Исследована задача об упругопластическом деформировании ледопородного ограждения (ЛПО) с неограниченной высотой заходки, впервые сформулированная С.С.Вяловым. Проанализированы поля напряжений и перемещений, возникающих в ЛПО в результате приложения внешних нагрузок для нескольких пограничных ситуаций – зарождения зоны пластических деформаций и распространения этой зоны на всю толщину ЛПО. Распространение зоны пластических деформаций соответствует предельному равновесию ЛПО, для которого С.С.Вялов вывел формулу толщины ЛПО по условию прочности. Полученные результаты послужили отправной точкой для перехода от одномерной к двухмерной задаче о деформировании ЛПО с конечной высотой заходки. Проведено численное моделирование деформирования ЛПО при помощи ПО FreeFEM++ в двухмерной осесимметричной постановке – в рамках двух расчетных схем с различными граничными условиями на верхнем торце ЛПО. В первой схеме фиксировались как вертикальные, так и радиальные перемещения на всем верхнем торце, а во второй схеме на верхнем торце задавалась вертикальная нагрузка, соответствующая весу вышележащих пород. По результатам исследований предложена модификация формулы С.С.Вялова, основанная на критерии прочности Мора – Кулона и включающая в себя новый параметр – высоту заходки. Для различных слоев пород определены условия, при которых конечная высота заходки не оказывает значительного влияния на расчетную толщину ЛПО, что позволяет применять классическую формулу С.С.Вялова для расчета толщины ЛПО по условию прочности, предполагая неограниченную высоту заходки.
Статья разделена на три основные части. В первой части приводится обзор существующей литературы по теоретическим методам расчета оптимального воздухораспределения в шахтах по критериям энергоэффективности и обеспечения всех участков шахт требуемым количеством воздуха. Показано, что к текущему моменту времени имеется множество различных постановок задачи поиска оптимального воздухораспределения, разработано множество различных подходов и методов оптимизации воздухораспределения. Наиболее полно исследован случай одной (главной) вентиляторной установки, в то время как для множества вентиляторных установок ряд вопросов по-прежнему остается нерешенным. Вторая часть посвящена обзору существующих методов и примеров внедрения систем автоматизированного управления проветриванием на шахтах в России и за рубежом. Выделено две наиболее известные концепции разработки таких систем – системы автоматизированного управления проветриваниям (САУП) в России и странах СНГ и Ventilation on demand (VOD) за рубежом. Описаны основные стратегии управления вентиляцией в рамках концепций САУП и VOD, а также показаны ключевые различия между ними. Одним из ключевых различий между САУП и VOD на сегодня является автоматическое определение параметров работы вентиляторных установок и вентиляционных дверей с помощью алгоритма оптимального управления, являющегося составным элементом САУП. В третьей части статьи представлено описание алгоритма оптимального управления, разработанного коллективом Горного института Уральского отделения Российской академии наук при участии авторов статьи. В данном алгоритме поиск оптимального воздухораспределения осуществляется системой в полностью автоматизированном режиме в реальном времени с помощью алгоритмов, запрограммированных в микроконтроллеры вентиляторных установок и вентиляционных дверей. Минимизация энергопотребления достигается за счет наиболее эффективного подбора частот оборотов вентиляторных установок и степени открытия вентиляционных дверей, а также за счет посменного регулирования воздухораспределением и внедрения систем частичного повторного использования воздуха. Отмечено, что в настоящее время в имеющейся литературе слабо освещен вопрос, связанный с аварийными режимами работы систем вентиляции шахт и рудников, а также с адаптацией систем автоматизированного управления на произвольные варианты вскрытия, подготовки и систем разработки месторождений. По мнению авторов, дальнейшее развитие систем автоматизированного управления вентиляцией должно осуществляться, в частности, по этим двум направлениям.
В работе проведена серия расчетов искусственного замораживания породного массива при проходке шахтных стволов для условий строящегося калийного рудника. Численное решение получено посредством метода конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS. Получены численные зависимости толщины ледопородного ограждения от времени в фазах активного и пассивного замораживания для двух слоев породного массива с различными теплофизическими свойствами. Внешняя и внутренняя границы ледопородного ограждения рассчитывались двумя способами: по температуре фактического замерзания поровой воды и по температуре –8 °С, при которой проводились лабораторные измерения прочности замораживаемых горных пород. Рассмотрен нормальный режим работы замораживающей станции, а также аварийный режим, заключающийся в выходе из строя одной из замораживающих колонок. Исследовалась зависимость уменьшения толщины ледопородного ограждения в фазе пассивного замораживания от длительности фазы активного замораживания. Определено, что в аварийном режиме работы системы замораживания толщина ледопородного ограждения по изотерме –8 °С может уменьшаться на величину более 1,5 м. При этом толщина ледопородного ограждения по изотерме фактического замерзания воды практически всегда сохраняет положительную динамику. Показано, что при анализе толщины ледопородного ограждения по изотерме фактического замерзания поровой воды не представляется возможным оценить опасность аварийных ситуаций, связанных с выходом из строя замораживающих колонок.
Освоение месторождений, залегающих в сложных геологических и гидрогеологических условиях, часто связано с необходимостью применения специальных способов проходки шахтных стволов. Наиболее надежным и универсальным способом проходки стволов является искусственное замораживание горных пород – создание ледопородного ограждения вокруг запроектированной горной выработки. Под защитой искусственно созданного сооружения в дальнейшем ведутся горнопроходческие работы. При этом проходка подземных горных выработок разрешается только после образования замкнутого замороженного контура проектной толщины. Кроме того, за состоянием замораживаемых горных пород должен быть организован систематический контроль. Опыт строительства рудников в сложных гидрогеологических условиях способом искусственного замораживания показывает, что современные технологии точечных и распределенных измерений температуры горных пород в контрольных скважинах не позволяют установить фактические параметры ледопородного ограждения. Современные теоретические модели и методы расчета теплового режима породного массива при его искусственном замораживании также не позволяют получить корректный прогноз параметров ледопородного ограждения в случае высокой погрешности исходных данных модели. В работе предлагается система контроля, которая осуществляет синтез экспериментальных измерений и теоретических расчетов параметров ледопородного ограждения. Такой подход позволяет провести сравнение измеренных в экспериментах и теоретически рассчитанных температур породного массива в контрольных скважинах и вычислить рассогласование между ними. На основании рассогласования температур уточняются параметры математической модели замораживаемого породного массива. Уточнение модельных параметров осуществляется посредством постановки обратной задачи Стефана, ее регуляризации и дальнейшего численного решения.
Проанализированы факторы естественного и техногенного происхождения, влияющие на свойства рудничной атмосферы, определяющие уровень безопасности горных работ и возможность возникновения аварийных ситуаций. Обозначены основные направления в развитии энергосберегающих технологий обеспечения комфортных микроклиматических условий. Представлен комплекс разработанных методов и математических моделей для проведения аэрологических и теплофизических расчетов. Определены направления совершенствования методов расчета стационарного и нестационарного воздухораспределения: использование эжекторных источников тяги для организации рециркуляционного проветривания; учет потерь депрессии на сопряжениях горных выработок; влияние инерционности воздушных потоков и отработанных пространств рудника при моделировании переходных аварийных процессов. На основе алгоритма расчета распределения расходов воздуха в рудничной сети разработан метод обработки результатов воздушно-депрессионных съемок в условиях дефицита данных. Смоделированы процессы переноса пыли с учетом ее коагуляции и оседания, а также взаимодействия с каплями воды при влажном обеспыливании воздуха. Разработана методика расчета интенсивности испарения и конденсации влаги, позволяющая прогнозировать время, протяженность и количество выпадаемой влаги и ее миграцию вглубь рудника в зимний период. По результатам решения задачи теплообмена рудничного воздуха и крепи воздухоподающего ствола в сопряженной постановке определяются величина депрессии естественной тяги и условия конвективной устойчивости движения воздушных потоков. Нормализация микроклиматических параметров рудничной атмосферы прогнозируется при использовании теплообменных установок, работающих на нагревание, либо на охлаждение и осушение вентиляционного воздуха. Изложены алгоритмы, позволяющие минимизировать затраты энергии на проветривание как на стадии проектирования рудника, так и в процессе его эксплуатации.
