Лаборатория №2.2. Геодинамических и газодинамических процессов при освоении угольных и рудных месторождений

Заведующий лабораторией
Виталий Александрович Трофимов
Доктор технических наук

.
.
.
.
.
.

Область научной деятельности

Научные направления работы лаборатории соответствуют основным направлениям фундаментальных научных исследований государственных академий наук (распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 февраля 2008 г. № 233-р).

Лаборатория занимается научной деятельностью, связанной с обеспечением устойчивого развития, высокой эффективности, экологической и промышленной безопасности при комплексном освоении месторождений полезных ископаемых, строительстве подземных сооружений и решении смежных задач.

Цель деятельности лаборатории — получение и развитие фундаментальных научных знаний о природе и механизмах техногенного воздействия на массивы горных пород.

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.

Основные научные результаты

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.

Проведена оценка устойчивости бортов ряда карьеров (Апсатского, Восточного Олимпиадинского месторождения и др.) с использованием методов SSR и SPH.

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).