Новые методы и экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон разрушения горных пород в природных и горно-технических системах

I. Представлен обзор достижений последнего десятилетия в области освоения месторождений полезных ископаемых – минерально-сырьевой базы энергетического комплекса. Сформулирована актуальная проблема прогноза и оценки последствий крупномасштабного недропользования при увеличении глубин разработки месторождений углеводородного ряда – угольных, нефтегазовых и горючих сланцев. В рамках этой проблемы поставлены новые задачи с обозначением ожидаемых фундаментальных научных результатов в науках о Земле и горном деле, перспективных для практического применения. Особое внимание уделено технологическому потенциалу, связанному с масштабным фактором зональной дезинтеграцией породного массива блочно-иерархической структуры в окрестности подземных полостей, который является ключевым для описания процессов пространственной “самоорганизации” массива при разработке месторождений и локализации зон повышенных напряжений – формирующихся очагов динамических событий. С привлечением экспериментального материала по стратегически важным объектам недропользования России даны общие представления о смысловой “нагрузке” геомеханического инварианта. II. По результатам аналитического обзора и обобщения данных экспериментов с образцами угля обнаружена связь между выбросо- и пожароопасностью отрабатываемых угольных залежей, что позволит разрабатывать новые и повышать эффективность уже существующих профилактических мероприятий по предотвращению катастрофических явлений такого типа при угледобыче. Установлена важная роль «топологической связности» внутренней структуры породного массива вокруг горной выработки с количеством кислорода в воздушных потоках, концентрация которого определяет скорость окислительных процессов в угольных пластах. III. Разработано техническое предложение по реализации комплексного мониторинга карьерного пространства: выбраны средства маркшейдерских измерений и сейсморазведочной аппаратуры; испытан экспериментальный створ на смежных уступах нижних горизонтов для сбора, обработки и обобщения натурной информации о развитии деформационных процессов и изменении структурно-прочностных свойств пород в бортах. Для отработки методик измерений при ведении вскрышных работ на одном из угольных разрезов Кузбасса проведены испытания предложенной схемы мониторинга на участке разлома в краевой части борта, склонного к эрозионным проявлениям в верхних горизонтах. IV. Для усовершенствования конструкции зонда в составе ИВК «Гидроразрыв» проведены стендовые испытания новых типов пакеров (полноразмерных образцов), которые показали, что для условий рудных месторождений наиболее эффективен составной пакер. Основные достоинства последнего – устойчивость при высоких давлениях, высокая ремонтопригодность и низкая стоимость изготовления уплотнительных элементов. V. Разработан и на натурных данных апробирован метод количественной оценки газокинетических характеристик угольного пласта (газосодержания, коэффициентов диффузии, массообмена и десорбции), основанный на решении в рамках модели неизотермической эмиссии газа в замкнутое пространство обратных коэффициентных задач по данным измерения термобарических параметров в герметичной емкости с угольным штыбом. VI. Для основных месторождений твердых полезных ископаемых Кузнецкого Алатау, Салаира и Горной Шории установлен коэффициент иерархичности по М.А.Садовскому k=3.2-3.3. Разработан и на реальных геотехнических объектах с использованием in situ данных апробирован метод валидации геомеханических моделей по информации об изменяющихся в ходе горных работ параметрах напряженно-деформированного состояния, основанный на решении обратных граничных задач определения величин и ориентации горизонтальных компонент естественного поля напряжений. VII. Проведены квазистатические и динамические эксперименты по взаимодействию клиновидных инденторов с геоматериалами. С использованием полученных данных разработаны и реализованы расчетные схемы для определения силы сопротивления внедрению рабочих органов горных машин в породный массив, деформирование и разрушение которого описывается изотропными и анизотропными упругопластическими моделями. VIII. По данным лабораторных испытаний крупномасштабных блочных образцов геоматериалов (деформирование вплоть до разрушения) установлены закономерности эволюции параметров волновых полей, в частности зависимость доминантных частот колебаний от типа разрушения блока.