Моделирование и оптимизация использования проходческих комплексов при строительстве вспомогательных выработок

Статья посвящена анализу и разработке эффективных технологий строительства тоннелей в условиях неоднородных геологических массивов, характерных для Санкт-Петербурга. Основные проблемы строительства связаны с неоднородными массивами, высоким уровнем подземных вод, наличием плывунов и необходимостью в условиях ограниченного пространства и близости исторической застройки. В качестве основной цели исследования определено повышение эффективности и безопасности проходки выработок малого сечения. Обоснована рациональность использования проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, а также адаптация оборудования к изменяющимся геологическим условиям. Рассмотрены конструктивные и кинематические особенности рабочих органов, влияние скорости деформации на прочностные характеристики пород, а также проведено имитационное моделирование технологического процесса. Выявлены ключевые параметры, влияющие на производительность: крепость пород, шаг передвижки и частота замены исполнительного органа. Предложена методика оптимизации проходческого цикла за счёт параллелизации операций. Полученные результаты демонстрируют значительное преимущество механизированной проходки перед ручной, особенно при строительстве временных и постоянных вспомогательных выработок в сложных геологических условиях.

Юнгмейстер Д. А., Уразбахтин Р. Ю., Тимофеев М. И., Лавренко С. А. Моделирование и оптимизация использования проходческих комплексов при строительстве вспомогательных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 12-3. — С. 117—135. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_123_0_117.

Юнгмейстер Дмитрий Алексеевич — докт. техн. наук, профессор, http://orcid.org/0000-0001-7858-8340, ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский Горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В. О., д. 2, Россия, email: Yungmeyster_DA@pers.spmi.ru;
Уразбахтин Рустам Юсуфович — канд. техн. наук, исполнительный директор Научно-образовательного центра коллективного пользования высокотехнологичным оборудованием, https://orcid.org/0000-0002-2913-5641, ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский Горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В. О., д. 2, Россия, urazbakhtin_ryu@pers.spmi.ru;
Тимофеев Максим Игоревич — аспирант, http://orcid.org/0000-0002-9441-4532, ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский Горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В. О., д. 2, Россия, email: s245061@stud.spmi.ru;
Лавренко Сергей Александрович — канд. техн. наук, заведующий кафедрой практических навыков и опыта, https://orcid.org/0000-0003-1760-310X, ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский Горный университет, 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В. О., д. 2, Россия, e-mail: Lavrenko_SA@pers.spmi.ru.

1. Bilgin, N., Acun, S.The effect of rock weathering and transition zones on the performance of an EPB-TBM in complex geology near Istanbul, Turkey // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. — 2021. — 80 (4), pp. 3041−3052. DOI: 10.1007/s10064-021-02142-4

2. Структура системы технического обслуживания и ремонта горных машин / Е. С. Недашковская, Е. И. Шешукова, А. С. Корогодин [и др.] // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2024. — № 25. — С. 155−162. — DOI 10.26160/2658-3305-2024-25−155−162

3. Geng J., Sun Q., Zhang Y., et al. Studying the dynamic damage failure of concrete based on acoustic emission // Construction and Building Materials. — 2017. — Vol. 149. — P. 9–16. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.05.054

4. Bobet A., Einstein H. H. Fracture coalescence in rock-type materials under uniaxial and biaxial compression // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 1998. — Vol. 35, No. 7. — P. 863–888. DOI: 10.1016/S0148−9062(98)00005−2

5. Xinbo Ma, Fuming Qu, Wenxuan He, Liancheng Wang, Xiaobo Liu. Intelligent detection method for internal fractures in mine rock masses based on borehole camera images // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering — 2024, https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.10.027

6. Михайлов А. В., Казаков Ю. А., Соловьев И. В. Анализ элементов блочной технологии поверхностной выемки органогенного сырья Горная промышленность. 2025. №1. pp. 129−136. 

7. Mahanta B., Singh T. N., Ranjith P. G., Vishal V. Experimental investigation of the influence of strain rate on strength; failure attributes and mechanism of Jhiri shale // Journal of Natural Gas Science and Engineering. — 2018. — Vol. 58. — P. 178–190. DOI: 10.1016/j.jngse.2018.08.001

8. Wang J., Chen G., Xiao Y. Effect of strain rate on mechanical properties and AE characteristics of hard rock under the impact of uniaxial compression // Geotechnical and Geological Engineering. — 2022. — Vol. 40, No. 4. — P. 1321–1335. DOI: 10.1007/s10706-022-02145-2

9. Brantut N. Rate‐ and strain‐dependent brittle deformation of rocks // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2015. — Vol. 120, No. 4. — P. 2785–2806. DOI: 10.1002/2013JB010448

10. Wu Y., Zhang Y., Liu J., Wang H. Experimental study on the tensile properties of rock-mortar interface under different strain rates // Advances in Materials Science and Engineering. — 2018. — Article ID 5241848. DOI: 10.1155/2018/5241848

11. Donath F. A., Fruth L. S. Dependence of strain-rate effects on deformation mechanism and rock type // The Journal of Geology. — 1971. — Vol. 79, No. 3. — P. 301–319. DOI: 10.1086/627630

12. Harbord C., Brantut N., Wallis D. Grain-size effects during semi-brittle flow of calcite rocks // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2023. — Vol. 128, No. 8. — Article e2023JB026458. DOI: 10.1029/2023JB026458

13. Li Y., Huang D., Li X. A. Strain rate dependency of coarse crystal marble under uniaxial compression: strength, deformation and strain energy // Rock Mechanics and Rock Engineering. — 2014. — Vol. 47, No. 4. — P. 1153–1164. DOI: 10.1007/s00603-013-0443-0

14. Qi C. Z., Wang M. Y., Qian Q. H. Strain-rate effects on the strength and fragmentation size of rocks // International Journal of Impact Engineering. — 2009. — Vol. 36, No. 12. — P. 1355–1364. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.04.008

15. Zhang Q. B., Zhao J. Quasi-static and dynamic fracture behavior of rock materials: phenomena and mechanisms // International Journal of Fracture. — 2014. — Vol. 189, No. 1. — P. 1–32. DOI: 10.1007/s10704−014−9959-z

16. Chen X., Yu J., Tang C., et al. Experimental and numerical investigation of permeability evolution with damage of sandstone under triaxial compression // Rock Mechanics and Rock Engineering. — 2017. — Vol. 50, No. 6. — P. 1529–1549. DOI: 10.1007/s00603-017-1169-3

17. He J., Afolagboye L., Zheng B., et al. Effect of strain rate on anisotropic mechanical behavior of shale under uniaxial compression conditions // Rock Mechanics and Rock Engineering. — 2022. — Vol. 55, No. 11. — P. 5297–5305. DOI: 10.1007/s00603−022−02892-x

18. Meng Q., Wang Z., Zhang Y., et al. Strain rate effects on characteristic stresses and acoustic emission in rocks // Frontiers in Earth Science. — 2022. — Vol. 10. — Article 960812. DOI: 10.3389/feart.2022.960812

19. Jason Emery, Ismet Canbulat, Chengguo Zhang. Fundamentals of modern ground control management in Australian underground coal mines // International Journal of Mining Science and Technology — 2020. — Vol. 30, Iss. 5,2020, pp. 573−582, https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2020.04.003

20. He M., Cheng T., Qiao Y., et al. A review of rockburst: Experiments, theories, and simulations // J. Rock Mech. Geotech. Eng. — 2022. — Vol. 15, No. 5. — P. 1312–1353. DOI: 10.1016/j.jrmge.2022.07.014

21. Zhao J., Li H., Li X., et al. Experimental study on mechanical properties of brittle coal under different strain rates // Int. J. Mining Sci. Technol. — 2014. — Vol. 24, No. 4. — P. 509–513. DOI: 10.1016/j.ijmst.2014.05.008

22. Шибанов, Д. А. Цифровые двойники в горном машиностроении, как инструмент повышения эффективности эксплуатации горных машин / Д. А. Шибанов, С. Л. Иванов, А. А. Иванов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2022. — № S3−1. — С. 3−13. — DOI 10.25018/0236_1493_2022_5_3_13

23. Björn Lindqvist, Samuel Karlsson, Anton Koval, Ilias Tevetzidis, Jakub Haluška, Christoforos Kanellakis, Ali-akbar Agha-mohammadi, George Nikolakopoulos. Multimodality robotic systems: Integrated combined legged-aerial mobility for subterranean search-and-rescue // Robotics and Autonomous Systems. — 2022. — Vol. 154, https://doi.org/10.1016/j.robot.2022.104134. 

24. Heonmoo Kim, Yosoon Choi. 3D location estimation and tunnel mapping of autonomous driving robots through 3D point cloud registration on underground mine rampways // Underground Space. — 2025. — Vol. 22, pp. 1−20. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2024.10.003.

25. Zhongbin Wang, Lei Si, Dong Wei, Jinheng Gu, Fulin Xu. Coal-rock drilling states recognition of drilling robot for rockburst prevention based on multi-sensor information fusion // Journal of Engineering Research. — 2024. — Vol. 12, Iss. 4, pp. 878−885. https://doi.org/10.1016/j.jer.2023.08.004. 

26. Manchao He, Qi Wang, Qunying Wu. Innovation and future of mining rock mechanics // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering — 2021. — Vol. 13, Iss. 1. pp. 1−21. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2020.11.005.]. 

27. Zhang X., Wang J., Li H. Coal Mine Rescue Robots Based on Binocular Vision: A Review of the State of the Art // IEEE Access. — 2020. — Vol. 8. — 16 p. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009387

28. Khalimonenko A. D., Shmakova Yu. R., Admakina O. N., Kufaev V. G. High-speed face milling features of deformable aluminum alloys. Tsvetnye Metally. 2024. No. 6. pp. 81–88.

29. Chen Y., Wang H., Zhang L. Investigating the Obstacle Climbing Ability of a Coal Mine Search-and-Rescue Robot with a Hydraulic Mechanism // Applied Sciences. — 2022. — Vol. 12, № 15. — P. 12. — DOI: 10.3390/app12157805

30. Михайлов А. В., Казаков Ю. А. Методология оценки многократной проходимости горнотранспортного агрегата по слабым грунтам // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2022. №8. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_8_0_95

31. Габов В. В., Задков Д. А., Нгуен К. Л. Особенности формирования элементарных сколов в процессе резания углей и изотропных материалов эталонным резцом горных машин // Записки Горного института. — 2019. — Том 236. C. 153. DOI: 10.31897/PMI.2019.2.153

32. Klevtsov V. A., Timofeev D. Y., Khalimonenko A. D. Improved Design of Manufacturing Processes for Mining Machines: Basing Concepts / Russian Engineering Research, № 43, V 11, 2023. pp. 1367 — 1375 DOI: 10.3103/S1068798X23110151

33. Алиева Л. А. , Жуков И. А. Повышение эффективности ударно-поворотного бурения горных пород высокой крепости совершенствованием структуры породоразрушающего безлезвийного инструмента Устойчивое развитие горных территорий. 2024. №4. pp. 1681−1694. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2024-16−4-1681−1694

34. Zhukov I. A. , Martyushev N. V., Zyukin D. A., Azimov A. M. , Karlina A. I. Modification of hydraulic hammers used in repair of metallurgical units Metallurgist. 2023. №12. pp. 1644−1652. doi.org/10.1007/s11015−023−01480-w

35. Габов Виктор Васильевич, Задков Д. А., Нгуен В. С., Хамитов М. С. , Молчанов В. В. К проблеме совершенствования рабочего инструмента горных выемочных машин Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. №6. pp. 205−222. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_205

36. Gu Q., Ma Q., Tan Y., et al. Acoustic emission characteristics and damage model of cement mortar under uniaxial compression // Construction and Building Materials. — 2019. — Vol. 23. — P. 377–385. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.090

37. Zhdankin N. A. Effect of tunneling rate on the stress-strain state of a rock mass // Soviet Applied Mechanics. — 1985. — Vol. 21, No. 10. — P. 919–922. DOI: 10.1007/BF00888206

38. Belyakov N. A., Lobanov M. L. Numerical simulation of failure evolution in heterogeneous rock massifs using particle methods // Computational Geosciences. — 2021. — Vol. 25. — P. 1189–1207. DOI: 10.1007/s10596−021−10075-w

39. Urazbakhtin, R.Yu. The results of studies of the tunneling rescue complex for coal mines/ R.Yu. Urazbakhtin, D. A. Yungmeyster. 2019. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 560 012130. [Электронный ресурс]. — URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757−899X/560/1/012130/pdf

40. Peter Kolapo, Steven Schafrik, Hejia Zhang, Stefanos Nikolaidis, Zach Agioutantis. Integrating robotic systems in underground roof support machine // Journal of Industrial Safety. — 2024. — Vol. 1, Iss. 1. https://doi.org/10.1016/j.jinse.2024.100002

41. Hatoum, H. M., Mustafin, M. G. (2020). Optimization of locating robotic total stations for determining the deformations of buildings and structures. Geodezia i Kartografia, 963(9), 2−13. doi:10.22389/0016-7126-2020-963−9-2−13

42. Lebedev, M. O., Karasev, M. A., Belyakov, N. A., Basova, L. A. (2022). Face stability in heavy clay: Theory and practice. Journal of Mining Science, 58(2), 234−245. doi:10.1134/S1062739122020077