Ученый совет Института проблем комплексного освоения недр РАН Научно-методологический семинар ДОКЛАД 29.11.2000г.

Председатель семинара            - академик РАН Трубецкой Климент Николаевич Ученый секретарь института - канд.техн.наук Богданов Геннадий Ильич

Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (ИПКОН РАН)   111020, г.Москва, Крюковский тупик, 4,   тел./факс 360-89-60,   e_mail: seminar1@chat.ru

Публикуемый доклад может отличаться от оригинального в тех местах, где докладчик не читал текст доклада, а импровизировал. Ниже следующий текст подготовлен с использованием отпечатанного текста (заготовки автора) и аудиозаписи его выступления.   Скачать 1,3 Мб (в т.ч. все, что доступно с этой страницы).

Каталог слайдов

Уважаемые члены ученого совета, уважаемые коллеги!

Прошу рассматривать настоящий доклад как версию кандидатской диссертации и высказаться о возможности ее представления к защите без существенных изменений. Если у уважаемых оппонентов будут пожелания типа "хорошо бы в работе что-нибудь посчитать" или "метод электроаналогий устарел", прошу предоставить мне возможность ответить им.

Работа относится к области проблем геомеханики массивов горных пород и твердых полезных ископаемых, при разработке которых наблюдается самообразование техногенных трещин. К таким проблемам относятся, например, широко известные проблемы борьбы с динамическими явлениями (ДЯ) типа горных ударов, внезапных поднятий почвы, высыпания угля, обрушения пород кровли и вопросы безопасности ведения горных работ при этом.

Наиболее весомый научный вклад в решение вопроса, вынесенного в заглавие настоящего доклада, сделали В.М.Зотов, М.А.Иофис, В.В.Лоскутников, Т.Г.Марченкова и В.В.Тутинас (перечисление в алфавитном порядке).

Наука геомеханика одна из старейших и весьма уважаемых наук. Но для условий ведения горных работ на больших глубинах, по мнению автора, она разработана недостаточно. Число научных направлений приблизительно равно числу ДЯ, а такое, как известно из истории науки, обычно бывает, когда вопрос недостаточно хорошо изучен. Обсуждение гипотез, а таковыми, по мнению автора, являются "теории" этих ДЯ, затруднено из-за отсутствия в них механизма образования трещин саморазрушения. Как бы "по умолчанию" предполагается, что он такой же как и у образца горной породы медлено раздавливаемого под прессом в лаборатории.

Авторы многочисленных публикаций, обсуждая разрушение краевой части горного массива под действием горного давления, либо вообще обходятся без рисунка, либо на рисунке никак не изображают трещины, либо отображают систему трещин половинчато - только трещины параллельные поверхности обнажения. В качестве примера на слайдах 1 и 2 приведено "никакое" отображение трещин саморазрушения, соответственно, по С.Г.Авершину [1] и по И.М.Петухову [1] и на слайдах 3, 4 "половинчатое" отображение системы трещин саморазрушения, соответственно, по Г.Я.Полевщикову [2] и по В.Н.Одинцеву [3, 4]. В геомеханике есть исчерпывающие данные о полной системе техногенных трещин саморазрушения, состоящей из трещин расслоения и секущих трещин, например слайд 5 по М.А.Иофису [1], но для условий, при которых процесс разупрочнения протекает медленно, не под действием горного давления (внешних источников), а под действием веса разупрочненной массы (внутренних источников) при подработке дневной поверхности, надработке ниже лежащих пород (слайд 6).

В качестве теоретических предпосылок, для настоящей работы, был взят опыт ведения горных работ. Из которого известно, что перечисленные выше проблемы с ДЯ появляются при достижении глубины ведения горных работ некоторой критической отметки. При достижении этих критических глубин, в краевой части породного или угольного массивов начинают интенсивно проявляться процессы самообразования техногенной трещиноватости, например, отжим, стреляние и другое не связанное с источниками обычных техногенных трещин (с исполнительным органом выемочной машины или ведением буровзрывных работ). Феномен самообразования техногенных трещин имеет 2 режима протекания: 1) медленный (вяло текущий) и 2) быстро протекающий. Первый наблюдается как постоянно протекающий в течении всего времени существования горной выработки. Второй возникает внезапно, протекает скачкообразно (в том числе со скоростями близкими к звуковым) и сопровождается на порядок большими разрушениями. Исходя из опыта ведения горных работ и неадекватной (никакой) реакции геомеханики на процесс самообразования техногенных трещин, делаем предположение, что выше описанные проблемы горного производства до сих пор не решены потому, что не учитывали и не изучали самоорганизацию (коллективное поведение) при росте техногенных трещин саморазрушения.

Сегодня традиционные представления о геомеханических процессах при ведении горных работ на больших глубинах такие же как и для малых глубин. Исследования, например, выполняются в лаборатории на образцах в области медленно текущих процессов, а результаты исследований распространяются на весь интервал скоростей протекания процессов. Применяемые "жесткие" пресса не могут обеспечить темп подвода механической энергии в том количестве, в котором может потребить образец и трансформировать ее в работу разрушения. Отсюда незаконченный акт разрушения и результаты неадекватные опыту ведения горных работ. В качестве "мягких" прессов могли бы использоваться молоты или "жесткий" пресс с мощной пружиной между пуансоном и образцом, но тогда возникает вторая проблема - чем регистрировать процесс протекающий со звуковой скоростью? Это, по мнению автора, основная причина отсутствия представлений об указанном механизме. Механизм (модель, теория) необходимы для того, чтобы не только изучать его последействие, но и предсказывать это последействие, а следовательно, управлять процессом самоорганизации.

Традиционная геомеханика не рассматривает твердое тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему, где потеря устойчивости может происходить только самосогласовано на нескольких масштабных уровнях, как это делается, например, в физической мезомеханике. Она не различает медленно и быстро протекающие процессы, как это делается, например, в медицине, где не объясняют причину гибели в автомобильной катастрофе вирусными и другими смертельными заболеваниями, которыми страдал потерпевший. Она не предполагает, что объект исследования может качественно скачкообразно измениться (сфрагментироваться), как это делается в зоологии, где самоорганизация (появление бабочки из куколки) не требует доказательства. В общем, много чего не делает геомеханика, что по мнению автора, должно быть в списке первоочередных задач для решения выше упомянутых проблем горного производства.

Задачи исследований. Из перечисленных задач выбрана одна наиболее фундаментальная - разработка механизма саморазрушения краевой части горного массива. В качестве примера геосреды, выбраны "высокогазоносные" и "выбросоопасные" угольные пласты с целью, хотя бы косвенно, иметь возможность судить о геометрии зоны трещинообразования по динамике газовыделения из нее.

Цель работы. Дальнейшее развитие теоретических основ геомеханики.

Идея работы. Подобно известным фазовым превращениям вещества из твердого в жидкое и газообразное агрегатное состояние под действием температуры, рассматривать процесс образования техногенных трещин саморазрушения, как псевдофазовый переход "ненарушенного" горного массива в "разупрочненный" под действием горного давления и "разупрочненного" в "воздушноугольный (воздушнопородный) поток" под действием веса разупрочненной массы.

Методы исследования. Это 1) методы "мягкого" моделирования (метод клеточных автоматов и мысленный эксперимент) и 2) натурный эксперимент (шахтный эксперимент для косвенной оценки геометрии области техногенного трещинообразования по динамике ее газовых свойств).

Если не считать "состояние вопроса", то работа состоит из 3-х глав. В первой предлагается рабочая гипотеза, во второй приводятся доказательства этой гипотезы, в третьей - отрицательный результат исследований.

Первая часть гипотезы о причинах, вызывающих процесс и об изменениях наступающих в результате этого процесса - внешнем виде системы трещин.

Образование горной выработки в напряженном массиве горных пород означает, что силы горного давления до того располагавшиеся хаотически и компенсировавшие друг друга, теперь направлены в горную выработку. Образовавшаяся система "горный массив - выработка", на больших глубинах, оказывается сильно удаленной от своего механического равновесия. Система восстанавливает утраченное равновесие путем создания в краевой части массива зоны разупрочнения. Последняя подбучивает неразупрочненный массив, создает силу противодавления и таким образом восстанавливает утраченное равновесие.

Выработка является стоком к которому устремляются потоки механической энергии (силы горного давления). Чем протяженнее поверхность обнажения, тем она сильней прогибается (слайд 7). Поверхность обнажения, подобно парусу надутого ветром, растягивается под действием вытекающего в горную выработку потока механической энергии. Сжимающие напряжения порождают растягивающие напряжения. Абсолютные смещения достигают критических значений и "парус рвется".

Размерность пространства, в котором протекает процесс разупрочнения, может быть 2-х мерным, например для угольной пачки или тонкого угольного пласта (слайд 8), хотя физически угольный пласт не может быть 2-х мерным. При этом процесс разупрочнения для угольного пласта не может быть 3-х мерным, например для мега-масштабного уровня. Для этого уровня угольный пласт - это тонкий лист или пленка, так как мощность пласта по сравнению с его простиранием, есть бесконечно малая величина. "Секущая" трещина может расти только вглубь массива и для двумерного случая, обязательно должна простираться от кровли до почвы (от почвы до кровли - все равно как сказать). Секущая трещина, при достижении фундаментальной длины (фундаментального расстояния от поверхности обнажения вглубь массива) ветвится на трещины "расслоения". При этом, если рассматривать отдельно взятую ячейку на поверхности обнажения, то она сфрагментирована как 3-х мерная структура (слайд 9).

У сфрагментированной поверхности ячеистая структура. В плоскости, это в основном неправильной формы 5-ти или 6-ти гранники, имеются так же многогранники с другим числом граней. Все многогранники практически одного размера. Процесс протекает со звуковой скоростью и, следовательно, время от старта первой трещины до остановки последней трещины (окончания формирования системы трещин), практически равно нулю. Процесс фрагментации (разупрочнения) протекает на одном или нескольких масштабных уровнях согласованно, масштабные уровни могут быть вложены один в другой. То есть, если рассматривать отдельную ячейку, то ее поверхность также будет сфрагментирована в виде ячеек, но более мелкого типа-размера. Более мелкие ячеички также будут равны между собой. Такое геометрическое подобие наблюдается на одном или на нескольких или на всех сразу микро-, мезо-, макро- и мега- масштабных уровнях. Кроме того, на каждом масштабном уровне одновременно присутствуют трещины "ближнего" и "дальнего" порядка.

Для мощного угольного пласта (породного слоя) или когда длина и ширина поверхности обнажения примерно равны, фрагментация на мегауровне может быть 3-х мерной. Это есть то, что представляют собой мощные горные удары. Абстрагировано 3-х мерная (полная исчерпывающая) система техногенных трещин саморазрушения - это объемное "дерево" (слайд 10), а 2-х мерная - это плоское "дерево".

Фундаментальным свойством механизма является единый стереотип коллективного согласованного поведения дефектов на любом конкретном масштабном микро-, мезо-, макро- и мегауровне (слайд 11). Это скачкообразный разворот и расположение дефекта вдоль направления действия сил горного давления при достижении критического удельного расхода потока механической энергии. На каждом масштабном уровне происходит одно и тоже. Находившиеся до того в хаотическом расположении дефекты, подобно флюгерам под действием ветра, разворачиваются вдоль силовых линий потенциального поля, создаваемого силами горного давления. Условия поворота (разворота) наиболее вероятны на острие растущей трещины, где концентрация эквипотенциалей максимальная.

Режим обострения (слайд 12) или, другими словами, горный удар, наступает, когда трещина достигнет фундаментальной длины в направлении от поверхности обнажения вглубь массива. Появление обратной положительной связи обусловлено тем, что развернувшиеся дефекты изменяют поле напряжений так, что увеличивают приток механической энергии к острию трещины. Увеличившийся поток вызывает генерацию новых элементарных актов "поворота", новые повороты вызывают увеличение плотности (удельного расхода) потока энергии. Процесс становится самоподдерживающимся саморазвивающимся. Древовидная система трещин может быть, например, такой как изображено на слайде 13. Причиной остановки является дилатансия, т.е. то, что продукты разупрочнения имеют больший удельный объем, чем вещество ненарушенного горного массива. В результате подбучивания появляются силы противоположного направления, препятствующие росту деформаций поверхности обнажения. Они компенсируют силы горного давления, в результате чего в системе наступает механическое равновесие.

Таким образом, объединив известные (каждое в отдельности) представления, мы получили описание "крупными мазками" неизвестного представления о ДЯ как о переходном процессе краевой части горного массива из одного псевдоагрегатного состояния в другое, а иногда и в третье. Иногда, это когда псевдожидкость (разупрочненная масса) под действием внутренних источников энергии (веса разупрочненной массы) вытекает (высыпается) в горную выработку по упоминавшемуся выше известному механизму М.А.Иофиса (см. слайд 5). У нас появилась возможность группировать ДЯ по числу псевдофазовых переходов. Горный удар и внезапное поднятие почвы - это явления, у которых только первый переход. Высыпание угля на крутом падении и внезапное обрушение кровли - это явления, у которых два псевдофазовых перехода.

Вторая часть гипотезы - это алгоритм, по которому растут трещины, объединяются в систему и формируют геометрию области с измененными свойствами.

Вопрос как рвется "парус" решается мысленным экспериментом при помощи клеточного автомата о котором будет сказано ниже. "Парус" рвется посредине на 2 части (слайд 14). Каждая оставшаяся часть превращается в самостоятельный парус и с ней происходит тоже самое.
Вернее, теперь уже с 2-мя частями то же самое и главное одновременно (синхронно). И так с каждой парой частей, образующейся в результате фрагментации. При этом, у каждой последующей пары "парусов" глубина разрыва (длина трещины) примерно в 2 раза короче, чем у предыдущей пары или первичного забоя. При достижении определенной длины, секущая трещина ветвится на трещины расслоения. Система трещин ортогональная. Процесс фрагментации поверхности (поверхностей) происходит послойно в направлении, всегда от первичной поверхности обнажения вглубь массива. В результате образуется, некоторых размеров, зона разупрочнения (область заполненная трещинами, при этом все техногенные трещины саморазрушения обязательно соединены между собой). Такой формулировки алгоритма уже достаточно для "ручного" (мысленного) построения зоны разупрочнения в любой краевой части горного массива горной выработки любой конфигурации. Критерием разрыва сплошности является критический удельный расход потока механической энергии на единицу поверхности. Но это, при "ручном" построении не имеет никакого значения. Так как система сильно удалена от равновесия, принимается, что этот критерий выполняется всегда.

Третья часть гипотезы - проверка алгоритма и, в некотором роде, исследования (если представлялась такая возможность).

Перейдем к построениям зон разупрочнения для различных горнотехнических условий. Если, все будет логично и, не будут обнаружены противоречия опыту ведения горных работ, то третья часть гипотезы уже частично может служить доказательством первых 2-х ее частей.
"Парус" может быть узким длинным, как, например, поверхность обнажения в очистном забое или подготовительной выработке, пройденной по углю (слайд 15). Картина качественно не меняется, если "парус-лента", т.е. угольный пласт, расположен вертикально - деление на 2 идет по длине поверхности обнажения. Качественные изменения наступили, когда автор начал строить систему трещин в стенках горной выработки (слайд 16), по тому же самому алгоритму, что и в забое. По мере проведения подготовительной выработки или бурения скважины, смещения стенок выработки увеличиваются и "парус" рвется посредине. Но только первый раз. При дальнейшем подвигании, что будет видно из обещанного ниже клеточного автомата, максимум смещения скачкообразно перемещается к груди забоя При достижении критической плотности механической энергии, в створе с забоем выработки, прорастает 2-я секущая трещина. При дальнейшем подвигании 3-я и т.д. Прорастая на определенную глубину секущие трещины ветвятся на трещины расслоения. Качественные отличия техногенных трещин саморазрушения в стенках скважины (выработки) в том, что секущая трещина и трещина расслоения, для 3-х мерного случая оказались, соответственно, диском и цилиндром. Для протяженной горной выработки типа лавы (слайд 17), это будут тоже, условно (из-за неправильной формы) "диски" и "цилиндры".
Для непрямолинейного забоя (слайд 18) обнаружено, что зона разупрочнения в кутках ниш и уступов значительно меньших размеров чем в остальной прямолинейной части. Зона разупрочнения, в процессе подвигания забоя, выполняет роль буфера, препятствуя росту смещений на вновь образующейся поверхности. И, если буферную зону удалить или уменьшить до критическх размеров, то ничего не может препятствовать развитию ДЯ или внезапному высыпанию угля.

Процесс образования техногенных трещин саморазрушения - это сложный эволюционирующий процесс с конечным, но заранее неизвестным, числом "траекторий" развития. Но к нашему счатью, состоит он из одинаковых элементарных актов (разрыва сплошности элементарных объемов), которые наступают при выполнении одних и тех же условий, одинаковых для всех элементарных объемов. В терминах клеточного автомата ячейка (клетка) должна "умереть" (исчезнуть) если хоть на одной из 4-х ее поверхностей смещения достигают, например, 50% и более от смещений в этот же момент времени на груди забоя. Процесс дискретен во времени и первой "погибает" та клетка у которой, на момент анализа их состояний, смещения окажутся б'ольшими. На слайде 19 изображена эпюра абсолютных смещений ( D l ) на момент предшествующий разрыву сплошности 4-го элементарного объема. Решая упругую задачу для полуплоскости можно убедиться в том, что в начальный момент времени максимальные смещения будут посредине забоя. После удаления элементарного объема n₁ произойдет перераспределение смещений и максимальные смещения будет иметь элементарный объем n₂. После удаления n₂ максимальные смещения будет иметь n₃ и так до условного n₄. Последний на столько удален от поверхности обнажения, что после удаления n₃, смещения обнажившихся стенок у всех его соседей n₄ окажутся равными. Это означает наступление условий ветвления секущей трещины на трещины расслоения. Далее процесс распространяется по трем направлениям абсолютно так же как это происходило раньше.

На слайде 20 представлен тот же самый клеточный автомат, т.е. с теми же самыми условиями разрушения, но для скважины. По мере углубления скважины, компонента смещения ее стенок, нормальная к оси выработки, оказывается возрастает от устья скважины к ее забою. При достижении критериальных значений, первая клетка, которая должна "погибнуть" находится в стенке скважины и, как оказывается, не где-нибудь, а перед самым забоем. Там же "гибнет" и вторая клетка и третья и т.д. Образуется кольцевое разрушение, которое обнажает значительную поверхность. Образовавшаяся поверхность деформируется со значительными смещениями. И керн, если он был предусмотрен технологией бурения, отрывается. Трещина вокруг скважины (диск) имеет продолжение внутри керна до оси скважины. Керн делится на диски на границе забоя скважины. Толщина диска не зависит от направления бурения. Давление на забой скважины, создаваемое буровым станком, может влиять на кривизну поверхности отрыва (выпуклость, вогнутость дисков).

Таким образом, путем гипотетических построений, по разработанному автором алгоритму, были получены результаты не противоречащие опыту ведения горных работ, притом некоторые из них оказались новыми для теоретической геомеханики:
1) существование зоны разупрочнения вокруг скважины ввиде дисковых и цилиндрических трещин;
2) для непрямолинейного забоя обнаружено, что зона разупрочнения в кутках ниш и уступов значительно меньших размеров чем в остальной прямолинейной части;
3) получен механизм деления керна на диски, заключающийся в том, что диск в керне "отрезается" секущей трещиной, прорастающей в плоскости забоя скважины с постоянным интервалом по длине скважины по мере ее бурения.

1. Гипотеза автора, опубликованная в 1982 году, получила подтверждение в более поздних работах других исследователей:

1.1. Цилиндрические трещины стали известны в геомеханике как "зона дезинтеграции" и были зарегистрированы как открытие [5].

1.2. Дисковые трещины стали известны в геомеханике как "отрывные" по работам В.Н.Одинцева [3, 4]. Они подтверждены экспериментально, по свидетельству В.Н.Одинцева, имеется соответствующий протокол об этом.

2. Если рассмотреть головку слесарного зубила (слайд 21) и граничные условия реальной краевой части горного массива на больших глубинах (слайд 22), то мы увидим, что они в срединной части обеих краевых частей идентичны. Таким образом можно считать, что физическим моделированием, на пластическом материале, в данном примере Ст.3, при идентичных граничных условиях с горной выработкой в срединной части забоя, путем приложения ударной нагрузки, что соответствует условиям сильно удаленной от своего механического равновесия краевой части горной выработки на больших глубинах, подтверждается одно из основных положений гипотезы - то, что первой прорастает секущая трещина, которая затем ветвится на трещины расслоения, а не наоборот, как это принято считать в геомеханике на основании модели С.А.Христиановича [3, 4, 6].

3. Если рассмотреть реальный керн (слайд 23), который получается при бурении скважин на больших глубинах, то можно обнаружить самое сильное и практически исчерпывающее подтверждение, предложенного в работе механизма образования техногенных трещин саморазрушения. У автора есть керн, пролежавший не один год на открытом воздухе в условиях всех времен года. Благодаря действию воды и мороза, на фотографии невооруженным глазом видны все трещины, а в частности секущие (дисковые) и трещины расслоения (цилиндрические). Сам керн с торцов образован дисковыми трещинами. Вообще, деление керна на диски при бурении шпуров из подземных горных выработок известно в геомеханике давно (слайд 24) [7], об этом записано в нормативных документах как о способе определения напряженного состояния ударо-, выбросоопасного горного массива [8]. Однако механизм их образования неизвестен. А то, что еще и внутри диска содержится строго организованная упорядоченная система трещин, автор гипотезы, в течени 10-ти лет и сам не знал, и не догадывался, и, по сегодняшний день, не встречал нигде в специальной литературе.

4. Поворот дефекта вдоль линии тока на макроуровне - известен в геомеханике как "схлопывание" нормальных, к направлению действия главных сжимающих напряжений, и "раскрытие" параллельных, этому направлению, трещин (слайд 25). Следовательно, можно предполагать аналогичный (не идентичный, а аналогичный, т.е. подобный в некотором роде) механизм на других массштабных уровнях.

5. Физическое моделирование на стеклах, путем динамического воздействия ударом, т.е. в обратном направлении, что не позволяет утверждать однозначно, подтверждает основные закономерности предложенного механизма. Например на слайде 26 видна последовательность роста трещин - первые секущие (радиально направленные), а затем трещины расслоения (концентрические полуокружности, дуги). Об этом могут свидетельствовать пересекающиеся окончания дуг трещин расслоения. Наблюдаются ближний и дальний порядок, ячейки фрагментации и др.

6. Разработанные, но не изготовленные другие физические модели, путем мысленного эксперимента, подтверждают, например скачкообразность и определенную последовательность "гибели" ячеек клеточного автомата и др. Например, изображенная на слайде 27 физическая модель для моделирования саморазрушения горных пород - одномерная из диафрагм и объемов со сжатым воздухом и двумерная из резиновых кубиков, заполненных сжатым воздухом.

7. Разработанная, но не реализованная в виде программы, математическая модель "сплошного" клеточного автомата, на уровне алгоритма и блок-схемы показывает возможность "мягкого" моделирования методом клеточных автоматов, но численными методами, псевдофазовых превращений краевой части из "ненарушенного" в "разупрочненный" горный массив и из последнего в "угольно-, породовоздушный поток", т.е. горный удар плюс высыпание или обрушение продуктов первого под действием веса разупрочненной массы. Мысленный эксперимент, с блок-схемой и качественно известными решениями дифференциальных уравнений Лапласа или Пуассона для полуплоскости, по принципу клеточного автомата (аналогично тому как это автор делал при разработке гипотезы, т.е. в предыдущей главе, часть 3), путем удаления "погибших" областей и т.п. - подтверждает основные положения гипотезы.

8. Разработанная электроаналоговая машина клеточных автоматов (слайд 29) и реализованная в виде 2-х сеточных моделей 5х5 узлов, соответственно, для моделирования псевдофазового перехода типа "горный удар" и типа "высыпание, обрушение" в перспективе, как планировалось, должна была превратиться из лабораторной установки "Массив-25" в "Массив-1750", стать первым в мире прообразом компьютера 5-го поколения, моделировать еще и ГДЯ и т.п. По известным причинам, которые рассматривались на предыдущем семинаре (16.12.92), работы были прекращены. Разработанная и защищенная авторскими свидетельствами моделирующая среда, на качественном уровне, полностью адекватна натурным условиям. Но, все, что можно было сделать на том этапе - это подтвердить (получить доказательства, но не доказать) что процесс образования техногенных трещин самообразования стартует и доходит до 4-го плечевого элемента (ячейки клеточного автомата) точно так как описано в гипотезе (см. слайд 19).

9. Правильность выбранного, около 20-ти лет назад, направления исследований механизма саморазрушения краевой части горного массива, подтверждается появлением аналогичного направления, о котором автор узнал накануне настоящего доклада. Около 20-ти лет назад, в механике была сформулирована новая парадигма - концепция структурных уровней деформации твердого тела. На протяжении последующих лет эта концепция была подтверждена теоретически и экспериментально и легла в основу нового научного направления - физической мезомеханики материалов, которое связало континуальную механику с физикой пластичности и прочности. Физическая мезомеханика рассматривает деформируемое твердое тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему, где потеря сдвиговой устойчивости происходит самосогласованно на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях, а элементарным актом пластического течения является "сдвиг + поворот". Это приводит к возникновению диссипативных мезоструктур и фрагментации материала на мезоуровне. Разрушение образца является конечной стадией фрагментации материала на макроуровне, когда происходит глобальная потеря сдвиговой устойчивости. Физическая мезомеханика была темой нескольких международных конференций, проведенных в России, Израиле, Германии и Китае. С 1998 года издается журнал "Физическая мезомеханика" http://www.ispms.tsc.ru:8101/rus/PhysMesomech/index.html (слайд 30).

Чтобы больше никто не заблудился, автор считает своим долгом сообщить, что натурный эксперимент (шахтный эксперимент для косвенной оценки геометрии области техногенного трещинообразования по динамике ее газовых свойств) при исследованиях ДЯ и ГДЯ годится только для изображения наукообразия.

Эффективность близкая к нулю у шахтного эксперимента, из-за того, что при исследовании газовых свойств, сами приборы влияют на величину измеряемой величины. Проводить исследования в горных выработках на больших глубинах, т.е. там где наблюдается саморазрушение краевой части массива, при современном уровне развития науки и техники (следует читать "при существующих возможностях автора"), пока не представляется возможным. В шахте можно измерить все, что угодно, но только не то, что нам нужно (что мы хотим) из-за отсутствия соответствующего "инструментария" (бесконтактных неразрушающих методов исследования процесса протекающего со скоростью звука или, хотя бы, скважинных расходомеров газа имеющих незначительное внутреннее аэродинамическое сопротивление). После остановки роста, техногенная трещина практически не отличается от природной со всеми вытекающими последствиями. Выделяющийся в замерную скважину метан идет не в измерительный прибор, а в обход герметизатора. И многое другое, широко известное тем, кто проводил шахтные эксперименты в области газовой динамики угольных пластов. Автор около 7-ми лет потратил на шахтный эксперимент, результаты которого частично приводятся в этой главе. Случай аналогичен ошибке студента, когда он пытается измерить температуру льда контактным термометром. Импендансы термометра таковы, что на контакте измерительного прибора и объекта неизбежно образуется вода и термометр показывает температуру воды, а не температуру льда.

В результате проведенных исследований теоретическая геомеханика получила дальнейшее развитие. Решена конкретная задача - разработан механизм образования техногенных трещин саморазрушения, который ранее в геомеханике был неизвестным. Предложенный механизм пока не представляется возможности проверить прямым натурным экспериментом из-за отсутствия неразрушающих методов контроля и др. оборудования для исследования процессов, протекающих с около звуковой скоростью.

1. Установлено, что явление образования в краевой части горного массива на больших глубинах техногенных трещин саморазрушения - это фазовый нетермодинамический самоорганизованный переход на мико-, мезо-, макро- и мегауровне из "твердого" псевдоагрегатного состояния в "жидкое" и "газообразное" под действием потока механической энергии (горного давления).

2. Самоорганизация при первом псевдофазовом переходе из "ненарушенного" состояния в "разупрочненное" выражается образованием древовидной структуры из техногенных трещин саморазрушения. При этом механизм и геометрия образования системы трещин под действием сил горного давления аналогичны известному ранее механизму образования трещин под действием веса разупрочненной массы, только все с точностью наоборот, а именно, если в известном механизме слой геоматериала сначала образуется, а затем ломается, то в предложенном механизме слой сначала ломается, а затем образуется, т.е. трещина растет от поверхности обнажения вглубь массива.

3. Разработана методика (алгоритм) моделирования вновь установленного (ранее не известного) механизма образования техногенных трещин саморазрушения методом клеточных автоматов на электроаналоговых и цифровых сплошных и дискретных средах.

4. Установлено, что шахтный эксперимент по исследованию газовых свойств высоко газоносных горных пород и угольных пластов, для изучения ДЯ и ГДЯ практически не приемлем из-за того, что при его выполнении на контакте исследуемого геоматериала и измерительного прибора происходит неконтролируемый псевдофазовый переход агрегатного состояния вещества и предшествующее агрегатное состояние становится недоступным для прямых измерений.

Путем гипотетических построений, по разработанному автором алгоритму, были получены результаты не противоречащие опыту ведения горных работ, притом некоторые из них оказались новыми для теоретической геомеханики:
1) существование зоны разупрочнения вокруг скважины ввиде дисковых и цилиндрических трещин;
2) для непрямолинейного забоя обнаружено, что зона разупрочнения в кутках ниш и уступов значительно меньших размеров чем в остальной прямолинейной части;
3) получен механизм деления керна на диски, заключающийся в том, что диск в керне "отрезается" секущей трещиной, прорастающей в плоскости забоя скважины с постоянным интервалом по длине скважины по мере ее бурения.

По этому научному направлению у автора опубликовано порядка 60-ти статей, основными из которых являются:

1. Шестопалов А.В. Исследование механизма газодинамических и деформационных процессов в краевой части разрабатываемого угольного пласта. - Сб. Физико-технические и технологические проблемы разработки и обогащения твердых полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.39-44.

2. Шестопалов А.В., Ставровский В.А. Динамика газоотдачи разрабатываемого угольного пласта при его искусственной дегазации. - Сб. Прогноз и предотвращение газопроявлений при подземной разработке полезных ископаемых. - М.: ИПКОН АН СССР, 1982. - с.142-157.

Благодарю за внимание.

  ©   29.11.2000-22.02.2007   Шестопалов А.В.