Rambler's Top100
Институт горного дела СО РАН
 Чинакал Николай Андреевич Знак «Шахтерская слава» Лаборатория механики деформируемого твердого тела и сыпучих сред Кольцевые пневмоударные машины для забивания в грунт стержней
ИГД » Научная деятельность » ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ… » Важнейшие результы исследований…

Важнейшие результы исследований ИГД СО РАН в 2012 г.

Программа VII.60.1. «Нелинейные геомеханические процессы: физико-механические свойства, экспериментальные исследования и моделирование квазистатического и динамического поведения блочно-иерархических геосред, техногенные катастрофы». Координатор – чл.-корр. РАН. В. Н. Опарин.

1. Разработана методика и проведены расчеты развития трещины гидроразрыва вблизи существующей трещины, в плоской и пространственной осесимметричной постановках задач теории упругости. Полученное решение лежит в основе нового метода проведения множественного гидроразрыва при добыче углеводородного сырья (проект 60.1.7).

2. Установлены новые закономерности изменения плотности сыпучего материала при знакопеременном нагружении, а также чередующаяся последовательность в образовании зон уплотнения и разрыхления геоматериалов в процессе их деформирования (проект 60.1.6).

3. Экспериментально исследовано пластическое течение и особенности образования зон микро- и макролокализации деформаций при разных видах напряженного состояния горных пород (песчаник, мрамор, сильвинит) и с различными скоростями их деформирования (0.02–0.2 мм/мин) на прессовой установке «Instron-8802». Для измерения векторов микроперемещений использовался метод цифровой спекл-фотографии (проект 60.1.7).

4. Впервые построены волновые пакеты для осредненных компонент тензора микродеформаций εх и εу при одноосном сжатии образцов и с помощью преобразования Фурье определены соответствующие им амплитудно-частотные характеристики для различных стадий нагружения. Это позволило установить, что на стадии упругого деформирования (при нагрузках, не превышающих 0.5 σвр, σвр – пиковая нагрузка) колебания компонент тензора микродеформаций практически отсутствуют. На стадии деформирования при значениях напряжений от 0.5 σвр до предела прочности амплитуды колебаний микродеформаций существенно возрастают и сохраняют значения такого порядка на стадии постпиковой нагрузки. На стадии остаточной прочности амплитуды колебаний компонент тензора микродеформаций уменьшаются в 3–5 раз относительно амплитуд на предыдущих двух стадиях деформирования. Достигнутый результат имеет принципиальное значение для создания новых методов прогнозирования катастрофических событий в природных и технических системах (проект 60.1.7).

5. На базе решения обратных задач разработан новый метод определения деформационно-прочностных параметров эквивалентных моделей и, в частности, закладочных массивов по данным измерений относительных смещений контура очистного пространства. Определена целевая функция, отражающая различия расчетных и экспериментальных смещений по вертикали и горизонтали для установления упругих параметров закладочного массива, а также целевая функция, показывающая различия расчетных и экспериментальных смещений по вертикали, для установления прочностных параметров закладочного массива (проект 60.1.5).

6. Впервые в натурных условиях Таштагольского рудника экспериментально доказано, что имеет место значительное изменение скорости распространения упругой волны от изменения энергии импульсного воздействия при прохождении тектонического разлома в системе «рудное тело (магнетит) – порода разлома (сланец, роговик) – рудное тело». Имеет место возрастание скорости регистрируемых упругих волн с увеличением энергии источников их возбуждений. Как оказалось, экспериментально установленные зависимости первых вступлений упругих волновых пакетов от энергии импульсных воздействий описываются кинематическим выражением Опарина В. Н., полученного им для волн маятникового типа (µ-волны) и согласно которому: скорость относительного трансляционного движения неупруго «соударяющихся» геоблоков определяется непосредственно энергией импульсного источника, массой работающих геоблоков для µ-волн и характером затухания передаваемой геоблокам энергии за счет неупругого соударения и трения с расстоянием от источника возмущения (проект 60.1.1).

7. На основе концепции неархимедового пространства разработаны плоские математические модели геосреды с учетом иерархии структурных уровней. В случае анизотропного упругого поведения «тяжелого» горного массива решена задача о деформировании пород в окрестности подземной выработки. Показано, что увеличение числа независимых упругих констант позволяет описать более тонкие эффекты анизотропного распределения напряжений и деформаций (проект 60.1.5).

8. Разработана методика экспериментального определения изменений локальной плотности сыпучего материала при плоской деформации. Установлено, что на допредельной стадии деформирования в очаге деформации возникают области уплотнения и разрыхления, а геоматериал приобретает дополнительную внутреннюю регулярную структуру (проект 60.1.6).

9. Выполнено экспериментальное и теоретическое моделирование особенностей распространения нелинейных упругих волн в блочной среде. Эксперименты проводились на одномерных и двухмерных моделях: вертикальной сборке силикатных кирпичей, помещенной в гидравлический пресс и двухмерной сборке блоков из оргстекла. Возбуждение колебаний производилось ударом. Для регистрации колебаний структурных элементов использовались акселерометры КД91, сигналы с которых в цифровом виде записывались в компьютер. В результате обработки данных для каждого усилия сжатия сборок определялись скорость распространения маятниковой волны, ее амплитуда и период.

Впервые экспериментально доказано, что по изменению скорости распространения маятниковой волны можно судить об изменении напряженного состояния контролируемой области породного массива. Для теоретического описания распространения упругих волновых пакетов использовались модели двумерной сборки из жестких блоков с податливыми прослойками и решетки масс, соединенных вязкоупругими пружинами.

Получено удовлетворительное соответствие теории и эксперимента в низкочастотной области спектра. Установлено, что высокочастотные колебания, зафиксированные в эксперименте, соответствуют собственным колебаниям геоблоков, которые быстро затухают по мере распространения волны. Сравнение полученных данных указывает на работоспособность теоретических моделей для описания низкочастотных упругих волн в блочных средах и открывает возможность использования их для решения обратных задач определения структуры блочной среды и горного давления по динамико-кинематическим характеристикам волн маятникового типа (проект 60.1.1).

10. Разработан опытный образец автоматизированного измерительного комплекса для оценки действующих напряжений в массиве горных пород и элементах инженерных сооружений. Комплекс позволяет непосредственно на месте проведения эксперимента в режиме реального времени управлять процессом проведения эксперимента, контролировать все его этапы, осуществлять запись результатов, последующую их обработку, статистическую оценку и архивацию. Применение этого комплекса повышает надежность и достоверность оценок величин напряжений, сокращает время и затраты на реализацию метода. Надежность и работоспособность измерительных комплексов при многократном воспроизводстве эксперимента в широком диапазоне внешних условий и нагрузок доказана испытаниями в натурных условиях бетонной плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШ ГЭС) ВГУП и в массиве горных пород криолитозоны на руднике «Интернациональный» АК «АЛРОСА» (проект 60.1.3).

11. Разработан полевой приборный комплекс для определения деформационных и прочностных свойств горных пород. Результаты тестирования комплекса в полевых условиях свидетельствуют об эффективности его использования для оперативной оценки механических свойств горных пород и бетона непосредственно на объекте исследования запаса прочности контролируемого элемента сооружения. Для применения на горнорудных предприятиях АК «АЛРОСА» в 2012 г. институту «Якутнипроалмаз» передан приборный комплекс и «Инструкция по определению прочностных и деформационных свойств горных пород и геоматериалов» (проект 60.1.3).

12. Разработан новый методический подход по комплексному применению экспериментальных и численных методов расчета НДС породного массива для оценки, прогноза и контроля геомеханического состояния элементов инженерных сооружений. Это позволило разработать и передать для использования на СШ ГЭС «Методическое руководство по проведению наблюдений и обработке данных измерений деформаций и напряжений в бетоне плотины для контроля состояния сооружения в эксплуатационный период», а также использовать при разработке «Проекта гидрогеомеханического мониторинга подкарьерной потолочины рудника «Айхал» АК «АЛРОСА» (проект 60.1.3).

Программа VII.60.2: Горное и строительное машиноведение: проблемы взаимодействия природных и технических систем при создании технических средств и технологий для разведки, добычи и переработки полезных ископаемых, а также подземного строительства. Координатор – д.т.н., проф. Б. Н. Смоляницкий.

1. В области создания техники для выполнения специальных работ в подземном строительстве установлено, что повышение производительности погружения в грунт конструкционных элементов целесообразно осуществлять пневмомолотом с упругим клапаном в системе воздухораспределения за счет увеличения частотной компоненты ударной мощности при повышении рабочего давления сжатого воздуха (проект 60.2.1).

2. Исследован рабочий цикл пневмомолота при давлении энергоносителя 2.5 МПа и определены значения конструктивных параметров, обеспечивающих получение максимальной частоты ударов при заданном значении их энергии и ограничении на расход энергоносителя. Созданы и испытаны в производственных условиях на предприятии «Атон» при сооружении оснований опор ЛЭП опытные образцы пневмомолотов (проект 60.2.1).

3. В области направленного бурения горизонтальных скважин в грунте впервые разработан экспериментальный образец бурового комплекса для проходки протяженных скважин в грунтах с транспортированием разрушенного грунта сжатым воздухом по горизонтальному вращающемуся трубопроводу постоянного круглого сечения и возможностью коррек-тировки траектории скважины. Проведены его производственные испытания на строительных объектах ООО «Сибтехэнергосервис» г. Новосибирска, которые подтвердивли преимущества перед аналогами. Установлено, что техническая производительность комплекса в 2–3 раза выше, чем у аналогов, исключаются климатические ограничения на работу, обеспечивается экологически более чистый технологический процесс бурения (проект 60.2.1).

4. В области создания вибрационной техники для горного дела, строительства и металлургии установлено, что при формировании функционально – градиентного уплотненного массива дисперсного материала с увеличением его высоты от 100 до 480 мм затухание виброскорости в нём при вибрационном воздействии происходит по экспоненциальному закону, при этом с увеличением глубины плотность материала уменьшается не более, чем на 10%. Результаты исследований положены в основу создания экспериментальной вибропрессовой установки, производственные испытания которой проведены на ОАО «РУСАЛ Саяногорск». Впервые в мире проведена футеровка цоколей электролизеров неформованными дисперсными материалами на всю глубину (проект 60.2.2).

5. Обоснованы новые схемы отвалообразования, в которых перемещение породы в отвал осуществляется вибрационными питателями, обеспечивающими наиболее благоприятные условия для безопасного перемещения в отвал вскрышных пород без использования большегрузных автосамосвалов и бульдозеров в опасной приконтурной зоне отвалов. Создан не имеющий аналогов экспериментальный самоходный гидрофицированный вибрационный отвалообразователь, испытания которого проведены на полигоне ИГД СО РАН «Зеленая горка» (проект 60.2.2).

6. Разработаны аэродинамические схемы для шахтных и тоннельных осевых вентиляторов со сдвоенными листовыми лопатками рабочего колеса. Выполнены исследования изгибных и крутильных деформаций коренных и трансмиссионных валов вентиляторов в зависимости от конструктивного исполнения вентиляторного агрегата. Проведена оценка устойчивости и надежности шахтных и тоннельных вентиляторных агрегатов.

Результаты исследований используются при проектировании вентиляторных агрегатов с осевыми регулируемыми на ходу вентиляторами для Новосибирского метрополитена и шахт Кузбасса (проект 60.2.4).

7. Адаптирована программа расчета воздухораспределения (IRS * Вентиляция – ПЛА) в вентиляционных сетях шахты Таштагольского филиала «Евразруда». Разработана методика расчета воздухораспределения на участках шахты, которые подверглись бы горному удару вследствие массового взрыва или других мощных динамических явлений в массиве горных пород при отработке месторождения, с учетом прогнозных данных. Проведена оценка аварийных режимов и расчет воздухораспределения на участке технологического блока № 20–21 рудного поля Восточного участка Таштагольского месторождения в этаже (–350) – (–280) м. Результаты рекомендованы к реализации в проектах по массовым взрывам блоков и планах ликвидации аварий (проект 60.2.3).

8. В области силовой электроники разработаны тиристорный преобразователь на мощных тиристорах Т273–2000–28 преобразователей систем возбуждения СТС-КНФР-350–1500–2,5–10,5–11Е-РВ с естественным охлаждением и цифровой регулятор возбуждения турбо (гидро) генераторов АРВ-НФ для систем возбуждения турбо-генераторов Краснодарской и Павлодарской ТЭЦ (проект 60.2.3).

9. В области создания невзрывных сейсмоисточников продольных волн для геофизических исследований породного массива на малых глубинах с целью увеличения интенсивности сейсмического сигнала создан опытный образец переносного автономного сейсмоисточника, превосходящего известные мировые и отечественные. Совместно с ГИ УрО СО РАН проведены производственные испытания сейсмоисточника на объектах г. Березняки, которые показали, что он обеспечивает проведение работ в стесненных условиях и на пересеченной лесистой местности, а его энергии достаточно для построения геологического разреза в интервале глубин 100–250 м (проект 60.2.4).

10. В области создания техники для бурения скважин на подземных и открытых горных работах обоснованы инновационные (с увеличенным средним давлением воздуха) рабочие циклы погружных пневмоударников, существенно (до 50%) повышающие энергию удара, и буровой инструмент, обеспечивающий разрушение породного массива с минимальной энергоемкостью; созданы и в натурных условиях рудников ООО «Евразруда» и на карьерах ОАО «Новосибирск Взрывпрома») испытаны погружные пневмоударники и расширители скважин диаметром до 250 мм. По ударной мощности, приходящейся на единицу веса машины и расходу воздуха на единицу мощности они превосходят лучшие зарубежные аналоги (пневмоударники СОР Фирмы «Атлас Копко», Швеция) (проект 60.2.4).

11. Проведены опытно-промышленнные испытания буровых станков СБР-400 в условиях шахтоучастка «Октябрьский» ООО «Угольная компания Заречная». Пробурено более 50 км дегазационных и технологических скважин диаметром 76 и 93 мм. Установлено, что средняя скорость вращательного бурения по углю составила 1.5 м/мин. (что выше на 30%, чем у отечественных аналогов) и не уступает зарубежным (проект 60.2.4).

12. В области исследований устойчивости оснований сооружений с целью решения задач об изменении НДС грунтовых инженерных объектов, подвергающихся воздействию статических и динамических (вплоть до разрушающих) нагрузок, модифицированы: модель геосреды (введены частицы неправильной формы, учтены силы отталкивания между ними, особенности сцепления, трения); метод дискретных элементов (МДЭ) и компьютерная программа DEM для его реализации. Метод и компьютерная программа позволяют исследовать напряженно-деформированное состояние насыпи, усиленной различными вариантами анкерного крепления, под действием статических и динамических нагрузок. В рамках практической реализации результатов исследований по обеспечению устойчивости оснований сооружений разработаны: конструкции поворотных анкеров и технологическая схема, позволяющие существенно повысить надежность крепления ими относительно слабых грунтов; переносная машина для установки анкеров, масса которой по сравнению с прототипом при одинаковой ударной мощности снижена на 20% (проект 60.2.5).

VII.60.3.Программа: Разработка научных основ создания экологически сбалансированных технологий безопасной отработки и комплексного освоения угольных месторождений. Координатор – чл.-корр. РАН. В. И. Клишин.

1. Совместно с Новосибирским проектно-технологическим институтом разработаны инновационные геотехнологии для подземной разработки погребенных алмазоносных залежей «Солур», «Восточная» АК «АЛРОСА» республики Саха-Якутия. Новизна предлагаемых технологических решений заключается в применении системы разработки «длинные столбы по простиранию» с полным обрушением пород кровли и механизированной выемкой песков в условиях криолитозоны. В мире подобные системы разработки россыпных месторождений не применялись. Результаты работ вошли в проект строительства рудника «Солур-Восточная», который в 2012 г. прошел государственную экспертизу и принят к строительству АК «АЛРОСА» (проект 60.3.4).

2. Произведена оптимизация проектной мощности рудника для отработки россыпных алмазоносных залежей «Солур» и «Восточная» АК АЛРОСА по интегральным критериям оптимальности на основе лагового моделирования с учетом полной динамики технико-экономических показателей и экономического ущерба от замораживания инвестиций в период строительства рудника. В результате расчетов установлена экономическая целесообразность совместной разработки залежей «Солур» и «Восточная» при его проектной мощности 450 млн м3/год (проект 60.3.3).

3. На основе теории К. Хабберта разработана методика для оценки предельно-оптимальных объемов добычи угля в Кузбассе. В отличие от статистического метода К. Хабберта, в ИГД СО РАН впервые теоретически обоснована и реализована лаговая модель для оценки предельно-оптимальных объемов добычи угля в Кузбассе подземным и открытым способами как задачи моделирования и поиска безусловного максимума целевой нелинейной функции – суммарного чистого дисконтированного дохода. Результаты работы переданы в Администрацию Кемеровской области (проект 60.3.3).

4. Разработана и апробирована на геологических материалах Эльгинского сложно-структурного угольного месторождения Южной Якутии методика картирования полезного ископаемого по уровням его качества и подсчета поэтапных объемов добычи угля и вскрышных пород с одновременным определением показателей качества по каждому пласту свиты. Анализ результатов картирования позволяет выделить участки месторождения, пригодные для первоочередной добычи угля, оптимизировать параметры и направление ведения горных работ (проект 60.3.4).

5. Разработаны методические положения и программный комплекс моделирования внутренних отвалов на пологих и наклонных угольных месторождениях Кузбасса. Использование программного комплекса позволяет: моделировать карьерное пространство разреза и внутреннего породного отвала с оптимизацией их параметров и выбором наиболее эффективной системы разработки месторождения; за счет оптимизации параметров продольно-поперечных систем разработки пологопадающих пластовых месторождений обеспечить максимальное размещение вскрышных пород в выработанном карьерном пространстве (проект 60.3.4).

VII.60.4.Программа: Свойства геоматериалов и массивов горных пород, в том числе в условиях криолитозоны, разработка основ новых геотехнологий рационального освоения недр. Координаторы – д.т.н. С. М. Ткач, д.т.н. А. П. Тапсиев.

1. Уточнены закономерности изменения напряженного поля Земли с ростом глубины и геолого-структурными особенностями массивов горных пород. Разработаны геомеханические модели для прогноза НДС массивов до глубин 3.5 км применительно к регионам России. Систематизация массивов горных пород позволяет по особенностям тектонических структур отнести действующие и разведанные месторождения к определенному типу геомеханических условий. Полученные исходные данные являются основой для прогноза величин действующих напряжений в массивах пород на стадии проектирования и строительства рудников, обоснования способов управления горным давлением, выбора систем разработки и порядка развития добычных работ (проект 60.4.6).

2. Предложены схемы взрывной отбойки блоков вертикальными концентрированными и параллельно-сближенными зарядами увеличенного диаметра на зажатую среду и компенсационную камеру. Применение схем на Шерегешевском месторождении позволяет снизить объемы проходки нарезных выработок в 1.25 раза, бурения скважин в 1.3 раза и удельного расхода ВВ в 1.2 раза. Разработана методика расчета конструктивно-технологических параметров геотехнологии в условиях активных геодинамических проявлений. Обоснование параметров геотехнологии с помощью предложенной методики позволяет вести отработку рудных залежей в условиях горного давления со снижением потерь и разубоживания руды на 20–35% (проект 60.4.4).

3. Разработан и реализован технологический регламент варианта одностадийной системы разработки этажного обрушения с отбойкой слоями скважинными зарядами ВВ увеличенного диаметра на зажатую среду на Абаканском филиале ОАО «Евразруда». Установлено, что отработка блоков по этому варианту геотехнологии позволила улучшить качество дробления горной массы с увеличением производительности труда на выпуске руды в 1.2–1.3 раза, снизить объем подготовительно-восстановительных работ в 1.3–1.5 раза и динамическое воздействие на вмещающий породный массив (проект 60.4.4).

4. Установлено, что образование флотационного комплекса происходит в результате осушения минеральной поверхности физически сорбируемыми флотационными реагентами (проект 60.4.5).

5. На основе механизма действия физически сорбируемых реагентов разработан и предложен технологический режим флотационного обогащения карбонатно-флюоритовых руд (проект 60.4.5).

6. С использование реагента ФЛОТОЛ-7.9 в натурных условиях получен флюоритовый концентрат с содержанием CaF2 90.42% и извлечением 60.2% (по существующему режиму концентрат получается с содержанием 48÷50% при извлечении 52%). Новый реагентный режим флотационного обогащения на основе использования реагента Флотол-7.9 предложен Ярославской горнорудной компании (Приморский край) (проект 60.4.5).


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