Assessment of the seismic-blast effects on the marginal rock mass due to the amplitude-frequency characteristics of the blast

P.I. Afanasev, A.A. Belov
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation
Russian Mining Industry №3 / 2025 p.138-145

Abstract: Drilling and blasting in open pit mining operations is the primary method of preparing rocks for extraction. Despite the fact that this method is widespread in the mining industry, it has a negative impact on the rock mass and the environment. One of these negative impacts is seismic blast wave propagation in the marginal rock mass. In addition, federal norms and regulations do not take into account the seismic-explosive impact on the marginal rock mass. The paper presents the results of research on calculation of the amplitude-frequency characteristics of the seismic-blast wave with the subsequent construction of the dependence of the carrier frequency of the seismic-blast wave on the reduced distance. The main frequencies at which the frequency resonance occurs were calculated, i.e. 17–18 and 30–31 Hz. It has been found that the frequency resonances occur not only in the near zone of the blast, but also in the far zone, thereby reducing the strength of the marginal rock mass. Thus, calculating the amplitude-frequency characteristics of the seismic blast wave, it is possible to identify the places of frequency resonance origin. The results of research can be useful for design, research and production organizations of the mineral and raw materials complex, engaged in calculations of the drilling and blasting operations.

Keywords: seismic blasting, frequency resonance, blasting, open pit mining, reduced distance, carrier frequency

Acknowledgments: The research was carried out within the framework of Activity No.1 of the Integrated Scientific and Technical Program of the Full Innovation Cycle, approved by the Order of the Government of the Russian Federation dated May 11, 2022, No.1144-r.

For citation: Afanasev P.I., Belov A.A. Assessment of the seismic-blast effects on the marginal rock mass due to the amplitudefrequency characteristics of the blast. Russian Mining Industry. 2025;(3):138–145. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-3-138-145

Article info

Received: 03.03.2025

Revised: 15.04.2025

Accepted: 15.04.2025

Information about the authors

Pavel I. Afanasev – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russian Federation; https://orcid.org/0000-0001-5271-6121; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Andrey A. Belov – Postgraduate Student, Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University; Saint Petersburg, Russian Federation; e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

P.I. Afanasev – formulation of the idea and objectives of the research, verification of the research results, editing.

A.A. Belov – analysis of techniques for estimation of ground vibration velocities and methods of seismic blast wave research.

References

1. Ковалевский В.Н., Мысин А.В., Сушкова В.И. Теоретические аспекты технологии взрывной отбойки блочного камня. Горные науки и технологии. 2024;9(2):97–104. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-12-187 Kovalevsky V.N., Mysin A.V., Sushkova V.I. Theoretical aspects of block stone blasting method. Mining Science and Technology (Russia). 2024;9(2):97–104. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2023-12-187

2. Логинов Е. В., Кара С. В., Масальский С. С., Петров К. Д. Обоснование параметров системы открытой разработки при использовании комплекса экскаватор–автосамосвал в условиях Крайнего Севера. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(6):17–30. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_17 Loginov E.V., Kara S.V., Masalskiy S.S., Petrov K.D. Justification of parameters of open pit mining using truck-and-shovel systems in the Extreme North. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(6):17–30. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2024_6_0_17

3. Холодилов А.Н., Истомин Р.С., Кириленко В.И. Совершенствование метода изготовления эквивалентных материалов для моделирования нелинейных геомеханических процессов при подземной разработке полезных ископаемых. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(10):108–122. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2024/10/Kholodilov-108-122.pdf (дата обращения: 07.02.2025). Kholodilov A.N., Istomin R.S., Kirilenko V.I. Improvement technique for manufacturing equivalent materials for modeling nonlinear geomechanical processes in underground mineral mining. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(10):108–122. (In Russ.) Available at: https://giab-online.ru/files/Data/2024/10/Kholodilov-108-122.pdf (accessed: 07.02.2025).

4. Господариков А.П., Ревин И.Е., Морозов К.В. Композитная модель анализа данных сейсмического мониторинга при ведении горных работ на примере Кукисвумчоррского месторождения АО «Апатит». Записки Горного института. 2023;262:571–580. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.9 Gospodarikov A.P., Revin I.E., Morozov K.V. Composite model of seismic monitoring data analysis during mining operations on the example of the Kukisvumchorrskoye deposit of AO Apatit. Journal of Mining Institute. 2023;262:571–580. https://doi.org/10.31897/PMI.2023.9

5. Садовский М.А. Избранные труды: Геофизика и физика взрыва. М.: Наука; 2004. 440 с. Режим доступа: https://www.geokniga.org/books/21916 (дата обращения: 07.02.2025).

6. Медведев С.В. Сейсмика горных взрывов. М.: Недра; 1964. 188 с.

7. Романенко С.В., Ларионова Е.В., Малдыбаев У.А., Айдаралиев Б.Р., Ордобаев Б.С. Методика управления риском проявления оползневых процессов с учетом фактора сейсмической активности на территории Киргизской Республики. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020;(10):155–163. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/10/2865 Romanenko S.V., Larionova E.V., Muldybaev U.A., Aydaraliev B.R2, Ordobaev B.S. Risk management technique of landslides activation with account of seismic activity factor in Kyrgyzstan. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2020;331(10):155–163. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2020/10/2865

8. Новиньков А.Г., Протасов С.И., Самусев П.А. ОПЫТ Управления сейсмобезопасностью массовых взрывов. Вестник Научного центра ВостНИИ по промышленной и экологической безопасности. 2019;(3):45–53. https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2019.13.3.003 Novinkov A.G., Protasov S.I., Samusev P.A. Experience in managing earthquake safety of mass explosions. Bulletin of Scientific Centre VostNII for Industrial and Environmental Safety. 2019;(3):45–53. (In Russ.) https://doi.org/10.25558/VOSTNII.2019.13.3.003

9. Афанасьев П.И., Медина С.Я., Савон В.Ю., Картайя П.М., Гарсия де ла Круз М.И. Анализ устойчивости откосов горной дороги месторождения Camarioca Este компании Comandante Ernesto Che Guevara. Безопасность труда в промышленности. 2024;(4):78–84. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2024-4-78-84 Afanasiev P.I., Medina S.Ya., Savon V.Yu., Cartaya P.M., Garcia de la Cruz M.I. The analysis of slope stability of the mining road of the Camarioca Este Deposit of the Comandante Ernesto Che Guevara Company. Occupational Safety in Industry. 2024;(4):78–84. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2024-4-78-84

10. Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. М.: Недра; 1976. 271 c.

11. Ковальский Е.Р., Конгар-Сюрюн Ч.Б., Сиренко Ю.Г., Миронов Н.А. Моделирование реологических процессов деформирования несущих элементов камерной системы разработки для условий верхнекамского месторождения калийных солей. Устойчивое развитие горных территорий. 2024;16(3):1017–1030. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-3-1017-1030 Kovalkiy E.R., Kongar-Syuryun Ch.B., Sirenko Yu.G., Mironov N.A. Modeling of rheological deformation processes for room and pillar mining at the Verkhnekamsk potash salt deposit. Sustainable Development of Mountain Territories. 2024;16(3):1017–1030. (In Russ.) https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16-3-1017-1030

12. Ковальчук И.О., Кондрашов А.В., Добрынин А.А. Определение скорости продольной сейсмической волны с целью уточнения нарушенности массива вблизи взрываемого блока. Труды РАНИМИ. 2024;(2):35–39. https://doi.org/10.24412/2519-2418-2024-240-101-105 Kovalchuk I.O., Kondrashov A.V., Dobrynin A.A. Rock mass disturbance clarification close to blast block through p-wave measuring. Transactions of RANIMI. 2024;(2):35–39. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2519-2418-2024-240-101-105

13. Гендлер С.Г., Степанцова А.Ю., Попов М.М. Обоснование безопасной эксплуатации закрытого угольного склада по газовому фактору. Записки Горного института. 2024:1–11. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16519 (дата обращения: 12.11.2024). Gendler S.G., Stepantsova A.Y., Popov M.M. Justification on the safe exploitation of closed coal warehouse by gas factor. Journal of Mining Institute. 2024:1–11. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16519 (accessed: 12.11.2024).

14. Лопеш Г.С., Резенде А.Ф., Гажарду Арранью К.С., Вераш Э.С., Мендонса де Аморим Л.Ф., Виллалобуш М. Кальдерон Моделирование начальной волны для защиты естественных пещер при ведении горных работ. Взрывное дело. 2020;(127-84):147–170. Lopes G.S., Rezende A.F., GajardoArraño C.C., Veras E.S., Mendonça de Amorim L.F., Calderon M.V. Seed wave modeling to natural caves protection in mining operations. Explosion Technology. 2020;(127-84):147–170.

15. Маринин М. А., Поспехов Г. Б., Сушкова В. И., Поморцева А. А., Мосейкин В. В. Опыт полевых опытно-фильтрационных работ в штабеле кучного выщелачивания песчано-глинистых руд. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2024;(8):51–62. Режим доступа: https://giab-online.ru/files/Data/2024/8/Marinin-51-62.pdf (дата обращения:

12.11.2024). Marinin M. A., Pospehov G. B., Sushkova V. I., Pomortseva A. A., Moseykin V. V. Experience of trial percolation in heap leaching pile of sandy-clayey rocks. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2024;(8):51–62. (In Russ.) Available at: https://giabonline.ru/files/Data/2024/8/Marinin-51-62.pdf (accessed: 12.11.2024).

16. Надёжка Л.И., Сафронич И.Н. О затухании сейсмической энергии промышленных взрывов и определение длительности событий. В кн.: Маловичко А.А. (ред.) Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: тезисы 27-й Междунар. сейсмологической школы, г. Ташкент, 11–15 сент. 2023 г. Обнинск: Единая геофизическая служба РАН; 2023. С. 84.

17. Мороз Н.Е., Гендлер С.Г., Вьюников А.А. Газодинамические явления при проходке выработок во вмещающих породах кимберлитовой трубки «Интернациональная». Горная промышленность. 2023;(S1):96–102. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-96-102 Moroz N.E., Gendler S.G., Vyunikov A.A. Gas-dynamic phenomena in tunnel driving thought the host rocks of the ‘International’ kimberlite pipe. Russian Mining Industry. 2023;(1 Suppl.):96–102. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-S1-96-102

18. Жариков С.Н., Кутуев В.А. Разработка экспресс-метода определения параметров контурного взрывания на основе изучения взаимодействия соседних зарядов при ведении взрывных работ на карьерах. В кн.: Инновационные геотехнологии при разработке рудных и нерудных месторождений: сб. докл. 12-й Междунар. науч.-техн. конф., г. Екатеринбург, 6–7 апр. 2023 г. Екатеринбург: Уральский государственный горный университет; 2023. С. 80–86.

19. Prashanth R., Nimaje D.S. Estimation of peak particle velocity using soft computing technique approaches: a review. Noise & Vibration Worldwide. 2018;49(9-10):302–310. https://doi.org/10.1177/0957456518799536

20. Ляпин Р.Л., Косинова И.И. Техногенная сейсмичность при массовых взрывах при горнодобывающей деятельности. В кн.: Косинова И.И., Павловский А.И., Попов В.И. (ред.) Закономерности трансформации экологических функций геосфер крупных горнопромышленных регионов: материалы Междунар. науч.-практ. конф., г. Воронеж, 17–19 нояб. 2020 г. Воронеж: Истоки; 2020. С. 173–176.

21. Цирель С.В., Павлович А.А., Мельников Н.Я. Обоснование параметров бортов карьеров при крутопадающем залегании слоев. Горный журнал. 2023;(5):49–54. https://doi.org/10.17580/gzh.2023.05.07 Tsirel S.V., Pavlovich A.A., Melnikov N.Ya. Substantiation of pitwall parameters in rock mass with steeply dipping bedding. Gornyi Zhurnal. 2023;(5):49–54. (In Russ.) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.05.07

22. Dotto M.S., Pourrahimian Y. The influence of explosive and rock mass properties on blast damage in a single-hole blasting. Mining. 2024;4(1):168–188. https://doi.org/10.3390/mining4010011

23. Wang Z., Wang H., Wang J., Tian N. Finite element analyses of constitutive models performance in the simulation of blastinduced rock cracks. Computers and Geotechnics. 2021;135:104172. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104172

24. Цейтлин Я.И., Громов В.А. Расчет радиуса зоны действия взрывного шума. В кн.: Монтажные и специальные строительные работы. Серия «Общестроительные работы» Экспресс-информ. М.; 1984. Вып. 11. С. 22—26.

25. Цейтлин Я.И., Смолий Н.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов. М.: Недра; 1981. 192 с.

26. Кутузов Б.Н. Безопасность взрывных работ в горном деле и промышленности. М.: Горная книга; Изд-во Московского гос. горного ун-та; 2009. 670 с.

27. Shadabfar M., Gokdemir C., Zhou M., Kordestani H., Muho E.V. Estimation of damage induced by single-hole rock blasting: a review on analytical, numerical, and experimental solutions. Energies. 2021;14(1):29. https://doi.org/10.3390/en14010029

28. Aldas G.G.U. Explosive charge mass and peak particle velocity (PPV)-frequency relation in mining blast. Journal of Geophysics and Engineering. 2010;7(3):223–231. https://doi.org/10.1088/1742-2132/7/3/001

29. Aksoy C.O., Uyar G.G., Ozcelik Y. Comparison of Hoek-Brown and Mohr-Coulomb failure criterion for deep open coal mine slope stability. Structural Engineering and Mechanics. 2016;60(5):809–828. https://doi.org/10.12989/SEM.2016.60.5.809

30. Хасанов Н.М., Хасанов М.Н., Гуломов Ж.Б. Влияние сейсмических воздействий взрывов на устойчивость гидротехнических сооружений. В кн.: Плотников А.Н. (ред.) Строительство и застройка: жизненный цикл – 2020: материалы 5-й Междунар. (11-й Всерос.) конф., г. Чебоксары, 25–26 нояб. 2020 г. Чебоксары: Издательский дом «Среда; 2020. С. 230–237.

31. Васильева М.А., Голик В.И., Зеленцова А.А. Методы интенсификации трубопроводного транспортирования гидросмесей при закладке выработанного пространства. Записки Горного института. 2024:1–13. Режим доступа: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16502 (дата обращения: 15.01.2025). Vasilyeva M.A., Golik V.I., Zelentsova A.A. Methods of intensification of pipeline transportation of hydraulic mixtures when backfilling mined-out spaces. Journal of Mining Institute. 2024:1–13. Available at: https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16502 (accessed: 15.01.2025).

32. Акопян В.Ф., Языев Б.М., Чепурненко А.С. Расчет устойчивости грунтовых откосов при помощи методов нелинейной оптимизации. Геология и геофизика Юга России. 2023;113(1):150–161. https://doi.org/10.46698/VNC.2023.69.79.011 Akopyan V.F., Yazyev B.M., Chepurnenko A.S. Calculation of soil slope stability using nonlinear optimization methods. Geology and Geophysics of Russian South. 2023;113(1):150–161. (In Russ.) https://doi.org/10.46698/VNC.2023.69.79.011