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 19-77-30008

НазваниеРазработка теоретических основ и практических методов интеллектуального мониторинга сложных горнотехнических объектов

РуководительБарях Александр Абрамович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, Пермский край

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (33).

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

Ключевые словаГорнотехнические системы, интеллектуальный мониторинг, гидромеханика, рудничная аэрология, теплофизика, геомеханика, рациональное природопользование, численное моделирование

Код ГРНТИ52.13.05

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Объектом исследования в проекте на протяжении четырёх лет были сложные горнотехнические системы, рассматриваемые совокупность горных объектов и конструкций, методов добычи во взаимодействии с вмещающими участками недр и окружающей средой. Процесс функционирования горнотехнических систем непосредственно связан с комплексом опасностей, выраженных в разрушении и критических режимах деформирования горнотехнических объектов, газодинамических явлениях, негативных экологических последствиях. В результате выполнения проекта сделан существенный шаг в разработке научных основ и практических методов обеспечения безопасности горнотехнических систем на основе методологии интеллектуального мониторинга. По итогам работы сформулирована концепция интеллектуального мониторинга, как взаимодействующего комплекса, состоящего из детализированной математической модели объекта, определяющей потенциально опасные участки, схемы расположения сенсоров, набор контролируемых параметров и системы измерения, позволяющей собирать, хранить и анализировать большие объёмы данных. В результате работы в рамках проекта разработан ряд механических, гидродинамических и термодинамических моделей поведения горнотехнических объектов и созданы действующие системы мониторинга в интересах основных Партнёров проекта – ООО «Научно-производственное объединение «АэроСфера», ПАО «УралКалий», ОАО "Беларуськалий". Реализация проекта полностью отвечает концепции развития ПФИЦ УрО РАН, ориентированной на создание эффективной научно-организационной структуры, стимулирующей проведение междисциплинарных исследований. На базе лаборатории Механики горных пород ГИ УрО РАН сформированы объединённые научные группы в области механики деформируемого твёрдого тела, аэрогазодинамики и геомеханики, что позволило разработать научные основы применения методов интеллектуального мониторинга горнотехнических и других инженерных объектов. Вместе с тем, практика реализации проекта выявила целый комплекс задач интеллектуального мониторинга, требующих решения. Это обусловлено сложностью самих горнотехнических систем, усложнением горно-геологических условий подземной разработки, увеличением глубины горных работ, а также необходимостью контроля негативного воздействия горных работ на подработанную территорию. К наиболее важным задачам следует отнести расширение методов мониторинга за счет применения технологий космической радарной съемки, оптоволоконной техники, новых инструментальных способов измерения напряжений и деформаций. В теоретическом аспекте значительное внимание будет уделено проблемам достоверной интерпретации результатов мониторинга, определению критических режимов деформирования и разрушения горнотехнических объектов. Другим направлением исследований, пробующим продолжения проекта, является расширение возможностей систем интеллектуального мониторинга за счёт использования методов искусственного интеллекта. Применение традиционных методов анализа не позволяет эффективно обрабатывать большие данные, структурировать их и извлекать из них полезную информацию. В связи с этим, одной из задач продолжения проекта будет разработка решений, основанных на автоматизированном анализе данных с использованием методов глубокого обучения, которые бы позволили предсказывать возникновение опасных ситуаций. При этом полностью сохраняется озвученная ранее целевая практическая направленность проекта: прогноз на основе системы интеллектуального мониторинга потенциально опасных горнотехнических ситуаций для принятия своевременных и оперативных инженерно-управленческих решений по предотвращению угрозы аварии и/ или минимизации их последствий. Установленные на первой стадии выполнения проекта партнерские отношения с промышленностью – ПАО «УралКалий», ООО «НПО «АэроСфера» - предполагается расширить за счет вовлечения в интересы проекта РНФ, МХК «Еврохим» и одной из крупнейших зарубежных калийных горнодобывающих компаний АО «Беларуськалий».

Ожидаемые результаты
Основной результат проекта, полученный за четыре года его выполнения, заключается в разработке концепции интеллектуального мониторинга и её реализации на реальных геотехнических объектов. В результате работы в рамках проекта разработан ряд механических, гидродинамических и термодинамических моделей поведения горнотехнических объектов и созданы действующие систем мониторинга системы мониторинга в интересах основных Партнёров проекта – ООО «Научно-производственное объединение «АэроСфера», ПАО «УралКалий», ОАО "Беларуськалий". В частности, разработана структурная схема мониторинга для типового пятиэтажного здания, деформационные процессы в котором в значительной степени обусловлены карстовыми явлениями, система мониторинга надшахтной конструкции Петриковского ГОК, системы контроля состояния ледопородных ограждений на строящихся шахтных стволах четырех рудников, разрабатывающих Старобинское и Верхнекамское месторождения калийных солей. Продление выполнения проекта позволит сохранить созданную в Пермском федеральном исследовательском центре УрО РАН междисциплинарную кооперацию и разработать качественно новые системы интеллектуального мониторинга дополненные системой искусственного интеллекта. К конкретным результатам выполнения продления проекта можно отнести. • Расширение системы интеллектуального мониторинга деформаций подработанных территорий с использованием спутниковой радарной интерферометрии в синтезе с сопроводительным математическим моделированием развития процесса сдвижения земной поверхности. • Построение уточнённой математической модели, описывающей деформационные процессы в тюбинговой крепи шахтного ствола, описывающей контактное взаимодействие тюбинговых сегментов, свинцовые прокладки между сегментами, болтовые соединения, податливость резьбового соединения в болтах. • Разработка интеллектуальной системы мониторинга с блоком искусственного интеллекта для анализа целостности чугунно-бетонная крепи шахтного ствола. • Разработка моделей "умных" крепёжных элементов, на основе пьезоэлектрических и волоконно-оптических датчиков . • Построение статистических моделей аэротермодинамических процессов, протекающих в рудничных вентиляционных сетях в условиях наличия переменных во времени стохастических факторов природного и техногенного характера. Развитие концепции интеллектуального управления проветриванием рудников. • Разработка и апробация методики определения реологического поведения соляных пород, в том числе с учётом влияния температуры, основанных на использовании волоконно-оптических датчиков. • Разработка и апробация методики исследования эволюции структуры соляных пород, в том числе с учётом влияния температуры, основанных на использовании методов микротомографии. • Рекомендации по использованию сплавов с эффектом памяти формы для демпфирования продольных динамических нагрузок туннельных и стволовых сооружениях. Научная значимость выполнения проекта. Проект направлен на развитие научных основ применения методов интеллектуального мониторинга, включая решение широкого круга смежных задач в области механики деформируемого твёрдого тела, аэрологии, термодинамики, математических методов обработки данных. В результате выполнения проекта будут разработаны новые, практически ориентированные модели механики, экспериментальные методы анализа деформационных и температурных полей, прототипы систем сбора, хранения, передачи и обработки данных мониторинга. Уровень научных школ, задействованных в проекте, позволяет утверждать о возможности получения новых научных результатов мирового уровня. Инновационная значимость выполнения проекта. В результате выполнения проекта будет разработан новый класс методов мониторинга текущего состояния горнотехнических объектов. Опыт выполнения проекта показал высокую востребованность таких систем в горнодобывающей промышленности и высокий потенциал их тиражирования. Одновременно в Пермском федеральном исследовательском центре УрО РАН будет продолжена работа уникального подразделения, включающего в себя специалистов в области геомеханики, аэрологии, вычислительной и экспериментальной механики, обладающих опытом и необходимым набором компетенций для быстрой разработки и развёртывания интеллектуальных систем мониторинга различной степени сложности. С точки зрения промышленности результаты выполнения продления проекта можно рассматривать как эффективный инструмент повышения конкурентоспособности промышленных партнёров проекта и эффективный механизм снижения эксплуатационных рисков, связанных с безопасностью разработки месторождений полезных ископаемых. Опыт четырёх лет успешного выполнения проекта позволяет утверждать о востребованности результатов и возможности их реального внедрения в горнодобывающей и сопутствующей горномашиностроительной промышленности. Социальная значимость выполнения проекта. Основными социальными задачами проекта является повышение безопасности и экономической эффективности горнодобывающей промышленности. Данные вопросы тесно связаны с вопросами предупреждению техногенных аварий, профессиональной безопасности и охраны здоровья, экологической безопасности. Продолжение выполнения проекта позволит снизить существующие риски в области управления безопасностью, минимизировать последствия аварий с учетом технических, человеческих, организационных и культурных аспектов; ускорить продвижение новых технологий и продуктов с одновременным анализом и устранением возможных рисков их внедрения и экономических затрат на обеспечение безопасности, как на объектах промышленных партнёров проекта, так и в целом в Российской Федерации. Выполнение проекта будет активно способствовать популяризации российской науки и повышения её международного авторитета. Для популяризации результатов проекта будет создан соответствующий раздел на сайте ПФИЦ УрО РАН. Участники проекта будут взаимодействовать с общественностью и специалистами посредством современных социальных сетей. Основные итоги проекта будут представлены на ведущих международных конференциях и в рамках ежегодной научной школы, организуемой на базе ПФИЦ УрО РАН, обобщены в научных статьях, которые будут представлены в ведущих международных журналах, в том числе поддерживающих режим открытого доступа.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчётный период все исследовательские группы выполнили запланированный объем работ. В соответствии с обоснованием необходимости продления проекта проведены исследования, направленные на расширение инструментария средств мониторинга как за счёт использования спутниковых методов контроля смещения земной поверхности (на основе данных спутников Sentinel-1), так и за счёт использования новых деформационных датчиков. За отчётный период разработана новая конструкция датчика контроля напряжений, действующих в междукамерных целиках и обоснована возможность использования для мониторинга горнотехнических объектов деформационных волоконно-оптических датчиков на брэгговских решётках и на основе обратного Рэлеевского рассеивания. Для построения детализированных цифровых двойников объектов контроля построены новые математические модели и предложены новые методы верификации геомеханических моделей деформирования и разрушения горных пород. Показана эффективность использования высокоразрешающей компьютерной томографии для анализа особенностей эволюции соляных пород в процессе механического деформирования. Построены детализированные цифровые двойники процессов деформирования шахтных стволов, описывающие процессы их строительства и эксплуатации. В частности, введён учёт контактного взаимодействия тюбинговых сегментов, свинцовых прокладок между сегментами, болтовых соединений, податливости резьбового соединения в болтах. Для управления микроклиматом реальных горнотехнических сооружений разработана и параметризована модель нестационарного сопряжённого тепломассопереноса в шахтном воздухе и окружающем породном массиве при наличии распределённых источников тепла, С использованием модели получены оптимальные условия достижения минимальной температуры воздуха в лаве путём эффективного перераспределения потоков воздуха между транспортным и конвейерным штреками при наличии распределённых источников тепла. В рамках выполнения проекта организовано интенсивное взаимодействие четырёх исследовательских групп и гармонично взаимоувязаны результаты фундаментальных, ориентированных фундаментальных и прикладных исследований. Взаимный обмен информацией, комбинирование различных научно-методических подходов и совместное использование научного оборудования позволило получить новые научные результаты в области интеллектуального мониторинга и обеспечения безопасности горнотехнических объектов. Например, результаты исследования группы ИГ1 в области томографии солей будут активно использоваться группой ИГ2 для развития моделей деформирования и разрушения горных пород, учитывающих эволюцию структуры материала. Результаты моделирования шахтных стволов, полученные ИГ1, уточняются моделями процессов взаимодействия тюбингов и деформирования болтовых соединений, предложенными группой ИГ4. Совместное использование деформационных моделей, разработанных группами ИГ1 и ИГ3 в сочетании с термодинамической моделью, разработанной ИГ3 позволяет учесть тепломассобмен в внутри и снаружи шахтного ствола и уточнить начальные и граничные условия для моделирования эволюции напряжённо-деформированного состояния. Совокупность результатов групп ИГ2 и ИГ4 позволяет предложить развитие инструментальной базы мониторинга за счёт использования новых тензометрических и оптоволоконных датчиков. Среди наиболее значимых результатов работы за 2023 можно выделить. Построена термомеханическая модель деформирования и повреждения бетонной крепи шахтного ствола с учётом влияния чугунного тюбинга и окружающего породного массива в условиях большого градиента температуры. Проведено моделирование процесса формирования напряженно-деформированного состояния тюбинговой крепи на стадиях установки, бетонирования и тампонирования затюбингового пространства с учётом онтактного взаимодействия тюбинговых сегментов, свинцовых прокладок между сегментами, болтовых соединений, податливости резьбового соединения в болтах. Показано, что смещения земной поверхности на территории Старобинского месторождения устойчиво фиксируются по снимкам спутников Sentinel-1. Наиболее уверенно смещения определяются в весенний и осенний периоды, т.е. при отсутствии снежного или растительного покрова на сельскохозяйственных угодьях. При выполнении мониторинга всей территории месторождения, для оценки суммарного оседания в каждой из многочисленных мульд сдвижения за сезонный период времени можно ограничиться спутниковыми данными с одной орбиты. Показана возможность использования результатов геомеханического моделирования совместно с данными системного площадного радарного мониторинга для практического применения при анализе и прогнозе развития процесса сдвижения земной поверхности и изменения напряженно-деформированного состояния подработанного массива при слоевой выемке сильвинитовых пластов длинными очистными забоями. Проведены экспериментальные исследования временной динамики микроклиматических параметров рудничного воздуха в протяженных рабочих зонах (лавах) калийных рудников и выявлены основные закономерности изменения этих параметров в условиях действия распределенных нестационарных источников теплоты. Разработана и параметризована модель нестационарного сопряжённого тепломассопереноса в шахтном воздухе и окружающем породном массиве, впервые учитывающая протяжённость и нестационарный характер работы тепловыделяющего оборудования, а также перемещение работника в течение рабочей смены. Получена формула для расчёта количество воздуха, необходимого для проветривания призабойного пространства горных выработок по фактору «температура воздуха» из условия ассимиляции тепла, выделяющегося от электрооборудования. Предложена схема эксперимента с использованием волоконно-оптических датчиков на брэгговских решётках по определению модулей упругости и коэффициентов Пуассона разномодульных материалов на основе результатов измерения деформаций прямоугольных образцов при четырёхточечном изгибе. Показана предпочтительность использования для измерений распределённых волоконно-оптических датчиков деформаций. Продемонстрирована возможность регистрации неоднородности в соединении на основе результатов измерения деформаций распределёнными волоконно-оптическими датчиками деформаций на основе обратного Рэлеевского рассеивания в прокладке между двумя скреплёнными болтами кольцевыми элементами.

 

Публикации

1. Бабаянц И.П., Барях А.А., Михайлов В.О., Тимошкина Е.П., Волкова М.С., Хайретдинов С.А. Monitoring of Subsidence in Berezniki City (Perm Krai) by SAR Interferometry. Method of Persistent Scatterers Izvestiya, Physics of the Solid Earth, Vol. 59, No. 6, P. 1066-1078 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1069351323060034

2. Бабаянц И.П., Михайлов В.О., Тимошкина Е.П., Барях А.А. Соотношение глубины и геометрии мульды сдвижения, определяемых по спутниковым радарным снимкам с одной или двух орбит ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, Т. 24, № 4, С. 28-42 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21455/gr2023.4-2

3. Барях А.А., Девятков С.Ю., Денкевич Э.Т., Михайлов В.О., Тимошкина Е.П. Геомеханическое сопровождение спутникового радарного мониторинга оседаний подработанных территорий Горный журнал, №8, С. 40-49 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31897/PMI.2023.11

4. Барях А.А., Ломакин И.С., Самоделкина Н.А., Тенисон Л.О. Оценка степени нагружения междукамерных целиков при отработке двух пластов на Верхнекамском месторождении солей Горный информационно-аналитический бюллетень, № 1, С. 5-19 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_1_0_5

5. Бублик С.А., Семин М.А. Анализ подходов к расчету фильтрационных течений подземных вод при моделировании формирования ледопородных ограждений Вычислительная механика сплошных сред, Т. 16, № 1, С. 46-60 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.1.4

6. Головатый И.И., Левин Л.Ю., Семин М.А., Пугин А.В. Реализация принципов замораживания «по требованию» при строительстве стволов Дарасинского рудника Горный журнал, №8, С.34-39 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.08.05

7. Зайцев А.В., Левин Л.Ю., Паршаков О.С. Особенности проектирования вентиляции и кондиционирования воздуха глубоких рудников Горный журнал, №11, С. 57-63 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.11.09

8. Ольховский Д.В.,Паршаков О.С., Бублик С.А. Исследование динамики газовой обстановки подземных выработок после проведения взрывных работ Mining Science and Technology (Russia), Т. 8, №1, С. 47–58 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-08-86

9. Пантелеев И.А. Окунев В.И., Новиков В.А. Синхронизация мультифрактальных свойств непрерывной акустической эмиссии при подготовке и реализации подвижки по модельному разлому Геосистемы переходных зон, - (год публикации - 2023)

10. Пантелеев И.А., Борняков С.А., Вшивков А.Н., Каримова А.А. Экспериментальное исследование особенностей подготовки и реализации подвижки по модельному разлому в упруговязкопластической модели литосферы Динамические процессы в геосферах, Т. 15, № 3, С. 23–37 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26006/29490995_2023_15_3_23

11. Попов М.Д., Гришин Е.Л., Жихарев С.Я., Шалимов А.В. Оценка рисков последовательного проветривания при вскрытии месторождения наклонными съездами Горный журнал, №11, С. 49-56 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17580/gzh.2023.11.08