Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2015 номер 4

В развитие феноменологических основ теории взаимодействия между геомеханическими, тепловыми и физико-химическими процессами в метаноносных угольных пластах Кузбасса при их отработке выполнен комплекс лабораторных исследований на специальном стенде по испытанию угольных образцов различной стадии метаморфизма на одноосное жесткое нагружение до разрушения со скоростью ~ 3.3∙10-6 м/с. Представлены зависимости от давления изменения температуры образцов угля и охватывающих их гранитных прослоек с использованием высокоточного сканирующего компьютерного тепловизора. Показана связь изменений температуры образцов угля при их нагружении до разрушения с выходом летучих веществ и предельной внутренней энергией релаксации метаноносности угольных пластов месторождений Кузбасса. Совместное с тепловизионным использование лазерного измерительного комплекса ALMEC-tv по высокоточному и детальному контролю спекл-методом деформационно-волновой картины на сканируемых образцах угля в процессе их нагружения позволило впервые доказать гипотезу о возможности возникновения нелинейных - “маятникового типа” - движений структурных элементов в угольных образцах с изменяющимся полем температур, что имеет принципиальное значение для осуществления не учитываемых ранее массо-газообменных процессов в напряженных угольных пластах различного марочного состава при их отработке.

Представлены данные натурных измерений исходных полей напряжений и результаты численного моделирования напряженного состояния массива пород в окрестности проектируемого глубокого карьера рудника “Железный” ОАО “Ковдорский ГОК”. Определены положения опасных зон в прибортовых массивах. Обоснованы условия сохранения устойчивости бортов карьера с вертикальными уступами.

В рамках разработанной и численно реализованной нелинейной геомеханической модели угольного пласта регулярной блочной структуры, описывающей приток газа к скважине, предложен метод количественной оценки газоносности, а также коэффициентов диффузии и массообмена, основанный на решении обратной задачи по данным измерения давления в закрытой скважине, выполненных в режиме “pressure drop”. Для решения поставленной задачи, кроме основной, вводилась дополнительная целевая функция с меньшим числом аргументов. Численными экспериментами с использованием синтетических входных данных установлено, что последняя имеет несколько локальных минимумов. Предложен способ отыскания среди них глобального минимума, доставляющего решение поставленной задачи.

Рассматриваются вопросы расчета напряженно-деформированного состояния элементов крепи и массива горных пород при поэтапной разработке (раскрытии) поперечного сечения выработки. Учет последовательности горных работ и возведения крепи приводит к необходимости решения ряда задач о дополнительных полях напряжений, вызванных проходкой выработок малых сечений. Для определения геомеханического состояния крепи и горных пород применен метод расчета, основанный на однократном формировании матрицы жесткости расчетной системы, отвечающей исходному массиву до начала горных работ. Процесс последовательного образования выработок и изменение механических свойств расчетной системы осуществляются с помощью процедуры начальных напряжений. Проведен расчет двух вариантов развития горных работ при поэтапной разработке поперечного сечения выработки в условиях упругого деформирования массива и крепи, рассмотрен характер перераспределения полей напряжений в элементах крепи при ее последовательном сооружении. Показано, что последовательность горных работ оказывает существенное влияние на значения напряжений в элементах крепи при завершении походки выработки. Вариант ведения горных работ с начальным формированием боковых элементов крепи приводит к большим значениям растягивающих напряжений в крепи по сравнению с вариантом первичной отработки подсводового пространства.

Предлагается математическая модель определения устойчивости борта карьера конусообразной выемки в рамках жестко-пластической схемы деформирования массива горных пород с отысканием максимально допустимой с точки зрения безопасности ведения горных работ глубины самого карьера.

Приведена методика моделирования и численные расчеты волновых полей при мониторинге микросейсмических событий в анизотропной среде. Результаты исследований предназначены для тестирования алгоритмов обработки данных сейсмических наблюдений в процессе подземной добычи твердых полезных ископаемых.

Разработана базирующаяся на математическом моделировании напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов камерной системы отработки и критериях обрушения пород кровли методика оценки увеличения степени нагружения междукамерных целиков во времени. Результаты расчетов отражают реальный временной масштаб изменения прочности пород и связанный с ним процесс частичного обрушения технологического междупластья с увеличением высоты целиков и разрушением их краевых частей.

Проанализированы каталоги сейсмических событий рудников Польши, Финляндии, Канады, России и Южной Африки при ведении горных работ. Оказалось, что для рассмотренных событий приведенная сейсмическая энергия может изменяться на 2 - 3 порядка при одном и том же значении сейсмического момента. Верхняя граница диапазона соответствует “жестким”, а нижняя - “мягким” очагам. Наиболее вероятной причиной столь большого разброса значений приведенной энергии представляется вариация свойств нарушений сплошности, связанная с изменением вещественного состава материала-заполнителя трещин и обводненности массива.

Предложен способ оценки деформационных свойств горных пород по данным прессиометрических испытаний в интервале гидроразрыва скважин, обеспечивающий нахождение значений модуля Юнга и коэффициента Пуассона горных пород в месте залегания. Показано, что комплексирование прессиометрических исследований и гидроразрыва расширяет возможности деформационных измерений и повышает эффективность определения напряженного состояния массива горных пород методом гидроразрыва.

Рассмотрены условия экологически сбалансированного комплексного освоения угольных месторождений с минимизацией воздействия выделяемых при ведении очистных работ газов на среду обитания человека. Установлено, что проектирование геометрических параметров выемочных столбов при разработке угля необходимо проводить на основе построения модели распределения кислорода в выработанном пространстве с дальнейшей калибровкой модели с учетом полученных в натурных условиях экспериментальных данных.

На основе геоинформационной модели угольной залежи и разрабатывающего ее разреза получены аналитические выражения для определения работы по перемещению горной массы из забоя до точки начала выездной траншеи на торцах с учетом характеристик трассы, полученных в ходе геоинформационного моделирования. Рассмотрены варианты определения грузооборота и транспортной работы по преодолению сил тяжести и сцепления с трассой. В примере расчетов для конкретного угольного карьера проводится сравнения одно- и двух-фланговых схем вскрытия.

Теоретически доказано существование нелинейной экстремальной зависимости абсолютного метановыделения из разрабатываемого угольного пласта от производительности очистного забоя. Приводятся фактические и теоретические доказательства снижения абсолютного метановыделения из разрабатываемого угольного пласта при высоких скоростях подвигания очистного забоя.

Методами инфракрасной фурье-спектроскопии (ИКФС), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), микроскопии и микротвердометрии изучено изменение структурно-химических свойств поверхности и микротвердости породообразующих минералов кимберлитов в результате воздействия наносекундных импульсов высокого напряжения (МЭМИ). По данным ИКФС и РФЭС, нетепловое воздействие МЭМИ вызывало нарушение микроструктуры поверхности минералов-диэлектриков вследствие образования микротрещин, следов поверхностных пробоев и других дефектов, что приводило к эффективному разупрочнению породообразующих минералов и снижению их микротвердости в целом на 40 - 66 %.

Применяемые в настоящее время технологии добычи, обогащения и переработки руд требуют внедрения замкнутых схем водооборота. Общей экологической и технологической задачей при этом является уменьшение в оборотных водах концентраций ионов меди и технических жирных кислот, вызывающих снижение показателей флотации. Перспективный путь решения поставленной задачи - проведение операции предварительного смешивания различных потоков сточных вод с максимальной концентрацией этих ионов. Проведенные термодинамические расчеты обосновывают оптимальные режимы водоподготовки, при которых не происходит снижения технико-экономических показателей обогащения медно-молибденовых руд, снижается расход свежей природной воды и расширяется база источников.

Разработан способ получения и исследован состав флотационного реагента БО - экстракта измельченных листьев и стеблей борщевика Сосновского (Heracleum sosnowskyi). С помощью качественных реакций, тонкослойной хроматографии (ТСХ), УФ-спектрофотометрии и флотационных экспериментов установлено, что в водные и органические экстракты переходят разные по своим химическим и технологическим свойствам вещества. Приведены результаты лабораторных исследований водных, спиртовых и водно-спиртовых экстрактов БО в качестве реагента-модификатора при флотации халькопирита и пирита. Установлены селективные свойства водных и водно-спиртовых экстрактов БО. Наибольшей депрессирующей активностью по отношению к пириту обладает водный экстракт БО, полученный при рН = 3 с нагреванием и обработкой в ультразвуковой ванне. Органические экстракты, содержащие преимущественно фурокумарины, эфирные масла и смолы, не оказывают существенного влияния на флотоактивность пирита.

Приведены результаты экспериментальных исследований механизма взаимодействия модифицированных хлорсодержащих растворов с золотосодержащими сульфидами. Изучены изменения текстурно-структурных свойств поверхности и элементного состава сульфидов в процессе электрохимической обработки. Выявлены основные негативные факторы, снижающие скорость растворения сульфидов.

Рассмотрена собирательная способность легко десорбируемых форм (ДС-формы) этилового и бутилового ксантогенатов. Дано визуальное доказательство расширения “сухого” пятна на минеральной поверхности при десорбции с нее активных по отношению к границе раздела “газ - жидкость” форм ксантогената. Показано, что ДС-формы реагента, представленные продуктами от взаимодействия ксантогенатов с солями тяжелых металлов, могут оказать эффект удаления жидкости из прослойки, разделяющей минеральную частицу и пузырек газа. Основная сила, действующая в прослойке на жидкость, обусловлена неоднородностью поверхностного натяжения, возникшей в момент локального прорыва, и поверхностным давлением молекул в пленке ДС-форм реагента. Собирательная способность ДС-форм ксантогената определена как мера его воздействия на объем жидкости в прослойке. Дана численная оценка сил, оказываемых на жидкость в прослойке легко десорбируемыми формами этилового и бутилового ксантогенатов. Установлена зависимость объемного расхода жидкости, вытекающей из прослойки, от поверхностного натяжения активных на границе раздела “газ - жидкость: форм реагента. Показано, что собирательная способность реагента зависит от поверхностного натяжения раствора его ДС-форм и определяется структурой углеводородного фрагмента собирателя.

Описан комплексный метод и результаты деформационно-волнового мониторинга временной крепи железнодорожного тоннеля, проходимого в сложных горно-геологических условиях юга Западной Сибири. Измерения пространственных геометрических параметров временной крепи осуществлены с помощью лазерного сканирования с интервалом 3 мес, что позволило сопоставить фактические трехмерные модели временной крепи и участка пород штроссы тоннеля. Данные, полученные в разные периоды времени наблюдений, позволили определить смещения немаркированных точек временной крепи, а также изменения формы стен и свода тоннеля. Благодаря высокой плотности сканирования, этот метод дает возможность дистанционно выявлять относительно небольшие зоны изменений структуры массива и состояния крепи. Рассмотрены особенности распространения упругих волновых пакетов на сопряжении временной арочно-бетонной крепи тоннеля с породным массивом. Выполненный анализ сейсмических колебаний пород при воздействии ударом бойка показал, что частоты максимумов спектральной плотности упругой волны в массиве обусловлены формированием низкочастотной (маятниковой) ее компоненты на сопряжении пород алевролита и угля, связаны с размерами их структурных отдельностей и механическими свойствами.

Приведены технические решения дилатометра, измеряющего поперечную деформацию скважины при ее нагружении внутренним давлением через герметичную оболочку. Прибор оборудован встроенной роботизированной системой транспортирования по стволу скважины без использования секционных колонн. По показателям назначения и функциональным возможностям дилатометр оптимизирован для проведения исследований в протяженных скважинах направленного бурения в шахтных условиях.