Методические вопросы определения исходных параметров модели деформирования каменной соли как поликристаллической дискретной среды

В работе изложены методические вопросы по определению исходных данных для моделирования деформирования и разрушения каменной соли с использованием метода конечно-дискретных элементов. Представлен ряд рекомендаций по формированию синтетической макроструктуры каменной соли на основе статистической обработки размеров и формы отдельных элементов структуры с применением метода тесселяции Вороного. Представлен подход к формированию конечно-элементной модели на основании сгенерированной синтетической макроструктуры соли. Полученная численная модель используется для прогноза напряженно-деформированного состояния породы и изучения характера ее разрушения. Представлен метод определения механических характеристик отдельных кристаллов каменной соли. Для этого проводятся лабораторные испытания, которые позволяют получить показатели прочности кристаллов. Зная эти показатели, можно описывать поведение структурных элементов в различных условиях нагружения. Это позволит подбирать соответствующие модели деформирования для дальнейшего анализа. Авторами работы получены усредненные прочностные показатели кристаллов галита, соответствующие породам Верхнекамского месторождения. Предложенный комплексный подход к описанию структурных особенностей каменной соли позволяет исследовать подобные породы с использованием виртуальных методов, что экономит время и средства, исключая необходимость в дорогостоящем оборудовании и проведении физических испытаний. Это открывает новые возможности для изучения и анализа свойств каменной соли и позволяет решать практические задачи.

Карасев М. А., Петрушин В. В. Методические вопросы определения исходных параметров модели деформирования каменной соли как поликристаллической дискретной среды // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 9. – С. 47–64. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_9_0_47.

Карасев Максим Анатольевич¹ — д-р техн. наук, доцент, e-mail: karasevma@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-8939-0807,
Петрушин Владислав Владимирович¹ — аспирант, e-mail: vlad.petrushin.93@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7743-864X,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Петрушин В.В., e-mail: vlad.petrushin.93@mail.ru.

1. Liu W., Zhang Z., Chen J., Fan J., Jiang D., Jjk D., Li Y. Physical simulation of construction and control of two butted-well horizontal cavern energy storage using large molded rock salt specimens // Energy. 2019, vol. 185, pp. 682—694. DOI: 10.1016/j.energy.2019.07.014.

2. Hunsche U., Hampel A. Rock salt — the mechanical properties of the host rock material for a radioactive waste repository // Engineering Geology. 1999, vol. 59, no. 3-4, pp. 271—291. DOI: 10.1016/ s0013-7952(99)00011-3.

3. Urai J. L., Spiers C. J. The effect of grain boundary water on deformation mechanisms and rheology of rocksalt during long-term deformation / Proceedings of the 6th Conference on the Mechanical Behavior of Salt «SALTMECH6» — the Mechanical Behavior of Salt — Understanding of THMC Processes in Salt. 2007. DOI: 10.1201/9781315106502-17.

4. Bérest С., Brouard B., Djakeun-Djizanne H., Hévin G. Thermomechanical effects of a rapid depressurization in a gas cavern // Acta Geotechnica. 2014, vol. 9, no. 1, pp. 181—186. DOI: 10.1007/ s11440-013-0233-8.

5. Van Tendeloo G., Lebedev O. I., Amelinckx S. Atomic and microstructure of CMR materials // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2000, vol. 211, no. 1, pp. 73—83. DOI: 10.1016/S03048853(99)00716-7.

6. Tan Q., You L., Kang Y., Zhang X., Meng S. Changes in pore structures and porosity-permeability evolution of saline-lacustrine carbonate reservoir triggered by fresh water-rock reaction // Journal of Hydrology. 2020, vol. 580, pp. 1—34. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2019.124375.

7. Jung S. K., Gwon H., Hong J., Park K. Y., Seo D. H., Kim H., Hyun J., Yang W., Kang K. Understanding the degradation mechanisms of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 cathode material in lithium ion batteries // Advanced Energy Materials. 2014, vol. 4, no. 1, pp. 1—7. DOI: 10.1002/aenm.201300787.

8. Meldrum F. C., Cölfen H. Controlling mineral morphologies and structures in biological and synthetic systems // Chemical Reviews. 2008, vol. 108, no. 11, pp. 4332—4432. DOI: 10.1021/cr8002856.

9. Vandeginste V., Ji Y., Buysschaert F., Anoyatis G. Mineralogy, microstructures and geomechanics of rock salt for underground gas storage // Deep Underground Science and Engineering. 2023, vol. 2, no. 2, pp. 129—147. DOI: 10.1002/dug2.12039.

10. Tunar Özcan N. Thermal effect on the geo-engineering characteristics of a rock salt // PLoS One. 2023, vol. 18, no. 3. DOI: 10.1371/journal.pone.0283435.

11. Liang K., Xie L. Z., He B., Zhao С., Zhang Y., Hu W. Z. Effects of grain size distributions on the macro-mechanical behavior of rock salt using micro-based multiscale methods // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2021, vol. 138. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104592.

12. Рыбак Я., Хайрутдинов М. М., Кузиев Д. А., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Бабырь Н. В. Прогнозирование геомеханического состояния массива при отработке соляных месторождений с закладкой // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 61—70. DOI: 10.31897/PMI.2022.2.

13. Coates G. F., Hulse C. A. A comparison of four methods of size analysis of fine-grained sediments // New Zealand Journal of Geology and Geophysics. 1985, vol. 28, no. 2, pp. 369—380. DOI: 10.1080/00288306.1985.10422234.

14. Senseny С. E., Hansen F. D., Russell J. E., Carter N. L., Handin J. W. Mechanical behaviour of rock salt: Phenomenology and micromechanisms // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1992, vol. 29, no. 4, pp. 363—378. DOI: 10.1016/0148-9062(92)90513-Y.

15. Деменков П. А., Романова Е. Л., Котиков Д. А. Исследование формирования напряженно-деформированного состояния крепи вертикального ствола и вмещающего массива горных пород в условиях неравномерности его контура // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 11. — С. 33—48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_33.

16. Беляков Н. А., Морозов К. В., Емельянов И. А. Методика обработки данных полевых испытаний по оценке естественного напряженного состояния горного массива методом кольцевой разгрузки // Горный журнал. — 2023. — № 5. — C. 89—96. DOI 10.17580/gzh.2023.05.13.

17. Зацепин М. А., Господариков А. П. О некоторых подходах к численному моделированию динамического разрушения массива горных пород при ведении буровзрывных работ // Горный журнал. — 2023. — № 9. — С. 21—27. DOI: 10.17580/gzh.2023.09.03.

18. Господариков А. П., Ревин И. Е., Морозов К. В. Композитная модель анализа данных сейсмического мониторинга при ведении горных работ на примере Кукисвумчоррского месторождения АО «Апатит» // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 571—580. DOI: 10.31897/PMI.2023.9.

19. Coakley J., Reed R. C., Warwick J. L.W., Rahman K. M., Dye D., Zhang F., Levine L. E., Allen A. J., Stoudt M. R., Lindwall G., Eric A., Baither D. Three-dimensional phase-field simulations of coarsening kinetics of  particles in binary Ni-Al alloys // Acta Materialia. 2013, vol. 61, no. 6.

20. Ditler E., Luber S. Vibrational spectroscopy by means of first-principles molecular dynamics simulations // Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2022, vol. 12, no. 5, pp. 1—29. DOI: 10.1002/wcms.1605.

21. Ehlers W., Häberle K. Interfacial mass transfer during gas—Liquid phase change in deformable porous media with heat transfer // Transport in Porous Media. 2016, vol. 114, no. 2. DOI: 10.1007/ s11242-016-0674-2.

22. Mulyukova E., Bercovici D. On the co-evolution of dislocations and grains in deforming rocks // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2022, vol. 328. DOI: 10.1016/j.pepi.2022.106874.

23. Вербило П. Э., Вильнер М. А. Изучение анизотропии прочности и масштабного эффекта трещиноватого массива горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6-2. — С. 47—59. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_62_0_47.

24. Wang J., Zhang Q., Song Z., Feng S., Zhang Y. Nonlinear creep model of salt rock used for displacement prediction of salt cavern gas storage // Journal of Energy Storage. 2022, vol. 48. DOI: 10.1016/j.est.2021.103951.

25. Zhao K., Yang C., Ma H., Daemen J. J. K. A creep-fatigue model of rock salt and its application to the deformation analysis of CAES salt caverns // Computers and Geotechnics. 2023, vol. 156, pp. 255—272. DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105311.

26. Marketos G., Spiers C. J., Govers R. Impact of rock salt creep law choice on subsidence calculations for hydrocarbon reservoirs overlain by evaporite caprocks // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2016, vol. 121, no. 6, pp. 4249—4267. DOI: 10.1002/2016JB012892.

27. Munjiza A. The combined finite-discrete element method // The Combined Finite-Discrete Element Method. 2004. 331 p. DOI: 10.1002/0470020180.

28. Potyondy D. O., Cundall С. A. A bonded-particle model for rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2004, vol. 41, no. 8 spec. iss, pp. 1330—1364. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2004.09.011.

29. Khaledi K., Brepols T., Reese S. Numerical simulation of periodic cracking mechanism in microscopic surface films during roll bonding processes // Materwiss Werksttech. 2019, vol. 50, no. 8. DOI: 10.1002/mawe.201900035.

30. Коршунов В. А., Карташов Ю. М., Козлов В. А. Определение показателей паспорта прочности горных пород методом разрушения образцов сферическими инденторами // Записки Горного института. — 2010. — T. 185. — С. 41.

31. Карасев М. А., Петрушин В. В., Рысин А. И. Применение метода конечно-дискретных элементов для описания механики поведения соляных пород на макроструктурном уровне // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — С. 48—66. DOI: 10. 25018/0236_1493_2023_4_0_48.

32. Quey R., Dawson P. R., Barbe F. Large-scale 3D random polycrystals for the finite element method: Generation, meshing and remeshing // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2011, vol. 200, no. 17-20, pp. 1729—1745. DOI: 10.1016/j.cma.2011.01.002.

33. Wong T. F., Wong R. H. C., Chau K. T., Tang C. A. Microcrack statistics, Weibull distribution and micromechanical modeling of compressive failure in rock // Mechanics of Materials. 2006, vol. 38, no. 7, pp. 665—681. DOI: 10.1016/j.mechmat.2005.12.002.

34. Yang B., Xue L., Wang M. Evolution of the shape parameter in the Weibull distribution for brittle rocks under uniaxial compression // Arabian Journal of Geosciences. 2018, vol. 11, no. 12, pp. 1—7. DOI: 10.1007/s12517-018-3689-x.

35. Жерлыгина Е. С., Мустафин М. Г., Васильев Б. Ю., Николаев Р. В. Методика определения линейных параметров процессов сдвижений по цифровым моделям рельефа при разработке Хибинских месторождений апатит-нефелиновых руд // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 97—103. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.14.

36. Васильев Б. Ю., Мустафин М. Г. Анализ и оптимизация цифровых моделей рельефа горнопромышленного объекта с открытым типом разработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 9. — С. 141—159. DOI: 10. 25018/0236_1493_2023_9_0_141.