Совершенствование метода изготовления эквивалентных материалов для моделирования нелинейных геомеханических процессов при подземной разработке полезных ископаемых

Моделирование является основной частью большинства современных научных исследований. Физическое моделирование как метод исследования широко применяется в горном деле, позволяя моделировать геомеханические процессы при добыче полезных ископаемых. Рассмотрены пути совершенствования изготовления эквивалентных материалов для моделирования нелинейных геомеханических процессов. Современные рецептуры составов эквивалентных материалов не позволяют моделировать определенные горные породы. Необходимо регулирование рецептур с целью создания прочных, но низкомодульных материалов, либо малопрочных, но высокодеформируемых материалов. Данные рецептуры позволяют воспроизводить характеристику, аналогичную, например, каменной соли, сильвинитам и карналлитам. В рамках исследования произведен обзор различных эквивалентных материалов и их рецептур, которые применяются различными исследователями. Научная новизна работы заключается в разработке добавок, которые позволяют регулировать прочностные и деформационные свойства эквивалентных материалов. Дополнительно исследовано влияние гранулометрического состава на прочностные параметры создаваемых эквивалентных материалов. Определено влияние добавок на прочностные параметры путем испытания образцов на одноосное сжатие. Разработанные рецептуры позволяют создавать модели для прогноза процессов сдвижения вышележащих слоев горных пород и земной поверхности.

Холодилов А. Н., Истомин Р. С., Кириленко В. И. Совершенствование метода изготовления эквивалентных материалов для моделирования нелинейных геомеханических процессов при подземной разработке полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 10. – С. 108–122. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2024_10_0_108.

Холодилов Андрей Николаевич¹ — д-р техн. наук, доцент, SC 6508201121, e-mail: Kholodilov_AN@pers.spmi.ru,
Истомин Руслан Сергеевич¹ — канд. техн. наук, доцент, SC 56331276900, e-mail: istomin_RS@pers.spmi.ru,
Кириленко Владислав Игоревич¹ — аспирант, e-mail: s235055@stud.spmi.ru, ORCID ID: 0009-0006-3435-3770,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Холодилов А.Н., e-mail: Kholodilov_AN@pers.spmi.ru.

1. Литвиненко В. С., Петров Е. И., Василевская Д. В., Яковенко А. В., Наумов И. А., Ратников М. А. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 95—111. DOI: 10.31897/PMI.2022.100.

2. Лапинскас А. А. Влияние горной ренты на эффективность использования природного потенциала: парадокс изобилия и его российская специфика // Записки Горного института. — 2023. — Т. 259. — С. 79—94. DOI: 10.31897/PMI.2023.13.

3. Цивилева А. Е., Голубев С. С. Влияние санкций на работу предприятий угольной промышленности // Уголь. — 2022. — № 8. — С. 84—91. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-8-84-91.

4. Маринин М. А., Рахманов Р. А., Должиков В. В., Сушкова В. И. Исследование влияния параметров взорванной горной массы на производительность экскаваторно-автомобильного комплекса // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 9-1. — С. 35—48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_35.

5. Зубов В. П., Сокол Д. Г. Влияние температурного фактора на направления совершенствования систем разработки калийных пластов на рудниках Старобинского месторождения // Горный журнал. — 2020. — № 10. — С. 74—79. DOI: 10.17580/gzh.2020.10.07.

6. Dvoynikov M., Sidorov D., Kambulov E., Rose F., Ahiyarov R. Salt deposits and brine blowout: development of a cross-linking composition for blocking formations and methodology for its testing // Energies. 2022, vol. 15, article 7415. DOI: 10.3390/en15197415.

7. Karasev M. A., Protosenya A. G., Katerov A. M., Petrushin V. V. Analysis of shaft lining stress state in anhydrite-rock salt transition zone // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 1, pp. 151—162. DOI: 10.17794/rgn.2022.1.13.

8. Гендлер С. Г., Василенко Т. А., Степанцова А. Ю. Экспериментальные исследования параметров массопереноса в каменных углях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 9-1. — С. 135—148. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_ 91_0_135.

9. Wu A., Ruan Z., Wang J. Rheological behavior of paste in metal mines // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2022, vol. 29, pp. 717—726. DOI: 10.1007/s12613-022-2423-6.

10. Xiao Chao, Zheng Huaichang, Hou Xiaolin, Zhang Xiaojun A stability study of goaf based on mechanical properties degradation of rock caused by rheological and disturbing loads // International Journal of Mining Science and Technology. 2015, vol. 25, no. 5, pp. 741—747. DOI: 10.1016/j. ijmst.2015.07.007.

11. Shi B., Chen C., Liu P. Rheological properties of combustion metamorphic rock slurry for coalfield fire prevention // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2021, vol. 80, pp. 8231—8245. DOI: 10.1007/s10064-021-02397-x.

12. Беликов А. А., Беляков Н. А. Податливое крепление выработок, пройденных в соляных породах // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2024. — № 24. — С. 88—95. DOI: 10.26160/2658-3305-2024-24-88-95.

13. Toderaş M., Moraru R. I., Popescu-Stelea M. Underground mine workings convergence dependence on operation time and location depth // Journal of Mining Science. 2015, vol. 51, pp. 541—552. DOI: 10.1134/S1062739115030163.

14. Козловский Е. Я., Журавков М. А. Определение и верификация параметров расчетной модели соляных пород с учетом разупрочнения и ползучести // Записки Горного института. – 2021. – №247(1). – P. 33–38. DOI:10.31897/PMI.2021.1.4.

15. Zhao Yanlin, Wang Yixian, Wang Weijun, Tang Liming, Liu Qiang, Cheng Guoming Modeling of rheological fracture behavior of rock cracks subjected to hydraulic pressure and far field stresses // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2019, vol. 101, pp. 59—66. DOI: 10.1016/j.tafmec. 2019.01.026.

16. Makarov P. V., Eremin M. O. Rock mass as a nonlinear dynamic system. mathematical modeling of stress-strain state evolution in the rock mass around a mine opening // Physical Mesomechanics. 2018, vol. 21, pp. 283—296. DOI: 10.1134/S1029959918040021.

17. Беликов А. А., Беляков Н. А. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков, закрепленных податливой тросовой крепью // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 4. — C. 20—34. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_20.

18. Марысюк В. П., Сабянин Г. В., Андреев А. А., Винер M. A. Механизм деформации массива горных пород, окружающих пересечение шахтного ствола и соляного пласта // Горный журнал. — 2021. — № 2. — С. 21—26. DOI: 10.17580/gzh.2021.02.02.

19. Jinfu Lou, Fuqiang Gao, Jinghe Yang, Yanfang Ren, Jianzhong Li, Xiaoqing Wang, Lei Yang Characteristics of evolution of mining—induced stress field in the longwall panel: insights from physical modeling // International Journal of Coal Science and Technology. 2021, vol. 1847, no. 8, pp. 938—955. DOI: 10.1007/S40789-020-00390-5.

20. Fomychov V., Mamaikin O., Demchenko Yu., Prykhorchuk O., Jarosz J. Analysis of the efficiency of geomechanical model of mine working based on computational and field studies // Mining of Mineral Deposits. 2018, vol. 4, pp. 46—55. DOI: 10.15407/MINING12.04.046.

21. Басов В. В. Характер распределения деформаций при физическом моделировании углепородного массива в окрестности сопряжений горных выработок // Вестник Забайкальского государственного университета. — 2017. — Т. 23. — № 8. — С. 25—32. DOI: 10.21209/22279245-2017-23-8-25-32.

22. Zhanga Q. Y., Duanb K., Jiaoc Y. Y., Xianga W. Physical model test and numerical simulation for the stability analysis of deep gas storage cavern group located in bedded rock salt formation // International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences. 2017, vol. 94, pp. 43—54. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2017.02.015.

23. Qiangyong Zhang, Qiang Gao Geomechanical modeling of the stability of deep tunnel in Dingji coal mine in China // Geotechnical and Geological Engineering. 2019, vol. 37, pp. 3313—3327. DOI: 10.1007/s10706-019-00846-9.

24. Ayako Kusui, Ernesto Villaescusa, Takahiro Funatsu Mechanical behaviour of scaled-down unsupported tunnel walls in hard rock under high stress // Tunnelling and Underground Space Technology. 2016, vol. 60, pp. 30—40. DOI: 10.1007/s00603-019-01798-5.

25. Покровский Г. И., Федоров И. В. Моделирование прочности грунтов. — М.-Л.: Госстройиздат, 1939. — 144 с.

26. Фирсов А. Н., Журавская А. А. О методах теории подобия и размерности // Системный анализ в проектировании и управлении. — 2020. — № 2. — С. 121—130. DOI: 10.18720/SPBPU/2/ id20-158.

27. Зуев Б. Ю. Методология моделирования нелинейных геомеханических процессов в блочных и слоистых горных массивах на моделях из эквивалентных материалов // Записки Горного института. — 2021. — Т. 250. — С. 542—552. DOI: 10.31897/PMI.2021.4.7.

28. Зуев Б. Ю., Истомин Р. С., Обожина Е. П. Физическое моделирование нелинейных геомеханических процессов при разработке калийных месторождений // Горный журнал. — 2023. — № 5. — С. 75—80. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.11.

29. Hongpu Kanga, Jinfu Loua, Fuqiang Gaoa, Jinghe Yanga, Jianzhong Lia A physical and numerical investigation of sudden massive roof collapse during longwall coal retreat mining // International Journal of Coal Geology. 2018, vol. 188, pp. 25—36. DOI: 10.1016/J.COAL.2018.01.013.

30. Baev M., Khyamyalyaynen V., Shevtsov A. Geomechanical assessment of the effect of inhomogeneities on the propagation of hydrofractures in coal seams // E3S Web of Conferences. 2019, vol. 105, pp. 1—8. DOI: 10.1051/e3sconf/201910501046.

31. Vysotin N. G., Leizer V. I., Eremenko V. A., Yanbekov A. M. Procedure for labscale strength and failure testing of physical models of frame mine structures // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021, vol. 684, no. 1, article 012012. DOI: 10.1088/17551315/684/1/012012.

32. Басов В. В., Риб С. В., Фрянов В. Н. Исследование характера деформирования эквивалентного материала для тестирования численной модели прогноза устойчивости сопряжений горных выработок // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2017. — № 2. — С. 134—145.

33. Ayako Kusui, Ernesto Villaescusa, Takahiro Funatsu Mechanical behaviour of scaleddown unsupported tunnel walls in hard rock under high stress // Tunnelling and Underground Space Technology. 2016, vol. 60, pp. 30—40. DOI: 10.1007/s00603019017985.

34. Can Mei, Qing Fang, Haowei Luo, Jiangang Yin, Xudong Fu A synthetic material to simulate soft rocks and its applications for model studies of socketed piles // Advances in Materials Science and Engineering. 2017, vol. 105, pp. 1—8. DOI: 10.1155/2017/1565438.

35. Weiming Guan, Qi Qi, Zhiyi Zhang, Senlin Nan Effect of sand particle size on microstructure and mechanical properties of gypsum cemented similar materials // Materials. 2020, vol. 13, pp. 1—16. DOI: 10.3390/ma13030765.