Многокомпонентные датчики деформаций для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород

Уровень современного состояния горной геомеханики во многом обусловлен широким использованием численного моделирования, реализованного в различных программных пакетах, таких как 3DEC, FLAG3D, SIMULIA ABAQUS, MAP3D, RS3, Elfen, EXAMINE 3D и других. Важнейшим условием для проведения корректного численного моделирования и выбором на его основе правильных мер для обеспечения устойчивого состояния выработок являются величины и направления действия главных напряжений (тензор напряжений). Знание тензора напряжений можно рассматривать как базовую точку, на которой строятся дальнейшие численные исследования, а также маркер, контролирующий результаты численного моделирования. На основе анализа существующих методов торцевой разгрузки (Overcoring) в работе сформулированы принципиальные положения, на базе которых создан аппаратно-программный комплекс по оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) массива горных пород. Основным элементом комплекса является многокомпонентный датчик деформации. Предложенная конструкция датчика позволяет получить полный тензор деформаций в критических точках массива. Рассмотрены основные положения методики проведения полевых работ по оценке НДС с использованием разработанного оборудования. Предложенная методика апробирована на 4 месторождениях РФ. Следует отметить, что разработанный многокомпонентный датчик деформации может быть использован при создании современных систем деформационного мониторинга, которые в совокупности с существующими системами мониторинга (сейсмического, акустического) и локальными методами контроля существенно повышают безопасность ведения горных работ.

Морозов К. В., Демёхин Д. Н., Бахтин Е. В. Многокомпонентные датчики деформаций для оценки напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6−2. — С. 80—97. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_80.

Морозов Константин Валентинович¹ — канд. техн. наук, заведующий лабораторией геомеханики Научного центра геомеханики и проблем горного производства, https:// orcid.org/ 0000-0003-3597-756X, e-mail: morozov_kv@pers.spmi.ru;
Демехин Дмитрий Николаевич¹ — старший научный сотрудник лаборатории геомеханики Научного центра геомеханики и проблем горного производства, https://orcid. org/0000-0001-7958-2290, e-mail: demyokhin_dn@pers.spmi.ru;
Бахтин Евгений Валерьянович¹ — ведущий инженер лаборатории геомеханики Научного центра геомеханики и проблем горного производства, e-mail: bahtin_ev@pers.spmi.ru;
¹ Горный университет, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия д. 2, Россия.

Морозов Константин Валентинович, e-mail: morozov_kv@pers.spmi.ru.

1. Li C. C., Mikula P., Simser B., Hebblewhite B., Joughin W. C. Discussions on rockburst and dynamic ground support in deep mines // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2019, vol. 11(5), pp. 1110–1118.

2. He M., Ren F., Liu D. Rockburst mechanism research and its control // International Journal of Mining Science and Technology. 2018, vol. 28(5), pp. 829–837.

3. Shuren W., Chunyang L., Wenfa Y., Zhengshen Z., Wenxue C. Multiple indicators prediction method of rock burst based on microseismic monitoring technology // Arabian Journal of Geosciences. 2017, vol. 10(6), pp. 132–140. DOI: 10.1007/s12517-017-2946-8.

4. Козырев А. А., Панин В. И., Семёнова И. Е., Журавлева О. Г. Геодинамическая безопасность горных работ в удароопасных условиях на Хибинских апатитовых месторождениях // Журнал горной науки. — 2018. — Т. 54. — № 5 — C. 734–743.

5. Rasskazov I. Ju., Saksin B. G., Potapchuk M. I., Anikin P. A. The researches of bursthazard on mines in Russian far east // Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses. 2018, vol. 1, pp. 153–166.

6. Башков В. И., Христолюбов E. A., Ерёменко A. A., Филиппов В. Н., Конурин А. И. Обоснование параметров систем разработки слепых рудных тел в удароопасных условиях на железорудных месторождениях Горной Шории // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 3. — С. 18–31.

7. Zhou J., Li X., Mitri H. S. Classification of rockburst in underground projects: Comparison of ten supervised learning methods // Journal of Computing in Civil Engineering. 2016, vol. 30(5), pp. 1−17. DOI: 10.1061/(ASCE)CP.1943−5487.0000553.

8. Kozyrev A., Konstantinov K. Development of an expressmethod to control damages in underground mining excavations under rockburst hazardous conditions // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management. 2017, vol. 17(13), pp. 253–259.

9. Ерёменко А. А., Конурин А. И., Штирц В. А., Приб В. В. Выявление зон повышенного норного давления на удароопасном железорудном месторождении // Горный журнал. — 2020. — № 1. — С. 78–81. DOI: 10.17580/gzh.2020.01.15.

10. Sainoki A., Schwartzkopff A. K., Jiang L., Mitri H. S. Numerical Modeling of Complex Stress State in a Fault Damage Zone and Its Implication on Near-Fault Seismic Activity // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2021, vol. 116, no. 126 (7), pp. 1−22, DOI: 10.1029/2021JB021784.

11. Das A. J., Paul P. S., Mandal P. K., Kumar R., Tewari S. Investigation of Failure Mechanism of Inclined Coal Pillars: Numerical Modelling and Tensorial Statistical Analysis with Field Validations // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, vol. 54 (6), pp. 3263–3289.

12. Chang Y., Chang, L., Ren, F. Strength anisotropy of jointed rock slope considering mining damage: a numerical analysis method // Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2020, vol. 11(1), pp. 2587–2614.

13. Никифоров С. Н. Теория упругости и пластичности. — М.: Наука, 1955. — 285 с.

14. Широков В. Н. Систематизация методов изучения напряжённого состояния массивов горных пород по информационному критерию // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. — Москва: Российский университет дружбы народов, 2014. — С. 639–645.

15. Ямщиков В. С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. — М.: Недра, 1982. — 296 с.

16. Гребенкин С. С., Павлыш В. Н., Самойлов В. Л., Петренко Ю. А. Управление состоянием массива горных пород. — Донецк: «ВИК», 2010. — 193 с.

17. Ulusay R., Hudson J. The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring: 1974−2006. Ankara, Turkey: ISRM Turkish National Group, 2007. — 628 p.

18. Prof. Fecke. Stress-relief Methods with Triaxial Cell. 2004, pp. 1–7. Аvailable at: URL: http://pdf.gif-ettlingen.eu/englisch/13100.pdf.

19. Daniel A. Analysis of overcoring rock stress measurements preformed using the CSIRO HI. International Progress Report IPR-04−06. Sweden, 2003, 266 p.

20. Исследования напряжения в условиях пласта (IST) по кернам колонкового бурения компании Sigra [сайт]. URL: https://sigra.com.au/ru/.

21. Morozov K. V. Creation of rock mass monitoring deformations systems on rock burst hazardous mineral deposits // 14th Internetional congress on rock mechanics and rock engineering, 2020, pp. 1318−1323.

22. Морозов К. В., Цирель С. В., Куранов А. А. Мониторинг деформаций массива горных пород вокруг выработок как часть системы прогнозирования динамических явлений при отработке удароопасных месторождений // Инновационные направления в проектировании горнодобывающих предприятий: Сборник научных трудов. — СПб: Санкт-Петербургский горный университет, 2017. — С. 358–363.

23. Патент РФ № 2763565 07.07.2021. Морозов К. В., Бахтин Е. В., Демёхин Д. Н., Бакуменко С. В., Яковлев Н. А. Устройство для оценки напряжённо-деформированного состояния горного массива. 2021. Бюл. №1.

24. Morozov K., Shabarov A., Kuranov A., Belyakov N., Zuyev B., Vlasenko D., Demekhin D., Bakhtin E. Geodynamic monitoring and its maintenance using modeling by numerical and similar materials methods // E3S Web Conf. 1st International Scientific Conference «Problems in Geomechanics of Highly Compressed Rock and Rock Massifs», 2019, vol. 129, 01012, рp.1−12. DOI 10.1051/e3sconf/201912901012.