Rambler's Top100
Институт горного дела СО РАН
 Чинакал Николай Андреевич Знак «Шахтерская слава» Лаборатория механики деформируемого твердого тела и сыпучих сред Лаборатория механизации горных работ
ИГД » Научная деятельность » ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ… » Важнейшие результы исследований…

Важнейшие результы исследований ИГД СО РАН в 2011 г.

В ОБЛАСТИ ГЕОМЕХАНИКИ

1. Проведена модернизация многоканального измерительного комплекса «Сдвиг-ИГД» для мониторинга трещинообразования в бортах глубоких карьеров в экстремальных климатических условиях Сибири и Крайнего Севера. С целью повышения надежности работы комплекса разработаны датчик смещений и дополнительный электрический модуль, усовершенствовано программное обеспечение. Система, состоящая из двух модернизированных комплексов, установлена для долговременного мониторинга на опасных к обрушению местах бортов глубокого карьера «Удачный» (республика Саха).

С помощью измерительных комплексов «Сдвиг-ИГД» получено изучены записи упругих волновых полей в условиях глубоких карьеров от мощных динамических воздействий. Установлено, что скорость движения волн смещения (маятниковых волн) составила порядка 310 м/сек. Наблюдается эффект трансляционной передачи движения от блока к блоку, которое осуществляется с некоторой задержкой, определяемой временем движения инициирующего блока при преодолении трещины, отделяющей смежные блоки. Контролируемые блоки реагируют на динамические воздействия с поворотом, определяемым степенью свободы между сцепленными блоками.

2. С использованием разработанной объемной геомеханической модели, учитывающей региональные поля напряжений, объемное геологическое строение залежи, рельеф местности, основные тектонические нарушения и изменение конфигурации выработанного пространства, проведен пространственно-временной анализ и получены количественные соотношения между числом и энергией динамических событий и параметрами напряженно-деформированного состояния массива Таштагольского железорудного месторождения. Установленную в результате проведенного пространственно-временного анализа значимую корреляционную связь можно использовать для прогнозных расчетов сейсмического режима на руднике.

3. На прессовой установке «Instron-8802» осуществлена серия экспериментов на одноосное сжатие образцов горных пород с привлечением метода лазерной спекл-фотографии для измерения поля смещений и деформаций. Синхронизированная съемка смещений точек поверхности образцов во время эксперимента произведена с помощью лазерного измерительного оптико-телевизионного комплекса ALMEC-TV.

Анализ картин локализации деформации показал, что с самого начала она распределена неоднородно (локализована в одной зоне, распределенной по всей ширине образца). Особенностью поведения этой зоны явилось ее перемещение по образцу на стадии линейного деформационного упрочнения с ростом общей деформации.

Определены скорости перемещения зон локализации. Установлено, что на стадии предразрушения образцов зоны локализации самосоорганизованно перемещаются так, что все очаги макролокализации достигают неподвижной зоны локализации одновременно. Выявлено, что неподвижная зона локализации совпадает с местом разрушения образца. Несмотря на то, что заданным видом нагружения являлось одноосное сжатие, картирование поверхности указывает на существование не только зон сжатия, но и растяжения в направлениях распространения деформаций.

4. Разработан опытный образец автоматизированного измерительного комплекса для оценки действующих напряжений в массиве горных пород и элементах инженерных сооружений. По результатам стендовых испытаний проведена модификация технических средств комплекса и корректировка программного обеспечения, опробованы процедуры выполнения всех этапов эксперимента: калибровка деформометра, измерение диаметра скважины, проверка формирования исходных данных с учетом углового положения деформометра. Вывод на экран переносного компьютера стилизованного изображения положения измерительных направлений деформометра и относительных перемещений позволяют в реальном времени контролировать фактическую деформацию скважины. В результате обеспечена возможность оперативно управлять процессом эксперимента, исключены помехи, повышена точность и достоверность определения напряжений.

5. Разработан вариант теории ползучести, учитывающий дилатансионно-сдвиговой механизм, согласно которому нормальная деформация в ортогональном к плоскости сдвига направлении пропорциональна сдвиговой деформации ползучести. Величина сдвигов определяется через напряжение и время его действия по одному из законов ползучести – старения, течения или упрочнения. Согласно принятому критерию разрушения, сдвиговая деформация ползучести достигает критической величины одновременно с критическим значением плотности. Параметры разрушения, входящие в соответствующее соотношение, определяются по результатам эксперимента.

Разработаны плоские математические модели и комплекс прикладных программ на основе концепции горного массива как среды с иерархией структурных уровней. Разработан численный алгоритм решения плоских задач и решена задача о деформировании целика горного массива. На основе метода дискретных элементов разработано программное обеспечение по моделированию движения сыпучих сред и исследована задача о гравитационном выпуске горной породы.

Экспериментально исследовано неустойчивое скольжение сыпучих материалов при мягком нагружении. Показано, что длина скачков относительных смещений частей образца при сдвиге уменьшается с увеличением жесткости нагружения. Методом триангуляции измерено изменение локальной плотности сыпучей среды при допредельном плоском деформировании за подпорной стенкой. Установлено, что локальная плотность изменяется волнообразно с характерными размерами неоднородности порядка 30 размеров частиц.

6. Исследованы обратные задачи механики твердого тела, которые могут быть применены для решения типичных проблем горного дела при недостатке информации о свойствах среды, природных напряжениях или сложности использования данных лабораторных испытаний в натурных условиях.

Предложен метод определения деформационных и прочностных характеристик закладочного массива при камерно-столбовой системе разработки месторождений, основанный на решении обратной коэффициентной задачи по данным измерения конвергенции между кровлей и почвой очистной камеры при удалении фронта горных работ.

Выполнено исследование разрешимости обратных коэффициентных задач для нахождения реологических параметров вязкоупругих сред, а также констант критерия накопления повреждений, позволяющее оценить длительную прочность целиков по изменению линейных размеров технологических элементов выработанного пространства. Показано, что, несмотря на существование нескольких решений обратной задачи, время жизни целиков определяется единственным образом.

Разработан способ определения глубины, фокальных параметров и магнитуды готовящегося сейсмического события на основе решения обратной граничной задачи «синтез эквивалентного точечного источника» по данным мониторинга поля смещений на свободной поверхности с привлечением статистических закономерностей, связывающих энергетические и силовые параметры очагов землетрясений.

7. Разработана модель для расчета размеров зоны хрупкого разрушения при взрыве сосредоточенного заряда вблизи свободной поверхности. Предполагается, что на начальном этапе взрыва разрушения происходят так же, как и при камуфлетном взрыве. После детонации заряда в среде возникает волна интенсивного дробления горной породы. После ее остановки дальнейшее разрушение происходит в результате развития радиальных трещин. Для расчетов развития осесимметричных трещин разработан численный метод разрывных смещений. Показано, что расчетное значение отношения радиуса образующейся воронки к глубине заложения заряда составляет 3–4, что подтверждается экспериментально.

8. Проведено исследование формы трещины гидроразрыва при ее развитии вблизи ранее созданной. Задача формирования повторного гидроразрыва особенно актуальна при интенсификации добычи газа в сланцевых месторождениях. Расчеты развития трещины были проведены с использованием программы, разработанной по методу разрывных смещений для расчета полей напряжений в упругой плоскости с разрезами. Получена интерполяционная формула, позволяющая рассчитать отклонение вторичной трещины гидроразрыва от прямолинейного распространения.

9. Разработан метод решения задачи Коши для массива пород в виде полупространства в случае плоскодеформированного состояния и в произвольном случае изменения напряжений и деформаций, позволяющий отыскивать внутри него дефекты в виде полостей, жестких включений, определять условия нагружения массива пород на «бесконечности» и на дефектах. Входными параметрами являются заданные на поверхности полупространства вектор напряжений Коши и вектор смещений, а также упругие, пластические характеристики массива пород. Применен конечноразностный метод Эйлеровского типа для решения обыкновенного дифференциального уравнения первого порядка. Для тестирования предложенного метода получены аналитические решения нескольких задач Коши в случае плоской деформации.

10. Выполнены экспериментальные исследования по изучению закономерностей упругопластического деформирования различных материалов (металлов, сплавов, горных пород) в допредельной и запредельной областях нагружения при сложных видах силового, деформационного и температурного воздействия. Исследован характер упругопластического деформирования пестрого сильвинита, каменной соли, песчаника и мрамора в условиях трехосного напряженного состояния: объемного сжатия и объемного сжатия со сбросом бокового давления. Установлены закономерности изменения деформационно-прочностных характеристик от уровня бокового давления, вида траектории нагружения, степени достигнутой осевой деформации в случае бокового давления. Изучено влияние видов нагружения, скорости и температуры на деформационно-прочностные свойства титанового сплава, реакторной стали и других материалов на допредельном и запредельном участках диаграммы деформирования при температурах до 700°С.

В ОБЛАСТИ ГЕОТЕХНОЛОГИИ И ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

1. Для проведения направленного гидроразрыва угольных пластов разработаны, изготовлены и испытаны в лабораторных условиях двусторонний уравновешенный полиуретановый герметизатор УПГ-72 с переменной жесткостью диаметром 72 мм и угольный щелеобразователь ЩУ-Г диаметром 42 мм. В 2011 г. метод направленного гидроразрыва труднообрушающихся кровель получил золотую медаль и диплом на международной выставке-ярмарке «Экспо-уголь» в г. Кемерово.

2. Усовершенствована конструкция фотоэлектрохимического реактора, позволяющего за счет реализации комплекса электрохимических, фотохимических и фотокаталитических процессов в исходном растворе синтезировать высокоактивные окислители и комплексообразователи, формирующие гидратированные ион-радикальные кластеры.

С использованием растворов, подготовленных в фотоэлектрохимическом реакторе (Ж : Т = 1 : 10÷1 : 12) осуществлялось окисление минеральных матриц и выщелачивание золота, серебра и меди в диффузионном режиме из агломерированных хвостов обогащения ряда Забайкальских предприятий.

По независимой оценке аттестованных лабораторий во всех случаях получены положительные результаты. Например, извлечение золота в жидкую фазу и на сорбент составило более 80% (при стандартном цианировании – не более 35%).

3. Предложен метод селективной флотации тонких минеральных частиц. В качестве реагента-собирателя для флотационного разделения тонких частиц минералов предложено использовать химическое соединение, скорость растекания которого позволяет удалить воду из прослойки только для одного из разделяемых минералов. Установлены скорости увеличения радиусов пятен сравниваемых реагентов, растекающихся по воде. Реагент с большей скоростью растекания имеет лучшие показатели по флотации.

4. С целью повышения надежности принимаемых проектных решений выполнена классификация типов геомеханических условий отработки рудных месторождений основных горнодобывающих регионов мира в привязке к слагающим их тектоническим структурам, для которых установлены корреляционные связи максимальных и минимальных напряжений с ростом глубины.

Выделено 4 типа условий отработки, характеризующиеся разными соотношениями величин и направлений действия преобладающих напряжений, которыми охвачено более 80% разрабатываемых рудных месторождений. Около 60% из них отрабатываются на глубинах до 1500–2000 м в условиях преобладания горизонтальных напряжений, ориентирующихся ортогонально простиранию геологических нарушений.

Классификация позволяет по характеристике и особенностям тектонических структур отнести новые месторождения к определенному типу геомеханических условий отработки и по полученным исходным данным с большой достоверностью прогнозировать параметры действующих напряжений, обосновывать способы управления горным давлением, порядки развития горных работ, системы разработки и их параметры.

5. Выполнен анализ режима горных работ и влияния угла наклона рабочего борта разреза на пологопадающих угольных месторождениях при различных сочетаниях углов падения пласта и рельефа поверхности на величину текущих объемов вскрыши. Установлено, что наибольшее влияние на режим горных работ оказывают, соответственно, углы косогора, рабочего борта и падения пласта. Чем больше сумма углов падения пласта и косогора, тем больше разница годовых объемов вскрыши. Предложена технология разработки месторождения с увеличенным углом наклона борта разреза, позволяющая существенно снизить текущие объемы вскрыши. Целесообразность использования технологии определяется рельефом поверхности и углом падения пласта.

6. Предложен алгоритм расчета водохозяйственного баланса разреза с применением на вскрышных работах средств гидромеханизации (на примере Урюпского месторождения КАТЭКа), учитывающий: параметры гидравлической системы, водопритоки с водосборной площади, связанные с технологическими и природными процессами потери воды, характер изменения параметров выработанного карьерного пространства, количественные и качественные показатели водопотребления.

Алгоритм позволяет оценить и выбрать в любом временном интервале оптимальные параметры водохозяйственного режима разреза с рациональным использованием гидроресурсов месторождения.

7. На шахте «Киселевская» (ХК «СДС–Уголь», Кузбасс) проведены экспериментальные исследования по вибрационному разупрочнению и обрушению крутопадающих угольных пластов, отрабатываемых в настоящее время узкими полосами по восстанию с применением буровзрывных работ и подвесной предохранительной крепи ППК-4.

В результате направленного воздействия на пласт виброснарядом ВСМ-25, развивающего амплитуду силы около 12 тонн на частоте 20 Гц, произошло эффективное разрушение и полное обрушение купола очистной камеры на сопряжении вентиляционной скважины со сбойкой.

Полученные положительные результаты позволяют рекомендовать метод вибрационного воздействия для разупрочнения и обрушения угольных пластов крутого падения при отработке их механизированными комплексами подэтажной выемки (КПВ) без применения буровзрывных работ. Метод вибрационного воздействия на угольный пласт позволяет повысить безопасность очистных работ и снизить потери угля в целиках между демонтажным и вентиляционным штреками.

8. Проведена серия экспериментальных исследований по моделированию техногенной сейсмичности и геодинамической активности, возникающих в процессе выемки слепых рудных тел на ударооопасных рудных месторождениях Горной Шории. Установлено, что при технологических взрывах с массой ВВ 250–280 т. с применением параллельно-сближенных скважинных зарядов ВВ увеличенного диаметра (155–250 мм) на снижение скорости колебаний и максимального смещения почвы оказывают влияние распределение массы ВВ по ступеням замедления и местоположение выработанного пространства.

9. Проведена сравнительная геомеханическая оценка систем разработки подэтажного и этажного обрушения с торцовым, площадно-торцовым и донным (базовый вариант) выпуском руды на железорудных месторождениях Западно-Сибирского металлургического комплекса.

В результате выполненного математического моделирования установлено, что минимальные напряжения в выделенных горно-геологических условиях возникают при системе разработки подэтажного обрушения с торцовым выпуском руды. Геотехнология с площадно-торцовой схемой подготовки доставочного горизонта по напряженному состоянию является допустимой при условии крепления кровли заездов и более предпочтительной с точки зрения полноты и качества извлечения запасов по отношению к торцовому варианту. Условия применения системы разработки этажного обрушения с донным выпуском руды можно охарактеризовать как предельно допустимые, вследствие проблематичности поддержания выработок, формирующих днище блоков.

В ОБЛАСТИ ГОРНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО МАШИНОВЕДЕНИЯ

1. В области направленного бурения горизонтальных скважин в грунте экспериментально установлено, что достаточный для выполнения работ радиус поворота скважины R = 22–25 м достигается оснащением буровой установки ударным механизмом с асимметричным клином при отношении смещения вершины клина от оси симметрии к его максимальному поперечному размеру Δ = 0.3–0.7 в зависимости от физико-механических свойств грунта. В этом случае отклонение траектории скважины на величину до 0.1 м может быть компенсировано на длине хода менее 2 м, что обеспечивается изначальной установкой рабочего органа по оси сооружаемой скважины и полностью соответствует требованиям к точности проведения скважины.

2. Проведены исследования по повышению эффективности вибрационного уплотнения мелкодисперсного материала в замкнутом объеме. Установлено, что при формировании функционально – градиентного уплотненного массива дисперсного материала значительной (до 500…600 мм) высоты при увеличении его высоты от 100 до 480 мм затухание виброскорости в массиве при вибрационном воздействии происходит по экспоненциальному закону, при этом с увеличением глубины плотность материала уменьшается не более, чем на 10 %. Создана вибропрессовая установка, с помощь которой впервые в алюминиевой промышленности проведена футеровка цоколей электролизеров неформованными дисперсными материалами на всю глубину.

3. В области вентиляции транспортных тоннелей обоснован способ регулирования расхода воздуха через станции метрополитена мелкого заложения путем изменения аэродинамического сопротивления циркуляционных сбоек и выявлен диапазон его изменения. Доказано, что уменьшение площади поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек от 46 м2 до полного их перекрытия ведет к увеличению расхода воздуха от поршневого действия поездов через платформенные залы станций, в зависимости от частоты их движения, в 1.1–6.4 раза, при этом расход воздуха через вестибюли станций увеличиваются не более чем на 10 %.

4. В области исследования электротехнических систем экспериментально установлено, что как в динамическом, так и в статическом режиме температура на контактной поверхности и на керамическом корпусе таблеточного тиристора практически одинакова. Следовательно, термопары целесообразно устанавливать не в контактной поверхности тиристора, а на его корпусе, что исключит высоковольтные гальванические развязки, уменьшит трудоемкость изготовления системы в целом и существенно упростит её электрическую схему.

5. Для геофизических исследований породного массива на малых (до 100 м) глубинах с целью увеличения интенсивности сейсмического сигнала создан опытно-промышленный образец компрессионно-вакуумной ударной машины (сейсмоисточника) двойного действия, обеспечивающий, по сравнению с установкой гравитационного типа, увеличение интенсивности разгона бойка и его предударной скорости в 1.5–1.8 раза и, соответственно, энергии единичного удара в 2.5 раза, что существенно повышает удельные энергетические характеристики при ограничениях на массогабаритные параметры.

6. Экспериментально исследовано поведение поворотных грунтовых анкеров во времени под воздействием динамических нагрузок. Установлено, что несущая способность анкеров, сооруженных в основании, сложенном суглинками, при длительных динамических возмущениях, не вызывающих деформации грунта в области пяты анкера, не изменяется. При динамических воздействиях, приводящих к деформациям грунта, анкеры теряют несущую способность не более чем на 10–15 %.


Версия для печати  Версия для печати (откроется в новом окне)
Rambler's Top100   Рейтинг@Mail.ru
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт горного дела им. Н.А. Чинакала
Сибирского отделения Российской академии наук
Адрес: 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект, 54
Телефон: +7 (383) 205–30–30, доб. 100 (приемная)
Факс: +7 (383) 217–06–78
E-mail: mailigd@misd.ru
© Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 2004–2021. Информация о сайте