КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 23-17-00148

НазваниеРазработка экспериментально-аналитических основ теории взаимодействия геомеханических и физико-химических процессов при отработке угольных месторождений

РуководительКиряева Татьяна Анатольевна, Доктор технических наук

Прежний руководитель Опарин Виктор Николаевич, дата замены: 15.02.2024

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт горного дела им. Н.А. Чинакала" Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-301 - Геомеханика

Ключевые словаЭкспериментально-теоретические исследования, физика и геомеханика очаговых зон разрушения горных пород, пожаро- и выбросоопасность, эмиссионные события, комплексная геоинформационно-мониторинговая система, геомеханико-геофизические измерения, дистанционное зондирование Земли, диагностика, прогнозирование, профилактика, безопасность, напряженно-деформированное состояние, основы теории взаимодействия геомеханических и физико-химических процессов, угольные месторождения Кузбасса

Код ГРНТИ52.13.05

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В последние десятилетия в России и за рубежом большое внимание уделялось исследованиям и разработкам безопасного недропользования Земли в усложняющихся горно-геологических и природно-климатических условиях, роста глубины и масштабов разрабатываемых месторождений полезных ископаемых различных видов и фазового состояния. В нашей стране такие достижения в направлении фундаментальных и прикладных исследований и разработок связаны: (1) с установлением главных механизмов формирования и особенностей развития очаговых зон повышенной концентрации напряжений и деструкции массивов горных пород и геоматериалов, обладающих блочно-иерархической структурой, многофазностью и проявляющих свойства открытых самоорганизующихся геосистем, находящихся в тектоническом поле напряжений и деформаций; (2) на базе современных достижений нелинейной геомеханики и геофизики, облачных Big Data информационных технологий обоснован новый (энергетический) методологический подход и соответствующие ему методы, а также технические (приборно-измерительные) средства, программные комплексы для формирования многослойной геоинформационно-мониторинговой системы диагностики, контроля и прогнозирования промышленной и экологической безопасности стратегически важных горнодобывающих регионов Сибири, успешно прошедшей апробацию в натурных условиях (Кузбасс, Норильск, Новосибирская обл. и др.) [2]. Настоящий Проект ориентирован на дальнейшее развитие этих результатов [1-3] для разработки научных основ комплексной теории геотехнологий освоения угольных, нефте-газовых, горючих сланцев и т.п. месторождений, с главным акцентом на месторождения Кузнецкого угольного бассейна [1-3].Среди них: явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных выработок (открытие СССР № 400); знакопеременной реакции горных пород на взрывные (динамические) воздействия; нелинейные упругие волны маятникового типа и индуцируемые ими геомеханико-геофизические поля; «поршневой» механизм действия маятниковых волн на возникновение и протекание физико-химических процессов в угольных пластах. . На период 2023-2025 гг. с этой целью предполагается реализовать комплекс экспериментально-аналитических исследований и разработок для (I) установление экспериментально-аналитических предпосылок разрабатываемой теории взаимодействия между нелинейными геомеханическими и физико-химическими процессами при отработке угольных месторождений на примере Кузнецкого угольного бассейна; (II) разработка архитектуры и информационного обеспечения геопортала по геомеханическим и геодинамическим катастрофическим событиям (включая подземные пожары). Авторы настоящего Проекта ожидают, что итоговые результаты по его выполнению внесут собою значительный вклад в решение критической важной для РФ «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» для горнодобывающих районов Сибири, а также Указа Президента РФ № 76 от 08.02.2021 года «О мерах по реализации государственной научно-технической политике в области экологического развития… на 2021 ‒ 2030 годы». ЛИТЕРАТУРА К П. 1.4. 1.Геомеханические поля и процессы: экспериментально-аналитические исследования формирования и развития очаговых зон катастрофических событий в горнотехнических и природных системах / [В.Н. Опарин, В.В. Адушкин, А.А. Барях и др.]. Под ред. Н.Н. Мельникова. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2018. – Т. 1. – 549 с.; 2019. –Т. 2. – 546 с. DOI: 1015372/GEOMECHNICAL 2019 OVN. 2. Опарин В.Н., Киряева Т.А., Потапов В.П., Юшкин В.Ф. Новые методы и информационные технологии в экспериментальной геомеханике. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2021. – 292 с. DOI: 10.53954/9785604642856. 3. Adushkin V. V., Oparin V. N. From the Alternating-Sign Explosion Response of Rocks to the Pendulum Waves in Stressed Media // J.of Min. Sci., P. I: 2012, Vol. 48, No. 2, pp. 203 – 222; P. II: 2013, Vol. 49, No. 2, pp. 175 − 209; P. III: 2014, Vol. 50, No. 4, pp. 623 − 645; P. IV: 2016, Vol. 52, No. 1, pp. 1 − 35.

Ожидаемые результаты
В качестве важнейшего ожидаемого научного результата выполнения комплексного исследования по настоящему Проекту явится разработка экспериментально-аналитических основ новой теории и базовых методов описания и прогнозирования взаимно обусловленного, по определяющим факторам механических связей, развития нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов, индуцированных ведением горных работ на крупномасштабных объектах горного недропользования Сибири. Такие сложные разномасштабные процессы, происходящие при отработке угольных месторождений, требуют решения комплекса системообразующих для Теории задач, ориентированных на создание новых методов, контрольно-измерительных и геоинформационных средств количественного описания и контроля пространственно-временного развития нелинейных геомеханических и индуцируемых ими физико-химических массо-газообменных процессов в угле-породных массивах и геоматериалах при нарушении напряженно-деформированного и термодинамического их состояния в натурных условиях ведения подземных и открытых горных работ (с учетом расстояния и энергетического уровня источников механического воздействия) в условиях юга Западной Сибири с повышенным сейсмическим влиянием землетрясений и мощных технологических взрывов на геомеханико-геодинамическую и геоэкологическую безопасность крупномасштабного горного недропользования в этом стратегически важном регионе России. Актуальность и высокая практическая значимость такого направления исследований и разработок следует из разрабатываемой ныне критически важной для РФ «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», а также Указа Президента Российской Федерации № 76 от 08.02.2021 года: «О мерах по реализации государственной научно-технической политики в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений» (вместе с «Положением о совете по реализации Федеральной научно-технической программы в области экологического развития Российской Федерации и климатических изменений на 2021-2030 годы». Этот результат предполагается представить, по завершении работ по настоящему Проекту, в виде монографического академического издания: «Основы теории взаимодействия нелинейных геомеханических и физико-химических массо-газообменных процессов при разработке угольных месторождений Сибири». Обозначенный выше ожидаемый важнейший комплексный научный результат по тематической направленности настоящего проекта основывается на успешном решении сформулированных в п.4.3 основных задач (1)-(5) по общему плану работ с их ожидаемыми результатами исследований и разработок согласно п. 4.6. В этой связи предполагается получить следующие системообразующие для разрабатываемой Теории базовые результаты, с учетом отмеченных в п. 4.6 по задачам (1)-(5). (1). Разработаны научно-методические основы «пассивной» (эмиссионной) геотомографии на волах маятникового типа в диагностике и контроле напряжунно-деформированного состояния массивов горных пород блочно-иерархического строения. Получение этого результата базируется на комплексе исследований и разработок, направленных на реализацию общего (энергетического) методолого-методического подхода к развитию основ нелинейной геотомографии на волнах маятникового типа, динамико-кинематические характеристики и спектральный состав упругих волновых пакетов у которых непосредственно связаны в видом напряженно-деформированного и фазового состояний, блочно-иерархическим строением углепородных массивов, расстоянием и энергетическими уровнями источников их излучения (от землетрясений, горных ударов, внезапных выбросов угля и газа, технологических взрывов, подземных пожаров). Здесь впервые будет использовано условие детерминированности связи между динамико-кинематическими характеристиками маятниковых волн и индуцируемых ими эмиссионных геомеханико-геофизических и физико-химических массо-газообменных процессов в операторном аналитическом виде. Это позволяет создать энергетический метод (эмиссионной) геотомографии на маятниковых волнах, ориентированный на решение широкого круга новых актуальных (по существу ‒ обратных) задач механики, решение которых практически невозможно было традиционными методами экспериментальной геомеханики и горной геофизики по количественной спецификации достижения критических состояний по уровням напряженности выделяемых объемов массивов горных пород с очаговыми зонами концентрации упругой энергии, их эволюции до реальных размеров, а также времени проявления катастрофических событий. Это будет осуществлено впервые в рамках методологических основ «геомеханической термодинамики» на нелинейных упругих волнах маятникового типа [приведены в недавно вышедшей в свет монографии: В.Н. Опарин, Т.А. Киряева, В.П. Потапов, В.Ф. Юшкин. Новые методы и информационные технологии в экспериментальной геомеханике / Отв. ред. В.В. Адушкин. ‒ Новосибирск: СО РАН, 2021. ‒ 292 с.]. (2). На базе экспериментальных исследований дано аналитическое описание «поршневого» механизма протекания нелинейных массо-газообменных процессов в напряженных угольных образцах и углепородных массивах под влиянием динамических (импульсного и гармонического вида) воздействий. С этой целью проведен комплекс экспериментально-теоретических и геоинформационно-мониторинговых исследований с методологическим энергетическим подходом интерпретации экспериментальных данных натурных измерений и физического моделирования массо-газообменных процессов в углепородных геоматериалах и их массивах. Он с анализом количественного влияния «поршневого механизма» на особенности возникновения неизвестных ранее массо-газообменных процессов в напряженных угленосных массивах, индуцированных нелинейными упругими волнами маятникового типа от крупных динамических событий (природно-техногенные землетрясения, горные удары; выбросы угля, газа, породы). Это позволяет впервые оценить обычно скрытую связь между выбросоопасностью и пожароопасностью отрабатываемых угольных месторождений и, соответственно, ее влияние на разработку профилактических мероприятий по борьбе с их возможными катастрофическими последствиями при добыче полезных ископаемых (угля и метана). Здесь особое внимание уделено верификации ранее введенных калибровочных коэффициентов оператора связи Ω (…) между физико-химическим уравнением Ленгмюра и кинематическим уравнением Опарина для волн маятникового типа, с учетом изменения их динамико-кинематических характеристик от энергии и расстояния до источников излучения. (3). Выполнено комплексное геомеханико-геофизическое исследование и установлены закономерности развития во времени механо-эрозионных процессов в бортах карьеров и окрестных зонах нелинейного их влияния в зависимости от горно-геологических, природно-климатических и геотехнологических условий открытой разработки угольных месторождений юга Западной Сибири с повышенным влиянием землетрясений и мощных технологических взрывов. С этой целью будет осуществлен в плановый период реализации настоящего проекта (2023-2025 гг.) комплексный мониторинг (с применением геомеханико-геофизических измерений, а также аэро-космических данных ДЗЗ) с количественной оценкой связи между сезонными изменениями деформационно-волновых процессов на обнажениях карьеров и угольных разрезов с окрестными зонами нелинейного их влияния, с учетом изменения структурно-прочностных свойств углепородных массивов. Методами физического моделирования будет установлено количественное влияние уровня бокового отпора на обнажениях очистных пространств (в условиях наличия сейсмического фона от внешних источников) на интенсивность развития дезинтеграционных процессов в окрестных зонах влияния карьеров и угольных разрезов при их отработке в конкретных горно-геологических и горно-технологических условиях освоения месторождений полезных ископаемых юга Западной Сибири. Большое внимание будет уделено изучению особенностей и количественным оценкам проявления «поршневого механизма» разрушительных воздействий нелинейных упругих волн маятникового типа от их источников в виде природно-техногенных землетрясений и мощных технологических взрывов в процессах ведении открытых горных работ. (4). Развиты экспериментально-теоретические основы описания и моделирования динамики газовыделения в угольных шахтах Кузбасса с целью повышения уровня безопасности ведения подземных горных работ по газовому фактору. Этот комплексный научно-геотехнологический результат основан на ожидаемом успешном развитии научно-методологической и геотехнологической основы для разработки новых технологий эффективного управления техногенными процессами выбросо- и пожароопасности при разработке углеметановых месторождений с применением новых знаний о закономерностях возникновения и протекания нелинейных массо-газообменных процессов в напряженных многофазных углепородных массивах горных пород, включая «поршневой механизм» действия нелинейных упругих волн маятникового действия от достаточно высокоэнергетических источников их излучения. Исследования и разработки по решению обозначенной задачи ориентированы в первую очередь, на практическую апробацию и использование разрабатываемой в рамках данного проекта Теории в актуальном для угольного Кузбасса аспекте: обосновании, выборе и разработки новых технологических схем экологически безопасной добычи метана из угольных пластов для подземных выработок в угольных шахтах на больших глубинах, оптимальных по факторам их энергоемкости, а также эффективности процессов дегазации и добычи метана. Обозначенный выше основной результат по решению Задачи (4), как ожидается, позволит в практическом его использовании обеспечения безопасного и энергоэффективного осуществления подземной добычи угля на шахтах Кузбасса: ● Научно обосновать и осуществить конструирование новых систем разработки, а также создать технологические схемы для реализации высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана на больших глубинах с максимальным коэффициентом использования выемочной техники и минимизацией затрат на подготовительные и дегазационные работы: разработать технические решения по созданию новых систем разработки и технологических схем высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана на больших глубинах; ● разработать новые предложения по оптимизации исследований технологий и технических средств эффективного извлечения метана угольных месторождений из горных выработок; ● разработать эскизный проект инновационной высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана при выемке угольных пластов Кузбасса на больших глубинах; ● разработать проекты инновационной высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана, с рекомендациями для разработки угольных пластов Кузбасса на больших глубинах и доказательствами их перспективности. Таким образом, в плане апробации и практической реализации разрабатываемой Теории по настоящему проекту ожидается, что будут разработаны новые предложения по оптимизации исследований технологий и технических средств эффективного извлечения метана угольных месторождений из горных выработок. Это позволит обосновать и апробировать новое технологические схемы экологически безопасной добычи метана угольных пластов из подземных выработок угольных шахт на больших глубинах, оптимальные по факторам энергоемкости и эффективности дегазации угольных пластов. Технологические схемы дегазации будут связаны с технологическими схемами получения электрической энергии на основе энергоэффективной промышленной технологии добычи метана угольных месторождений. Технологические схемы энергоэффективного и экологически безопасного воздействия на метаноносные угольные пласты позволят увеличить скорость десорбиции метана из угля и его газовую проницаемость. Новый технологические вариант экологически безопасной добычи метана угольных пластов из выработанных пространств и подработанных породоугольных массивов обеспечит снижение риска возникновения очагов эндогенных пожаров в зонах обрушения пород кровли (контроль ‒ с применением спутниковых методов ДЗЗ). Впервые будет также разработан эскизный проект инновационной высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана при выемке угольных пластов Кузбасса на больших глубинах. Информация о практической апробации на шахтах Кузбасса способов и устройств для измерения газовой проницаемости, оценке газоносности угольных пластов и скорости газовыделения из угля позволит расширить область внедрения разработанных геотехнологий. Созданная методика испытаний инновационной высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана при выемке угольных пластов Кузбасса на больших глубинах обеспечит практическую реализацию императива аэрологической безопасности. Типовые проекты инновационной высокопроизводительной геотехнологии подземной добычи угля и метана будут рекомендованы для разработки угольных пластов Кузбасса на больших глубинах и результаты. (5). Разработаны архитектура и геоинформационное обеспечение геопортала по геомеханико-геодинамическим, геоэкологическим и газодинамическим событиям на объектах крупномасштабного недропользования Сибири с применением современных облачных и Big Data информационных систем, а также аэрокосмических технологий дистанционного контроля состояния поверхности Земли. Для достижения этого результата осуществлен многофакторный анализ существующих методических подходов к сбору и предварительной обработки пространственно-временной крупномасштабной иерархичной по структуре и качеству информации по геодинамико-геомеханическим, газодинамическим, а также пожароопасным процессам в пределах Кузнецкого угольного бассейна с учетом Интернета вещей и новых средств аэрокосмических наблюдений за деформированием и ландшафтными изменениями поверхности Земли с целью выделения основных типов мультимодальностей. В рамках сформированного информационного геопортала с соответствующей ему архитектурой осуществлена успешная оценка возможностей применения цифровых двойников в реализованной системе крупномасштабного иерархического по объектам недропользования Сибири геомониторинга с применением основ и методов «геомеханической термодинамики» на нелинейных упругих волнах, а также эмиссионной геотомографии на этих волнах. При этом: созданы модели метаданных, хранилище геоданных, сервисов облачных вычислений для программно-аппаратного комплекса геопортала. Сформирована система программных интерфейсов для реализации вычислительных моделей по комплексной оценке состояния и динамики окружающей среды. Создан интерфейс к вычислительному комплексу для ресурсоемких этапов обработки интерферометрических и гиперспектральных данных дистанционного зондирования Земли, а также применительно к оценке деформаций и состояния окружающей среды. Осуществлено тестирование разработанной геоинформационной системы, по результатам которого произведена ее доводка на различных тематических выборках конкретных данных в промышленном регионе с интенсивными горными работами в Кузбассе, включая их пожароопасность. На этой основе приведено совершенствование данной системы с ориентацией на решение нового класса задач ‒ развития фенологических основ нелинейной геотомографии на маятниковых волнах, в том числе анализа крупномасштабных нелинейных деформационно-волновых процессов, индуцированных природно-техногенными землетрясениями и мощными технологическими взрывами на объектах недропользования Сибири, на примере Кузбасса, с позиций их количественного влияния путем анализа и обобщения экспериментальных данных в этот период, относящихся также к изучению особенностей протекания механо-эрозионных процессов в прибортовых зонах карьеров и их влияния на напряженно-деформированное состояние вмещающего массива и устойчивость обнажений. Особенностью использованного нового (энергетического) мониторингового подхода является учет совместного развития систем разноуровневых трещин путем регулярного дистанционного зондирования их полей различного иерархического уровня с соответствующей обработкой на основе науки данных (data science). Она применяет все современные технологии (включая глубокое обучение и средства ансамблирования), позволяющие многократно расширить набор параметров, связанных с геомеханическим поведением массива горных пород в процессах техногенного на них воздействия. Для этого, как ожидается, будут созданы и апробированы на реальных данных программные комплексы обработки и распознавания полей трещин, которые связаны с техногенным воздействием на горный массив. Для получения мультимодальной геоинформации будут использованы дроны, различные космические аппараты, так и средства эндоскопии, позволяющие распознавать и отслеживать динамику распространения трещин при горных работах на технологических уровнях. Будут также разработаны интегрированные методы обработки полей трещин, позволяющие получать принципиально новую информацию по геодинамике горного массива. Эти методы будут основываться как на эвристических алгоритмах, так и на методах искусственного интеллекта, с применением нейронных сетей глубокого обучения. Таким образом, основные ожидаемые результаты по реализации настоящего проекта, предлагаемые к практическому использованию, включают методологический подход и методы решения основного круга задач на базе механико-математического, физического моделирования сложных нелинейных деформационно-волновых и сопутствующих им эмиссионных (сейсмо-акустических, тепловых и иных) полей; натурные измерения динамико-кинематических характеристик волн маятникового типа от землетрясений и технологический взрывов на базовых для проекта объектах недропользования Сибири (Норильск, Кузбасс, Новосибирская область) и сопутствующих им газодинамических событий на угольных шахтах, механо-эрозионных процессов на угольных разрезах, с применение для комплексной обработки разномасштабной натурной (в том числе спутниковой ‒ ДЗЗ) информации, созданной и предполагаемой к дальнейшему совершенствованию информационный системы на базе облачных Big Data и других информационных технологий. В натурных экспериментах большая роль будет принадлежать новым методом сейсмо-деформационно-волнового контроля, с применением теории волн маятникового типа и основанной на них эмиссионной геотомографии для контроля нелинейных физико-химических массо-газообменных и сейсмоэмиссионных процессов, индуцированных крупными динамическими событиями (землетрясениями, взрывами и др.), а также тепловых ‒ от подземных пожаров. Здесь большая роль принадлежит разработке новых методов механико-математического моделирования в рамках разрабатываемых в проекте основ нелинейной геотомографии на маятниковых волнах с особым акцентом на ее «пассивном» (эмиссионном) варианте: с применением энерго-эмиссионных сейсмических и электромагнитных (в тепловом спектре) полей для выделения формирующихся областей концентрации напряжений и деформаций, а также очаговых зон подземных пожаров для крупномасштабных объектов недропользования Сибири. Большое внимание уделяется также геотехнологическому анализу: на базе разрабатываемых основных положений создаваемой по настоящему проекту Теории ‒ обосновать выбор оптимального направления безопасных и энергоэффективных геотехнологических решений и технических средств извлечения метана из угольных месторождений и горных выработок Кузнецкого угольного бассейна.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---