Сотрудники Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого в составе международной группы провели исследование, позволяющее прогнозировать изменения в угольном пласте при воздействии влажности.
Исследование ученых СПбПУ позволит повысить безопасность угольных шахт / © Getty images
Результаты исследования, имеющие большое практическое значение, в первую очередь, для предприятий горнодобывающей отрасли, были опубликованы в журнале авторитетном научном журнале Nature.
Взаимодействие воды и горных пород в силу климата и географического положения России является актуальной проблемой как в инженерной геологии, так и в горном деле. Наличие воды в подземных средах, таких как глубокие угольные пласты, приводит к долговременному изменению механических свойств последнего. Угольные массы подвергаются механическим изменениям при поглощении воды вследствие повреждения их структурных компонентов. В частности, вода в породе увеличивает ее пластичность и степень размягчения, а также снижает упругость, жесткость, устойчивость к сжатию и растяжению. Таким образом содержание воды существенно влияет на разрушение горных пород. Поэтому для обеспечения устойчивости подземных шахтных выработок необходимо учитывать воздействие воды на породу.
В основе исследования международной научной группы, в которую, помимо российских, вошли специалисты из Китая и Пакистана, лежит изучение акустической эмиссии угля. Акустическая эмиссия (АЭ) – это метод технической диагностики, основанный на анализе процесса излучения акустических сигналов или звуковых волн, которые возникают внутри твердого тела или материала при механическом напряжении или деформации. Данный тип диагностики позволяет выявлять не статические, а наиболее опасные развивающиеся дефекты в твердом теле материала.
В экспериментах научной группы сжимались образцы угля с различным содержанием воды, а сигналы АЭ анализировали с помощью фрактального анализа. В итоге были выделены 5 стадий разрушения угольной породы в зависимости от водонасыщенности: уплотнение; линейно-упругие деформации; устойчивое распространение трещин; ускоренное распространение трещин; постпиковые и остаточные стадии.
Результаты исследования позволяют с высокой точностью прогнозировать развитие потенциально опасных ситуаций на угледобывающих предприятиях. «Наше исследование помогает лучше понять, как вода влияет на механические характеристики угольных пластов и какие процессы происходят внутри них. Эти результаты имеют большое значение для выбросоопасности угольных пластов и предотвращения потенциальных аварий. В исследовании также были использованы методы фрактального анализа.
Это открывает новые перспективы для мониторинга и прогнозирования разрушения и механизмов возникновения микротрещин угля и породы в результате динамических процессов в угольных массах, наблюдая последующее внезапное падение корреляционной размерности сигналов АЭ в ответ на различные стадии нагрузки, что является критически важным для предотвращения несчастных случаев и бедствий. Кроме того, данное исследование может служить основой для более точного прогнозирования динамических отказов угля и горных пород на основе акустических сигналов.
И отмечу, что публикация исследования в Scientific Reports-Nature подчеркивает актуальность проблематики для мирового научного сообщества», – прокомментировал результаты исследования один из авторов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Сабри Моханад Муаяд Сабри.
В дальнейших планах ученых – создание продвинутых численных моделей и компьютерных симуляций для прогнозирования влияния влажности на угольные пласты и расширение области применения этих исследований в сферах строительства, геотехники и геологии.
