Главная – Журналы – Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук 2020 номер 2

Выполнены исследования по определению причин периодического происхождения пожаров на территории бывшего шламоотстойника в Кузбассе. С использованием различных методов оценки породного массива и проб колонкового бурения установлены факторы возникновения в различные периоды времени экзогенных и эндогенных пожаров.

Проведена оценка сейсмического воздействия технологических взрывов на подземные горные выработки шахты “Магнезитовая”. Определена сейсмическая устойчивость горных пород шахты “Магнезитовая” и рассчитаны безопасные расстояния от технологических взрывов по допустимому сейсмическому эффекту для горных пород. Для определения динамического воздействия на выработки использованы сейсморегистраторы УРАН и Minimate Plus с трехкомпонентными сейсмоприемниками. Даны рекомендации по установлению ограничения массы ВВ в ступени замедления на уровне минимальных опасных значений при проведении технологических взрывов в подземном руднике.

Представлен аналитический обзор текущего состояния угольной отрасли России. Рассмотрен вопрос о месте математического моделирования и цифровых технологий в управлении качеством угля и снижении рисков.

Приведен расчетный метод определения потерь и разубоживания руды для типичного варианта подэтажного обрушения с послойной отбойкой. Изложены результаты аналитического моделирования выпуска руды для наиболее представительной высоты подэтажа в практике подземной выемки месторождений.

Предложен методический подход, позволяющий выявлять влияние изменяющихся условий на показатели буровых работ горного предприятия с открытым способом добычи полезных ископаемых. Буровые работы представлены как подсистема более общей системы “горнодобывающее предприятие”, на устойчивость которой влияет множество разнообразных факторов. Приведено описание первого этапа реализации предлагаемого подхода для выявления факторов процесса бурения взрывных скважин, предопределяющих осуществление переходных процессов как необходимых реакций подсистемы “буровые работы” для адаптации к изменяющимся условиям функционирования. Представлены результаты выявления основных факторов, которые оказывают влияние на устойчивость подсистемы “буровые работы” на уровне непосредственного получения взрывных скважин, установленные на опытном участке горного предприятия.

Рассмотрены способы утилизации карьерных вод на отечественных и зарубежных разрезах и установлено, что освоение обводненных буроугольных месторождений Канско-Ачинского бассейна с применением традиционных способов их осушения недостаточно эффективно. Предлагается технология разработки обводненного буроугольного месторождения без его осушения, обеспечивающая возможность сокращения непроизводительных затрат на добычу угля и снижение негативного воздействия открытых горных работ на природную среду.

Рассмотрено развитие буровзрывных работ на горнодобывающих предприятиях. Определены параметры буровзрывных работ для условий отработки блоков в зонах высокометаноносных угольных пластов. Установлено, что возгорание угля после взрывов произошло при обильном метановыделении от 0.25 до 0.37 м³/ч.

Представлены результаты экспериментальных исследований пневмоударного устройства, воздухораспределительная система которого имеет две управляемых камеры сжатого воздуха и четыре клапана. Особенность пневмоударного устройства заключается в его эффективном рабочем цикле с пониженным удельным расходом сжатого воздуха. Исследован рабочий цикл лабораторного образца и определены его основные показатели: частота и энергия ударов, расход сжатого воздуха. Выполнен сравнительный анализ результатов экспериментов и численного моделироания.

Представлены результаты экспериментального исследования влияния размеров образцов роговика, известняка, песчаника, алевролита и рудосодержащих пород на их прочностные и деформационные характеристики. Проведены испытания на цилиндрических образцах трех диаметров 10, 30, 100 мм при одноосном сжатии и растяжении. Показано, что предел прочности уменьшается при увеличении размеров образцов из роговика, известняка, песчаника, алевролита. Для горных пород, содержащих вязкие включения, наблюдается некоторое повышение прочности с увеличением размера образцов. Для всех типов пород образцы меньшего размера проявляют хрупкий характер разрушения, с увеличением размера вязкость разрушения увеличивается. Дано объяснение полученных закономерностей изменения деформационно-прочностных характеристик в зависимости от склонности породы к вязкому или хрупкому разрушению, ее структурной и текстурной неоднородности с позиций двух типов масштабного эффекта - объемного и поверхностного.

Рассмотрено воздействие взрыва на массив горных пород, осложненный полостью и расположенной в ее окрестности тектоническим нарушением в виде протяженного разупрочненного породного слоя. Показано, что данный слой снижает эффективность динамического воздействия на полость. Выявлена зависимость устойчивости полости при взрыве от мощности разупрочненного слоя и прочностных характеристик массива.

Выполнен микроструктурный анализ тестируемого угля, определены раскрытие трещин и размеры микроблоков угля вдоль кливажа. Проведены лабораторные фильтрационные исследования, по результатам которых установлены коэффициент сжимаемости трещин и зависимость проницаемости от гидростатического сжатия, дана оценка ее анизотропии вдоль напластования. Получены прогнозные зависимости изменения проницаемости угля параллельно основной и торцевой системам кливажа от глубины залегания в условиях одноосного деформирования пластов.

Приведены результаты многолетних исследований по изучению трансформации нефтезагрязнения, распространившегося в донные осадки при разливе нефти на одном из объектов нефтегазового комплекса территории Республики Саха (Якутия). Прослежена динамика изменения содержания хлороформенных битумоидов за период с 2007 по 2017 гг. Рассмотрены особенности процессов биодеградации нефтезагрязнения по результатам изучения химического состава битумоидов. Установлено, что при отсутствии новых разливов нефти за 11 лет к 2017 г. химический состав битумоидов изменился в направлении приближения к составу нативного органического вещества, для которого характерно наличие соединений, типичных для липидов высших растений: присутствие высокомолекулярной н-алканов (нС₂₃ - нС₃₃), значительное преобладание н-алканов с нечетным числом атомов углерода в молекуле, высокое содержание кислородсодержащих групп и связей в химической структуре битумоидов. Показано, что углеводородное состояние донных осадков изменилось от типично нефтяного загрязнения в начале мониторинга (2007 г.) до состояния, характерного для природного фона (2017 г.).

Предложены варианты аппаратурного оформления процессов выделения высокоплавких углеводородов из нефтепродуктов, позволяющие упростить конструкцию, оптимизировать технологические схемы и улучшить качество продуктов.

С целью сравнительного изучения нефтематеринских свойств пород девонских отложений центральной части о. Котельный (Новосибирские острова) и Селенняхского блока Омулевский террейна проведены геохимические исследования состава, химической структуры хлороформенных битумоидов органического вещества и реликтовых углеводородов. По комплексу битуминологических параметров изученные нафтидопроявления характеризуются большими вариациями по содержанию органического вещества, выходу хлороформенных битумоидов, групповому составу и химической структуре хлороформенных битумоидов, что свидетельствует о присутствии в разрезе этих отложений широкой гаммы битуминозных разностей как следов процессов генерации, миграции и аккумуляции углеводородов. По составу и особенностям распределения реликтовых углеводородов нафтидопроявления центральной части о. Котельный и Селенняхского блока обнаруживают большое сходство, что доказывает единый для них тип аквагенного исходного органического вещества, его высокую степень зрелости и достаточно высокий генерационный потенциал девонских отложений, которые вошли в зону главной фазы нефтеобразования и могли генерировать жидкие углеводороды, а в зонах более глубокого погружения достигали главной фазы газообразования. Полученные результаты по геохимии органического вещества подтверждают существующую точку зрения на общую историю геологического развития и сходство условий формирования нефтегазоносности территорий шельфа морей Лаптевых и Восточно-Сибирского и континентальной части востока Сибирской платформы. Это позволяет подойти к оценке нефтегенерационного потенциала органического вещества пород и нефтегазоносности отложений девона на шельфе по результатам более изученной континентальной части рассматриваемой территории.

Изучены процессы образования и разложения гидратов природных газов Средневилюйского и Отраднинского газоконденсатных месторождений Якутии в модельных растворах гидрокарбонатно-натриевого типа. Установлено, что с увеличением концентрации растворов уменьшаются объемы газов, связанных в гидрат, а состав газа влияет на процесс разложения полученных гидратов. Показано, что с увеличением молярной массы природного газа уменьшаются скорости разложения гидратов.

Изучено влияние гибридного наполнителя, состоящего из частиц технического углерода и углеродных нанотрубок (ТУ/УНТ) на релаксационный a-переход, а также температуру стеклования полимера, которая является мерой сегментальной подвижности макромолекул и, соответственно, теоретической морозостойкости эластичного материала. По данным динамического механического анализа установлено, что включение в наполнитель гибридных частиц ТУ/УНТ приводит к расширению пиков температурных зависимостей тангенса угла механических потерь TanD для всех образцов в сторону более низких температур и смещению положения максимума TanD на величину от 4 до 16 °С в сравнении с контролем. Данные дифференциальной сканирующей калориметрии указывают на наличие дополнительных низкотемпературных a-релаксационных переходов в модифицированных вулканизатах (- 123 ¸ - 118 °С). Наблюдаемое релаксационное поведение макромолекул обусловлено появлением в материале областей с менее плотной упаковкой макромолекул и, как следствие, расширением их конформационного набора при сегментальном движении в условиях низких температур. Это обеспечивает получение материала с повышенной усталостной выносливостью и морозостойкостью.

Проведен анализ уровня развития физико-химической геотехнологии кучного выщелачивания золота по ведущим странам золотодобычи с помощью патентно-информационного исследования технических решений. На основе использования опережающей информации дана сравнительная количественная оценка техническим решениям по объектам изобретения при двух режимах выщелачивания - сезонном и круглогодичном.

Представлены результаты сравнительного исследования состава и свойств двух коммерческих флотационных реагентов на органической основе. Показано, что оба реагента проявляют высокую флотационную активность и комплексные свойства собирателя-пенообразователя в процессе обогащения шламов коксующихся углей. Установлено, что при близкой эффективности компонентный состав реагентов весьма различен. Один из них представлен преимущественно соединениями н- и циклоалифатического характера. В составе второго в сопоставимых количествах присутствуют соединения ароматического ряда. Наличие в обоих реагентах соединений с кислородсодержащими полярными группами (циклические спирты, кетоны, эфиры алифатических кислот) придает им свойства комплексных реагентов с гетерополярными свойствами.

Исследована возможность использования природных цеолитов в технологиях защиты компонентов окружающей природной среды при работе горных предприятий. Изучены вопросы комплексной переработки цеолитсодержащих пород. Определены и обоснованы наиболее эффективные технологии обогащения цеолитов, модификации и активации их свойств, а также очистки от вмещающих примесей. Установлены основные параметры применения предлагаемых технологий обогащения цеолитсодержащих пород. Приведены результаты экспериментальных исследований переработки природных цеолитовых пород с применением различных методов обогащения. Определены основные направления применения природных цеолитов с целью обеспечения комплексной экологической безопасности горнопромышленных предприятий.

Представлен краткий аналитический обзор статей, рассматривающих флотацию минералов с использованием сочетания реагентов. Отмечено, что основное внимание авторов работ направлено на изучение действия сочетания собирателей на границе раздела минерал - жидкость. Показано, что один из реагентов или ассоциаты, образующиеся в результате их совместного действия, обладая поверхностной активностью, могут выполнять функцию десорбируемой формы сорбции и способствовать сокращению времени индукции при формировании флотационного комплекса.

Рассмотрены вопросы сохранения производительности пневматических ударных устройств при уменьшении их массогабаритных размеров для выполнения строительных работ в условиях ограниченного технологического пространства. Приведены результаты расчета динамики двух вариантов ударных устройств - с двумя и тремя пневматическими камерами. Показано, что при одинаковых радиальных размерах и пороговой энергии ударов рассматриваемых устройств резервом повышения ударной мощности является увеличение частоты ударов за счет роста числа пневматических камер.

Рассмотрен порядок проведения научных экспериментов при разработке автоматического регулятора расхода жидкости с гидравлическим управлением. Доказана необходимость применения автоматических систем в технологическом процессе бурения. Приведены результаты экспериментальных исследований регулятора расхода жидкости, а именно его выходная характеристика и осциллограммы разгона гидромотора при различных режимах работы регулятора.

Предложена принципиальная схема устройства отклонения траектории скважины при горизонтально направленном шнековом бурении. Рассмотрена задача его взаимодействия с грунтом при статическом нагружении. С помощью модифицированной модели Кэм-Клэй для глинистых грунтов конечно-элементного комплекса Ansys решена параметрическая задача по определению зависимости угла отклонения оси скважины и величины отклонения скважины на 1 п. м ее длины от угла наклона передней плоскости породоразрушающего инструмента. Рассчитано оптимальное значение этого угла.

Рассмотрены проблемы создания высокопрочных композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного базальтовым волокном. Использовано органомодифицированное базальтовое волокно с применением аппрета и поверхностно-активного вещества. Волокна вводили в полимерную матрицу в концентрации 0.5, 1, и 2 мас. %. Методом сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что идет улучшение межфазного взаимодействия между компонентами полимерного композиционного материала.

Проведено сравнение результатов расчета воздухообмена от поршневого действия поездов в протяженном железнодорожном тоннеле методами вычислительной аэродинамики в стационарной и нестационарной постановке. Выявлены погрешности определения воздухообмена в стационарной постановке. Обоснована корректность применения моделей сетевого статического воздухораспределения с квазидинамическими моделями поршневого действия поездов для расчета проветривания тоннелей.

Рассмотрены вопросы осуществления мониторинга физико-механических свойств горных пород в процессе бурения как части проекта “Умный рудник” для построения системы рационального рудопотока. Представлены теоретические основы определения изменчивости физико-механических свойств горной породы в процессе бурения, главным образом, упругости, как параметра, характеризующего упругую реакцию горной породы на разрушение. Приведена принципиальная конструкция системы для реализации механизма с фиксацией изменчивости упругой реакции горных пород на разрушение по упругой деформации бурильной колонны и визуализации получаемых данных в режиме реального времени.

Выполнен анализ особенностей схем гидроударных машин. Сформулированы требования к гидрообъемным машинам, используемым в автоматизированных буровых комплексах при реализации адаптивных технологических процессов. Разработана конструктивная схема гидравлического ударного механизма с промежуточной сливной камерой и кольцевым упругим клапаном. Построена имитационная модель предложенной гидроударной системы и проведено исследование динамики рабочего цикла.

На испытательном стенде в лабораторных условиях исследована динамика работы скоростного скважинного сейсмоисточника дебалансного типа. Внутренняя камера виброисточника заполнялась жидкостью и находящийся в ней дебаланс раскручивался электроприводом с частотой вращения от 10 до 50 Гц и шагом 5 Гц. Приведено сравнение амплитуд колебаний генерируемых виброисточником при сухой и заполненной жидкостью внутренней камере.

Исследование свойств композитов с помощью методов механоактивации показало эффективность использования слоистых силикатов в качестве модификаторов политетрафторэтилена. Определено влияние слоистых силикатов на повышение его износостойкости. Установлено, что наиболее существенное воздействие на комплекс физико-механических характеристик политетрафторэтилена происходит в случае его наполнения силикатами, имеющими в структуре диоктаэдрическую сетку благодаря наличию в них катионов алюминия. На поверхности трения методом растровой электронной микроскопии отмечено формирование защитного слоя, выполняющего роль пластичной смазки. Разработаны новые уплотнительные материалы для экстремальных условий эксплуатации с улучшенными механическими характеристиками, трибо, морозо- и термостойкостью.

Предлагается технология сварки в раструб полиэтиленовых труб, которая может применяться при строительстве систем трубопроводов из полиэтилена в горнодобывающей промышленности. На основе численного моделирования теплового процесса исследовано влияние низких температур на динамику температурного поля в сварном раструбном соединении. Показана необходимость предварительного подогрева и использования теплоизоляции на стадии охлаждения при сварке в условиях низких температур для протекания теплового процесса по закономерностям, характерным для сварки при допустимых температурах. Приведена методика определения размеров теплоизоляционной камеры для охлаждения сварного раструбного соединения при низких температурах из условия обеспечения скорости охлаждения, свойственной при сварке при допустимых температурах.

Рассмотрены математические модели для расчета нестационарного температурного поля в манжетном уплотнении вращающего вала. Методом конечных элементов проведено сравнение математических моделей теплового процесса с различными допущениями, при этом функция фрикционного тепловыделения моделируется множеством сосредоточенных источников тепла. Для уплотнения из наполненного фторопласта-4 показана справедливость допущения об отводе практически всей теплоты, выделившейся в результате трения, в стальной вал. Показано, что для уплотнений, работающих в условиях низких температур окружающего воздуха, необходимо учитывать зависимость теплофизических свойств материала уплотнения от температуры. Предложена методика определения нагрузочно-скоростных режимов полимерных уплотнений вращающегося вала по температурному ограничению с учетом зависимости теплофизических свойств от температуры и коэффициентов теплообмена от скорости скольжения.

Рассмотрена проблема сварки полиэтиленовых труб, применяемых в горной промышленности при низких температурах окружающего воздуха. Численным решением термоупругой задачи выявлены отличительные особенности теплового и напряженно-деформированного состояний сварного соединения полиэтиленовых труб с помощью муфт с закладным нагревателем при различных температурах. Установлено, что в условиях низких температур воздуха размер расплавленной зоны существенно меньше, чем при допустимых для сварки температурах. В связи с этим создается недостаточное для качественной сварки давление между муфтой и трубой. Показано, что в момент кристаллизации расплава максимальные значения напряжений и деформаций при сварке в условиях низких температур выше, чем при сварке в допустимом интервале температур, что обуславливает высокие значения остаточных напряжений. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологии сварки при низких температурах.

Приведена методика количественного анализа фрактограмм поверхностей разрушения эпоксидного полимера на основе смолы ЭД-20 после механических испытаний на растяжение, включающая определение светлоты поверхности и сканирования рельефа методом конфокальной лазерной микроскопии. Получены новые сведения о механизме климатического старения эпоксидных полимеров. Обнаружено увеличение площади шероховатой зоны на фрактограммах разрушения образцов, связанное с уменьшением предела прочности при растяжении, по мере увеличения продолжительности климатического воздействия.

Создана лабораторная модель пневмомолота с массой ударника 4 кг и ступенчатым регулированием ударной мощности за счет ее частотной компоненты. Приведены ее фактические энергетические характеристики в зависимости от варианта настройки. В эксперименте погружаемый стержень подвергался комбинированному воздействию в виде периодических ударных импульсов в сочетании с дополнительной статической нагрузкой. Получены эмпирические графические и расчетные _{зависимости} влияния частоты ударов и величины внешнего силового воздействия на скорость внедрения обсадной трубы в грунтовый массив при условии требуемого порогового значения энергии модели пневмомолота, необходимой для преодоления сопротивления грунта.

Представлена конструкция отечественного погружного пневмоударника для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости. С помощью метода математического моделирования доказана возможность его работы на давлении энергоносителя 2.4 МПа. Приведены результаты испытаний опытных образцов пневмоударника в лабораторных условиях и на промышленных объектах горнодобывающей отрасли.

Приведен обзор методов картирования нарушений в массиве горных пород на примере определения систем трещин гидроразрыва в нефтенасыщенном пласте. Рассмотрены методы пассивного и активного микросейсмического мониторинга, а также электромагнитные способы обследования массивов горных пород на предмет наличия в нем неоднородностей. Предложен перспективный вариант развития систем картирования трещин гидроразрыва - создание скважинных зондов, представляющих собой георадиолокатор, реализующий режим электрического сканирования исследуемого массива. Выполнен расчет антенной решетки скважинного исполнения на основе матрицы Батлера. Рассчитанные параметры фазированной антенной решетки с матрицей Батлера могут быть использованы для проектирования скважинного зонда для картирования трещин гидроразрыва, а также выполнения обследования инженерно-технических сооружений, например, оснований фундаментов зданий.