КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-11-01204

НазваниеСтруктурно-энергетические модели деформирования и разрушения природных и искусственных материалов в условиях Арктических температур

РуководительПлехов Олег Анатольевич, Доктор физико-математических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2019  , продлен на 2020 - 2021. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-305 - Разрушение деформируемых тел, кинетика и динамика

Ключевые словасвязанные задачи механики сплошных сред, фильтрация флюида, мерзлые грунты, задача Стефана, критерии прочности и пластичности, численное моделирование, мониторинг геотехнических сооружений

Код ГРНТИ30.19.31


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Области вечной мерзлоты занимают около 25% поверхности суши Северного полушария, и более 60% этих областей приходится на территорию, принадлежащую Российской Федерации. Процессы потепления, ведущие к таянию и деградации вечной мерзлоты, наблюдаемые в последние десятилетия, по-видимому, и далее будут ускоряться в результате изменения климата. Это существенно повышает актуальность разработки как механических моделей поведения (определяющих соотношений) флюидонасышенных гетерогенных материалов при низких температурах, так и связанных задач, описывающих процессы фильтрации и фазовых переходов, происходящие в многокомпонентной системе «грунт-вода-лёд-газ». Наряду с необходимостью учёта геофизических опасностей, связанных с использованием мерзлых грунтов (например, при возведении хвостохранилищ), в процессе приполярного строительства возникает необходимость проектирования и прогнозирования процессов взаимодействия инженерных сооружений с твёрдомерзлыми или пластичномёрзлыми грунтами. Одновременно процессы замораживания и оттаивания грунтов активно используются при строительстве в условиях умеренного климата. Например, при проведении вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях. Создание адекватных виртуальных моделей процессов эволюции структуры, деформирования и разрушения флюидонасыщенных грунтов, взаимодействующих с инженерными конструкциями, позволит снизить риски для инфраструктуры и окружающей среды, связанные с изменением климата в районах вечной мерзлоты и/или существенными сезонными процессами промерзания-оттаивания. Современный уровень развития вычислительной механики сплошных сред, теории прочности гетерогенных сред, физики фазовых переходов, геокриологии и методов экспериментальной механики позволяет существенно продвинуться в детализации виртуальных моделей многофазной среды «грунт-вода-лед-газ» и разработать как инновационные методы сопровождения и контроля реальных объектов в процессе строительства и эксплуатации, так и создать необходимое программное обеспечение для мониторинга и прогнозирования последствий тех или иных механических воздействий на контролируемые объекты. В проекте будут поставлены и решены ряд связанных задач механики сплошных сред, описывающие процессы фильтрации, фазовых переходов, деформирования и разрушения флюидонасыщенных грунтов при механических и термических воздействиях. Основываясь на предыдущем опыте участников проекта, основное внимание будет уделено разработке определяющих соотношений флюидонасыщенных гетерогенных материалов и расчёту процессов деформирования и разрушения замороженных грунтов. Принимая во внимание междисциплинарный характер проблемы и определяющее влияние условий формирования (процессов фильтрации, фазовых переходов и т.д.) на физико-механические свойства исследуемых объектов в проекте предусмотрено решение широкого комплекса связанных задач механики сплошных сред и горной механики с привлечением в исследовательский коллектив соответствующих специалистов. В проекте планируется создание трёх взаимодействующих групп (РГ1-группа механики сплошных сред, РГ2- группа механики деформируемого твёрдого тела, РГ3-группа управления и прикладных исследований), специализирующихся на решении различных задачах. Участники проекта являются сотрудниками двух академических институтов: Института механики сплошных сред УрО РАН (ИМСС УрО РАН) и Горного института УрО РАН (ГИ УрО РАН), имеющих значительный опыт как в построении механических моделей поведения сплошных сред, так и в проведении прикладных исследований в области горной механики.

Ожидаемые результаты
Будут проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов теплопроводности, фильтрации, фазовых переходов, эволюции напряжённо-деформированного состояния и разрушения грунтов, содержащих замороженные флюиды и их влияние на текстуру и механические свойства в мерзлом состоянии. Будут разработаны новые модели механического поведения гетерогенных сред, расчетно-экспериментальные методики формирования и обеспечения заданной прочности областей замороженного грунта, которые найдут применение при проектировании и мониторинге реальных промышленных объектов, подверженных процессам заморозки и оттаивания. Будут разработаны инновационные методы мониторинга текущего температурного состояния реальных промышленных объектов (на примере создания ледопородных ограждений при проведении вертикальных шахтных стволов в сложных гидрогеологических условиях). В результате выполнения проекта будет улучшено понимание процессов происходящих во флюидонасышенных грунтах, построены уточнённые механические модели (определяющие соотношения), позволяющие снизить риск возникновения катастрофических явлений, связанных с процессами взаимодействия в системах грунт-инженерная конструкция, что в конечном итоге приведёт к повышению экономической эффективности освоения районов крайнего сервера, повышению устойчивости инфраструктуры в условиях её эксплуатации при низких атмосферных температурах и комплексному обеспечению безопасности жизнедеятельности в северных регионах страны. Социальная значимость выполнения проекта. В результате глобального потепления, Арктика постепенно становится более доступной для жизнедеятельности человека, в результате чего появляются новые возможности для ведения бизнеса и крупных инвестиций. В частности, добыча нефти, газа и других полезных ископаемых в северных областях растет очень быстрыми темпами. Это требует развития новой инфраструктуры, что в свою очередь приводит к дополнительным экономическим затратам. Ускоренное экономическое развитие регионов крайнего севера позволяет существенно улучшить социальное и экономическое положение коренных народов. Однако, требует повышенного внимания к экологическим последствиям экономической деятельности с целью сохранения уязвимых экосистем, обеспечивающих традиционные виды деятельности коренных народов крайнего севера регионов (охоту, и выпас скота). В рамках этого проекта планируется в течение 3-5 лет создать эффективный инструмент для решения проблем безопасной эксплуатации шахт, плотин и сопутствующей инфраструктуры в условиях низких температур. Научная значимость выполнения проекта. Проект направлен на разработку моделей образования, деформирования и разрушения мерзлых грунтов. Проект предполагает активный обмен информаций и результатами с традиционными зарубежными партнёрами, что должно в среднесрочной перспективе ( через 5-10 лет) предложить эффективные определяющие соотношения и численные алгоритмы для анализа поведения различных инженерных сооружений в широком диапазоне интенсивностей нагружения. Инновационная значимость выполнения проекта. Результаты исследования в перспективе 3-5 лет будут востребованы в горнодобывающей промышленности и смежных отраслях. Результаты проекта позволят эффективно реализовывать передовые инженерные решения в ситуациях, связанных, с мониторингом и прогнозированием поведения мерзлого грунта и геологических материалов в арктических регионах. Для популяризации результатов проекта будут созданы соответствующие разделы на сайтах институтов - участников проекта. Участники проекта будут взаимодействовать с общественностью и специалистами посредством современных социальных сетей. Информация о результатах проекта будет распространяться через LinkedIn, ResearchGate. Основные итоги проекта будут представлены на ведущих международных конференциях - таких, как Европейская (ECF) и Международная (ICF) Конференцияи по механике разрушения, обобщены в технических статьях, которые будут представлены в ведущих международных журналах. Будут подготовлены публикации в рецензируемых журналах, поддерживающих режим открытого доступа (open access) для увеличения количества скачиваний/просмотров и цитирований.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В течение первого года выполнения проекта созданы три взаимодействующие рабочие группы под руководством Пантелеева И.А. (Группа механики сплошных сред, (РГ1)), Плехова О.А. (Группа механики деформируемого твёрдого тела, (РГ2)), Левина Л.Ю. (Группа управления и прикладных исследований (РГ3)). Организована работа в группах и проведение общего научного семинара для обсуждения текущего состояния работ. По итогам первого года работы получены следующие результаты. Подготовлен обзор по современному состоянию исследований в области численного моделирования процессов теплопроводности и фазовых переходов в гетерогенных средах, применительно к системам «грунт-вода», описанию эволюции напряжённо-деформируемого состояния и разрушения конструкций, взаимодействующих с замороженным грунтом, использованию технологий замораживая грунта в горнодобывающей промышленности и обеспечению безопасного функционирования объектов инфраструктуры в районах с суровыми климатическими условиями. В результате была подтверждена правильность выбранного направления исследований как в области практической реализации оптоволоконной системы мониторинга температуры, реализующей принцип мультиплексирования и позволяющей проводить одновременное измерение температуры на большом массиве точек разнесённых в пространстве, так и в области теоретических исследований, направленных на построение трёхмерной модели объекта, учитывающей процессы тепломассопереноса, фазовых превращений, изменения напряженно-деформированного состояния пористой среды. В результате заложены основы для практической разработки системы интеллектуального мониторинга крупномасштабных горнотехнических объектов, реализующей инновационные методы сбора и обработки данных, в том числе их сопоставления с виртуальной моделью объекта, позволяющий трактовать полученные результаты измерения и прогнозировать эффект различных управляющих воздействий. В теоретической части проекта реализована трехмерная модель слоистой горной среды. Основными допущениями модели на данном этапе работ является использование закона фильтрации Дарси, полное превращение воды в лед в замороженной области и упрощённая модель поведения сплошной среды. На данном этапе предполагается, что слоистая пористая среда представляет собой трехфазный материал, состоящий из сухого скелета, жидкости и льда, полностью заполняющих поровое пространство. В начальной конфигурации пористая среда полностью заполнена водой, в результате фазового перехода вся жидкость превращается в лед, а сухой скелет остается неизменным при фазовых превращениях. Реализованная модель ограничивается линейной изотропной теорией термопороупругости, в рамках которой предполагается, что среда испытывает малые деформации, а изменения плотности и пористости в каждой из фаз малы по сравнению с отсчетной конфигурацией. Жидкость в пористой среде принимается слабо сжимаемой. Связанная постановка задачи включает в себя уравнение теплопроводности, закон Фурье, уравнение равновесия, определяющее соотношение для описания механического поведения пористой среды, геометрическое соотношение для определения линейного тензора полной деформации, уравнение неразрывности, закон Дарси. По результатам проведённых обзоров определены направления работы по совершенствованию виртуальной модели формирования ледопородного ограждения. В частности, показано, что наиболее эффективными моделями для учета остаточной влажности являются модели, основанные на концепции критического состояния. Однако, как показывают экспериментальные исследования, при температуре замораживания ниже -15 градусов Цельция, количество остаточной влаги в грунте близко к нулю. Вследствие этого, наиболее оптимальными моделями для расчета напряженно-деформированного состояния и описания процесса разрушения замороженного грунта, являются классические модели идеальной пластичности. Еще одним аргументом в пользу моделей данного класса является относительная простота экспериментального определения материальных параметров для грунта любого типа. Сделан вывод о перспективности применения ТКД для определения предельный несущей способности областей с концентраторами напряжений и необходимости дальнейшего экспериментального исследования для верификации констант и валидации моделей других горных пород. Констатировано отсутствие единого мнения о характере процессов, происходящих при замораживании грунта, особенно в зоне фазового перехода, в которой наблюдается одновременное сосуществование льда и воды при температурах от 0 до -0.6 градусов Цельсия. Недостаток экспериментальной информации о фундаментальных закономерностях процесса фазового перехода в пористых средах приводит к большому числу различных моделей и теорий образования льда. Сформулирована программа экспериментальных исследований, включающая: - анализ особенностей потока жидкости в области переходной зоны, определения параметров зависимости потока жидкости от градиента давления и температуры; - проверку справедливости гипотезы фазового равновесия, выражаемой обобщённым уравнением Клаузиуса-Клайперона, определения условий требующих перехода к неравновесным моделям в области фазового перехода; - определение степени влияния капиллярных эффектов и процессов взаимодействия воды и твёрдого скелета; - исследование условий образования льда и характер его взаимодействия с матрицей при различных режимах замораживания. В 2017 году развернута трёхмерная высоко детализированная модель ЛПО в слоистой горной среде на вычислительном кластере "Тритон" (384 процессорных ядер (48 узлов * 2 процессора * 4 ядра), (https://it.icmm.ru/oborudovanie/6-vychislitelnyj-resurs) и оборудованы два рабочих места для подготовки входной информации, обработки и визуализации видеоинформации, решения тестовых задач и отладки алгоритмов. На основе численного решения задачи нестационарной теплопроводности с учетом фазового перехода в слоистом обводненном массиве горных пород получены данные о динамике формирования ледопородного ограждения как в приближении строго вертикальных скважин, так и с учетом отклонения замораживающих скважин от вертикали. На базе полученного решения проведен анализ влияния на толщину сформированного ЛПО типа граничного условия, задаваемого на наружных стенках замораживающих скважин и учета нормальных тепловых потоков через границы слоев, анализ влияния инклинометрии скважин на характер формирования ЛПО. В двумерной постановке проведено исследование влияния термогравитационной конвекции на процесс формирования ледопородного ограждения. Проведено исследование характера влияния постоянных течений в водоносных горизонтах на скорость формирования ледопородного ограждения. Исследована значимость вариаций теплофизических свойств породы, вызванных принятой схемой усреднения. Проведен анализ аналитических и приближённых решений задачи Стефана. Показана возможность эффективного использования автомодельных решений для определения положения фронта фазового перехода в двух и трёхкомпонентных системах на полубесконечных областях. При анализе решения в ограниченной области, включающей несколько замораживающих скважин, было получено аналитическое решение задачи с помощью суперпозиции комплексных потенциалов источников. Предложен подход к исследованию процесса формирования ледопородного ограждения на основе решения двумерной коэффициентной обратной задачи Стефана. Разработаны два алгоритма определения объемной теплоемкости для замороженной и талой зон по данным изменения температуры от времени в ограниченном числе внутренних точек расчетной области. Первый алгоритм основан на методе сопряженных градиентов, второй – на методе наискорейшего спуска с использованием численного или аналитического решения, полученного на основе метода суперпозиции комплексных потенциалов источников. Эффективность разработанных алгоритмов была проиллюстрирована путем решения модельных примеров, заключающихся в определении неизвестной объемной теплоемкости, для одной или обеих зон. Предложено развитие концепции структурно-скейлинговых переходов в ансамбле дефектов структуры материала для моделирования процессов разрушения (Наймарк, 2004) на геологическом масштабе. Предложенная процедура введения параметров, описывающих процесс взаимодействия дефектов (включений), имеющих объёмную и сдвиговые моды, позволят естественным образом ввести единственный безразмерный параметр, определяемый отношением двух характерных масштабов: среднего размера дефектов и среднего расстояния между ними. Данный параметр является единственным параметром, определяющим особенности поведения системы в процессе разрушения, его структура позволяет высказать гипотезу “статистической автомодельности” – существование единого сценария развития несплошностей в среде на широком спектре пространственных масштабов от лабораторного до геологического. В результате можно утверждать, что предложенная микроструктурная модель согласуется с гипотезой о единстве природы развития несплошностей на широком спектре пространственных масштабов, высказанной во второй половине прошлого века М.В. Гзовским (1975) и многократно подтвержденной как в лабораторных экспериментах, так и в полевых наблюдениях. Микроструктурная модель, дополненная соотношениями для описания эффекта нелокальности в ансамбле дефектов, позволяет описать завершающую стадии формирования источника разрушения горного массива. Учет эволюции дефектной структуры среды позволил провести моделирование ряда эффектов в горных средах, Например, распространение “медленных” волн – возмущений поля напряжения и плотности дефектов, распространяющихся со скоростью намного меньшей характерной скорости звука в среде. По результатам работы подготовлен научно-технический отчёт, и опубликованы 6 статей в научной периодической печати (количество публикаций в течение 2017 года соответствует параметрам, заявленным в соглашении). В соответствие с заявкой на сайте Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук создан раздел, посвящённый ходу выполнения проекта (https://www.icmm.ru/nauka/programmi-i-granti/710-strukturno-energeticheskie-modeli-deformirovaniya), информация о проекте размещена в научной социальной сети ResearchGate (ttps://www.researchgate.net/project/Structural-energy-models-for-modeling-of-deformation-and-failure-processes-in-natural-and-artificial-materials-exposed-to-Arctic-temperatures), для популяризации результатов среди общественности создана страница в Twitter (https://twitter.com/17_11_01204).

 

Публикации

1. Желнин М.С., Плехов О.А., Семин М.А., Левин Л.Ю. Численное решения обратной задачи определения объемной теплоемкости породного массива в процессе искусственного замораживания Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, - (год публикации - 2017).

2. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С. Математическое прогнозирование толщины ледопородного ограждения при проходке стволов Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №5, С.154-161 (год публикации - 2017).

3. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С., Колесов Е.В. Метод решения обратной задачи Cтефана для контроля состояния ледопородного ограждения при проходке шахтных стволов Вестник Пнипу. Геология. Нефтегазовое и Горное Дело, Т.16, №.3, С. 255-267 (год публикации - 2017).

4. Пантелеев И.А., Костина А.А., Желнин М.С., Плехов О.А., Левин Л.Ю. Intellectual monitoring of artificial ground freezing in the fluid-saturated rock mass Procedia Structural Integrity, Том: 5 Стр.: 492-499 (год публикации - 2017).

5. Пантелеев И.А., Костина А.А., Плехов О.А, Левин Л.Ю. Numerical simulation of artificial ground freezing in a fluid-saturated rock mass with account for filtration and mechanical processes SCIENCES IN COLD AND ARID REGIONS, Том: 9 Выпуск: 4 Стр.: 363-377 (год публикации - 2017).

6. Плехов О.А., Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю. Theoretical and Experimental Analysis of the Energy Dissipation at Fatigue Crack Tip Under Cyclic Loading with Constant Stress Intensity Factor Proceedings of the 17th International Conference on New Trends in Fatigue and Fracture, C. 1-6 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Разработан расчётный модуль для исследования процесса формирования ЛПО в слоистом обводненном массиве горных пород с учетом различных геологических, гидрогеологических и технологических условий. С использованием модуля проведен анализ влияния разности телофизических и механических свойств соседних слоев на уровень максимальных напряжений в системе «породный массив – обсадная колонна» для условий реального месторождения калийных солей (первого и второго ствола Петриковского ГОК). Проанализировано влияние скорости изменения температуры (при заморозке и оттаивании) обсадной колонны на уровень максимальных напряжений в системе «породный массив – обсадная колонна». Построены алгоритмы решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности в двухмерной области с целью оптимизации закона изменения температуры стенки замораживающей скважины, обеспечивающей формирование ЛПО заданной толщины за заданное время, и оттаивание ЛПО заданной толщины за заданное время с учетом ограничений на уровень максимальных напряжений (деформаций). Поставлены и решены оптимизационные задачи по расположению замораживающих колонок и гидронаблюдательных скважин, определены режимы, обеспечивающие условия безаварийной работы системы, режимы экономически оптимального выхода на заданную толщину ограждения за заданное время и поддержания заданной толщины ограждения. Построена точная и упрощённая виртуальная модель первого и второго шахтного ствола Петриковского ГОК (Белоруссия). Полная модель включает 30 грунтовых слоёв с различными физико-механическими свойствами, полученными по результатам геологоразведочных работ и лабораторных испытаний. Модель фазового перехода включает в себя два варианта: двухфазную модификацию (вода-лед) и трёхфазную модификацию (с учётом неравновесноной концентрации незамороженной влаги)). В модели учтена инклинометрия замораживающих и гидронаблюдательных скважин, особенности работы замораживающей станции (расход, мощность, температура, особенности подачи хладогента). Модель позволяет проводить расчёт процесса образования ледопородного ограждения (толщину, температуру) и в выделенных областях проводить уточнённый расчёт напряженно-деформированного состояния грунта и процесса его взаимодействия с замораживающими колонками. Упрощённая модель включает 14 укрупнённых слоёв грунта и алгоритмы взаимодействия с наблюдательной системой мониторинга температуры. В результате на базе упрощённой модели создан прототип интеллектуальной системы мониторинга, включающей в себя систему измерения и модель процесса. Параметры модели могут подстраиваться в процессе мониторинга по данным гидронаблюдательных скважин и контрольных термоизмерительных скважин с помощью разработанного комплекса алгоритмов решения коэффициентных обратных задач. Проведено моделирование процесса роста ледопродного ограждения первого и второго ствола Петриковского ГОК, получено удовлетворительное совпадение расчётных результатов и результатов натурных измерений температуры. Проведено моделирование процесса проходки и анализ влияние разгрузки, вызванной выемкой породы внутри ледопородного ограждения. В результате определены области применимости стандартных инженерных соотношений (Вялова, Домке, Ламе-Гадолина) для расчёта толщины ледопородного ограждения Показано, что формула Вялова для всех рассмотренных пород имеет коэффициент запаса, равный двум для всех толщин ЛПО менее 11 метров. Предложены две модификации формулы Вялова для расчета проектной толщины ледопородного ограждения. 2. Сделан вывод о перспективности использования датчиков на основе Рамановского рассеяния для мониторинга больших горнотехнических систем. Разработан прототип системы мониторинга на основе оптоволоконных датчиков измерения температуры. Разработана блок схема и программное обеспечение для автоматизированного сбора данных в многоканальной системе измерения температуры. Разработанный прототип обеспечивает: пространственное размещение не хуже 25 см, число точек контроля 10 000 шт, точность измерения 0,1 °С, амплитудно-частотная характеристика от 40 до 30 кГц, количество измерительных каналов 4, период автоматического измерения по всем каналам от 1 минуты до 4 часов.

 

Публикации

1. Головатый И.И., Левин Л.Ю., Паршаков О.С., Диулин Д.А. Оптимизация процессов формирования ледопородного ограждения при сооружении шахтных стволов Горный журнал, №8, С. 48-53 (год публикации - 2018).

2. Желнин М., Изюмова А., Вшивков А., Плехов О. Experimental study of an effect of plastic deformation on thermal properties of stainless steel Quantitative InfraRed Thermography Journal, - (год публикации - 2018).

3. Костина А., Желнин М., Плехов О., Пантелеев И., Левин Л. Creep behavior of an ice-soil retaining structure during a shaft sinking Procedia Structural Integrity, - (год публикации - 2018).

4. Левин Л.Ю., Семин М.А., Богдан С.И., Зайцев А.В. Решение обратной задачи Стефана при анализе замораживания грунтовых вод в породном массиве Инженерно-физический журнал, Т. 91, №3, С. 655-663 (год публикации - 2018).

5. Левин Л.Ю., Семин М.А., Плехов О.А. Сравнительный анализ существующих методов расчета толщины ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура, - (год публикации - 2018).

6. Пантелеев И., Костина А., Желнин М., Плехов О., Левин Л. Numerical model of fluid-saturated rock mass with phase transitions as a theoretical basis for artificial ground freezing control system Geomechanics and Geodynamics of Rock Masses: Proceedings of the 2018 European Rock Mechanics Symposium, V. 1 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Создан прототип системы мониторинга процесса формирования ледопородного ограждения на основе применения оптоволоконных датчиков температуры, использующих эффект Рамана. Проведены реальные измерения на трёх линиях длиной 250 метров при строительстве первого и второго шахтного ствола Петриковского ГОК. В рамках системы проведён удалённый анализ температуры, оценка напряжённо-деформированного состояния ледопородного ограждения и замораживающих колонок с учетом процессов замораживания и оттаивания. Разработаны алгоритмы для удалённого доступа и визуализации результатов мониторинга и моделирования. Протестирован режим управления системой на расстоянии Солигорск (Белоруссия) – Пермь (Россия). На заключительном этапе работ система дополнена оригинальными датчиками для контроля состояния грунта за крепью шахтного ствола, длиной до двух метров с разрешением 5 см по длине и чувствительностью 0,1 ⁰С. Разработаны методики дополнительных визуальных и инфракрасных замеров поверхности передового бетона с использованием тепловизора FLIR SC660 и инфракрасного термометра Fluke 568. Разработаны методики и математические алгоритмы на основе фильтра Калмана для обработки данных инфракрасного сканирования при поиске затюбинговых дефектов. Система контроля состояния ледопородного ограждения включает в себя математическую модель поведения объекта контроля. Определяющие соотношения в пороупругой и упруго-пластической постановке верифицированы для литологических разностей Петриковского ГОК с использованием оригинальных экспериментальных данных и данных ОАО «Беларуськалий». Модели первого и второго шахтного ствола Петриковского ГОК включают данные об инклинометрии скважин и гидрогеологических особенностях месторождения. Разработан подход для анализа мгновенных и временных свойств замороженных грунтов в слоистой системе. На основе этого блока проведён анализ основных инженерных расчётных соотношений для проектирования ледопородного ограждения. В результате определены области применимости соотношений для основных горных пород Петриковского ГОК, предложены уточнения соотношений и определены коэффициенты запаса для различных материалов и глубин. Проведён анализ подходов к исследованию и моделированию циклического и динамического деформирования замороженных грунтов. Сформулирована задача о деформировании ледопородного ограждения при проведении буровзрывных работ.

 

Публикации

1. Ведерникова А.И., Костина А.А., Плехов О.А., Брагов А.М. On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory Theoretical and Applied Fracture Mechanics, V.103, UNSP 102280 (год публикации - 2019).

2. Вшивков А.Н., Изюмова А.Ю., Захаров А.П., Шлянников В.Н., Плехов О.А. The experimental and theoretical study of heat dissipation at fatigue crack tip under biaxial loading Theoretical and Applied Fracture Mechanics, V.103, 102308 (год публикации - 2019).

3. Желнин М.С., Костина А.А., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of soil stability during artificial freezing Procedia Structural Integrity, V.17, P.316-323 (год публикации - 2019).

4. Желнин М.С., Костина А.А., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical analysis of application limits of Vyalov’s formula for an ice-soil wall thickness Frattura ed Integrita Strutturale, V.13(49), P.156-166 (год публикации - 2019).

5. Желнин М.С., Плехов О.А., Левин Л.Ю. Оптимизация пассивного режима искусственного замораживания водонасыщенного породного массива Инженерно-физический журнал, - (год публикации - 2020).

6. Костина А.А., Желнин М.С., Плехов О.А., Пантелеев И.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of freezing pipe deformation during artificial ground freezing Procedia Structural Integrity, V.18., P.293-300 (год публикации - 2019).

7. Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. Adjustment of thermophysical rock mass properties in modeling frozen wall formation in mine shafts under construction Journal of Mining Science, V.55, I.1, P.157-168 (год публикации - 2019).

8. Левин Л.Ю., Семин М.А., Зайцев А.В. Калибровка теплофизических свойств породного массива при моделировании формирования ледопородного ограждения строящихся шахтных стволов Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, №1., С.172-184 (год публикации - 2019).

9. Левин Л.Ю., Семин М.А., Паршаков О.С. Improving methods of frozen wall state prediction for mine shafts under construction using distributed temperature measurements in test wells Journal of Mining Institute., T.237, P.268-274 (год публикации - 2019).

10. Паршаков О.С. Обзор аварийных ситуаций при строительстве шахтных стволов специальным способом искусственного замораживания горных пород Горное эхо, №2, С.89-92 (год публикации - 2019).

11. Прохоров А.Е., Плехов О.А. Разработка системы мониторинга нестационарных температур и деформаций во влагонасыщенном грунте в условиях фазового перехода на базе оптоволоконных датчиков Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика., №1, С.129-137 (год публикации - 2019).

12. Семин М.А., Левин Л.Ю. Numerical simulation of frozen wall formation in water-saturated rock mass by solving the Darcy-Stefan problem Frattura ed Integrita Strutturale, V.13, I.49, P.167-176 (год публикации - 2019).


Возможность практического использования результатов
По результатам выполнения проекта разработан прототип системы мониторинга и помощи в принятии решения, реализующий расчёт и визуализацию процессов формирования и текущего состояния ледопородного ограждения и позволяющий оценивать оптимальное расстояние между замораживающими скважинами по критерию максимальной толщины ледопородного ограждения, влияние теплообмена горных пород с воздухом при проходке ствола и выделения тепла гидратации цемента при затвердевании бетона во время возведения крепи ствола. Система позволяет проводить её тиражирование для проведения работ по обеспечению безопасности различных инженерных объектов с учётом климатических и физическо-механических условий эксплуатации, в том числе строительных конструкций (зданий, промышленных сооружений, трубопроводов) и горнотехнических объектов (рудников, комплексов по прокладке шахтных стволов в неустойчивых и водоносных породах, в условиях тяжёлых климатических условий. Особенно актуальным является возможность использования полученных программных кодов и аппаратных решений для обеспечения безопасной эксплуатации инженерных и природных объектов в условиях многолетней мерзлоты. Отличительной особенностью системы является использование современных способов измерения температуры, деформации и относительных смещений объектов, разрабатываемых на основе волоконно-оптических и тепловизионных датчиков. Измерительная система дополняется виртуальной моделью (набором математических соотношений, реализованных в компьютерном коде, описывающих поведение контролируемого объекта), позволяющей анализировать особенности текущего поведения объекта, прогнозировать дальнейшие сценарии его эволюции, оценивать критичность текущего состояния и эффективность тех или иных управляющий воздействий. Характерные размеры объектов контроля составляют от единиц до сотен метров, системы производят постоянный мониторинг по тысяче и более параметров, реализуют их хранение, обработку и доступ к ней из любой точки посредством сети Internet. Полученные в рамках проекта результаты позволяют: • разрабатывать и реализовать автоматизированные системы мониторинга деформационных и температурных параметров масштабных инженерных объектов, • вести контроль объектов с использованием удалённых систем сбора и анализа информации, • моделировать поведение сооружений и конструкций, эксплуатируемых в условиях вечной мерзлоты, с учётом изменения физико-механических свойств грунта в процессе его замерзания и оттаивания, • моделировать отклик объекта контроля на планируемые управляющие воздействия, повысить их эффективность и оптимизировать экономические затраты.