b v = k W όπου το R/ W ονομάζεται ανηγμένη απόσταση (scaled distance SD) σε m/kg 1/2 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 20 / 41
Δονήσεις εδάφους Μέγιστη ταχύτητα δονήσεως 4/4 Λογαριθμική μορφή Λογαριθμική μορφή της μέγιστης ταχύτητας δονήσεως: [ ] R log v = log k b log W όπου η εκτίμηση των k, b μπορεί να γίνει σε διπλολογαριθμικό χαρτί από μετρήσεις υπαίθρου Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 21 / 41
Δονήσεις εδάφους Εκτίμηση μέγιστης ταχύτητας δονήσεως 1/2 1 Προσεγγιστική λύση Κατά Konya (1995): [ ] R 16 v = 7144 W Άνω όριο: [ ] R 16 v = 1725 W Κάτω όριο: [ ] R 16 v = 172 W Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 22 / 41
Δονήσεις εδάφους Εκτίμηση μέγιστης ταχύτητας δονήσεως 2/2 2 Ανηγμένη απόσταση Ασφαλείς συνθήκες κατά Konya (1995): Άλλοι ερευνητές/φορείς (ΗΠΑ) 3 Επιτόπου μετρήσεις SD > 227m/kg 1/2 SD > 275m/kg 1/2 Ασφαλέστερος τρόπος εκτίμησης της μέγιστης ταχύτητας δονήσεως Μέτρηση με δονησιογράφο (σεισμογράφο) των τριών συνιστωσών της ταχύτητας Μέτρηση σε 5-6 διαφορετικές αποστάσεις Εκτίμηση των k, b με διπλολογαριθμικό χαρτί Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 23 / 41
Δονήσεις εδάφους ΚΜΛΕ Δεσπόζουσα συχνότητα Η μέτρηση μόνο της μέγιστης ταχύτητας δονήσεως δεν αρκεί Απαιτείται και η μέτρηση της δεσπόζουσα συχνότητας (δονησιογράφος) Γερμανικό πρότυπο DIN 4150-3/1999 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 24 / 41
Ωστικό κύμα Περιεχόμενα 1 Κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις 2 Δονήσεις εδάφους 3 Ωστικό κύμα 4 Εκτόξευση λίθων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 25 / 41
Ωστικό κύμα Εισαγωγή Εισαγωγή Οι ανατινάξεις δημιουργούν ωστικά κύματα ή κύματα υπερπιέσεως Θλιπτικά κύματα παρόμοια με τα P-waves Ταξιδεύουν με την ταχύτητα του ήχου (< ταχύτητα δονήσεων) Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 26 / 41
Ωστικό κύμα Χαρακτηριστικά ωστικού κύματος 1/2 Εύρος συχνοτήτων Χαμηλή περιοχή συχνοτήτων (f < 20Hz - μη αντιληπτή από το ανθρώπινο αυτί) Υψηλή περιοχή συχνοτήτων (f > 20Hz) που γίνεται αντιληπτή ως θόρυβος Μονάδες μέτρησης της έντασης του ωστικού κύματος Η ένταση του ωστικού κύματος είναι το ανάλογο της ταχύτητας δονήσεως Μετριεται σε psi ή millibar ή Pa ή decibel(db) db = 20 log P P 0 όπου P η μέγιστη μετρούμενη πίεση σε Pa και P 0 = 20 10 5 Pa ή ισοδύναμα P 0 = 29 10 9 psi Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 27 / 41
Ωστικό κύμα Χαρακτηριστικά ωστικού κύματος 2/2 Εμπειρικός νόμος διάδοσης του ωστικού κύματος [ ] R β SP = k 3 W όπου SP η υπερπίεση, W η ποσότητα ΕΥ που εκρήγνυται ταυτόχρονα, R η απόσταση και k, β σταθερές που υπολογίζονται από επιτόπου μετρήσεις Η ποσότητα 3 R ονομάζεται ανηγμένη απόσταση W ΚΜΛΕ Το ανώτατο όριο θορύβου (ωστικού κύματος) από τις ανατινάξεις είναι 134dB(00145psi) [Είναι η πίεση που προκαλεί άνεμος ταχύτητας 32km/hr] Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 28 / 41
Ωστικό κύμα Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ωστικού κύματος Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 29 / 41
Ωστικό κύμα Σχεδιασμός ασφαλούς ανατινάξεως 1/2 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 30 / 41
Ωστικό κύμα Σχεδιασμός ασφαλούς ανατινάξεως 2/2 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 31 / 41
Ωστικό κύμα Μέτρα περιορισμού ωστικής πίεσης Παράγοντες ανατινάξεως Μείωση ΕΥ που εκρήγνυται ταυτόχρονα Αύξηση βάθους τοποθέτησης του κέντρου βάρους της ΕΥ στο διάτρημα Αύξηση μήκους επιγόμωσης Αποφυγή ακαριαίας θρυαλλίδας ή επικάλυψή της με 7 10cm λεπτής άμμου Αλλαγή διεύθυνσης έναυσης υπονόμων Ατμοσφαιρικοί παράγοντες Θερμοκρασιακή αναστροφή Διεύθυνση ανέμου Μέτρο περιορισμού κατασκευή αναχώματος Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 32 / 41
Εκτόξευση λίθων Περιεχόμενα 1 Κυριότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις 2 Δονήσεις εδάφους 3 Ωστικό κύμα 4 Εκτόξευση λίθων Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 33 / 41
Εκτόξευση λίθων Εισαγωγή Εισαγωγή Το 40 60% των ατυχημάτων από ανατινάξεις οφείλεται στην εκτόξευση τεμαχίων πετρώματος βάρους μέχρι μερικές εκατοντάδες kg σε αποστάσεις 300 900m Αίτια Γεωλογικές συνθήκες Ανεπαρκές φορτίο - απόσταση μεταξύ των υπονόμων Επιλογή ΕΥ Ανεπαρκής επιγόμωση Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 34 / 41
Εκτόξευση λίθων Αίτια εκτόξευσης λίθων 1/2 Γεωλογικές συνθήκες Έντονα ρωγματωμένο πέτρωμα χαμηλά μηχανικά χαρακτηριστικά Έγκοιλα (καρστ) συγκέντρωση μεγάλης ποσότητας ΕΥ Φορτίο Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 35 / 41
Εκτόξευση λίθων Αίτια εκτόξευσης λίθων 2/2 Επιλογή ΕΥ ΕΥ με μεγάλη ωστική φάση περισσότερα εκτοξευόμενα τεμάχια Αντίθετα οι διαρρηκτικές (πχ ζελατινοδυναμίτιδα) Επιγόμωση Ανεπαρκής επιγόμωση διαφυγή αερίων προς τα πάνω που παρασύρουν και θραυσμένα τεμάχια (τουφεκισμός) ΚΜΛΕ: Μήκος επιγόμωσης μεγαλύτερο του 07B Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 36 / 41
Εκτόξευση λίθων Υπολογισμός απόστασης εκτοξεύσεως 1/3 Μοντέλο Lundborg et al (1975) } L max = 260d 2/3 T b = 01d 2/3 όπου d η διάμετρος του διατρήματος σε (in) και L max η μέγιστη απόσταση εκτόξευσης (σε m) τεμαχίου μεγέθους T b (σε m) Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί η σχέση: L max = 40d Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 37 / 41
Εκτόξευση λίθων Υπολογισμός απόστασης εκτοξεύσεως 2/3 Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 38 / 41
Εκτόξευση λίθων Υπολογισμός απόστασης εκτοξεύσεως 3/3 Μοντέλο Roth (1979) Υπολογισμός ταχύτητας εκκίνησης του τεμαχίου από το μέτωπο Πχ για ασβεστόλιθο: v 2 0 = 3 10 6 (l/m 1 ) 200 όπου l η γραμμική πυκνότητα γόμωσης σε (kg/m) και m 1 η μάζα του πετρώματος που εξορύσσεται ανά μέτρο διατρήματος (σε kg/m) Κατόπιν κατασκευάστηκαν διαγράμματα όπως στο σχήμα Ασφαλής απόσταση κατά Roth>16 φορές ως προς την παρατηρούμενη Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 39 / 41
Εκτόξευση λίθων Μέτρα προστασίας 1/2 Μέτρα προστασίας Αποφυγή βαθμίδων πάνω από 18m για την αποφυγή της παρέκλισης (σφάλμα διάτρησης) των διατρημάτων Χρήση της μικρότερης πρακτικά δυνατής διαμέτρου διατρημάτων Χρήση κεκλιμένων διατρημάτων για την αποφυγή ανομοιόμορφου φορτίου Καλός υπολογισμός φορτίου (πολύ μικρό εκτόξευση, πολύ μεγάλο κρατήρας) Καλή κατανομή ΕΥ ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του πετρώματος Μήκος επιγομώσεως ποτέ κάτω από 07B Καλός έλεγχος χρόνων επιβραδύνσεως ειδικά της πρώτης σειράς Καλή φύλαξη του χώρου ανατίναξης Το 50% των ατυχημάτων οφείλεται στην κακή φύλαξη Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 40 / 41
Εκτόξευση λίθων Μέτρα προστασίας 2/2 Ειδικά μέτρα προστασίας Κάλυψη με ελάχιστο πάχος 09m του χώρου ανατινάξεως με άμμο ή άλλο λεπτόκοκκο υλικό Πολύ συχνά σε κατοικημένες περιοχές: κάλυψη με ειδικό ελαστικό ή μεταλλικό πλέγμα Τα ειδικά μέτρα είναι πολύ αποτελεσματικά αλλά κοστίζουν πολύ Δρ Π Λιόλιος (ΜηχΟΠ) Περιβαλλοντικές επιπτώσεις 25 Νοεμβρίου 2016 41 / 41