Источник информации: http://www.misd.nsc.ru/about/results/
В ОБЛАСТИ ГЕОМЕХАНИКИ
1. В рамках активно развиваемой ныне теории волн маятникового типа дано объяснение ряду наблюдаемых эффектов, связанных с вибрационным воздействием на нефтегазовые пласты с дневной поверхности. Среди них — кольцеобразный характер и время задержки реакции продуктивного пласта, сейсмическая люминесценция и ее спектральный состав. Впервые предложен механизм энергетической «подпитки» волн маятникового типа, распространяющихся из очаговых зон землетрясений, горных ударов, взрывов или мощных механических источников в напряженных массивах горных пород блочно-иерархического строения. Здесь в основу положено условие локального во времени и пространстве сохранения сумм потенциальной (накопленной в породном объеме) и кинетической (сообщаемой структурными элементами) энергий — условие возникновения геомеханических квазирезонансов. Теоретически предсказана возможность существования более сложных нелинейных эффектов в напряженных массивах горных пород: акусто-деформационной «радуги» и сейсмо-электромагнитной «люминесценции».
2. Совместно с ИЛФ СО РАН экспериментально, по данным лазерных деформографических наблюдений, зарегистрированы волны маятникового типа со скоростями 0.43–1.76 м/с, индуцированные крупными землетрясениями в пределах Байкальской рифтовой зоны.
3. Теоретически предсказаны и экспериментально обнаружены волноводные свойства волн маятникового типа, обусловленные видом напряженно-деформированного состояния и блочно-иерархическим строением массивов горных пород — геомеханические волноводы.
4. Впервые, основываясь на явлении зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок, дано объяснение причин поступления воздуха в отработанные и изолированные выемочные участки угольных шахт, в которых в результате возникают очаги самовозгорания угля с возможными катастрофическими последствиями.
5. Совместно с ИУУ СО РАН разработана ГИС-система, ориентированная на решение задач, связанных с изучением особенностей процесса регионального сейсмоэнерговыделения. Система базируется на распределенных web-технологиях с применением математических методов сканирования шахтной сейсмологической информации, разработанных В. Н. Опариным. Применение этой системы на территории Кемеровской области позволило, в частности, установить, что траектория миграции приведенных центров сейсмоэнерговыделения огибает правобережные районы города Новокузнецка. Здесь располагаются районы промышленной застройки, обусловливающие дополнительную механическую нагрузку на соответствующий участок поверхности Земли (индуцированная сейсмичность).
6. Выполнены сбор и обработка сейсмической информации по рудникам «Октябрьский» и «Таймырский» Талнахского месторождения полиметаллов с целью верификации критерия удароопасности. Для сейсмоактивных зон этих рудников рассчитаны кинематические характеристики сейсмических процессов. Для каждой зоны определены пороговые значения критерия ?, меньше которых возможны проявления энергоемких сейсмособытий.
7. Установлено единообразие аналитического представления размеров отдельностей горных пород и породных массивов на разных масштабных уровнях, а также существующих классификаций горных пород и геоматериалов по прочностным показателям. Это свидетельствует о фундаментальной связи между физико-механическим свойствами горных пород и геоматериалов с их блочно-иерархическим строением, которая может быть положена в основу новой теории классификации горных пород в процессах разрушения по их механическим и технологическим свойствам.
8. Совместно с ИЛФ, ИНГГ, КТИ НП и ИФП СО РАН разработаны принципы построения и структуры распределенной многопроцессорной системы дистанционного мониторинга сейсмодеформационно-электромагнитных процессов при проявлении горного давления в блочных массивах горных пород с использованием скважин.
9. Совместно с КТИ НП СО РАН разработана система мониторинга деформационно-электромагнитных процессов в породных массивах на основе 4-канального продольного деформометра для измерения смещений геоблоков через скважину, дооснащенного:
– зондом измерения сигналов электромагнитной эмиссии. При этом осуществляется синхронизация совместной работы каналов электромагнитного и деформационного контроля;
– зондом измерения вибросейсмических колебаний и деформационного контроля датчиками типа «угол-код»;
– зондами измерения электромагнитной эмиссии и вибросейсмических колебаний. При этом осуществляется синхронизация каналов регистрации деформационных, виброволновых и электромагнитных эмиссионных параметров.
10. Совместно с ИУУ, КТИ НП СО РАН разработан проект 4-канальной наблюдательной станции глубинных реперов на основе микрометрического оптоэлектронного датчика положения индикаторного типа МЭУ-25 для мониторинга смещения и деформаций в породных массивах (в том числе, и отслоений пород в кровле подземных горных выработок) через скважину. Датчик МЭУ-25 имеет встроенный канал синхронизации для совместной работы в составе группы станций.
11. Совместно с филиалом ИФП КТИ ПМ СО РАН разработана измерительная система для контроля поперечных деформаций горизонтальных разгрузочных скважин в подземных горных выработках рудников и шахт на основе тензометрических зондов с поляризационными оптическими датчиками эллипсометрического типа с каналом синхронизации измерительных каналов при совместной работе в группе станций геомеханического мониторинга.
12. Совместно с ИЛФ, ИНГГ, ИФП, КТИ НП СО РАН разработан типовой проект для натурной реализации системы сейсмо-деформационно-электромагнитного мониторинга в подземных условиях рудников и шахт, включающий в себя (помимо соответствующих контрольно-измерительных систем) оборудование по обеспечению автономного питания, линии связи с возможностью дистанционной передачи данных в информационно-вычислительный центр на поверхности Земли.
13. Совместно с КТИ НП СО РАН созданы алгоритмы и разработано программное обеспечение для сбора и анализа измерительной информации в синхронизированном режиме при контроле деформационных, электромагнитных эмиссионных и вибросейсмических процессов в массивах горных пород.
14. С помощью разработанного двухканального приемника экспериментально исследовано распределение акустического поля, создаваемого движущейся в грунте ударной машиной. Анализ параметров сигнала на выходе приёмного устройства показал, что при отклонении машины от заданной траектории движения вправо или влево более чем на 20 см происходит резкое уменьшение амплитуды сигнала, что характеризует хорошую точность акустического метода навигации. При увеличении дальности до машины, распределение акустического поля становится более равномерным и точность метода снижается. Наличие параллельно движению ударной машины неоднородности в виде металлической трубы с аналогичным диаметром характеризуется резким возрастанием амплитуды принятого сигнала, примерно в 1.5 раза, что может привести к ложному срабатыванию акустической системы навигации.
15. Спектральный анализ одиночных ударных импульсов, создаваемых при движении машины в грунте показал, что длительность импульсов, которая может быть пересчитана в их частоту, не зависит от отклонения машины от заданного курса, а зависит от однородности физико-механических свойств грунта. Наличие параллельно движению пневмопробойника металлической неоднородности в виде трубы соизмеримого с машиной диаметра сопровождается появлением в спектре сигнала дополнительных гармонических составляющих.
16. Разработано и изготовлено устройство для определения направления поворота ударной машины вокруг оси её движения в грунтовой среде. Приём излучаемого устройством сигнала осуществляется на поверхности земли с использованием ранее разработанного двухканального акустического приёмника. По частоте сигнала на выходе приёмника определяют горизонтальное положение асимметричной насадки на рабочий орган машины и направление её поворота — по часовой стрелке или против. Основные достоинства разработанного устройства:
– минимальные вмешательства в конструкцию машины (устройство располагается в асимметричной насадке);
– передача информации на поверхность земли по беспроводному каналу связи.
17. Обоснована, с учётом результатов исследований предыдущего периода, полуэмпирическая модель иерархии самоорганизующихся блочных структур (сводов полусфер, параболоидов), формирующихся при одноосной разгрузке массива горных пород, находящихся в объёмно-напряженном состоянии.
18. Установлены полуэмпирические зависимости газодинамических следствий зональной дезинтеграции пород в окрестности подготовительных выработок. Выявлены связи характеристик внезапных выбросов угля и газа на шахтах России и Казахстана с ранее установленным показателем энергии газовой компоненты углеметана.
19. Разработан экспериментальный образец регистрирующей аппаратуры для определения деформационных (упругих и реологических) свойств массива горных пород в скважинах, обеспечивающей автоматизацию измерений контролируемых параметров (давление и расход жидкости).
20. Для реализации метода расчета упругих и реологических параметров горных пород и геоматериалов при допредельном и запредельном деформировании контура скважины предложена сдвиговая модель накопления повреждений при деформировании твердых тел, позволяющая учитывать развитие трещин и пор на фоне растущих деформаций ползучести без применения кинетического уравнения поврежденности Качанова-Работнова.
21. Усовершенствована система регистрации и обработки физической информации АСИ-2 с дополнительным каналом, позволяющим измерять продольные перемещения в породном образце по мере увеличения нагрузки на него. Создано программное обеспечение, позволяющее визуализировать результаты экспериментов.
22. Модернизирована система АСИ-2, позволяющая проводить анализ изменения механических характеристик породных образцов по мере их нагружения во взаимосвязи с электромагнитными эмиссионными параметрами, что расширяет перспективу для исследований.
23. Разработаны методика измерения продольных деформаций в образце, основанная на измерении относительного изменения сопротивления тензорезистора, наклеенного на боковую поверхность образца горной породы и программное обеспечение, позволяющие проследить изменение как отдельных измеряемых параметров, так и комплексное их изменение.
24. Проведены тестовые испытания измерительной системы с использованием различных по структуре образцов горных пород, показавшие качественную её работоспособность.
25. С использованием концепции физического объема и статистического подхода разработан метод построения эквивалентных моделей, описывающих необратимое деформирование случайно-неоднородных геосред. Показано, что конвергенция кровли и почвы в процессе отработки пластов полезных ископаемых может выступать в качестве входной информации при инверсии данных измерений для количественной оценки параметров эквивалентных моделей.
26. На основе комплекса геомеханической, геофизической и геодезической информации и дилатантных упругопластических моделей установлены закономерности возникновения и эволюции зон разрушения в окрестности подземных полостей произвольной конфигурации.
27. Рассмотрен особый класс краевых задач, в которых возможно однородное распределение деформаций и их скоростей. Соответствующие краевые условия являются идеальными для постановки экспериментов, которые можно использовать для построения континуальных моделей деформируемых сред. Рассмотрен пример задачи из данного класса: плоская деформация эллиптической области с кеплеровским законом движения граничных точек. Полученные результаты позволяют установить соответствие между континуальной и дискретной моделями деформируемой среды.
28. На основе концепции горной породы как среды с внутренними источниками и стоками упругой энергии построена математическая модель геоматериала с учетом внутренней структуры. Численно исследована задача о гравитационном течении гранулированного материала в сходящемся радиальном канале в плоской квазистатической постановке. Показано, что в зависимости от значений параметров течение может носить существенно несимметричный и нерадиальный характер.
29. Проведены эксперименты по срезу сыпучих материалов при постоянной скорости нагружения. Получено неустойчивое скольжение по поверхности среза. Диаграмма процесса имеет ступенчатый характер. Установлено, что число ступенек подчиняется степенному распределению в зависимости от энергии, диссипированной на каждой из ступеней (аналог закона Гутенберга-Рихтера).
30. Разработана методика и проведены натурные исследования закономерностей распространения сейсмических волн в блочном породном массиве при поверхностном его нагружении падающим ударником.
31. Построена математическая модель запредельного деформирования горных пород типа деформационной теории пластичности с условием наступления разрушения Кулона-Мора.
В ОБЛАСТИ ГЕОТЕХНОЛОГИИ И ОБОГАЩЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
1. Для реализации технологических схем дегазации и управления метановыделением неразгруженных угольных пластов скважинами, пробуренными из горных выработок ограниченных размеров при параллельно работающем технологическом оборудовании (монорельсовая дорога, магистральный ленточный конвейер), совместно с ООО «Спецгидравлика» разработаны буровые станки СБР-400 и СБУ-300 с автоматическим перехватом штанги для бурения на всю длину очистного забоя. Стендовыми («Зеленая горка», ИГД СО РАН) и шахтными (ш. «Романовская» ООО «Горняк») испытаниями станков установлено, что изменение скорости подачи штанги определяется скоростью ее вращения и усилием подачи в гидроцилиндрах, значительная часть которого направлена на преодоление сил трения штанги о стенки скважины.
2. Выполнен анализ технологий открытой разработки угольных месторождений с использованием выработанного карьерного пространства. Установлено, что лучшие технико-экономические и экологические показатели в сравнении с традиционной продольной системой разработки обеспечивают поперечные и комбинированные системы, позволяющие более эффективно использовать техногенный ресурс выработанных карьерных пространств.
3. Исследованы условия залегания и возможные способы выемки полезных компонентов продуктивной толщи буроугольных месторождений КАТЭКа (Урюпское, Барандатское, Итатское), имеющих, наряду с уникальными угольными запасами, крупные залежи каолинов и сидеритов в массиве вскрышных пород. Выполненные исследования свидетельствуют о целесообразности применения гидромеханизации для селективной разработки многокомпонентных вскрышных пород месторождений КАТЭКа и других подобных залежей минерального сырья.
4. Разработана классификация технологических схем разработки залежей полезных ископаемых на больших глубинах, учитывающая технико-экономические показатели добычи. На основе классификации предложена система этажного обрушения с опережающей лавной подсечкой и разработано девять вариантов конструктивного исполнения данной геотехнологии.
5. Для сравнительной оценки вариантов отработки сближенных залежей вкрапленных руд применительно к условиям Норильских рудников выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива пород в трехмерной постановке методом конечных элементов. Исследованы и обоснованы рациональные варианты ведения очистных работ одновременно по двум залежам сплошной камерной системой разработки и камерно-целиковым порядком выемки трапециевидными камерами. На основании полученных результатов рекомендован для применения параметр с опережающей отработкой верхней залежи относительно нижней на 24 м.
6. Обоснованы критерии учета и использования сырьевых ресурсов железорудных предприятий Алтае-Саянского региона. Выявлены возможности, мотивы и источники диверсификации железорудной добывающей компании. Разработан инвестиционный проект модернизации строительства подземного рудника на базе Тейской группы месторождений железных руд ОАО «Евразруда», обеспечивающий ускорение ввода объекта в эксплуатацию в 2.5–3.0 раза.
7. На основе исследования переходных процессов при нагнетании флюида в трещину в физических моделях горных пород установлены эмпирические зависимости изменения давления флюида под плунжером при ударном нагружении. Разработано устройство, учитывающее влияние переходных процессов при разрушении горных пород для повышения эффективности образования направленных трещин.
8. Установлены закономерности работы фотоэлектрохимического реактора, оборудованного УФ лампами совместно с эрлифтом-электроактиватором, обоснованы их параметры как модульной системы.
В ОБЛАСТИ ГОРНОГО И СТРОИТЕЛЬНОГО МАШИНОВЕДЕНИЯ
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена верхняя граница диапазона реально возможного рабочего давления сжатого воздуха для пневмомолота с управляемой камерой холостого хода ударника и упругим клапаном, формирующим её рабочий цикл, равная 2.5 МПа; получены значения верхней границы реализуемой при этом частоты импульсных воздействий на погружаемый в грунт стержневой элемент и определены конструктивные параметры пневмомолота, необходимые для его эффективной работы.
2. Определена зависимость давления очистного агента, необходимого для транспортирования грунта, от коэффициента трения грунта о поверхность шламотранспортного канала, на основании которой установлено, что условием сохранения на заданном уровне давления в трубопроводе при уменьшении его диаметра является уменьшение коэффициента трения путем использования в качестве очистного агента воздушно-водяной смеси.
3. Найдена область значений величин статического и импульсного воздействия на породоразрушающий инструмент при горизонтальном бурении скважин комбинированным способом, в которой уменьшение энергии ударов генератора импульсов при соответствующем увеличении их частоты не приводит к уменьшению скорости.
4. Установлено, что процесс вибрационного уплотнения мелкодисперсного материала в замкнутом объеме наиболее эффективно осуществляется в частотном диапазоне 45–60 Гц; при фиксированном времени воздействия от 1 до 7 с повышение частоты вибрации с 35 до 60 Гц позволяет увеличить плотность на 5–10%, а дальнейшее увеличение частоты не вызывает заметного изменения плотности упаковки.
5. Установлено, что максимальная эффективность транспортирующего режима при выпуске связных материалов вибрационным устройством с гибким рабочим органом обеспечивается в основном продольными колебаниями рабочего органа, величина которых по его длине практически постоянна (увеличение их амплитуды в 1.5 раза приводит к повышению производительности в 2 раза).
6. Разработана математическая модель процессов теплообмена станции метрополитена с массивом окружающего грунта и атмосферным воздухом, позволяющая составлять долгосрочный прогноз состояния температурного поля грунта и обделки станции. Получена хорошая сходимость результатов численных расчетов с данными восьмилетнего мониторинга температур грунта и обделки тоннелей в натурных условиях Новосибирского метрополитена.
7. Разработана методика решения задачи аэродинамического проектирования сдвоенных S-образных лопастей рабочего колеса реверсивного осевого вентилятора малой мощности. Методика основана на преобразовании системы сингулярных интегральных уравнений в систему линейных алгебраических с помощью метода «дискретных вихрей». Произведен расчет геометрических параметров решетки рабочего колеса реверсивного шахтного осевого вентилятора диаметром 1000 мм.
8. Обоснован алгоритм вычисления отклонения частоты напряжения в турбо- и гидрогенераторах как разности текущего и установившегося значения частоты генератора, сглаженного фильтром с большой постоянной времени. Алгоритм, реализует эффективную системную стабилизацию выходного напряжения генератора вне зависимости от значения частоты установившегося напряжения в энергосистеме и является основой разработки регулятора АРВ-НФ, обеспечивающего практически астатическое поддержание постоянства напряжения на выходе генератора.
9. Обоснованы и разработаны принципиально новые буровые станки СБП, САП, СБР — 400, реализующие вращательное, вращательно-ударное и ударно-вращательное виды бурения для проходки в подземных условиях геологоразведочных, дегазационных и технических скважин диаметром 45–150 мм и глубиной до 400 м по углю и породам крепостью до 140 МПа.
10. В натурных условиях рудников ООО «Евразруда» и на открытых горных работах испытаны погружные пневмоударники и расширители скважин диаметром до 250 мм, в которых реализованы инновационные рабочие циклы, обеспечивающие существенное (до 50%) повышение энергии удара и скорости проходки скважин.
11. Создано и испытано устройство имитации подсистемы «инструмент-горный массив» применительно к группе совместно работающих гидравлических ударных устройств — зубьев ковшей активного действия. Установлено, что увеличение массы наковальни (инструмента) и жесткости демпфера ведет к росту коэффициента восстановления R скорости удара. Экспериментально подтверждено, что в автономной гидроударной системе с источником постоянного расхода уменьшение коэффициента восстановления R сопровождается увеличением предударной скорости бойка и мощности системы.
12. С учётом особенностей взаимодействия между частицами, слагающими грунты, модифицирована разработанная в ИГД СО РАН модель геосреды со структурой. Для адекватного учета в методе дискретных элементов (МДЭ) внешнего воздействия на геосреду статических и динамических нагрузок проведена модификация метода путем их моделирования дискретными «граничными» элементами с параметрами, соответствующими реальным нагрузкам. На основе модификации МДЭ разработан усовершенствованный алгоритм основного расчетного блока компьютерной программы.
13. Разработаны три варианта конструкции поворотных анкеров с гибким тяговым элементом и нарастающим сопротивлением выдергиванию. Проведены экспериментальные исследования разработанных анкеров в условиях полигона, в результате которых установлена связь «усилие выдергивания — смещение» и на этой основе выбраны наиболее перспективные варианты их конструкций.