Результаты исследований напряженно-деформированного состояния геосред в задачах геомеханики, геотектоники, горного машиностроения

Значительная часть актуальных для горного дела и строительства задач связана со взаимодействием конструкций, машин (либо их рабочего органа) с ненарушенными, а также фрагментированными горными породами, т. е. сыпучими материалами. В случае тех и других технические решения, которые бы в полной мере удовлетворили требования практики, могут быть найдены только с использованием адекватных моделей геосред, взаимодействующих с конкретными объектами, методов расчета и с опорой на результаты экспериментальных лабораторных и/или натурных исследований. Как известно [1–5], между горными породами и дискретными средами существует глубокая внутренняя связь. В ее основе лежат общие для них фундаментальные свойства – дилатансия, трение, сцепление с [6]. Они являются определяющими прочностные характеристики, поведение этих геоматериалов при нагружении и в целом их напряженно-деформированное состояние (НДС). Породный массив отличается от образованного сыпучим материалом с его с=0 лишь заполнителем межзерновых пустот, который имеет с>0 и иной, чем у элементов скелета, модуль упругости.

Осознание общности рассматриваемых сред привело к заключению о перспективности использования при решении связанных с ними задач такого эффективного «инструмента», к каким относится метод дискретных элементов (МДЭ) [7]. Он является вариантом метода частиц [8] и, по сравнению с другими известны-

ми, с прикладной точки зрения обладает существенными достоинствами: 1) универсальностью (применимостью для описания в целом сред со структурой); 2) способностью автоматически учитывать дилатансию – ключевое для формирования их НДС свойство; 3) отслеживать изменение НДС этих сред на допредельной и запредельной стадиях деформирования.

Проделанные в течение ряда лет с привлечением МДЭ собственные исследования привели к заключению о целесообразности модификации модели сред, используемой в его классическом варианте. Сделанные в этом направлении шаги дали положительные результаты [9]. Они же убедили в перспективности дальнейшего основывающегося на представлениях [6] развития работ по совершенствованию модели сред со структурой. В этой связи прокомментируем основные результаты, полученные в исследованиях. Они включают МДЭ, который модифицирован за счет общей для дискретных сред модели, компьютерную программу, основанную на данном его варианте, а также найденные с ее помощью и физического моделирования принципиально новые решения для ряда задач геомеханики, геотектоники и машиностроения. Статья, являясь обзорной, демонстрирует суть результатов без обсуждения исходных данных, принятых в этих задачах, а также использованных в опытах стендов, оборудования, методик и детального анализа. С ними можно ознакомиться в публикациях, приведенных в работе.

Модель среды со структурой и компьютерная программа

На рис. 1 показаны модели контактных сил взаимодействия между частицами Ω_i и Ω_j среды со структурой при с =0 (рис. 1 а ) и c >0 (рис. 1 б ), где c – сцепление на контакте.

Вариант МДЭ, включающий модель среды, приведенную на рис. 1, положен в основу компьютерной программы PM2D [10]. Она предназначена для решения в двухмерной постановке задач механики горных пород, сыпучих сред, грунтов, композитных материалов.

б

а

Рисунок 1. Компоненты линейной вязкоупругой модели несвязного (а) и связного (б) контактов: Fn, Fs – нормальная и касательная компоненты силы взаимодействия; an,as – установочные зазоры (installation gap) по нормали и касательной к контакту; μdn, μds

– коэффициенты вязкости по нормали и касательной к контакту; ken, kes – жесткость пружин по нормали и касательной к контакту; kcn, kcs – жесткость дополнительных пружин сцепления по нормали и касательной к контакту; ƒs– коэффициент трения скольжения на контакте; cn, cs – компоненты сцепления по нормали и касательной к контакту.

Figure 1. Components of the linear viscoelastic model of non-cohesive (a) and cohesive (б ) contacts: F_n, F_s – normal and tangential components of the interaction force; a_n,a_s – installation gaps along the normal and tangential to the contact; μ_dn, μ_ds – viscosity coefficients along the normal and tangential to the contact; k_en, k_es – stiffness of springs along the normal and tangential to the contact; k_cn, k_cs – stiffness of additional springs of adhesion along the normal and tangential to the contact; ƒ _s – coefficient of sliding friction at the contact; c_n, c_s – components of adhesion along the normal and tangential to the contact.

Тестовые задачи

Использование программы PM2D в анализе проблем горного производства предварено проверкой ее эффективности. Сделано это с привлечением двух групп тестовых задач – квазистатических и динамических (программа ФНИ, проект № АААА-А17-117121140065-7). При их выборе приняты во внимание известность в кругах специалистов и адекватность, надежно подтвержденная результатами физических экспериментов. В первую группу вошли задачи об НДС: 1) цилиндрического образца горных пород при испытаниях по бразильской схеме; 2) породного образца, ослабленного круговым отверстием, для случая двухосного сжатия; 3) надрезанной посередине балки на двух опорах, нагруженной сосредоточенной силой; 4) сыпучего материала при выпуске из плоского сходящегося канала (рис. 2-5).

Для задач по динамическому нагружению геосред, исследование которого – предмет ближайшей перспективы, тестовыми стали задачи об НДС массива горных пород при подрывании в нем зарядов взрывчатого вещества (ВВ) (рис. 6).

Сопоставим результаты вычислений для отдельных, наиболее ярких задач с известными для них же, полученными опытным путем [11-14]. Сделаем это с использованием в основном иллюстративного материала. Для всех тестов приведем расчетную картину разрушения, которую сравним с экспериментальной. В одном из примеров пока-

IP

IP

Рисунок 2. Расчетная (а) и экспериментальная (б) [11] картины разрушения образца горных пород при испытании по бразильской схеме.

Figure 2. Calculated (a) and experimental (б) [11] failure patterns of a rock sample during the Brazilian scheme test.

Рисунок 4. К НДС бетонной балки на двух опорах нагруженной центральной сосредоточенной силой P^* : а – напряженное состояние на стадии предразрушения, 1, 2 – сжимающие и растягивающие напряжения соответственно; б, в – расчетная и экспериментальная [13] картины разрушения.

Figure 4. To the stress-stain condition of a concrete beam on two supports loaded by a central concentrated force P^* : a – stress condition at the prefracture stage; 1, 2 - compressive and tensile stresses, correspondingly; б, в – design and experimental [13] patterns of fracture.

а

б

Рисунок 3. Деформированное состояние породного образца, ослабленного отверстием, при двухосном сжатии: а, б – результаты соответственно численного и физического [12] экспериментов.

Figure 3. Deformed condition of a rock sample, weakened by a hole, after biaxial compression: a, б – results of numerical and physical [12] experiments, respectively.

жем также вычисленное НДС образца на промежуточной стадии его деформирования. Такого рода «селекция» вызвана ограничениями на допустимое число рисунков в публикациях. Подрисуночные подписи – те комментарии, которых после изложенного выше для данных примеров достаточно, чтобы понять суть иллюстраций.

В свое время в работе [14] в механике сыпучих сред экспериментально обнаружен новый, на первый взгляд, неожиданный эффект. Оказалось, что с началом выпуска песка из плоского сходящегося канала, несмотря на симметрию конструкции и условий на ее внутренних границах, гравитационное течение сыпучего в емкости существенно неоднородно и асимметрично (рис. 5). Геоматериал по мере продвижения к ее выпускному отверстию системой характерных полос скольжения, развивающихся от его кромок по восстанию, разделяется на отдельные все более раздрабливаемые блоки. Решению задачи о течении сыпучих материалов в обсуждаемом канале посвящен ряд публикаций [16–18 и др.]. В данном случае результаты, полученные для нее численно (рис. 5 а–в ), вместе с многократно воспроизведенными в опытах с песком (рис. 5 а ′ –в ′ ) использованы в качестве теста на адекватность модели среды и программы PM2D применительно к задачам механики дискретных сред. Из сравнения деформационных картин на рис. 5 следует, что обе успешно прошли это испытание.

Рисунок 5. Характерные стадии деформирования сыпучего материала при асимметричном режиме гравитационного течения в плоском сходящемся канале: а–в – численный; а ′ –в ′ – физический [14] эксперименты.

Figure 5. Characteristic deformation stages of bulk material under asymmetric regime of gravitational flow in a flat converging channel: a-в – numerical; а ′ –в ′ – physical [14] experiments.

Материалы тестирования, приведенные выше, убеждают в том, что использование компьютерной программы PM2D при анализе двухмерных задач геомеханики, включая связанные с машиностроением, является гарантом адекватности найденных с ее помощью для них решений. Ниже кратко охарактеризуем ряд таких научных и инженерных геомеханических задач и прокомментируем найденные для них решения. Сделаем это, как и выше, с использованием иллюстраций, число которых, по уже отмеченной причине, ограничено. Приоритет отдадим

Рисунок 6. Результаты численного (а) и физического [15] (б) экспериментов по подрыванию в образцах материалов заглубленного заряда ВВ.

Figure 6. Results of numerical (a) and physical [15] (б) experiments on detonation of a buried explosive charge in material samples.

рисункам, поясняющим фундаментальные составляющие исследований.

Фундаментальные задачи геомеханики, геотектоники

Первыми покажем результаты исследований, связанные с проблемой горного давления. В труде [19] подчеркивается, что «источником, первопричиной всех проявлений горного давления при <…> разработке месторождений (полезных ископаемых) являются <…> тектонические напряжения от современных движений земной коры». Там же отмечается, что эти субгоризонтальные напряжения σТ сжатия много больше диктуемых гравитацией. О механизме формирования σТ в верхах коры «в геологической литературе высказан целый ряд гипотез, что только подчеркивает неясность природы рассматриваемого феномена» [20]. Таким образом, для антропогенной толщи Земли характерны аномально высокие значения σТ, за которые ответственна геотектоника. Механизм их реализации неизвестен. Это, с учетом коррелируемости горного давления с тектоническими напряжениями, означает, что до конца понять его природу станет возможным лишь в том случае, если будет достигнут прогресс в понимании происхождения напряжений σТ. Отсюда следует, что разрешение проблемы горного давления, генетически связанной с тектоникой Земли, напрямую зависит от успешного решения соответствующих геотектонических задач. Ниже рассмотрены три из них (программа ФНИ, проект № ААА-А-А17-117121140065-7). Две первые позволяют проследить возможные изменения в НДС массива горных пород за период с начала формирования в нем месторождения полезных ископаемых до начала его разработки.

Карты различных регионов планеты [21, 22 и др.], литературные источники [23, 24 и др.], съемки из космоса свидетельствуют, что практически вся ее суша покрыта самого разного размера кольцевыми структурами (К-структурами) или образованиями. Это указывает на их высокую тектоническую значимость. О том же говорят приуроченность к данным морфообразованиям более 75 % месторождений разнообразных полезных ископаемых [23], включая углеводороды [25] и алмазы [24], а также сейсмичности [26]. Та же принадлежность свидетельствует об эндогенной природе К-структур. Затухающая в них со временем сейсмическая активность – проявление их продолжающегося сотни миллионов лет постдегазационного залечивания, которое характеризуется гравитационной консолидацией вмещающих пород, нарушенных актами дегазации и всплывания структур [27]. Осущест- вляется залечивание при поддержке твердоприливной «вибрацией» и иной природы волновыми движениями литосферы. Этот процесс является нестационарным и чрезвычайно медленным даже по геологическим меркам; сопровождается изменением НДС породного массива в области кольцевых морфообразований в режимах stick-slip и крипа. В работе [28]

с учетом изложенного предложена принципиально новая версия, которая объясняет развитие напряжений σТ в верхах земной коры тектоническими процессами, протекающими многие миллионы лет в ее залечивающихся эндогенных кольцевых структурах, в том числе осложненных месторождениями полезных ископаемых.

• • В работе [29] в рамках новой гипотезы с использованием программы PM2D численно исследована эволюция НДС осложненного К-структурой породного массива с момента зарождения до начала отработки сформировавшегося в нем флюидогенного рудного месторождения. Результаты вычислений сопоставлены с материалами [30, 31], полученными для гипабиссального Капаевского месторождения магнетита при бурении и изучении его геофизическими методами, а также в [32] – экспериментально (рис. 7). Данное месторождение может рассматриваться как тектонотип множества других таких же. О механизме образования вмещающих их рудоконтролирующих структур «существуют самые противоречивые представления» [31].

Особенности деформированного состояния (ДС) массива горных пород, представленные на рис. 7 а, б , вместе с рассмотренными в [30–32] позволили заключить следующее. Генезис Капаевского месторождения, подобно его аналогам, является результатом взрывной, преимущественно водородной дегазации локального насыщенного флюидами глубинного очага. Одно из свидетельств этого – видимые на рис. 7 а радиальные разломы. Акт дегазации осуществлен с помощью всплывшей из этой очаговой области эндоэксплозивной кольцевой структуры. Сформировалось ее столбообразное сложенное брекчированным геоматериалом тело (см. рис. 7 б ) в соответствии с закономерностями, подробно рассмотренными в [33]. Их реализация сопровождалась последовательной начиная от очага локализацией сдвигов вдоль системы конических поверхностей скольжения 1 и участков 2, развивавшейся по восстанию цилиндрической поверхности (см. рис. 7 в ). Следствием этого стали дробление и разделение породного массива на отдельные блоки. На рис. 7 показано, что деформационные картины, полученные в опыте с песком на плоской модели (см. рис. 7 в ), а также из решения задачи в двухмерной постановке (см. рис. 7 г ) в принципе мало чем отличаются от картины ДС, установленной для осесимметричной ситуации на натуре (см. рис. 7 б ), т. е. согласуются с ней качественно. Иллюстрацией на рис. 7 д обращено внимание на тот факт, что полосы локализованных деформаций и дилатансионного разуплотнения геоматериалов, на самом деле имеют мощность m₁ > m (см. рис. 7 г ),

а

б

Рисунок 7. К генезису полигенных месторождений твердых полезных ископаемых: а – план Капаевского месторождения магнетита [31], черным выделено рудное тело, 1–5 – проявления соответственно ртути, меди, аметиста, горного хрусталя, яшмы; б – его центральное вертикальное сечение П-160 [30], темное – магнетит, 1 – конические полосы скольжения, 2 – участки цилиндрической полосы; в – результат опыта с песком [32], область А – аналог П-160; г, д – соответственно расчетные деформированное состояние и силовое поле в области образующейся К-структуры [29].

Figure 7. To the genesis of polygenic deposits of solid minerals: a – plan of Kapaevsky magnetite deposit [31], the ore body is highlighted in black, 1–5 – manifestations of mercury, copper, amethyst, rock crystal, jasper, respectively; б – its central vertical section П-160 [30], magnetite is dark-coloured, 1 – conical slip bands, 2 – sections of cylindrical band; в – result of the experiment with sand [32], area A – analogue of П-160; г, д – calculated deformed state and force field in the area of formed K-structure, respectively [29].

напряженно-деформированное состояние определяются геотектоническими и геомехани-ческими процессами, которые реализуются в ходе генезиса этих эксплозивных изометрич-ных в плане трубо- или столбообразных полигенных морфо-образований.

• •    Прокомментируем результаты изучения изменений НДС породного массива в области эндогенной К-структуры с показанным происхождением в ходе ее поствзрывного залечивания (программа ФНИ, проект № АААА-А17-117121140065-7). Эти результаты, учитывая вероятность существования в ней месторождения, приобретают особую значимость. Именно они должны приниматься в качестве исходных данных при оценке возможных трансформаций его НДС за счет техногенного вмешательства.

Залечивание эксплозивных кольцевых морфообразований характеризуется погружением днища, носит циклический характер, протекает многие миллионы лет [27]. Спецификой которая в опыте оказалась контрастно выраженной из-за концентрации разрывных деформаций в основном в центральной части сместителей.

Данные разупрочненные полосы, приоткрывающиеся в процессе рождения и эволюционирования К-структу-ры, представляют собой те единственные и уникальные каналы, которые обеспечивают миграцию к поверхности раскаленных газонасыщенных находящихся под сверхгидростатическим давлением глубинных флюидов, включая рудную магму [33]. Они перколируют с мантийных горизонтов сквозь литосферу по восстанию (см. рис. 7 в) под действием собственной подъемной силы, градиента давлений, твердых лунных приливов, как показано наклонными стрелками на рис. 7 г. Этот процесс носит, о чем уже говорилось, нестационарный характер: периодическому в ходе всплывания кольцевой структуры раскрытию поверхностей скольжения 1, 2 в массиве сопутствуют такие же акты «впрыскивания» в них снизу новых «порций» высокобарного рудосодержащего субстрата. В результате формирующееся в кольцевом морфообразовании месторождение превращается в полигенное. Его приуроченные к полосам сдвига локальные насыщенные рудным расплавом порово-трещинные раздувы превращаются в наиболее богатые полезным ископаемым залежи. Таким образом, происхождение приуроченных к эндогенным К-структурам месторождений полезных ископаемых и их каждого единичного цикла является осуществление в два характерных продиктованных дилатансией шага [33]. С привлечением PM2D исследовано изменение НДС геосреды в ходе реализации в теле эволюционирующей кольцевой структуры (детально в ее антропогенной толще) одного такого цикла. Численное моделирование показало, что напряженно-деформированное состояние слагающих ее горных пород в процессе консолидации оказывается существенно непостоянным и неоднородным (рис. 8). На рис. 8 в наклонная стрелка указывает на локальное поднятие поверхности в области К-структуры. Его появление – результат роста тектонических напряжений σТ и потери в какой-то момент времени под их действием приповерхностным породным слоем днища морфообразования устойчивости. Подобный эффект наблюдали, в частности, в каменоломнях США и Канады [19].

Результаты, полученные при решении задач в двухмерной постановке, позволили сделать следующие обобщения для трехмерных ситуаций: 1) происхождение сублатеральных тектонических напряжений σ _Т сжатия в границах кольцевых морфообразований, включая осложненные месторождениями, связано с протекающим сотни миллионов лет, подчиняясь определенным закономерностям, процессом их залечивания; 2) σ _Т зависят от прочностных и деформационных свойств пород, слагающих К-структуру и 3) больше, чем на порядок могут

Рисунок 8. Характерные стадии НДС в пределах приповерхностной (антропогенной) толщи залечивающегося кольцевого морфообразования (силовые линии на фоне деформационных картин) [28].

Figure 8. Characteristic stages of the stress-stain state within the near-surface (anthropogenic) layer of the healing ring morpho-formation (force lines against the background of deformation patterns) [28].

В целом результаты, полученные при исследовании особенностей формирования горного давления, служат ответом на вопрос о «происхождении наблюдаемых вариаций локальных деформаций при стабиль превышать вертикальные напряжения от веса пород; 4) в различных областях любого из горизонтов структуры напряжения σТ в одно и то же время существенно разные; 5) их азимутальный вектор и значения в ее границах переменные; 6) изменяются они в ходе консолидации породного массива квазистатически и/или скачком.

На рис. 9 приведена совмещенная модель рельефа и геологического строения, осложненного месторождениями удароопасного Хибинского массива [34]. Он представляет собой одноименную эндогенную кольцевую структуру с рассматриваемым генезисом. Новейший анализ ее локальных палео стресс-состояний показывает «большое разнообразие положения осей главных нормальных напряжений и лишь их частичное соответствие таковым современного поля <…> (а также) как минимум два этапа активизации с относительно автономным развитием тектоники и соответствующих полей напряжений. <…> В целом для Хибинского … массив(а) отмечена нестабильность ориентировок осей девиаторного сжатия и растяжения…» [35].

Рисунок 9. Совмещенная модель рельефа и геологического строения Хибинского массива [34].

Figure 9. Combined model of relief and geological structure of the Khibiny massif [34].

Таким образом, процитированными материалами, базирующимися на данных полевых инструментальных наблюдений над реальным геологическим объектом кольцевой формы, прямо подтверждается адекватность качественной составляющей результатов, полученных при численном в двухмерной постановке моделировании изменения НДС породного массива в границах залечивающейся К-структуры. Отмеченные выше два этапа активизации эволюционирующего Хибинского массива отвечают двум основным этапам его консолидации. Один из них связан с погружением залечивающейся структуры, другой, не рассматриваемый в работе, – с ее активизацией и инверсионным воздыманием.

ности региональных силовых воздействий» [36].

• •    В рамках проекта № АААА-А17-117121140065-7 программы ФНИ исследована также актуальная проблема, которая стоит в одном ряду с рассмотренными выше и касается НДС ложа Мирового океана. В последние десятилетия «центр тяжести» мировой добычи многих полезных ископаемых заметно смещается в сторону его морей. Данная тенденция понятна. Осадочный чехол их дна содержит ~2 ⋅ 10⁷ м³ газогидратов [37], шельфы богаты далеко не до конца разведанными запасами нефти и газа [38], а срединно-океанические хребты (СОХ) осложнены черными курильщиками с их впечатляющими скоплениями массивных полисульфидов [39]. По последним данным, японскими геофизиками в акватории Пацифики обнаружено беспрецедентно гигантское месторождение крайне дефицитных редкоземельных металлов [40].

Промышленное освоение недр ложа Мирового океана наряду со специфичными трудностями морских (особенно высокоширотных) условий сталкивается со всеми теми, что преследуют извлечение ископаемых на суше. Главными, как и в ее случае, оказываются геотектонические. Для их разрешения привлекаются представления господствующей сегодня плейт-тектонической парадигмы [41]. Однако ее положения разделяются далеко не всеми исследователями [42]. Есть основания считать, что данная позиция имеет право на существование. Весомый аргумент в пользу этого – отсутствие до сих пор ясного понимания физических механизмов формирования и эволюции структурно-тектонических ловушек полезных ископаемых как на континентах, так и на шельфах, в осадочном чехле абиссалей океанов, а также вдоль их срединных хребтов. Последние являются одним из трех ключевых элементов тектоники плит. Остановимся на результатах исследований СОХ, магматические расплавы в коре которых, судя по геофизическим данным, перемещаются к поверхности по «трубообразным каналам» [43], т. е. каналам, которые подобны приведенному на рис. 7.

В работе [44] выдвинута и экспериментально обоснована версия о связи срединно-океанических поднятий и осложняющей их гребень глобальной рифтовой системы, с вертикальной тектоникой. Исследования проделаны на специальном лабораторном стенде с использованием модельных материалов. Изучены особенности деформированного состояния выполненных из этих материалов сплошных, а также ослабленных системой нарушений слоев, моделирующих литосферу планеты, при образовании и развитии в них изометричных впадин. В опытах получены основные морфоструктурные элементы срединных хребтов; с единых позиций объяснена реализа- ция у них ряда характерных черт. Показано, что пересекающие СОХ трансформные разломы океанского дна имеют возраст больший, чем у первых, являются «пассивными» участниками их сегментации, а также формирования вдоль их простирания латеральной «ступенчатости». Эффективность выдвинутой геотектонической гипотезы подтверждается сопоставлением результатов физических экспериментов с существующими фактическими данными (рис. 10). В соответствии с ней запускается механизм образования СОХ и их рифтогенеза прогибаниями литосферы, которые развиваются на фоне ее сжатия, связанного с сокращением размеров остывающей Земли [45], и сопровождаются нагнетанием

Рисунок 10. Деформационная картина дна Атлантики в области Канарской котловины ( а ; по [46] с изменениями); ДС модельного слоя после прогибания ( б ): 1 – трансформные разломы, 2 – проявления сегментации СОХ, 3-5 – общие детали деформированного состояния дна океана и модельного слоя; в кружке – область разлома Кейн.

Figure 10. Deformation pattern of the Atlantic floor in the Canary Basin region (a) : according to [46] with changes; design system of the model layer after deflection (б) : 1 – transform fractures, 2 – manifestations of segmentation of the mid-ocean ridge, 3–5 – general details of the deformed state of the ocean floor and the model layer; in circle – Kane fracture zone.

мантийного геосубстрата под растущие срединно-океанические хребты. Новые модельные представления позволяют по-новому взглянуть на механическую сторону генезиса полезных ископаемых в условиях СОХ, а также на особенности развития тектонических напряжений σT и горного давления в области скоплений этих продуктов подводной гидротермальной деятельности.

Рассмотренные результаты являются новыми фундаментальными в геомеханике, геотектонике, геологии.

Прикладные задачи

• •    В развитие исследований по ФЦП (соглашение с Минобрнауки РФ № 8183 от 27.07.12, проект «Разработка инновационной технологии и комплекса технических средств для крепления инженерных объектов грунтовыми анкерами с гибким тяговым элементом») в рамках проекта VIII.74.3.3. предложено новое конструктивное решение для анкеров с гибкой тягой (Э-анкеров), предусматривающее промежуточную опору естественного или искусственного происхождения. Они благодаря развитию «эйлеровского эффекта» при ее взаимодействии с этим опорным элементом приобретают повышенную несущую способность и улучшенные эксплуатационные характеристики [47]. Предназначены Э-анкеры для временного крепления откосов и бортов котлованов, включая сооружаемые под различного назначения инженерными объектами в слабых грунтах. Взаимодействие обсуждаемой анкерной конструкции с грунтовым основанием численно промоделировано с использованием программы PM2D. В условиях полигона «Зеленая горка» ИГД СО РАН проверены работоспособность Э-анкеров и оборудования для их установки в основание, а также приемы монтажа в него этих конструкций. С учетом полученных в исследованиях результатов рассмотрен вариант технологической схемы анкерования бортов котлована строящихся открытым способом станций метрополитена.

• •    На полотно подбункерных питателей обогатительных фабрик и питателей напольных складов со стороны их заполнителя – фрагментированных горных пород – действуют пиковые пусковые нагрузки P_max . В данной связи известны случаи разрушения этих транспортирующих устройств при первом же их пуске. Как парадокс воспринимается тот факт, что реализуется P_max даже при весьма незначительной толщине слоя перерабатываемого геоматериала в его емкостях-накопителях, т. е. при сравнительно малом вертикальном давлении на полотно питателей в статике.

В [48] численно с использованием программы PM2D, а также экспериментально на физических моделях исследовано изменение НДС раздробленной рудной массы в бункере при взаимодействии с подбункерным пластинчатым питателем на начальной и развитой стадиях его движения. Объяснен парадокс пиковой нагрузки. Обосновано, что связан он с развитием в геоматериале подбункерного узла с началом работы питателя, даже при маломощном слое геоматериала над ним, эффекта дилатансии. Показано, что абсолютное значение P_max зависит от физико-механических характеристик дробленой руды, конструктивных особенностей накопителя и его разгрузочного узла, а также стесненности в нем условий ее деформирования. Продемонстрирована возможность усовершенствования, с целью исключения действия P_max на полотно питателей, одной из традиционных схем подбункерного узла.

• •    В работе [49] численно и в опытах на моделях исследовано НДС раздробленных пород, заполняющих секцию напольного склада, при взаимодействии с расположенным под ней в галерее пластинчатым питателем. Показано, что известные для складских узлов разгрузки конструктивные решения не способны нейтрализовать дилатирование материала при перемещениях и, таким образом, предотвратить действие P_max на питатель с началом его работы. На основе результатов исследований

предложены новые технологический прием заполнения раздробленными породами напольных складов, а для узла разгрузки их секций – конструктивная схема. Экспериментально и численно подтверждено, что использование этих технических решений способно блокировать влияние дилатансии на напряженное состояние перерабатываемого сыпучего продукта и, как результат, снять актуальную для питателей напольных складов проблему пиковой нагрузки.

• •    В пищевой промышленности (в частности, Новосибирска и Минска) более 30 лет успешно эксплуатируются непрерывного действия объемные «Дозаторы ИГД» порошковых со слабым сцеплением материалов [50]. Разработаны устройства по инициативе СО РАН в рамках программы оказания Сибирским отделением помощи городу. Создана их конструкция на основе результатов экспериментальных исследований; до рабочего состояния доведена методом «проб и ошибок» в производственных условиях в ходе внедрения.

В связи с открывшимися перспективами расширения области применения этой проверенной временем разработки в рамках программы ФНИ (проект № ААА-А-А17-117122090003-2) с привлечением компьютерной программы PM2D с опорой на опытные данные численно обоснованы рациональная конструктивная схема бункера дозатора, а также принципиально новая оптимальная конструкция его узла дозирования [51, 52]. Таким образом, для рассматриваемого устройства найдено решение более совершенное, чем известные. Его использование позволяет проектировать объемные дозаторы непрерывного действия, которые способны обеспечить выполнение возлагаемой на них операции с порошками (C>0), а также мелкофракционными сыпучими материалами (C=0) с точностью, принятой для весовых систем.

• •    В системах трубопроводного транспорта в горнодобывающей промышленности, металлургии, нефтегазовой отрасли и т. д. воздействие твердых частиц, переносимых потоком транспортирующей фазы, приводит к интенсивному эрозионному износу изгибов труб [53–55]. Эрозионные повреждения в некоторых случаях могут быть причиной катастрофических и опасных происшествий для персонала, оборудования и окружающей среды [56]. С привлечением численного и физического моделирования методом дискретных элементов на лабораторном макете [57] обоснован вариант противоэрозионной защиты изгиба пневмотранспортного трубопровода путем установки наклонных пластин на внутренней поверхности изгиба (рис. 11). Транспортируемые частицы, попадая в ловушки между пластинами и поверхностью трубы, образуют защитный футерующий слой, препятствующий развитию эрозии. Установлены рациональные количество, геометрические параметры и координаты размещения пластин, обеспечивающие эффективную защиту изгиба от эрозионного износа.

• •    В технологиях проходки в горных породах и грунтах горизонтальных скважин с пневматическим выносом продуктов разрушения по центральному вращающемуся каналу возникает проблема неэффективного транспорта

буровой мелочи. Это может приводить к блокировке шламотранспортной магистрали и остановке процесса проходки. Такие осложнения могут возникать, в частности, при бурении в угольных пластах дегазационных скважин с обратной циркуляцией воздуха и вакуумным отбором проб, при расширении грунтовых скважин с напорным или вакуумным шламотранспортом [58–60] и т. п.

С привлечением физического и численного методом дискретных элементов моделирования (рис. 12) впервые показано, что для транспорта частиц по вращающемуся вокруг продольной оси трубопроводу наиболее выгодны не круглая, а эллиптическая или прямоугольная форма его поперечного сечения с соотношением размеров по осям 1 : 2. Для этих форм при оптимальной скорости вращения во взвешенном состоянии находится наибольшее количество частиц [61]. За счет этого концентрация транспортируемого материала в воздушном потоке увеличивается, а необходимый расход воздуха уменьшается. В итоге процесс удаления буровой мелочи улучшается и повышается эффективность проходки горизонтальных скважин.

Результаты сотрудничества с организациями страны и международного

• •    Разработчиками с целью апробации и получения экспертной оценки консалтинговой компании «СПб-Ги-прошахт» передана компьютерная программа SideDraw. Предназначена она для численного моделирования гравитационного течения отбитой руды в системе добычи с подэтажным обрушением и выпуском под обрушенными породами. Создана программа в ИГД СО РАН на основе результатов [62, 63], полученных в ходе совместных исследований с Техническим университетом Лулео (Швеция) в рамках национальной программы «Горное дело 2000» (Mining 2000) этой страны. Результаты [там же] использованы также шведской стороной при обосновании Программ 2013 и 2016 гг. [64–66] стратегических исследований и инноваций шведской горно-металлургической промышленности (Strategic research and innovation agenda for the Swedish mining and metal producing industry), ориентированных на период до 2030 г.

• •    Согласно отзыву компании «СПб-Гипрошахт», программа SideDraw была привлечена для «...моделирования технологий действующих рудников <...>, например, на подземном руднике ОАО "Олкон" ПАО "Северсталь" <...>, а также для проверочного моделирования проектной технологии», которая совместно с зарубежными партнерами разработана «СПб-Гипрошахт». Специалисты компании пришли к заключению об «универсальности <...> и достаточности программы SideDraw <...> для принятия обоснованных решений по конструированию системы добычи».

• •    В 2018 г. в рамках совместного инициированного и профинансированного Корейским институтом строительных технологий международного проекта «МДЭ-подходы к оптимизации упаковки полидисперсного зернистого материала и содержания импрегнированно-го полипропиленом мультифиламентного стекловолокна в горячей асфальтной смеси» предложены и численно с привлечением программы PM2D обоснованы новый в до-

  
  
  
  
  
  

  аб

  Рисунок 11. Самофутеровка изгиба трубопровода транспортируемыми частицами: а) численная модель; б) физический эксперимент. Стрелкой показано направление потока воздуха.

  Figure 11. Self-fouling of a pipeline bend by transported particles: a) – numerical model; б) – physical experiment. The arrow shows the direction of air flow.

  

  Рисунок 12. Картины распределения частиц в поперечном сечении трубопровода при его вращении с оптимальной для данной формы угловой скоростью ω : а ) физический эксперимент, б ) расчет; n_s – доля взвешенных частиц в просвете трубопровода.

  Figure 12. Distribution patterns of particles in the pipeline cross-section at its rotation with optimal for this shape angular velocity ω : a) physical experiment, б) calculation; n_s – percent of suspended particles in the pipeline clean space.

  
  

рованном состоянии горных пород, грунтов, сыпучих и композитных материалов. С использованием программы и физического моделирования изучены актуальные для горного дела и геотектоники проблемы и задачи. При их решении получены принципиально новые геомеханические, геотектони- ческие научные, а также прикладного характера результаты. Адекватность решений подтверждена материалами тестирования, данными лабораторных опытов и/или натурных наблюдений и измерений.