Главная – Журналы – Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых 2016 номер 3

Предлагается методика определения строения и физико-механических свойств толщи приповерхностных связных грунтов на основе сейсмических наблюдений. Суть подхода заключается в использовании распределений продольных и поперечных скоростей, получаемых комбинированием новой модификации метода преломленных волн и многоканального анализа поверхностных волн. Для восстановления физико-механических свойств применяются корреляционные зависимости. Приведен пример обработки полевых данных. Выполнены исследования на участке автодороги. Определен уровень грунтовых вод, выявлены зоны, подверженные размыванию и деформациям.

Разработана геомеханическая модель процессов деформирования и массопереноса в окрестности скважины в трещиновато-пористой среде. Модель, основанная на концепции сплошной среды с двойной пористостью, реализована с помощью оригинального метода, когда уравнения массопереноса решаются с использованием конечно-разностной схемы, а уравнения пороупругопластичности - аналитически. Численные эксперименты показали, что с ростом параметра Био размеры зоны необратимых деформаций в прискважинной зоне увеличиваются. Выполнена оценка падения проницаемости пласта в процессе эксплуатации залежи по пороупругой и поропластической моделям, качественно соответствующая данным натурных наблюдений.

В практике расчета деформирования пород в окрестности выработки учет их веса определяется решением дополнительной задачи для “невесомого” массива. Вводится в рассмотрение некоторая содержащая выработку область, ограниченная плоскостью, на которой задается условие равенства нулю вертикальной компоненты смещений, обеспечивающей возможность расчета при учете перепада давления по высоте выработки. Это решение при соответствующем подборе граничных условий, сложенное с полем напряжений нетронутого массива, обеспечивает нулевые граничные условия на контуре будущей выработки, однако остаются открытыми вопросы правомерности задания краевых условий на нижней границе расчетной области. В работе представлена феноменологическая модель деформирования горных пород, отвечающая на эти вопросы. Учитывается, что действие веса пород в кровле выработки совпадает с направлением растягивающих напряжений на контуре, а в почве эти направления различны. Показана необходимость расширения рассматриваемого класса обратных задач механики горных пород задачами, в которых непосредственно учитывается вес пород.

Приведены результаты исследований по оценке геомеханических условий разработки Березитового золото-полиметаллического месторождения на стадии перехода с открытого на подземный способ добычи полезных ископаемых. Выполнено геодинамическое районирование и обоснованы параметры современного поля напряжений. С использованием рейтинговых показателей качества горных пород оценены их физико-механические свойства. Методами численного моделирования исследовано напряженное состояние массива горных пород на различных стадиях отработки месторождения и с использованием методики Мэтьюза и аналитических зависимостей обоснованы параметры системы разработки для выемки запасов подземной части Березитового месторождения.

Обоснован новый деформационный критерий прочности образцов соляных пород при сжатии. Предельная главная деформация является функцией параметра напряженного состояния - отношения гидростатического давления к интенсивности напряжений. Введено понятие коэффициента запаса прочности по деформационному критерию. С помощью численного моделирования экспериментов по сжатию образцов различной геометрии определены параметры критерия для сильвинитов и карналлитов Верхнекамского месторождения. Предложенный критерий может использоваться при оценке несущей способности выработок в соляных породах.

Рассмотрены вопросы повышения эффективности и безопасности открытых горных работ при формировании отвалов сухих пород поверх намывных глинистых отложений. Анализ напряженно-деформированного состояния отвала разреза “Кедровский” проведен методом конечных элементов в рамках модели линейно-деформируемой среды на основании инженерно-геологической, маркшейдерско-геодезической и гидрогеомеханической информации. В результате моделирования получены поле перемещений отвала и его основания, а также распределение значений критерия прочности Кулона - Мора. Выявлены наиболее опасные участки, склонные к прорыву глинистых пород, выполнен прогноз смещений отвала при дальнейшем увеличении его объема. Разработанная модель позволяет оперативно прогнозировать потерю устойчивости отвала.

Рассмотрены оценки качества взаимодействия механического инструмента горных машин с разрушаемой средой, на основе анализа которых предложен новый показатель - коэффициент эффективности действия инструмента. Его введение позволяет не только оценить качество воздействия инструмента на разрушаемый массив, но и прогнозировать энергозатраты на выемку полезного ископаемого, а следовательно, и производительность горных машин в конкретных горнотехнических условиях.

Численно исследован процесс развития дополнительной поперечной трещины гидроразрыва между двумя существующими, образованными при множественном направленном гидроразрыве пласта химически активными составами. Рассмотрено влияние основных параметров задачи, таких как величина и ориентация внешнего поля сжатия, степень смыкания трещин направленного гидроразрыва, их размер и величина промежуточного расстояния на отклонение создаваемой трещины от начального направления ее распространения. Полученные результаты предназначены для оптимизации метода локального гидроразрыва парораспределительных и добывающих пластовых скважин при шахтной разработке месторождений тяжелых нефтей.

Исследован процесс измельчения горных пород под действием электрогидравлического удара, возбуждаемого электрическим разрядом в пульпе с помощью импульсов высокого напряжения наносекундной длительности и оптимизирующего проведение рудоподготовительных работ. Разработан и испытан импульсный частотный наносекундный высоковольтный генератор импульсной мощностью до 500 МВт. Создана разрядная ячейка проточного типа, работающая при напряжении до 550 кВ. Показана высокая эффективность предложенного метода измельчения минеральных материалов, позволяющая разработать промышленные установки для электрогидравлической обработки горных пород.

Приведены и обсуждаются результаты экспериментального исследования пневмомолота с упругим клапаном, который установлен в выхлопном тракте камеры обратного хода ударника для ее механического замыкания. Подтверждена возможность достижения в таком пневмомолоте требуемых значений ударной мощности при постоянной энергии удара путем изменения частоты ударов регулированием сечения дроссельного канала, сообщающего камеру обратного и прямого хода ударника. Установлено, что при увеличении сечения дроссельного канала достигается максимальная частота ударов, остающаяся в дальнейшем постоянной.

Приведена методика расчета критической частоты вращения ротора осевого вентилятора главного проветривания. Расчеты выполнены на примере вентилятора ВО-21. Обоснованы допущения, которые упрощают расчеты, при этом не вносят существенных погрешностей в результаты. Исследования выполнены с помощью метода конечных элементов в программе ANSYS. Определение значений критических частот проводилось по диаграммам Кэмпбелла, которые построены для вариантов расчета с учетом жесткости подшипниковых опор ротора и без их учета. Показано влияние жесткости подшипниковых опор ротора и гироскопического момента от рабочего колеса на частоту собственных изгибных колебаний главного вала при прямой и обратной прецессии. Полученные значения критических частот сравнивались с аналитическими расчетами по дискретным двухмассовым моделям. В предварительных инженерных расчетах можно применять дискретную двухмассовую модель ротора без учета податливости опор и влияния гироскопического момента, в расчетной модели следует заменять трансмиссионный вал сосредоточенной массой. При этом погрешность расчетов не превысит 7 %.

Приведена конструктивная схема комбинированного устройства направленного гидроразрыва, описан принцип его работы в режимах бурения скважин или шпуров и нарезания инициирующих щелей. Рассчитаны кинематические параметры подвижных частей устройства.

Предложен формализованный подход к обоснованию расчетных случаев нагружения экскаваторов со сложной кинематической схемой, основанный на численных оценках реакций силовых элементов конструкций на единичные силы. Подход практически реализован для конструктивной схемы карьерного экскаватора с электромеханическими толкателями приводов напора и подъема.

Приведены фактические и теоретические доказательства снижения абсолютного метановыделения из разрабатываемого угольного пласта при высоких скоростях подвигания очистного забоя. Обоснована параболическая зависимость метановыделения от скорости подачи и производительности очистного комбайна.

Выполнены экспериментальные исследования и определены рациональные параметры технологии формирования продуктивных зон техногенных россыпных объектов. Технология позволяет вовлекать в эксплуатацию техногенные россыпные месторождения, отработка которых ранее считалась нерентабельной.

Комплексом аналитических исследований установлены различия в составе минеральных образований на поверхности природных алмазов интенсивно измененных кимберлитов в условиях залегания и переработки алмазосодержащих руд. Предложена классификация минеральных образований на алмазах в зависимости от их происхождения, свойств и способа закрепления на поверхности кристаллов.

Рассмотрена собирательная способность производных форм этилового и бутилового ксантогенатов, образованных нестехиометрическим взаимодействием их с окислителем. Дано визуальное доказательство наличия в растворе тонких микрокапель, стабилизированных отрицательным зарядом. Определены размер и ζ-потенциал микрокапель, а также скорость растекания эмульсии по поверхности воды. Установлено, что указанная скорость превышает скорость растекания продуктов, полученных при нестехиометрическом взаимодействии ксантогената с солями тяжелых металлов. Показано, что продукты взаимодействия ксантогенатов с окислителем в момент прорыва водной прослойки, разделяющей минеральную частицу и пузырек газа, могут десорбироваться с минеральной поверхности и переходить на границу раздела “газ - жидкость” (ДС-формы). Растекание ДС-форм реагента по границе раздела оказывает силовое воздействие на жидкость в прослойке и приводит к ее удалению. Дана численная оценка сил, действующих на жидкость в прослойке со стороны ДС-форм этилового и бутилового ксантогенатов. Установлена зависимость объемного расхода жидкости, вытекающей из прослойки, от поверхностного давления активных на границе раздела “газ - жидкость” форм реагента. Найдены численные значения поверхностного давления эмульсии “диксантогенид - ксантогенат” в зависимости от исходной концентрации ксантогената. Показано, что собирательная способность реагента зависит от поверхностного натяжения раствора его ДС-форм и определяется структурой углеводородного фрагмента собирателя.

Дан анализ низкой эффективности барабанных мельниц при раскрытии сростков повышенной прочности в труднообогатимых рудах. Показано, что основной причиной являются недостаточные разрушающие нагрузки. Приведены основные структурно-химические характеристики свойств минеральных срастаний и роль дефектов при их разрушении. Обоснованы принципы оценки необходимого уровня энергетических воздействий для раскрытия сростков минералов с различными типами и значениями межатомных и межмолекулярных связей при использовании высокоэнергетических и высокоскоростных воздействий свободного удара в дезинтеграторах. Приведены примеры необходимых скоростей соударений минералов и разрушающих органов дезинтегратора при раскрытии сростков сульфидных и редкометальных руд и углей.

Проведена экспериментальная оценка предварительного обогащения в слое сорбционного коллектора при фильтрации водных растворов солей малой концентрации извлекаемых компонентов. Сорбционные коллекторы, представленные прослоями бурого угля, торфа, мрамора и вермикулита, размещены в составе испарительного барьера в приповерхностной зоне аэрации массива. Исследованы накопительные свойства геохимических сорбционных барьеров. В качестве мигрирующего раствора использованы водные растворы солей нитратов кобальта и никеля. Установлена возможность формирования зон обогащения при восходящей капиллярной фильтрации растворов через сорбционные барьеры в зоне аэрации массива.

Выполнено исследование параметров пористой структуры углей различной стадии метаморфизма Кузбасса и газо-массообменных процессов при их нагревании. Показано, что основная часть летучих веществ находится в растворенном состоянии в объеме углеродных слоев. Для всех образцов природных углей характерно уменьшение массовых долей метана и этана и увеличение массовой доли водорода, угарного газа (CO) и ацетилена с ростом температуры. Именно эти газы могут являться источниками интенсификации процессов горения в угольных пластах. С применением СВЧ-пиролиза каменного угля установлены материальный баланс и состав газообразных продуктов. Полученные результаты позволяют не только провести градацию углей по степени углефикации, но и дать обоснованные рекомендации по применению инертных газов в борьбе с подземными пожарами, оценить уровень температур в очаговых зонах горения угольных пластов по химическому составу выделяющихся газов.

Предложена трехмерная математическая модель расчета температурного режима массива засоленных пород в устьевой части вертикального ствола, учитывающая параметры и режимы работы замораживающей системы, температуру атмосферного воздуха и воздуха в стволе, неоднородность и степень засоленности вмещающих пород. Модель позволяет в динамике рассчитать изменение температуры пород, окружающих ствол, а также определить несущую способность каждой сваи фундамента копра в зависимости от температурных условий горных пород и уровня их засоленности. Рассмотрены различные варианты работы замораживающей системы и выбраны те, которые обеспечивают необходимую несущую способность свай копров и сохранность крепи ствола алмазодобывающего рудника.

На примере Кангаласского буроугольного месторождения проведены расчеты прогноза температурного режима массива многолетнемерзлых горных пород до и после взрывной отбойки. Показана взаимосвязь между периодом проведения взрывных работ и формированием температурного режима в развале взорванной горной массы. Полученные результаты послужат основой для прогноза производительности драглайна в различные периоды года и выбора эффективной схемы отработки взорванной горной массы.

Разработан скважинный прибор для газодинамических исследований в угольных пластах. Прибор выполнен по схеме сдвоенного пакера с регулируемым интервалом. Конструкция прибора обеспечивает выполнение гидроразрыва, проведение газодинамических исследований методами индикаторных диаграмм, кривых падения и восстановления давления в комплексе с локальной разгрузкой углепородного массива за счет радиально-симметричного нагружения стенок скважины в интервале, содержащем трещину гидроразрыва.