При помощи математических моделей, созданных молодыми учёными Института физики прочности и материаловедения СО РАН под руководством недавно защитившего докторскую диссертацию Михаила Ерёмина, установлены закономерности разрушения кровли для ряда шахт Кузнецкого угольного бассейна, а также описаны механизмы разрушения горных пород. Исследование выполнено при поддержке РНФ, проект № 21-71-10079.
Процессы разрушения, будь то технических конструкций или горных пород, только на первый взгляд протекают мгновенно. На самом деле, разрушение является следствием довольно длительного накопления повреждений. Чтобы избежать катастрофических последствий разрушения, нужно изучить его механику.
«Средний горизонт добычи в шахтах Кузбасса составляет примерно 300–600 метров, при этом сам угольный пласт находится внутри других осадочных пород. Чтобы представить себе это, достаточно вспомнить, как выглядит слоёный пирог в разрезе, — рассказывает Михаил Ерёмин. — В разработанную нами модель мы вводим весь «слоёный пирог» — угольную и другие породы. Каждая из них имеет свои свойства, что приводит к неоднородности распределения напряжения по глубине».
По словам Михаила Олеговича, в результате начала движения очистной выработки горный массив оказывается в неравновесном состоянии. При этом угольный пласт испытывает колоссальное давление сверху (плюс 25 атмосфер каждые 100 метров в глубину), к которому еще добавляется неоднородность от пустот, создаваемых в результате извлечения угля. Это может привести к внезапному горному удару, который сопровождается резким выбросом породы в сторону свободного пространства и приводит повреждению горной крепи и оборудования, разрушению целиков — неизвлекаемой в процессе разработки месторождения части пласта полезного ископаемого, выполняющего функцию подпорки.
«Таким образом, наша задача заключалась в том, чтобы выполнить моделирование разрушения пород в окрестностях подземной выработки заранее, с помощью разработанного в ИФПМ СО РАН программного комплекса, спрогнозировать шаги обрушения кровли над выработанным пространством конкретных месторождений», — поясняет М. Еремин.
Как гипертонику необходимо проверять свое давление, так и в процессе добычи угля и других пород нужно постоянно контролировать опорное горное давление и, в случае его повышения до опасных величин, бурить дополнительные разгрузочные скважины или прибегать к гидроразрыву пласта. Программный комплекс, разработанный томскими механиками, способен смоделировать и эти ситуации, просчитав оптимальные режимы бурения и гидроразрыва. А еще он позволяет найти оптимальную геометрию целика – соотношение его ширины и высоты, при которой процесс добычи будет безопасным и в то же время рентабельным.
Все разработанные в ИФПМ СО РАН модели и программный комплекс могут также применяться для расчета устойчивости целиков, необходимых для обеспечения безопасной и эффективной работы соляных и рудных шахт. Разработанные методики оценки критических состояний могут применяться в рамках геодинамического мониторинга состояния разрабатываемых горных массивов.
Источник: ТНЦ СО РАН.