Лаборатория №2.1. Многофазных процессов в массивах горных пород при разработке месторождений

Научные направления работы лаборатории соответствуют основным направлениям фундаментальных научных исследований государственных академий наук (распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 февраля 2008 г. № 233-р).
Область научной деятельности лаборатории охватывает науки группы «Геотехнология» в системе наук о Земле. Основным направлением деятельности лаборатории являются исследования, связанные с созданием инновационных, экологически сбалансированных геотехнологий и технологических процессов, ориентированных на комплексное освоение и сохранение недр Земли при освоении месторождений полезных ископаемых. Цель деятельности лаборатории — получение и развитие фундаментальных научных знаний о технологических процессах техногенного воздействия на массив горных пород, совокупность которых составляют основу инновационных геотехнологий, обеспечивающих устойчивое развитие, высокую эффективность, экологическую и промышленную безопасность при комплексном освоении месторождений полезных ископаемых, строительстве подземных сооружений и решении смежных задач.

Основные научные направления лаборатории
Лаборатория ведет работы по нескольким научным направлениям.

1. Моделирование эволюции напряженно-деформированного состояния массива горных пород в квазистатическом и динамическом режимах деформирования при воздействии на массив как техногенных, так и природных факторов.
В том числе:

• теоретические исследования и разработка моделей изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при техногенном воздействии и развития геодинамических, газодинамических и термодинамических процессов в нем;
• исследования устойчивости горнотехнических конструкций как искусственного, так и естественного происхождения (в частности откосов бортов карьера и природных откосов);
• исследования физико-механических, физико-химических, механохимических и термодинамических свойств горных пород при различных скоростях нагружения и разрушения;
• исследования механизмов техногенного воздействия на многофазные (твердое -жидкость — газ) среды и разработка технологических процессов отработки месторождений твердых полезных ископаемых включающих флюиды;
• разработка методов прогноза и технологических способов предотвращения геодинамических и газодинамических явлений;

2. Исследования газодинамических процессов в углепородных массивах, включая выявление условий возникновения катастрофических проявлений горного давления при интенсивном ведении очистных работ.
В том числе:

• разработка теоретических моделей проницаемости, учитывающих горное давление, поровое давление метана и газонасыщенность угля;
• разработка методики проведения экспериментальных исследований по определению проницаемости в лабораторных и натурных условиях.
• определение влияния напряженного состояния и величины газонасыщения на вид и критерии разрушения угольного пласта;
• математическое моделирование изменения НДС углепородного массива при ведении горных работ с выявлением мест возможного скопления метана; теоретические исследования и обработка натурных данных по:
• прорывам метана из вмещающих пород и сближенных пластов;
• разломам почвы;
• провисаниям и разломам кровли;
• посадкам кровли.
• теоретические проработки, математическое моделирование, шахтные наблюдения изменения НДС массива в высокопроизводительных забоях угольных шахт.
• шахтные исследования реакции углепородного массива на изменения НДС в высокопроизводительных забоях; разработка модели и критериев выбросоопасности и удароопасности для высокопроизводительных забоев угольных шахт.
• обработка натурных данных по динамике газовыделений в скважины вблизи нарушений, разломов, зон повышенной тектонической активности, участков пластов под непроницаемыми горными породами; разработка моделей развития зон влияния скважины на массив.
• создание математических моделей массопереноса при заблаговременной дегазации пластов с использованием направленного и веерного бурения.
• анализ шахтных данных и разработка математической модели массопереноса с учетом притоков метана из угольного пласта, выработанного пространства, вмещающих пород и сближенных пластов.
• разработка математических моделей массопереноса метана в погашенном техногенном пространстве угольных шахт, с уточнением параметров модели по шахтным данным.
• определение мест регистрации и способов извлечения метана для разработки технологии мониторинга процессов его накопления и перемещения.
• разработка метода определения зоны влияния скважины при заблаговременной дегазации угольных пластов и изменения проницаемости угля в этой зоне во времени в зависимости от горно-геологических условий залегания пласта и свойств угля;
• определение рационального размещения скважин для заблаговременной дегазации и добыче угольного метана из неразгруженных пластов с учетом достижения необходимой степени дегазации и экономической эффективности;

3. Развитие теоретических основ сейсмоакустического контроля напряженно-деформированного состояния техногенно изменяемого массива горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых.
4. А также

• фундаментальные исследования механизмов воздействия на горные породы, формирующих энергоэффективные и ресурсосберегающие технологические процессы извлечения полезного ископаемого из недр Земли;
• разработка теоретических основ и инновационных технологических процессов преобразования полезного ископаемого на месте залегания в конечный продукт с заданными потребительскими свойствами;
• развитие теоретических основ геоконтроля, прогноза и управления напряженно-деформированным, газодинамическим и термодинамическим состоянием техногенно измененного массива горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых;
• теоретические исследования и разработка моделей изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при техногенном воздействии и развития геодинамических, газодинамических и термодинамических процессов в нем;
• исследования физико-механических, физико-химических, механохимических и термодинамических свойств горных пород при различных скоростях нагружения и разрушения;
• исследования механизмов техногенного воздействия на многофазные (твердое -жидкость — газ) среды и разработка технологических процессов отработки месторождений твердых полезных ископаемых включающих флюиды;
• разработка инновационных методов прогноза и технологических способов предотвращения геодинамических и газодинамических явлений; исследование влияния отработки месторождения на сейсмическое состояние региона.

Основные научные результаты
Выполнен комплекс исследований и разработаны базовые технологические процессы высокопроизводительной и энергоэффективной отработки углегазовых месторождений полезных ископаемых подземными геотехнологиями.

Разработаны фундаментальные основы геодинами-ческих, механохимических и термодинамических механизмов формирования выбросоопасных зон в призабойных зонах метаноносных угольных пластов при высокоинтенсивной подземной отработке.

Разработаны методологические основы построения компьютерных трехмерных полноразмерных моделей вскрытия, раскройки и отработки месторождений полезных ископаемых и моделирования изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород при техногенном воздействии и развитии геодинамических, газодинамических и термодинамических процессов в нем.

Разработаны базовые принципы построения аппаратного обеспечения и автоматизированных систем мониторинга и прогноза напряженно-деформированного, газодинамического и геодинамического состояния техногенно измененного массива горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых.

Разработана методология применения геофизических моделей в современных системах геоконтроля объектов подземного пространства мегаполисов, базирующихся на полученных ранее функциональных связях параметров волновых пакетов с физико-механическими и реологическими свойствами горных пород, а также на разработанных типовых геолого-геофизических моделях, принципы представления данных в системах геоконтроля подземного пространства мегаполисов.

Выполнено научное обоснование методологии моделирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород сложного геологического строения и его изменения при развитии горных работ. Разработаны алгоритмы, позволяющие принять в расчет его исходное состояние, разнообразие механических свойств слагающих его пород, развитие выработанного пространства, включая возможную закладку.

Разработаны алгоритмы решения геомеханических задач в рамках разработанной методологии на основе различных конечно-элементных модулей, входящих в комплекс ANSYS, включая решение задач нелинейного деформирования пород массива, динамических задач деформирования и разрушения.

Разработана методология оценки устойчивости различных горнотехнических конструкций, связанной с выявлением критических состояний массива горных пород с использованием критериев разрушения.

Инновационная деятельность и реализация разработок лаборатории

• Разработана инструкция по дегазации угольных шахт.
• Разработаны технологические схемы и технологические дегазационные модули для высокоинтенсивной отработки углегазовых месторождений.
• Разработаны методические рекомендации и критерии прогноза выбрсоопасности при отработке угольных пластов подземным способом.
• Выполнен цикл работ по разработке трехмерных моделей кимберлитовых месторождений АК «АЛРОСА» и проведено моделирование и оценка техногенных последствий перехода от открытого способа отработки к подземному.
• Разработана и внедрена в технологический процесс система геомеханического и геофизического мониторинга геодинамических процессов развивающихся в подрабатываемых кимберлитовых породах.
• Разработаны методические рекомендации по организации схем проветривания шахт ОАО «СУЭК Кузбасс» для оценки возможности перевода их на всасывающий или комбинированный способ вентиляции.

Карта изолиний скорости распространения акустических
волн в предохранительном целике рудника «Мир»
На основе результатов инструментальных измерений, проводимых на наблюдательных станциях, размещенных в массиве в переходной зоне на руднике «Мир», и геофизических исследований состояния предохранительного целика, разработаны прогнозные оценки его строения, нарушенности и геомеханического состояния. Проведено математическое моделирование геомеханических процессов, происходящих в горном массиве блока, в том числе в предохранительном целике. Проведена оценка несущей способности предохранительного и противофильтрационного экрана на дне карьера по разным вариантам развития геомеханических процессов в нем.

Выполнен проект «Разработка интегрированной технологии извлечения и утилизации шахтного метана в процессе разработки высокогазоносных угольных пластов». В его рамках:

• Разработан промышленный регламент процесса извлечения и утилизации шахтного метана в процессе разработки высокогазоносных угольных пластов подземным способом.
• Разработана технология комплексного использования ресурсов высокогазоносных угольных месторождений в виде шахтного метана.
• Применение разработанной интегрированной технологии извлечения и утилизации шахтного метана на шахте им. С.М.Кирова (Кузбасс) привело к сокращению выбросов метана, предотвращению взрывов метановоздушных смесей и позволило получать тепло и электроэнергию.

Комплекс технико-технологический решений по дегазации угольных пластов
и утилизации метано-воздушных смесей при подземной угледобыче.

Напряжения в разрезе модели рудника «Мир»

вертикальные	горизонтальные

Зона возможного обрушения на одном из бортов карьера, отрабатывающего Апсатское угольное месторождение :

Фрагмент кинограммы разрушения борта карьера, полученный с использованием метода SPH :

Метод позволяет проследить развитие процесса разрушения горнотехнической конструкции во времени с вычислением всех необходимых динамических характеристик процесса основываясь только на задании соответствующих прочностных параметров.

Проведены оценки допустимых параметров целиков на Гремячинском месторождении калийных солей.

Определены параметры напряженно-деформированного состояния и сдвижения углепородного массива при отработке пластов Болдыревский и Поленовский. Решение обратной задачи с использованием данных по оседанию земной поверхности в результате отработки смежных лав №2458 и №2459 позволило определить значение реальных деформационных параметров в подработанных породах кровли.

Разработана методология определения проницаемости угля в лабораторных условиях. Сконструирована и создана установка по определению проницаемости с использованием жесткой камеры всестороннего сжатия. Проведены расчеты нагруженности угольного керна, помещенного в такую камеру.

Общий вид жесткой камеры всестороннего сжатия

 Характер распределения смещений в элементах камеры и в угольном образце.

Разработана методология расчета параметров массопереноса флюидов (метана, воды) в угольном пласте с учетом газонасыщенности пласта, его нагруженности напряжениями и кинетики газовыделения из угля.

Построена модель внезапного отжима угольного пласта, предшествующего газо- и геодинамическим проявлениям в пласте.

Построена модель газовыделения из угольного пласта как в квазистационарном режиме (в дегазацтонные скважины, с поверхности очистного забоя), так и в динамическом режиме (внезапный выброс угля и газа, внезапный выброс газа, суфлярное газовыделение).

Лаборатория участвовала в работах по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», по теме: «Создание технологии прогноза, оценки риска опасных природных и техногенных явлений при подземной разработке твердых полезных ископаемых и выработки технологических решений по их предотвращению на базе интеллектуальной системы поддержки принятия решений и комплексного синтезирующего мониторинга». Разработан технический проект и рабочая документация на автоматизированную систему под-держки принятия технологических решений и ком-плексного синтезирующего мониторинга.

В лаборатории ведутся исследования по грантам РФФИ:

• Развитие теории внезапного лавинного разрушения и методов прогноза опасности газодинамических явлений различной природы в техногенно изменяемых массивах горных пород;
• Теоретические и экспериментальные исследования термодинамических условий протекания сорбционных и газодинамических процессов при нелинейном деформировании и разрушении угля;
• Динамическая неустойчивость и триггерные эффекты в тектонически нарушенном, высоконапряженном газоносном массиве горных пород при техногенном воздействии.