14.584.21.0034

Данные о выполнении Соглашения 075-02-2018-218 от 26.11.2018, внутренний номер соглашения 14.584.21.0034.

Тема: «Радикальное снижение рисков катастрофических последствий геодинамических явлений»

Руководитель: д.т.н., профессор Макаров Владимир Владимирович

Цель проекта

1) Общей проблемой, на решение которой направлен проект, является обеспечение рационального природопользования за счет предотвращения техногенных катастроф, связанных с плохо прогнозируемыми геодинамическими явлениями.

2) Целью реализуемого проекта является снижение рисков катастрофических последствий геодинамических явлений на основе разработки многоканальных методов обнаружения предвестников таких явлений. Разрабатываемые методы основываются на вовлечении в прогностические решения источников сигналов (каналов), включающих не только очаговую область подготовки самого геодинамического явления, но и околоочаговую область, имеющую новые, отличные от очаговой области и синхронизированные с ней типы сигналов.

Результаты проекта позволяют существенно повысить надежность прогноза геодинамических явлений и снизить риски катастроф, связанных с  разрушением горных пород.

Основные результаты проекта

I Основные результаты проекта, полученные на 1 этапе:

1) Основные теоретические и экспериментальные результаты, полученные на первом этапе Проекта, создают все предпосылки для исследований второго этапа.

Разработаны экспериментальные и теоретические методы исследования закономерностей деформирования и разрушения сильно сжатых горных пород, включающие многоточечные измерения математические модели механики сплошной среды с дефектами. Экспериментально установлены эффекты реверсивного деформирования разных типов для линейных деформаций образцов горных пород и разработана гипотеза формирования мезотрещинной структуры «контрастного» типа в образцах горных пород при одноосном сжатии, объясняющая эти аномалии. Разработаны также методики определения параметров неевклидовых математических моделей по данным натурных и лабораторных исследований, позволяющие переходить к их практическому применению.

Теоретически исследованы закономерности зонального разрушения вокруг закрепленных горных выработок и напряженно-деформированного состояния сильно сжатых образцов горных пород, имеющие осциллирующий характер, что позволяет интерпретировать этапы формирования и развития мезотрещинных структур как предвестники макроразрушения, требующие разработки многоканальных методов их обнаружения, предусмотренных на следующих этапах выполнения Проекта.

2) Полученные в Проекте результаты характеризуются высокой степенью достоверности: решения краевых задач полностью удовлетворяют граничным условиям, а результаты теоретических и экспериментальных исследований имеют полное качественное и хорошее или удовлетворительное количественное совпадение.

3) Разработанные математические модели, решения краевых задач механики, а также методы экспериментальных и теоретических исследований являются новыми и оригинальными.

4) Полученные результаты полностью соответствуют Техническому заданию и Плану-графику работ по проекту.

5) Анализ мировой литературы по разрабатываемому направлению показал существенное опережение мирового уровня аналогичных проектов, как в части исследования свойств мезотрещинных структур «контрастного» типа в лабораторных и натурных экспериментальных исследованиях, так и в части разработки моделей исследуемых явлений. 

II Основные результаты проекта, полученные на 2 этапе:

1) Установлен механизм формирования мезотрещинной структуры «контрастного» типа в образцах горных пород при одноосном сжатии, позволяющая объяснение аномального реверсивного характера линейных деформаций и заключающийся в том, что в результате формирования очаговой области подготовки макроразрушения образца его деформации приобретают неоднородный характер, причем в очаговой части линейные деформации приобретают экстремально большие значения, свидетельствующие об активизации процессов трещинообразования; а в прилегающей околоочаговой части реализуются реверсивные линейные деформации, позволяющие предполагать здесь наличие зоны акустического затишья.

2) Построены системы деформационных критериев подготовки макроразрушения, однозначно характеризующих стадии локализации мезотрещинного процесса, основанные на установлении механизма реверсивного деформирования образцов горных пород, его связи с очаговым характером подготовки макроразрушения;

3) Определены положение и степень формирования диссипативной мезотрещинной структуры образца по многоканальному (акустико-деформационному) методу, использующему информацию как о формировании и развитии очага макроразрушения, так и его окрестностей с установлением закономерностей ее развития.

4) Получена эмпирическая зависимость между максимальным диаметром очаговой области образца горной породы при сильном сжатии и средним размером минерального зерна горной породы и показано, что линейная форма связи достаточно надежно описывает данные выборочной совокупности (коэффициент корреляции 0,685).

5) Определено, что параметры мезотрещинной структуры сильно сжатых образцов горных пород определяются с использованием экспериментально установленной зависимости между максимальным диаметром очаговой области образца горной породы при сильном сжатии и максимальным размером минерального зерна горной породы.

6) Разработан метод определения параметров диссипативных мезотрещинных структур образцов горных пород в состоянии сильного сжатия, заключающийся в том, что по данным экспериментов с образцами и по эмпирической зависимости, определяются параметры математической модели формирования и развития мезоструктуры, а факторы, характеризующие очаговую часть образца, также, как и околоочаговую его часть, определяются расчетом.

7) Проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований, показывающих удовлетворительное количественное и полое качественное совпадение значений деформаций сильно сжатых образцов горных пород.

8) Создан глубокорасположенный геодинамический полигон на Николаевском полиметаллическом месторождении, на котором с помощью сейсмоакустических и деформационных измерений контролируется наиболее удароопасные участки месторождения.

9) Установлена локальная система в составе системы геомеханического мониторинга «Prognoz-ADS», включающей сейсмоакустические датчики (4 геофона с расстояниями между ними от 5 до 20 м), которые соединяются с основным блоком посредством симметричных кабельных линий. Система предполагает синхронную работу с акустической системой Система AMSY-6 и деформационной системой экстензометров Geokon модели A-5, позволяющими в комплексе обеспечить апробацию методов третьего этапа реализации Программы.

10) Сформированы базы данных с параметрами зарегистрированных событий в пределах локального геодинамического полигона по всем преобразователям АСКГД «Prognoz-ADS» и 4-м новым отдельно в районе деформационных измерений и разработана методика исследования закономерностей сейсмоакустической активности вокруг горных выработок.

11) Проведены режимные сейсмоакустические наблюдения за процессами формирования очагов разрушения вокруг горных выработок и выработанных пространств. Результат анализа распределения энергетики зарегистрированных в пределах созданного геодинамического сейсмодеформационного полигона АЭ-событий показал, что локальная система из 4 геофонов с расстояниями между ними от 5 до 20 м позволяет регистрировать большое количество АЭ-событий с энергией от 0,1 до 10 Дж. Анализ спектров этих сигналов показал, что для таких событий характерен сверхвысокий частотный диапазон – от 6 до 12 кГц.

12) Проведены исследования закономерностей формирования и развития зональной структуры разрушения массива вокруг глубоко расположенных подземных выработок по многоканальной схеме с применением сейсмоакустического и деформационного методов исследований.

13) Разработан многоинтервальный скважинный метод экспериментального исследования зональной структуры разрушения массива вокруг подземных глубоких выработок, заключающийся в том, что количество интервалов измерения определяется из условия не менее одного интервала на каждую фиксируемую зону разрушения и соседние с ней промежуточный зоны, а длина скважины определяется условием охвата пространства не менее 2 зон разрушения, не считая контурную.

14) Установлены закономерности зонального разрушения горных пород вокруг подземных выработок, заключающиеся в том, что, в условиях сейсмоакустической активности породного массива, радиальные деформации массива приобретают осциллирующий (зональный) характер, а разрушение контурной зоны наступает через 40-60 суток в условиях месторождения рудника Николаевский. Установлено, что характер разрушения массива вокруг глубоких выработок носит волноподобный характер, причем скорость движения волны разрушения для условий месторождения рудника Николаевский составляет 0,4 м/сут.

15) Разработан метод определения характеристик зональной структуры разрушения массива вокруг подземных выработок, заключающийся в том, что по данным экспериментов с образцами и по эмпирическим зависимостям, связывающим расстояние от центра выработки до середины первой зоны разрушения с пределом прочности пород, определяются параметры модели, учитывающей развитие в массиве на большой глубине мезотрещинных структур зонального типа, а количество, протяженность зон и расстояние между ними определяются расчетом в результате решения краевой задачи механики сплошной среды с дефектами.

16) Проведена оценка влияния моделирования сечения арочной формы выработки круглой формой и погрешность в определении предела прочности на одноосное сжатие на протяженность первой зоны разрушения. Установлено, что погрешность расчетного значения протяженности первой зоны разрушения по сравнению с экспериментальным незначительна, а погрешность в определении модуля деформации и коэффициента Пуассона не влияет на характеристики зональной структуры разрушения.

17) Реализация метода определения характеристик зональной структуры разрушения массива вокруг подземных выработок осуществлена в виде программного комплекса, включающего блоки задания условий проведения выработок, определения параметров модели зонального разрушения и расчета характеристик зональной структуры разрушения массива.

18) Рассмотрены основные подходы к моделированию иерархически-блочной геосреды. Показано, что подход мезомеханики с выделением однородных по условиям усреднения мезообъемов требует определения физически обоснованных размеров однотипных мезодефектов. Этим условиям удовлетворяет определяемое теорией хрупкого сдвиго-отрывного разрушения критериальное отношение. Показано, что геосреда в пределах коры может быть представлена четырьмя иерархическими уровнями блоков, где каждый из уровней моделируется сплошной средой в рамках калибровочных (неевклидовых) моделей, отличающихся только значениями входящих в них параметров.

19) Разработаны Принципы представления иерархически-блочной среды системой неевклидовых моделей. Принцип неевклидовой иерархичности, заключающийся в том, что иерархически-блочный массив заменяется системой калибровочных (неевклидовых) моделей, каждая из которых охватывает тот или иной уровень блочной иерархии, позволяя давать адекватное описание формирующихся здесь мезотрещинных структур. Принцип «монолитного блока», заключающийся в том, что рассмотрение состояния массива как нижнего, так и верхнего соседнего иерархического уровня производится, как сплошного. При этом «снизу» массив моделируется линейными моделями традиционного типа, а «сверху» представлен сплошной средой с одиночными трещинами, взаимодействие между которыми отсутствует.

20) Разработан общий метод определения параметров диссипативных мезотрещинных структур образцов и массивов, который заключается в том, что для выделенного на основании геологической оценки размеров геоблоков иерархического уровня блочной геосреды и определенного масштабного уровня мезодефектов (мезотрещин) разрабатывается математическая модель сплошной среды с дефектами (неевклидова модель), соответствующая выбранным условиям, а характеристики (параметры) мезоструктуры определяются расчетом после решения соответствующих краевых задач и определения параметров модели из данных экспериментов.

Назначение и область применения результатов проекта

1) Область применения полученных результатов соответствует разработке методов и способов прогнозирования геодинамических явлений в массиве горных пород, что является предметом изучения геомеханики и геофизики. Решение поставленных в проекте задач имеет существенное значение в области рационального природопользования при предотвращении техногенных катастроф, связанных с плохо прогнозируемыми геодинамическими явлениями.

2) Перспективы использования результатов проведенных исследований заключаются в разработке методов прогноза геодинамических явлений в массиве, оценки эволюции разрушения пород вокруг горной выработки и прогнозе поведения специфической блочной структуры массива горных пород.

3) Сотрудничество с Национальным институтом технологий Патна (г. Патна, Индия) и Пекинским научно-технический университет (г. Пекин, Китай) позволило существенно развить исследования в рамках международного коллектива с выходом на рынки наукоёмкой продукции развивающихся стран.

Эффекты от внедрения результатов проекта

Создание многоканальных методов обнаружения предвестников разрушения горных пород и массивов позволяет существенно снизить риски катастрофических последствий геодинамических явлений, связанных с авариями в атомной и горной. Внедрение методов позволяет повысить надежность прогноза не менее чем на 25-30 %.

Соисполнители

Соисполнителями по Проекту являются: Пекинский научно-технический университет (г. Пекин, Китай), Национальный технологический институт Патна (г. Патна, Индия); Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук (ХФИЦ ДВО РАН) (г. Хабаровск, Россия).

Список основных публикаций по проекту

1. Guzev, M. A., Odintsev, V. N., &Makarov, V. V. Principals of geomechanics of highly stressed rock and rock massifs // Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 81, November 2018, Pages 506-511;

2. Makarov V. V. Methodological Principals of Geomechanics of Highly Compressed Rock and Rock Massifs // Горный информационно-технический бюллетень (научно-технический журнал) №12. Специальный выпуск №62, 2018 г, «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран Азиатско-тихоокеанского региона. М, «Горная книга»;

3. Макаров В. В., Голосов А. М. Радикальное снижение рисков катастрофических последствий геодинамических явлений // Горный информационно-технический бюллетень (научно-технический журнал) №12. Специальный выпуск №62, 2018 г, «Проблемы освоения георесурсов Российского Дальнего Востока и стран Азиатско-тихоокеанского региона. М, «Горная книга»;

4. Ksendzenko L. S. Factors influencing the characteristics dependence of zonal structure rock failure around lined opening // E3S Web of Conferences, Volume 56, 26 September 2018;

5. Guzev M. A., Makarov V. V. Principles of the non-Euclidian model application to the problem of dissipative mesocracking structures of highly compressed rock and massifs modelling // E3S Web of Conferences, Volume 56, 26 September 2018.

6. Guzev, M. A., Odintsev, V. N., &Makarov, V. V. Conception of highly stressed rock and rock mass – as the step to theory of hierarchical cracking mesostructures // EUROCK 2018: Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses : proceedings of the symposium., Saint Petersburg, Russia, 22-26 may, 2018. – Taylor & Francis Group, 2018. – Vol. 2. – P. 727-732.

7. Lyudmila S. Ksendzenko & Vladimir V. Makarov Zonal type mesostructures around single openings in deep rock and mass // EUROCK 2018: Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses : proceedings of the symposium., Saint Petersburg, Russia, 22-26 may, 2018. – Taylor & Francis Group, 2018. – Vol. 2. – P. 733-738.

8. V.V. Makarov, M.A. Guzev, A.M. Golosov Multichannel method of reliable precursors of failure define // Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastructure Development – Full Papers. Proceedings of the 14^th International Congress on Rock Mechanics and Rock Engineering (ISRM 2019), Foz Do Iguassu, Brazil, 13-18 September 2019;

9. A. Golosov, O. Lubimova, M. Zhevora, V. Markevich, V. Siskov Data processing method for experimental studies of deformation in a rock sample under uniaxial compression // E3S Web of Conferences 129, 01018 (2019).

10. V. Makarov Method of Reduction of Geodynamical Phenomena Catastrophical Effects on the Base of Multichannel Methods of the Precursors Finding E3S Web of Conferences v. 129, 01024. 2019.

11. В.В. Макаров Об одном подходе к моделированию иерархически-блочной геосреды Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран Азиатско-Тихоокеанского региона-2: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — № 7 (специальный выпуск 23). 2019. с. 9-19.