Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2024 номер 2S

Рассматриваются вопросы обоснования и постановки проблемы безопасного недропользования Земли в усложняющихся горно-геологических и природно-климатических условиях, роста глубины и масштабов разрабатываемых месторождений. Показано, что в современных условиях развития фундаментальных и прикладных исследований созданы предпосылки для успешного ее решения. В России они связаны с установлением энергетической основы для главных механизмов формирования и особенностей развития очаговых зон повышенной концентрации напряжений и деструкции массивов горных пород и геоматериалов, обладающих блочно-иерархической структурой, многофазностью и проявляющих свойства открытых самоорганизующихся геосистем в тектоническом поле напряжений и деформаций. С использованием современных достижений нелинейной геомеханики и геофизики, облачных Big Data информационных технологий развивается новый методологический подход, а также технические средства, программные комплексы для формирования многослойной геоинформационно-мониторинговой системы диагностики, контроля и прогнозирования промышленной и экологической безопасности горнодобывающих регионов России. Особое внимание уделено научно-геотехнологическому потенциалу, связанному с масштабным фактором явления зональной дезинтеграции многофазных массивов горных пород блочно-иерархической структуры, а также его ключевой роли в описании квазистатических процессов самоорганизации массивов при образовании подземных полостей различного целевого назначения.

Выполнено одноосное сжатие комбинированных угольно-породных образцов с тремя различными значениями относительного коэффициента прочности при четырех значениях скорости нагружения с целью определения влияния указанных параметров на механические свойства образцов. Относительный коэффициент прочности λ представляет собой отношение прочности на сжатие породы к соответствующей прочности угля. Показано, что при изменении скорости нагружения на механические свойства оказывает влияние как более прочный, так и менее прочный компоненты образца. Пиковое напряжение и модуль упругости в основном определяются менее прочным компонентом, а пиковая деформация - обоими компонентами. Соотношение между пиковой деформацией и скоростью нагружения зависит от прочности менее прочной составляющей. На соотношение между механическими свойствами и относительным коэффициентом прочности λ скорость нагружения не влияет. Менее прочный компонент в комбинированном образце угля и породы является основным разрушающимся элементом, и чем больше значение λ, тем более выражено разрушение этого компонента. При увеличении λ характер разрушения изменяется от разрушения обоих компонентов к разрушению только менее прочного.

Изучено распространение P-волн в блочном массиве горных пород, составленном из элементов с разрывными нарушениями в поперечном и продольном направлениях. Анализировались скорость продольной волны, ускорения блоков, кинетическая энергия, смещения и частотно-временные зависимости. Установлено, что при нарушениях блочной структуры скорость продольной волны уменьшается, время вступления отклика по ускорениям увеличивается, максимальное ускорение и кинетическая энергия снижаются. При поперечном разрушении блоков их ускорение и кинетическая энергия уменьшаются в окрестности зоны разрушения в бόльшей степени, чем при продольном. При поперечном разрушении доминантная частота ускорения и кинетическая энергия в окрестности зоны разрушения имеют пониженные значения, доминантная частота смещения - повышенное. При продольном разрушении наблюдается задержка во времени вступления доминантных частот отклика блочной модели среды на динамические воздействия в зоне, удаленной от места нарушения структуры.

Исследован механизм разрушения корней ивы в засушливых и полузасушливых регионах Китая. Методом акустической эмиссии проанализировано разрушение корня при его растяжении. Фрактальная размерность сечения разрыва корня рассчитана с помощью технологии обработки цифровых изображений. Показано, что прочность на растяжение и предельное удлинение корня уменьшаются с увеличением его диаметра. Выявлено, что при увеличении диаметра корня прочность на сдвиг уменьшается. Акустическая эмиссия позволяет не только количественно описать характер разрушения корня, но и определить его критическое удлинение, когда корень перестает воспринимать нагрузку. Предложены оптимальные глубины ведения горных работ, позволяющие снизить деформацию поверхности, избежать повреждения корневой системы и сохранить растительность на поверхности.

Для прогнозирования развития и местоположения разделительной трещины в условиях очистного забоя 8006 угольной шахты на севере Китая представлен расчет напряжений на границах литологического раздела породных слоев исходя из принципа составной балки. С помощью сети оптоволоконных датчиков осуществлен мониторинг слоистых толщ пород, склонных к осадке. Полученные результаты испытаний с высокой точностью отражают характеристики деформаций налегающих пород в поле измерений и представляют теоретические основы для практических рекомендаций по применению тампонажа налегающих пород в рассматриваемой угольной шахте. Результаты исследований показали, что при полной отработке угольного пласта на вертикальном расстоянии 265 м от его кровли образуется разделительная трещина между слоями крупнозернистого песчаника и аргиллита. Цементация, или тампонаж, в таких случаях является эффективным способом укрепления подобных разделительных трещин.

На основе исследований механизмов деформирования оснований тоннелей, построенных в наклонно-слоистых породных массивах, предложены ограничения и требования к совершенствованию конструкций тоннелей для высокоскоростных поездов Китая. Разработана физическая модель основания, проведены эксперименты и определено взаимодействие среды с элементами тоннелей при разных условиях нагружения. С помощью численного моделирования исследовано влияние кривизны обратного свода обделки тоннелей на деформации основания тоннеля и установлена эффективность углубления обратного свода на деформации подстилающего пространства основания тоннеля. Представлена система контроля и противодействия деформационным нарушениям оснований тоннелей, расположенных в наклонно-слоистых породах.

Предложен метод предотвращения выброса угля на основе использования энергопоглощающей способности крепи. Спроектирована специальная энергопоглощающая гидравлическая горная крепь арочного типа для круговых и арочных выработок, состоящая из трех элементов и рассчитанная на некоторую пороговую нагрузку, при превышении которой крепь осуществляет смещение, соответствующее деформации породы, что сопровождается быстрым поглощением ударной энергии. Испытано два энергопоглощающих элемента и показано, что предел текучести односекционного противоударного элемента составляет 1840 кН, при сжатии его на 100 мм поглощается 180 кДж энергии. Средний предел текучести двухсекционного противоударного элемента составил 2460 кН, поглощение энергии при сжатии на 100 мм - 410 кДж. Оба элемента с общей энергопоглощающей способностью более 700 кДж использованы в энергопоглощающей гидравлической крепи арочного типа, установленной на действующей шахте.

Методом георадиолокации исследованы бетонные конструкции на наличие дефектов в виде внутренних слоев. Выявлены зависимости изменения модуля коэффициента отражения сигнала георадара от вариации толщины слоя и электромагнитных свойств заполняющего материала (песок, влажный песок или воздух). В основу экспериментальных и численных исследований положен метод peak-to-peak amplitudes ratio, который позволил определить коэффициенты Френеля для верхней и нижней границ слоя. Минимальная толщина слоя, которую удалось зафиксировать с помощью георадара, составила 2 мм.

Рассмотрена задача изучения сдвижений и деформаций земной поверхности месторождения “Алмаз-Жемчужина” геодезическими методами. Исходной информацией для оценки параметров и закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния послужили наблюдения за современными геодинамическими движениями, выполненные на геодезических знаках технологиями спутниковой геодезии GPS/ГЛОНАСС. Предложенный научный подход и методические положения применения результатов исследования трендовых и цикличных геодинамических движений позволили определить параметры природного напряженно-деформированного состояния массива горных пород и районировать территорию по уровню их проявления.

Для исследования факторов, определяющих риск горного удара в подземных выработках, выполнено одноосное нагружение образцов угля при различных температурных условиях. Рассмотрены параметры высвобождения энергии нагретого угля, изменение физико-химических свойств, характер образования трещин при различных нагрузках. Рассчитаны и проанализированы изменения термомеханического состояния образцов угля и выявлены критические условия для системы “уголь - порода” при нагреве. Изучение параметров высвобождения энергии угля при увеличении температуры позволит заложить теоретические основы для комплексного контроля за динамическими событиями и для предотвращения катастроф в глубоких угольных шахтах.

Разработана экспериментальная установка для определения энергопоглощения при испытании образцов угля на ударное сжатие. Получена корреляционная зависимость между удельным объемом скважины в образце и уровнем поглощения их энергии. Установлено, что изменение расположения двух-трех скважин в образце оказывает малое влияние на уровень поглощения энергии. Выявлено, что в пробуренном образце за счет концентрации напряжений вокруг скважин образуется большое количество микротрещин. При этом трещины в образцах с несколькими скважинами соединяются друг с другом, преобразуя энергию удара в разрушение и повышая способность угля к энергопоглощению.

Рассмотрена прогнозная концепция научно обоснованного решения задач горного производства на больших глубинах. Исследуется возможность развития решений соответствующих проблем и их инструментарий. Рассмотрены конструкции скважинного заряда в форме пучка сближенных скважинных зарядов с эффектом направленного действия взрыва, который достигается варьированием в широких пределах конфигурацией пучкового заряда. Альтернативные технические возможности бурения скважинных зарядов позволяют одну и ту же эквивалентную энергию по-разному рассредоточить в одинарные заряды большого диаметра и пучковые уменьшенного. Механизм взрывного процесса пучкового заряда существенно расширяет диапазон его применения, используя новые подходы при решении проблем горного производства на разных глубинах. Некоторые технологические аспекты систем разработки в различных горных породах представлены результатами моделирования численным методом сглаженных частиц нового подхода к взрывному воздействию. Получены предварительные оценочные результаты исследований в данном направлении.

Предложена математическая модель трещины, учитывающая процессы разрыва структурных связей на микроуровне (в масштабе десятков микрон), мезоуровне (в масштабе миллиметров и сантиметров), а также взаимодействие структурных фрагментов на макроуровне (для трещин более десятков сантиметров). В модели использованы два геометрических критерия развития трещины, связанные со структурой породы и определяющие переход с одного масштабного уровня на другой. Решена задача о напряженно-деформированном состоянии упругой среды вблизи трещины при изменении ее длины и масштаба влияния. Оценивается предельно равновесное состояние трещины. Показано, что для трещины мезоуровня такое состояние является неустойчивым, поэтому мезотрещина может развиваться в динамическом режиме и в этом режиме должна прорасти на макроуровень. Достаточно протяженные макротрещины могут расти в режиме квазистатики, поскольку их развитие должно происходить за счет автономного продвижения концов.

Для снижения параметров деформирования горных пород, склонных к пучению и пластическому деформированию, развитию гео- и газодинамических явлений, предложена технология формирования консолидированного закладочного массива на основе солеотходов и оборотного рассола обогатительной фабрики с расходом его в пределах границы влагоотдачи. Выполнен комплекс лабораторных исследований по поиску составов закладочной смеси, адаптированных к условиям разработки глубокозалегающих калийных месторождений с оценкой их деформационных и прочностных характеристик. Представлены новые принципы и технико-технологические решения по доставке закладочных материалов и извлечению запасов глубокозалегающих пластов сильвинита путем создания в очистном подземном пространстве горнотехнических конструкций, обеспечивающих формирование консолидированных закладочных массивов с коэффициентом заполнения выработанного пространства, близким к единице. Это позволит увеличить извлечение сильвинита за счет частичной отработки запасов междукамерных и барьерных целиков.

Алгоритм машинного обучения XGBoost используется для оценки природного поля напряжений. С применением метода корреляции Пирсона установлено, что характерными параметрами каротажа, наилучшим образом коррелирующими с минимальным значением горизонтального (тектонического) напряжения, являются данные спектрального гамма-каротажа, глубокого каротажа, индукционного каротажа, акустического каротажа, глубина залегания и содержание в породе кальция, а с максимальным значением горизонтального (тектонического) напряжения - глубина, данные спектрального гамма-каротажа, каротажа самопроизвольной поляризации, кавернометрии и плотностного каротажа. Результаты модели XGBoost сравнивались с моделью линейной регрессии, моделью опорных векторов и моделью случайного леса. Для проверки общей способности модели выполнена k -блочная перекрестная валидация. Показано, что алгоритм XGBoost позволяет прогнозировать природные напряжения в породе на основе малого объема исходных данных с точностью 94 % и высоким уровнем генерализации данных. Модель линейной регрессии обладает наибольшей скоростью расчета и минимальной точностью прогнозирования. Модели опорных векторов и случайного леса показали приемлемую точность. Полученные с помощью алгоритма XGBoost результаты универсальны и могут использоваться при решении проблем, связанных с прогнозированием природного поля напряжений в горных породах.