Результаты, полученные в рамках реализации в
2019-2021 гг. проекта «Формирование природно-технических систем разработки месторождений твердого минерального сырья на основе конвергентных технологий» Российского научного фонда (грант 19-17- 00034)
- Получена система новых знаний о принципах и закономерностях функционирования биологических систем, как теоретической основы развития идеи создания биоподобных функциональных структур в области освоения минеральных ресурсов литосферы.
- Полученные результаты являются теоретической основой развития идей создания биоподобных технических функциональных структур в виде конвергентных горных технологий освоения минеральных ресурсов литосферы.
- Установлено, что при создании природоподобных горных технологий необходимо задействовать одновременно все функциональные биогенные принципы. Одновременная реализация всех биогенных принципов позволяет структурировать во времени и пространстве процесс получения полезных ископаемых в полном соответствии с ограничениями экологического императива и устойчивого развития.
- Обоснованы параметры, разработан и создан комплексный стенд для проведения физического и оптического моделирования геофизических процессов во вторичных полях напряжений при разработке месторождений различных геологических типов новыми горными технологиями.
- Разработана методика лабораторных исследований вторичного поля напряжений при создании и применении конвергентных горных технологий для условий разработки месторождений подземным способом.
- Определены параметры, разработана и создана установка и специализированный стенд для воспроизводства физических моделей любой сложности методами 3D моделирования. Выбран и обоснован метод физического моделирования природно-технических систем, основанный на применении аддитивных технологий (3D — печать) и использовании горных пород как материала для изготовления физических моделей при моделировании геомеханических процессов с учетом явлений самоподобия строения горных пород и условий подобия.
- Получены предварительные результаты определения структуры вторичных полей напряжений и деформаций в условиях применения систем различных классов. Полученные результаты дают два принципиальных направления развития идеи превентивного разрешения противоречий и повышения геофизической устойчивости всей системы: путем разгрузки зоны очистных работ за счет опережающего возведения искусственных «каркасных» конструкций; путем повышения несущей способности рудных целиков за счет изменения кривизны боковой поверхности при опережающей выемке цилиндрических камер.
- Разработана комплексная физико-техническая модель техногенно измененных недр, как нового литосферного объекта. В общем виде, модельные представления о внутренней структуре этого объекта были сформулированы в терминах и понятиях теоретической экологии: разрушение некоторого объема литосферы в процессе добычных работ приводит к искажению (геофизическому «загрязнению») исходного поля напряжений через транзитную среду (поле тяготения Земли); это «загрязнение» передается в другие участки литосферы и депонируется в них в виде вторичного поля напряжений.
- В такой постановке техногенно измененные недра можно представить в виде природно-технической системы, техническая составляющая которой включает в себя зону полного разрушения литосферы (зону добычных работ), а природная — зону инициированного этими работами изменения напряженно-деформационного вещества литосферы (геофизический экотон). Разработанная физико-техническая модель техногенного разрушения отрабатываемого участка литосферы отражает особенности формирования техногенных полостей переменного объема в процессе добычных работ и тем самым определяет условия развития вторичных полей напряжений.
- Обоснована методологическая концепция активного управления вторичным напряженным состоянием массивов при техногенном изменении недр, построенная на трансформации в техносферу известного биологического закона Л. Долло, согласно которому накопление критического объема внешних негативных факторов изменяет вектор развития сукцессии в направлении, исключающем влияние этих факторов, а видовая структура биоты после прохождения точки бифуркации становится независимой от этих факторов. Применительно к условиям создания конвергентных горных технологий это свойство биосистем можно легко преобразовать в положение о том, что основным методологическим принципом становится необходимость опережающего устранения усложняющих технологию факторов за счет ее общей функциональной структуры. Таким образом, общеметодологический подход к формированию структуры конвергентной горной технологии составляет содержание геофизической идеи такой горной технологии, которая заключается в опережающем выделении зоны техногенного разрушения литосферы из общего поля изменений геофизического состояния массива, за счет разделения во времени процессов добычи полезного ископаемого и процессов преодоления последствий геомеханического возмущения прилежащих участков литосферы, путем опережающего возведения в границах отрабатываемого участка литосферы пространственной системы искусственных опорных конструкций.
- Доработана методологическая концепция формирования природно-технических систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых. В рамках новой концепции развития геотехнологии на основе гомеостатической трансформации функциональной структуры биологических систем в техносферу, впервые рассмотрены взаимные регуляторные влияния техногенных и экологических факторов и сформулированы общие принципы построения перспективных конструкций систем разработки для рудных месторождений различной мощности.
- На основе приложения теории бифуркации к эволюции биологических систем, впервые предложен универсальный для всех морфологических типов месторождений методологический подход к реализации биотехнологического принципа превентивности в составе исполнительного кластера конвергентной горной технологии, определяющего содержание ее геомеханической идеи.
- Выдвинута и частично разработана гипотеза о соответствии конфигурации вторичного поля напряжений, возникающего в процессе добычных работ на месторождении, характеру и величине анизотропии элементов залегания рудных тел, что было экспериментально доказано в процессе сопоставления результатов математического моделирования с натурными наблюдениями.
- Предложена методика расчета критических условий сохранения устойчивости элементов конструкции конвергентных горных технологий.
- Разработаны геомеханические модели традиционно применяемых горнотехнических систем и новых разрабатываемых — каркасных и сотовых горных конструкций для конкретных горно-геологических условий разрабатываемых месторождений, на основе полученных результатов лабораторных испытаний образцов горных пород, а также количественной и качественной оценки состояния массива горных пород на действующих рудниках в зоне и вне зоны влияния очистных работ.
- На основе проведения комплекса шахтных измерений НДС массива горных пород в условиях применения систем разработки различного класса на месторождениях различной мощности и сложности строения, а также количественной и качественной оценки состояния массива на разрабатываемых участках месторождений установлен характер и динамика формирования вторичного поля напряжений в техногенно изменяемом участке литосферы. Полученные в шахтных условиях результаты обеспечили эффективность калибровки геомеханических моделей, что позволило определить реалистичные условия применения новых разрабатываемых горнотехнических систем.
- Предложен и обоснован новый показатель для количественной оценки изменения исходного поля напряжений в процессе ведения очистных работ — коэффициент влияния, который определяется через соотношение геометрических параметров взаимодействующих элементов. Коэффициент влияния не может быть больше 1, так как во вмещающем горнотехническую систему массиве всегда формируются зоны растягивающих деформаций. Чем больше значение коэффициента влияния приближается к 1, тем меньшее влияние оказывают конструктивные элементы применяемой системы разработки (камеры, выработки и пр.) на вмещающий его массив и в целом на формирование вторичного поля напряжений. На основе полученных результатов натурных исследований, численного и физического моделирования, дальнейшей калибровки численных моделей установлены зависимости, характеризующие влияние геометрических параметров очистных выработок традиционно применяемых и разрабатываемых природоподобных систем подземной разработки рудных месторождений на степень изменения исходного поля напряжений.
- Разработаны рекомендации по конструированию и проектированию новых систем и адаптации их к естественным условиям массива горных пород разрабатываемых месторождений.
- Установлены параметры НДС физических моделей новых каркасных и сотовых горных конструкций, созданных из эквивалентных материалов, и их конструктивных элементов с применением созданного комплексного стенда для проведения физического моделирования. На основе численного моделирования НДС новых горнотехнических систем, которая проводилась с созданием конкретных горно-геологических условий разрабатываемых месторождений и с вводом в модели откалиброванных физико-механических и количественных характеристик различных литологических разностей массива, а также вариантов исходного поля напряжений, выявлены слабые места их конструктивных элементов и определены оптимальные параметры систем, способных эффективно противодействовать внешним нагрузкам.
- Установлено, что применение каркасной горной конструкции при разработке месторождений твердых полезных ископаемых обеспечивает высокую степень извлечения руды с участка месторождения. Данные исследования и расчеты позволили определить оптимальное извлечение полезного ископаемого из блока и параметры модели, при которых обеспечивается максимальная устойчивость системы при действии внешних нагрузок на нее.
- Обоснованы подходы и предложены функциональные схемы типовых вариантов конвергентных горных технологий подземной разработки изометрических рудных тел большой мощности.
- Установлены индивидуальные особенности экологического воздействия конвергентных горных технологий на абиоту природных экосистем. Обоснована общая методология количественной оценки экологических последствий разработки месторождений для основных геосфер Земли, основанная на относительном отклонении (индекс) фактической характеристики геосферы от исходной при прямом и опосредованном потреблении природного ресурса. Разработана методика расчета значений показателей, характеризующих состояние разрабатываемых участков при использовании различных горных технологий. Установлено, что индекс изменения состояния литосферы для конвергентной геотехнологии уменьшается на величину, пропорциональную двум объемам потерь в пространстве, что является очевидным экологическим преимуществом.
- В рамках разработки гипотезы о фрагментации вторичного поля напряжений в геофизической структуре техногенно измененных недр уточнено содержание понятия и установлено, что в геофизическом плане техногенно измененные недра представляют собой часть литосферы, в пределах которой исходное поле напряжений в горном массиве деформировано в результате извлечения полезного ископаемого с образованием вторичного поля напряжений, оконтуренного внутренними дискретными и внешними континуальными границами.
- Доработана теоретическая концепция построения подземных горных технологий, основанная на целенаправленном формировании условий воспроизводства устойчивых динамических структур в литосфере за счет управления релаксационными процессами на внешнем контуре отрабатываемого участка недр.
- Выполнен когнитивный анализ функциональной структуры технологических кластеров и построены алгоритмы модельных исследований, отражающие этапы ведения добычных работ, выполнен комплекс работ по моделированию технологических процессов, выполняемых в поле вторичных напряжений, сформированном при возведении каркасной конструкции. Выполнен комплекс теоретических исследований по обоснованию новых возможностей использования возобновляемой энергии гравитационного поля Земли для повышения экологической и экономической эффективности добычи полезных ископаемых с применением конвергентных горных технологий.
- Исследовано влияние ключевых факторов на эффективность традиционно применяемых технологий разработки с самообрушением руды и показано, что использование энергии гравитации для отбойки рудной массы в рамках технологической структуры систем разработки с принудительным обрушением руды пораждает противоречие между масштабом общего поля геофизических изменений состояния литосферы и масштабом структурного элемента горной технологии (выемочной единицы), в пределах которого эти изменения реализуются.
Квалификация руководителя и горных инженеров научно-исследовательского центра «Прикладная геомеханика и конвергентные горные технологии» позволяет проводить прикладные исследования на горно- и угледобывающих предприятиях, применяющих различные классы систем разработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Виды выполняемых работ
- Количественная и качественная оценка состояния массива горных пород с применением различных методов: индекс Q (система Бартона), рейтинг RMR (система Бенявского), геологический индекс прочности GSI (метод Хука-Брауна), категории устойчивости и нарушенности массива (методы ВНИМИ).
- Определение параметров трещиноватости массива и количества систем трещин с использованием программы Dips.
- Определение параметров залегания трещин в породном массиве (углов и азимутов падения) на основе оптической съемки скважин и интервального геотехнического документирования неориентированных кернов.
- Интервальное геотехническое документирование ориентированного керна.
- Определение критерия прочности массива Хука-Брауна (структурного ослабления массива) с использованием программы RSData (RocData).
- Аналитические и численные расчеты параметров крепи и систем крепления капитальных, подготовительных, нарезных и очистных выработок.
- Расчеты устойчивости потенциальных призм обрушения, параметров крепи и систем крепления выработок с использованием программы Unwedge.
- Численное моделирование напряженно-деформированного состояния горно-технических систем и их конструктивных элементов (выработок, камер).
- Аналитические и численные расчеты параметров систем разработки рудных и соляных месторождений подземным способом.
- Аналитическая и численная оценка параметров устойчивости целиков различного назначения, водозащитной толщи, очистных камер, в том числе по методу Мэтьюза-Потвина.
- Создание геологических и блочных моделей месторождений и их участков в программах Micromine и тНавигатор.
- Оценка удароопасности массива горных пород и руд.
- Оценка влияния взрывных работ на состояние вмещающего массива.
- Изыскательские виды работ (геология, гидрогеология, геофизика, геотехника, геодинамика, сейсмика).
- Научно-техническое сопровождение работ геотехнических служб.
Организационная деятельность центра
В 2018 г. по инициативе научно-исследовательского центра «Прикладная геомеханика и конвергентные горные технологии» в Горном институте создан Технический совет по геомеханике, который ежегодно проходит в рамках Международного научного симпозиума «Неделя горняка». В работе совета ежегодно участвует более 350 специалистов, руководители и технический персонала горнодобывающих и горнодобывающих компаний, специалисты Ростехнадзора РФ, ведущие ученые, молодые специалисты.
Главная задача Технического совета по геомеханике это обмен опытом между руководителями и техническим персоналом горнодобывающих, угледобывающих и консалтинговых компаний, ведущими учеными и молодыми специалистами.
Ежегодно традиционно к мероприятию готовится номер Горного журнала № 1-2019- 2023 гг., полностью посвященный вопросам теоретической, прикладной и экспериментальной геомеханики.
