автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Оценка физико-механических свойств и моделирование кинетики трещинообразования разрушаемых горных пород

На правах рукописи

ии344826Э

ВОЛКОВ МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРУШАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05 13 18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 2 0 кт 2008

Новокузнецк - 2008

003448269

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» (ГУ КузГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Пимонов Александр Григорьевич

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Афанасьев Константин Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент Денискин Николай Федорович

Ведущая организация

Институт угля и углехимии СО РАН (г Кемерово)

Защита состоится «21 » октября 2008 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212 252 02 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу 654007,

г. Новокузнецк, Кемеровской обл, ул Кирова, 42, СибГИУ Факс (3843)46-57-92 E-mail- sec_nr@sibsiu ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГИУ

Автореферат разослан « 19 » сентября 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

В Ф Евтушенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых является приоритетным направлением исследований в горных науках (геомеханика, геотехнологии) Согласно существующим представлениям процесс подготовки разрушения в виде горных ударов и других, более крупных сейсмических явлений, происходит длительное время и в большом объеме горных пород Кинетическая природа разрушения позволяет говорить о нем как о процессе, протекающем во времени

В настоящее время в различных научных центрах проводятся исследования горных пород с целью определения их деформационных характеристик при запредельном деформировании Параметры запредельною деформирования характеризуют остаточную несущую способность уже разрушенной породы и поэтому имеют большое значение при решении вопросов усюйчи-вости и безопасности разрабатываемых месторождений

В последнее время уделяется большое внимание разработке и совершенствованию бесконтактных методов контроля и прогнозирования состояния разномасштабных блоков горных пород Одним из таких методов является метод регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) Образование, рост и распространение трещин в деформируемых материалах с различными скоростями нагружения представляют интерес для описания процессов хрупкого разрушения горных пород в условиях их залегания Результаты исследований кинетики электромагнитных импульсов и их параметров на разных этапах деформирования позволили перейти от качественного описания к определению характеристик и прогнозу трещинообразования при разрушении горных пород

Применение информационных технологий позволяет ускорить обработку экспериментальной информации и получение выводов о процессах, происходящих при разрушении горных пород

В связи с вышеизложенным моделирование кинетики трещинообразования горных пород на разных этапах деформирования на основе современных информационных технологий является актуальной научной и практической задачей

Цели и задачи диссертации. Разработка методики оценки физико-механических свойств и имитационной кинетической модели трещинообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования

В рамках поставленной цели выделены следующие задачи

1 Разработать и реализовать в виде комплекса программ методику оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования

2 Разработать, обосновать и программно реализовать имитационную кинетическую модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования

3 Систематизировать экспериментальные данные регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород и разработать информационную структуру для хранения и обработки результатов лабораторных испытаний и вычислительных экспериментов

4 Разработать и программно реализовать алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах разрушения горных пород, провести вычислительные эксперименты по моделированию кинетики трещинообразования при допредельном и запредельном деформировании образцов горных пород и проверить адекватность результатов вычислительных экспериментов данным лабораторных испытаний

Методы выполнения работы. Системный анализ и обобщение результатов регистрации импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород, методы имитационного моделирования, геомеханики и механики деформируемого твердого тела при исследовании процессов разрушения и деформирования образцов горных пород, методы численного анализа и математической статистики при обработке экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях на образцах горных пород, современные компьютерные технологии и технологии автоматизированных баз данных для хранения и обработки результатов лабораторных и вычислительных экспериментов, иллюстраций и полученных оценок характеристик разрушения образцов горных пород на разных этапах деформирования

Научная новизна.

1 Методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств, базирующаяся на результатах лабораторных испытаний и отличающаяся от существующих тем, что позволяет получать оценки свойств на запредельном этапе деформирования разрушаемых горных пород

2 Кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на уравнении С Н Журкова, скорректированном с учетом релаксации действующих напряжений

3. Структурирование экспериментальной информации с выделением сущностей «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс» и на этой основе систематизация данных по разрушению образцов горных пород, результатов моделирования и оценки физико-механических свойств

4. Впервые полученные обратные экспоненциальные зависимости относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема на запредельном этапе деформирования от крепости по ММ Протодъяконову, позволяющие прогнозировать процесс трещинообразования при разрушении горных пород на этом этапе

Практическая значимость состоит в том, что разработанные методика, модель и комплекс программ позволяют оперативно в автоматизированном режиме определять оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических и линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования и статистические оценки параметров кинетической модели трещинообразования; моделировать процесс трещинооб-разования в разрушаемых образцах горных пород на запредельном этапе деформирования с учетом релаксации действующих напряжений, осуществлять доступ к информации ХМЬ-хранилища научному персоналу с помощью веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы в режиме удаленного доступа

Реализация результатов. Результаты диссертации (методика и пакет программ) были использованы при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом ГУ КузГТУ, при оценке физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С Д. Тихова (бывшая Никитинская), что подтверждено актом о внедрении и справками об использовании результатов диссертации, приведенными в приложении

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносится

1 Модуль программного комплекса, реализующий алгоритмы численных оценок физико-механических свойств горных пород, представляет собой программную основу «экспресс-метода» оперативной оценки этих свойств.

2 Разработанная кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования позволяет проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации действующих напряжений

3 Спроектированная информационная структура для хранения и обработки модельных и экспериментальных данных базируется на выделенных сущностях «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс», имеющих иерархическую структуру и положенных в основу представления данных созданного ХМЬ-хранилища

4 Модуль программного комплекса, реализующий имитационную модель кинетики трещинообразования, позволяет прогнозировать количество возникающих трещин при разрушении горных пород на разных этапах деформирования со средней относительной погрешностью не более 20%

Личный вклад автора составляет разработка методики оценки физико-механических свойств образцов горных пород, разработка кинетической модели трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, систематизация экспериментальных данных по разрушению образцов горных пород и параметрам импульсного электромагнит-

ного излучения, впервые полученные зависимости значений относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема от крепости по М М Протодъяконову

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 12-14 апреля 2005г), V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 8-10 декабря 2005г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука Технологии Инновации» (Новосибирск, 8-11 декабря 2005г), VII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям с участием иностранных ученых (Красноярск, 1-3 ноября 2006г), V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2006)» (Томск, 10-11 ноября 2006г) , I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (Прокопьевск, 15 марта 2007г), ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, апрель 2005-2007гг), научных тематических семинарах в Кемеровском государственном университете (январь 2008г) и в Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Н Э Баумана (март 2008г )

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК, 3 работы в рецензируемых научно-технических журналах, 6 работ в материалах конференций и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и отраслевой регистрации разработки

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Содержание изложено на 141 странице машинописного текста и содержит 50 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 99 наименований, 4 приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Модели, методы и технологии исследования процессов разрушения горных пород» выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта исследования процессов разрушения горных пород на разных этапах деформирования

К настоящему времени предложено множество теоретических моделей и механизмов разрушения горных пород под воздействием механических напряжений. Значительный вклад в изучение этих вопросов внесли Баренб-латт Г И, Беньофф Н, Берри Д С , Брэди В , Григорян С С , Грицко Г И, Егоров П В , Журков С Н, Касахара К, Кнопов Л, Костров Б В , Куксен-

ко В С , Курленя М.В , Линьков А М, Мячкин В.И, Никифоровский В С, Петров В А , Петухов И М , Работнов Ю.Н., Ржевский В В , Ризничен-коЮВ, Садовский М А , Соболев Г А , Сгаврогин А С , Томашевский Э Е , Фисенко Г Л, Христианович С А , Шемякин Е И и многие другие отечественные и зарубежные исследователи В последнее время значительные успехи достигнуты в понимании кинетического характера процесса подготовки разрушения массивов горных пород как самоорганизующихся иерархических блочных систем, во многом благодаря исследованиям Вылегжанина В Н, Панина В Е, Пригожина И Р , Ревуженко А Ф., Регеля В Р , Ризничен-ко Ю.В., Рогова Е И, Садовского М А, Хакена Г, Шемякина Е И , Пимоно-ва А Г, Иванова В.В и других учЬных

Наиболее перспективными методами контроля состояния массивов и прогноза горных ударов являются геофизические методы Одним из таких методов является метод регистрации импульсного электромагнитного излучения В исследования разрушений твердых тел методом регистрации импульсного электромагнитного излучения весомый вклад внести Алексеев Д В, Воробьев А.А, Гегузин Я Е , Гершензон Н И , Головин Ю И , Гох-берг М Б , Дырдин В В , Егоров П В , Иванов ВВ., Корнфельд М И, Маль-шин А,А., Молоцкий МИ, Моргунов В А, Новик АС, Новик ГЯ, Опарин В Н, Пархоменко Э И, Перельман М Е , Ямщиков В С и другие отечественные и зарубежные исследователи

Разрушение различных по своим физическим свойствам твердых тел, включая горные породы, является сложным многостадийным процессом В настоящее время проводятся исследования пород с целью определения их деформационных характеристик при запредельном деформировании Экспериментальные исследования по изучению закономерностей деформирования и разрушения образцов горных пород в допредельной и запредельной областях нагружения в зависимости от скорости деформирования, геометрических размеров на примере квазипластичных горных пород (образцы из каменной соли, карналлита, пестрого сильвинита) проводятся в ИГД СО РАН, ИГД УрО РАН

Сегодня наблюдается устойчивый рост интереса к концепции сервис-ориентированной архитектуры SOA (Service-Oriented Architecture) Применение архитектуры SOA позволяет создать центральное XML-хранилище данных в университете или научном центре, доступ к которому осуществляется с использованием технологии веб-сервисов в сети Интернет На основе архитектуры SOA возможно создание программного комплекса оценки физико-механических свойств и моделирования кинетики трещинообразования при разрушении горных пород на разных этапах деформирования

Вторая глава «Экспериментальные и теоретические основы оценки физико-механических свойств и моделирования кинетики трещинообразования разрушаемых горных пород» посвящена разработке методики оценки физико-механических свойств и моделирования кинетики трещино-

образования горных пород на разных этапах деформирования

Разработанная методика представляет собой последовательность действий (подготовка к эксперименту, проведение эксперимента до образования магистральной трещины, продолжение эксперимента на запредельном этапе деформирования до предельной нагрузки нагружающего устройства, продолжение эксперимента при спаде максимальной нагрузки и фиксации времени генерации импульсов, окончание эксперимента, разгрузка и фотографирование образца; обработка данных, построение графиков и анализ полученных оценок физико-механических свойств на всех этапах разрушения) с использованием программно-аппаратного комплекса Данная методика позволяет получить данные по регистрации импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород при допредельном и запредельном деформировании, оценки физико-механических свойств и на их основе провести вычислительные эксперименты по моделированию кинетики трещинообразования и проверить адекватность результатов вычислительных экспериментов данным лабораторных испытаний

Исследованию подверглись образцы песчаников и алевролитов Из кернов диаметра 0= 56 мм для шахты Романовской и ¿>=51 мм для шахты Никитинской были изготовлены образцы разной высоты й (10 мм, 20 мм, 30 мм). Для объемного сжатия образцов были изготовлены металлические ячейки с соответствующими диаметрами и высотами Поставленные задачи были решены с использованием установки для регистрации импульсного электромагнитного излучения научно-исследовательской лаборатории кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом (РМПИ) ГУ КузГТУ. Экспериментальная информация заносилась в разработанную базу данных для дальнейшей обработки средствами созданного программного комплекса оценки физико-механических свойств образцов горных пород на разных этапах разрушения

По результатам экспериментов по регистрации импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород, полученным с использование разработанной методики, можно получить оценки следующих свойств, прочностные - предел упругости, прочности на одноосное сжатие, вязкость горной породы, деформационные - модули упругости (Юнга), деформации и спада, пластические - коэффициенты пластичности, ударо-опасности и хрупкости, горнотехнологические - коэффициент крепости по ММ. Протодъяконову; линейные - предельная скорость распространения микротрещин в упругой среде, средний размер микротрещин

При допредельном деформировании сжимающее напряжение увеличивается до предела прочности, а при запредельном уменьшается На основании этого было скорректировано кинетическое уравнение прочности СН Журкова Количество образовавшихся микротрещин на запредельном этапе деформирования за время г можно получить следующим образом

т *

-г 1 N К* = ехр

' О Г0

гКж~^~и С кТ

с//,

(1)

где Л^* - накопленное количество микротрещин при допредельном деформировании, сгсж - предел прочности на одноосное сжатие, Па, а3 - постоянная скорость изменения напряжения при запредельном деформировании, Па/с

у а1

В результате преобразования (1) и ввода обозначений а = ---и

кТ

„ ип

Р = —- для числа импульсов, накопленных от начала запредельного дефор-кТ

мирования до времени т, было получено уравнение *

N аа Г 1

= 1— ехр(—ехр(-/?)[1 - ехр(-%)\

т0а сг3

(2)

Задача оценки неизвестных а и /? сводится к решению системы нелинейных уравнений

- ат

п /е

Е — ; = 1

' 1п N п / е

-'— I ~

- ат

1п

(1-е

- ат

г = 1

п

Е ¥

I = 1

N.

- ат 1-е 1

а3

) + 1п

ат \ о J

1

+ — п

- ат (1-е ' )

- ат п t е '

1

- ат

Е 1 = 1

е

- ат

I

(3)

1 I- £1пЛГ

г = 1 '

где п - количество наблюдений на запредельном этапе деформирования

Численные значения а и /? были получены из решения системы уравнений (3) методом простой итерации Энергия активации разрушения и актива-ционный объем рассчитывались на основе полученных акр Для имитационного моделирования трещинообразования при различных скоростях релаксации на этапе запредельного деформирования по известным параметрам и0

и /из уравнения (2) легко получить *

з_кт' "О

^ = I

-ехр(-

тоГа

кТ

у<т3т

1 - ехр(--'-)

Н кТ '

(4)

На основе скорректированного уравнения была разработана кинетиче-

екая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования (1)-(4), позволяющая проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации Вопросы адекватности разработанной имитационной модели экспериментальным данным рассмотрены в пятой главе

В третьей главе «Анализ и систематизация экспериментальных данных по разрушению образцов юрных пород» описано разработанное ХМЬ-храиилище, позволяющее систематизировать экспериментальную информацию по разрушению образцов горных пород.

В экспериментальных данных исследований ЭМИ были выделены сущности, положенные в основу представления данных ХМЬ-хранилища (см рис 1) «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс»

Эксперимент №1

Образец

Эксперимент

Деформация ■ Деформация Деформация Деформация

№1

Импульс №1

Импульс №К

Импульс №1

Импульс ЛУ4)

Рис 1 Схематичное представление экспериментальных данных Наглядное структурное представление этих данных на расширяемом языке разметки выглядит следующим образом

Собразец с набором характеристик^

Эксперимент с набором характеристик Сдеформация с набором характеристик

<импульс с набором характеристик /> </деформация> </эксперимент> </образец>

Результаты моделирования и оценки физико-механических свойств также заносятся в ХМЬ-хранилище для последующего анализа и визуализации Разработанная спецификация структурированных данных позволяет систематизировать экспериментальную информацию по разрушению образцов горных пород, результаты моделирования и оценки физико-механических свойств, учесть различные настройки и нюансы, возникающие в рамках экспериментов

В четвертой главе «Оценка физико-механических свойств разрушаемых образцов горных пород» представлен разработанный комплекс программ оценки физико-механических свойств и моделирования кинетики трещинообразования горных пород на разных этапах деформирования

Архитектура программного комплекса, основанная на SOA, позволяет осуществлять доступ к XML-хранилищу двумя способами (см рис 2) с помощью графической оболочки (для визуального доступа научного персонала), с помощью веб-сервисов (для аппаратуры сбора данных)

Графическая оболочка добавления, удаления, изменения и анализа данных реализована в виде веб-приложения, состоящего из двух частей серверной и клиентской Серверная часть построена на базе веб-сервера Apache HTTPD В качестве клиентской части выступает приложение Microsoft Internet Explorer 6 О

Аппаратура сбора данных

Веб-сервисы в сети Интернет/Интранет

XML-храни чище

Рис 2 Архитектура программного комплекса Диаграмма деформирования (рис 3) горной породы, построенная в результате эксперимента по сжатию породного образца, несет в себе весьма ценную количественную информацию о физико-механических свойствах этой породы

а, МПа 80 ■

70 60 50 40 30 20 10 О

Е, 10 МПа

Е=17 103МПа Ос*=68 МПа —♦— напряжения

Есж-8 103МПа' \

\ М=2 105МПа

L

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

ъ О* <$> ч* Ф ^ & <&- Ф <\N г{> Л<Ь ф <§1 ч> с>

о о" о" о" о? о" V -у V "у V V V V

л е, %

Рис 3 Диаграмма деформирования образца песчаника № 1/5 (h=20 мм)

Полученные с помощью программного комплекса оценки физико-механических свойств совпадают с оценками, найденными в справочных материалах и полученными традиционными способами Программно реализованная методика может быть положена в основу «экспресс-метода» оценки физико-механических свойств разрушаемых образцов горных пород

В пятой главе «Моделирование кинетики трещинообразования нагружаемых образцов горных пород» представлены результаты экспериментов и моделирования кинетики трещинообразования нагружаемых образцов горных пород, полученные с использованием разработанной методики и программного комплекса

Для всех исследованных образцов горных пород характерно выделение импульсного электромагнитного излучения, интенсивность которого экспоненциально зависит от времени проведения эксперимента При этом каждой образующейся трещине соответствует импульс ЭМИ.

На рис 4 представлена зависимость количества образующихся при на-гружении микротрещин от экспериментального времени для образца песчаника (ш Романовская). Вертикальной линией отделены этапы допредельного и запредельного деформирования N. шт

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

I, шт/с

1 ' 1 —трещинообразование —*— средняя интенсивность —интенсивность

Г|\

А.

1 л\

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

о 4» ^ <г> ^ ^ ^ ^ ^

£ ^ ^ ^

Рис 4 Кинетика трещинообразования при экспериментальном

разрушении образца песчаника №1/9 (Ь=30лш) По полученным экспериментальным данным был построен график зависимости значений относительной интенсивности трещинообразования (АГ), равной отношению интенсивности трещинообразования на запредельном этапе деформирования к допредельному, от крепости по М М Протодъяко-нову (/), представленный на рис 5

Анализ зависимости (рис 5) показал, что при увеличении крепости горной породы по М М Протодъяконову уменьшается значение относительной интенсивности трещинообразования В результате применения регрессионного анализа для параметрического оценивания была установлена обрат-

ная экспоненциальная зависимость

Д7(/) = 4,2ехр(-0,3/) (5)

Л7 2,5 —

2--

1,5 -1 "

0,5 -О -2

Рис 5 Диаграмма рассеяния и регрессионная кривая зависимости

относительной интенсивности трещинообразования После преобразования функции (5) к виду Д/(/) = ехр[(/-/)/&/], где

/ - крепость по М М Продъяконову, при которой интенсивность трещинообразования не изменяется, к; - коэффициент пропорциональности, была получена следующая функция

Д/(/)»ехр[(4,5-/)/3,2] (6)

Анализ выражения (6) позволяет сделать вывод о том, что у образцов горных пород с крепостью по М.М Протодъяконову равной 4,5 интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется, для остальных образцов она изменяется в соответствии с выражением (6)

Качество аппроксимации при уровне значимости 0,05 по критерию Фишера F2Q | = 1,42 < 4,35, поэтому с вероятностью 0,95 можно утверждать, что

связь достоверна, и уравнение регрессии в полной мере отражает ее

Согласно концепции С Н Журкова разрушение твердых тел представляет собой кинетический процесс, протекающий в пространстве и времени На рис 6 представлена зависимость изменения значений активационного объема во времени для образца песчаника (ш Романовская) При каждой регистрации очередного события (образования микротрещин) рассчитывали ак-тивационный объем по последним пяти наблюдениям и средний активацион-ный объем по всем наблюдениям на этапах допредельного и запредельного деформирования

По полученным экспериментальным данным был построен график зависимости значений относительного активационного объема (Лу), равного отношению активационного объема на запредельном этапе деформирования к допредельному, от крепости по М М Протодъяконову (/), представленный на рис. 7.

т27 3 7, 10 М

1 1

—♦—активационный объем -•— средний активационный объем

„Г?—

т

Г 1

V ч"

^ ^ & ^ ^ ^ ^ ^ /

г, с

Рис б Изменение значений активационного объема во времени при разрушении образца песчаника №1/9 (И-ЗОмм)

Рис 7 Диаграмма рассеяния и регрессионная кривая зависимости

относительного активационного объема Анализ зависимости (рис. 7) показал, что при увеличении крепости горной породы по М М. Протодъяконову уменьшается значение относительною активационного объема В результате применения регрессионного анализа для параметрического оценивания была установлена обратная экспоненциальная зависимость

ЛК/) = 123,6ехр(-0,2/) (7)

После преобразования функции (7) к виду Д/(/) = ехр

(/-/У*

Г]

где / - крепость по М М Продъяконову, при которой активационный объем не изменяется, к, - коэффициент пропорциональности, была получена следующая функция

Ду(/)«ехр[(20-/)/4,2] (8)

Анализ выражения (8) позволяет сделать вывод о том, что у образцов горных пород с максимальной крепостью по М М Протодъяконову равнои 20 активационный объем на запредельном этапе деформирования не изменяется, для остальных образцов он изменяется в соответствии с выражением (8)

Качество аппроксимации при уровне значимости 0,05 по критерию Фишера д | = 1,09 < 4,38, поэтому с вероятностью 0,95 можно утверждагь,

что связь достоверна, и уравнение регрессии в полной мере отражает ее

Наряду с оценками активационного объема получены оценки U(a) -функции состояния материала, которая является агрегированным показателем, содержащим информацию не только о нарушенном состоянии материала, но и о напряжениях, действующих на него При допредельном деформировании функция выглядит следующим образом

U(a) = U0-ya(t) (9)

Основываясь на том, что при допредельном деформировании сжимающее напряжение увеличивается до предела прочности, а при запредельном уменьшается, функцию состояния материала можно представить следующим образом

и(ст) = и0-у[асж-т], (Ю)

где (тсж - предел прочности на одноосное сжатие

На рис 8 представлена зависимость оценочных значений функции состояния материала и активационного объема от экспериментального времени для образца песчаника (ш Романовская) При каждой регистрации образования микротрещин рассчитывались оценки активационного объема и функции состояния материала по последним пяти наблюдениям

. ад, ю

- функция состояния материала

- активационный объем

^ ч* ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ С

Рис 8 Изменение значений функции состояния материала во времени при разрушении образца песчаника №1/4 (Ь~20 мм) Анализ графика (рис. 8) показал, что значения функции состояния материала перед расколом уменьшаются до значений, близких к нулю После

раскола при увеличении активационного объема и уменьшении действующих напряжений значения функции постепенно увеличиваются с резкими всплесками, что объясняется сильно нарушенной структурой образцов. Таким образом, в функции состояния материала учитываются нарушенность структуры образцов горных пород на разных этапах деформирования и изменяющиеся действующие напряжения

Вычислительные эксперименты по моделированию трещинообразова-ния осуществлялись на основе оценок параметров кинетической модели разрушения на разных этапах деформирования, рассчитанных по последним пяти наблюдениям График зависимости количества накопленных экспериментальных и модельных микротрещин от времени эксперимента для образца песчаника (ш Романовская) представлен на рис 9

Рис 9 Моделирование кинетики трещинообразовант для образца песчаника №1/7 (11=20 мм) На этапе запредельного деформирования относительная погрешность не превышает 20%, но у некоторых образцов резко увеличивается интенсивность трещинообразования из-за неконтролируемого разрушения, и погрешность возрастает до 40%

На основе средних оценок параметров кинетической модели разрушения на разных этапах деформирования было проведено моделирование действующих напряжений и кинетики трещинообразования при различных скоростях нагружения Графики результатов моделирования для образца алевролита (ш Никитинская) представлены на рис 10,11 Вертикальной линией отделены этапы допредельного и запредельного деформирования

Анализ графиков показал, что при увеличении скорости нагружения разрушение образцов происходит при больших действующих напряжениях, а также релаксация напряжений происходит быстрее. При уменьшении скорости нагружения допредельное и запредельное деформирование занимает больше времени и разрушение происходит при меньших действующих напряжениях

Рис 10 Изменение действующих напряжений при моделировании разрушения образца алевролита №2/7 с разными скоростями погружения

К шт

NO.5m.rr N=¿55 шт/'

253 шт

1 1 1

1 1

—♦—СГ =0 I МПа/с -»-(7 =0,16 МПа/с —*— (у =0,2 МПа/с |

ч* •?> ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ £?> ^ ^ ¿5» ^ # ^ ^ # # ^

Рис 11 Кинетика трещинообразования при моделировании разрушения образца алеврочита №2/1 с разными скоростями нагружения Адекватность результатов моделирования кинетики трещинообразования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по Р-критерию Фишера при 5% уровне значимости

Разработанные методика, модель и комплекс программ на практике были использованы при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом (РМПИ) ГУ КузГТУ и при оценке физико-механических свойств образцов горных пород на шахтах Романовская-1 и имени СД Тихова.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1 Разработана и описана методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформировании по результатам лабораторных испытаний

2. Разработана кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на скорректированном уравнении С Н Журкова, учитывающем, что при допредельном деформировании сжимающее напряжение увеличивается до предела прочности, а при запредельном уменьшается, и позволяющая проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации

3 В результате систематизации экспериментальных данных регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород были выделены сущности, положенные в основу представления данных XML-хранилища1 «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс» Иерархическая структура выделенных сущностей позволяет хранить и обрабатывать неограниченное количество ее элементов и осуществлять изменения их описаний

4 В качестве информационной структуры для хранения и обработки результатов лабораторных экспериментов было спроектировано и разработано структурированное хранилище данных, основанное на XML, на которое было получено свидетельство ОФАП №7964 от 27 03 07, ВНТИЦ №50200700649 от 03.04 07 «XML-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения». Разработанная спецификация структурированных данных позволяет систематизировать экспериментальную информацию по разрушению образцов горных пород, результаты моделирования и оценки физико-механических свойств, учесть различные настройки и нюансы, возникающие в рамках экспериментов

5 Методика оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород, алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах деформирования и имитационная кинетическая модель трещинообразования были реализованы в виде комплекса программ, на который было получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007611938 от 14 05 2007 «Автоматизированная информационно-расчетная система для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения».

6 Архитектура программного комплекса позволяет осуществлять доступ к ней научному персоналу с помощью реализованного веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы Программный комплекс состоит

из 5 основных и 4 вспомогательных веб-сервисов, содержащих 62 метода, а также из 43 модулей веб-приложения.

7 При увеличении крепости горной породы по М М. Протодъяконову значения относительных интенсивности трещинообразования и активацион-ного объема экспоненциально уменьшаются У образцов горных пород с крепостью по М М Протодъяконову равной 4,5, интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется А у образцов горных пород с максимальной крепостью равной 20, на запредельном этапе деформирования не изменяется активационный объем

8. Теоретические значения накопленного количества образующихся микротрещин, полученные в результате имитационного моделирования на основе кинетического уравнения прочности на разных этапах деформирования, совпадают с экспериментальным количеством микротрещин в пределах средней относительной погрешности 20%. При этом величина погрешности уменьшается по мере накопления экспериментальных данных

9 Адекватность результатов моделирования кинетики трещинообразования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по критерию Фишера при 5% уровне значимости

10 Эффективность разработанных методики и комплекса программ подтверждена результатами их использования для оценки физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С Д. Тихова, и при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры РМПИ ГУ КузГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Волков МА ХМЬ-хранилище для оценки электрофизических характеристик нагружаемых образцов горных пород / М А Волков, Д.В Соловьев, Л А Белина, А.Г Пимонов // Вестник КузГТУ - 2006 -№62 -С 68-72

2 Волков М.А Изучение физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения / М А Волков, Д В. Соловьев, Л А Белина, А Г Пимонов//Вестник КузГТУ -2007 -№2 -С. 16-19

3 Волков М А ХМЬ-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения / М.А Волков, Д В Соловьев, Л А. Белина, А Г Пимонов // Инновации в науке и образовании (Телеграф отраслевого фонда алгоритмов и программ). - 2007, №3 - С 28

4 Волков М.А. Моделирование кинетики трещинообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования / М А Волков, А Г. Пимонов // Вестник КузГТУ - 2007 - №6 - С 99-104

5 Волков MA Архитектура открытой системы исследований на основе XML-хранилища // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве Труды V Всероссийской научно-практической конференции -Новокузнецк, СибГИУ, 2005 - С 390-391

6. Волков М.А Архитектура открытой системы исследований, основанная на веб-сервисах // XLIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» Труды - Новосибирск, 2005 -С 225-227

7 Волков МА Программный комплекс оценки электрофизических свойств горных пород // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири Сибресурс-2006. Материалы XI Международная научно-практическая конференции, 23-24 нояб 2006г -Кемерово, 2006 - С 318-320

8 Волков МА Спецификация описания устройств Devml (Device Markup Language) / M.A Волков // VII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (с участием иностранных ученых) Труды - Красноярск, 2006 -С 81

9 Волков МА XML-ориентированное программирование // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2006) Материалы V Международной научно-практической конференции (10-11 ноября 2006г) -Томск.-С 22-24

10 Волков МА Комплекс программ оценки физико-механических свойств горных пород по результатам исследования процесса разрушения методом электромагнитного излучения / М А Волков, Д В Соловьев, Л А Белина, А Г Пимонов // Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса: Материалы I Региональной научно-практической конференции - Прокопьевск: изд-во КузГТУ, 2007 - С. 167-170

11 Волков М А. XML-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения / М А Волков, ДВ Соловьев, Л.А. Белина, А Г Пимонов - М ВНТИЦ, 2007 -№50200700649.

12 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007611938. Автоматизированная информационно-расчетная система для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения / М.А Волков, А Г Пимонов - М Роспатент - №2007611067; За-яв 26 03 2007, Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14 05 2007

Подписано в печать Формат 64X84/16 Бумага офсетная Отпечатано на ризографе Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз Заказ ёЯ5 ГУ КузГТУ, 650026, Кемерово, ул Весенняя, 28 Типография ГУ КузГТУ, 650099, Кемерово, ул Д Бедного, 4а

ВВЕДЕНИЕ.

1 МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

1.1 Модели разрушения горных пород.

1.2 Метод регистрации импульсного электромагнитного излучения

1.3 Исследование и оценка свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

1.4 Современные технологии разработки программных комплексов.

1.5 Выводы, цель и задачи исследования.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МОДЕЛИРОВАНИЯ КИНЕТИКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ РАЗРУШАЕМЫХ ГОРНЫХ ПОРОД.

2.1 Объекты исследования и их основные характеристики.

2.2 Лабораторное оборудование и методика проведения экспериментов по разрушению образцов горных пород.

2.3 Диаграммы деформирования и оценка физико-механических свойств горных пород.

2.4 Кинетическая модель трещинообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

2.5 Выводы.

3 АНАЛИЗ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО РАЗРУШЕНИЮ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД.

3.1 Хранилище структурированных данных.

3.2 ХМЬ-хранилище результатов лабораторных экспериментов по разрушению образцов горных пород.

3.3 Структурирование экспериментальных данных для импорта в ХМЬ-хранилище.

3.4 Выводы.

4 ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРУШАЕМЫХ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД.

4.1 Архитектура программного комплекса.

4.2 Графическая оболочка комплекса программ.

4.3 Программная реализация комплекса.

4.4 Оценки физико-механических свойств нагружаемых образцов горных пород.'.

4.5 Выводы.

5 МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ НАГРУЖАЕМЫХ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД.

5.1 Оценка и анализ интенсивности трещинообразования на разных этапах деформирования образцов.

5.2 Оценка и анализ параметров кинетической модели разрушения на разных этапах деформирования образцов.

5.3 Моделирование кинетики трещинообразования на разных этапах деформирования.

5.4 Проверка адекватности результатов моделирования кинетики трещинообразования экспериментальным данным.

5.5 Выводы.

Актуальность работы. Обеспечение безопасных условий отработки месторождений полезных ископаемых является приоритетным направлением исследований в горных науках (геомеханика, геотехнологии). Согласно существующим представлениям процесс подготовки разрушения в виде горных ударов и других, более крупных сейсмических явлений, происходит длительное время и в большом объёме горных пород. Кинетическая природа разрушения позволяет говорить о нём как о процессе, протекающем во времени.

В настоящее время в различных научных центрах проводятся исследования горных пород с целью определения их деформационных характеристик при запредельном деформировании. Параметры запредельного деформирования характеризуют остаточную несущую способность уже разрушенной породы и поэтому имеют большое значение при решении вопросов устойчивости и безопасности разрабатываемых месторождений.

В последнее время уделяется большое внимание разработке и совершенствованию бесконтактных методов контроля и прогнозирования состояния разномасштабных блоков горных пород. Одним из таких методов является метод регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ). Образование, рост и распространение трещин в деформируемых материалах с различными скоростями нагружения представляют интерес для описания процессов хрупкого разрушения горных пород в условиях их залегания. Результаты исследований кинетики электромагнитных импульсов и их параметров на разных этапах деформирования позволили перейти от качественного описания к определению характеристик и прогнозу грещинообразования при разрушении горных пород.

Применение информационных технологий позволяет ускорить обработку экспериментальной информации и получение выводов о процессах, происходящих при разрушении горных пород.

В связи с вышеизложенным моделирование кинетики трещинооб-разования горных пород на разных этапах деформирования на основе современных информационных технологий является актуальной научной и практической задачей.

Цели и задачи диссертации. Разработка методики оценки физико-механических свойств и имитационной кинетической модели трещи-нообразования разрушаемых горршх пород на разных этапах деформирования.

В рамках поставленной цели выделены следующие задачи.

1. Разработать и реализовать в виде комплекса программ методику оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

2. Разработать, обосновать и программно реализовать имитационную кинетическую модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования.

3. Систематизировать экспериментальные данные регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород и разработать информационную структуру для хранения и обработки результатов лабораторных испытаний и вычислительных экспериментов.

4. Разработать и программно реализовать алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах разрушения горных пород, провести вычислительные эксперименты по моделированию кинетики трещинообразования при допредельном и запредельном деформировании образцов горных пород и проверить адекватность результатов вычислительных экспериментов данным лабораторных испытаний.

Методы выполнения работы. Системный анализ и обобщение результатов регистрации импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород, методы имитационного моделирования, геомеханики и механики деформируемого твердого тела при исследовании процессов разрушения и деформирования образцов горных пород, методы численного анализа и математической статистики при обработке экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях на образцах горных пород, современные компьютерные технологии и технологии автоматизированных баз данных для хранения и обработки результатов лабораторных и вычислительных экспериментов, иллюстраций и полученных оценок характеристик разрушения образцов горных пород на разных этапах деформирования.

Научная новизна.

1. Методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств, базирующаяся на результатах лабораторных испытаний и отличающаяся от существующих тем, что позволяет получать оценки свойств на запредельном этапе деформирования разрушаемых горных пород.

2. Кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на уравнении С. Н. Журкова, скорректированном с учетом релаксации действующих напряжений.

3. Структурирование экспериментальной информации с выделением сущностей «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс» и на этой основе систематизация данных по разрушению образцов горных пород, результатов моделирования ,и оценки физико-механических свойств.

4. Впервые полученные обратные экспоненциальные зависимости относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема на запредельном этапе деформирования от крепости по М.М. Протодъяконову, позволяющие прогнозировать процесс трещинообразования при разрушении горных пород на этом этапе.

Практическая значимость состоит в том, что разработанные методика, модель и комплекс программ позволяют оперативно в автоматизированном режиме определять оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических и линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования и статистические оценки параметров кинетической модели трещинообразования; моделировать процесс трещинообразования в разрушаемых образцах горных пород на запредельном этапе деформирования с учетом релаксации действующих напряжений; осуществлять доступ к информации ХМЬ-хранилища научному персоналу с помощью веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы в режиме удаленного доступа.

Реализация результатов. Результаты диссертации (методика и пакет программ) были использованы при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры разработки месторождений полезных ископаемых подземным способом ГУ КузГТУ, при оценке физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С.Д. Тихова (бывшая Никитинская), что подтверждено актом о внедрении и справками об использовании результатов диссертации, приведенными в приложении.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносится:

1. Модуль программного комплекса, реализующий алгоритмы численных оценок физико-механических свойств горных пород, представляет собой программную основу «экспресс-метода» оперативной оценки этих свойств.

2. Разработанная кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования позволяет проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации действующих напряжений.

3. Спроектированная информационная структура для хранения и обработки модельных и экспериментальных данных базируется па выделенных сущностях «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс», имеющих иерархическую структуру и положенных в основу представления данных созданного ХМЬ-хранилища.

4. Модуль программного комплекса, реализующий имитационную модель кинетики трещинообразования, позволяет прогнозировать количество возникающих трещин при разрушении горных пород на разных этапах деформирования со средней относительной погрешностью не более 20%.

Личный вклад автора составляет: разработка методики оценки физико-механических свойств образцов горных пород, разработка кинетической модели трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, систематизация экспериментальных данных по разрушению образцов горных пород и параметрам импульсного электромагнитного излучения; впервые полученные зависимости значений относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема от крепости по М.М. Протодъяконову.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 12-14 апреля 2005г.), V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 8-10 декабря 2005г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 8-11 декабря 2005г.), VII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям с участием иностранных ученых (Красноярск, 1-3 ноября 2006г.), V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2006)» (Томск, 10-11 ноября 2006г.), I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» (Прокопьевск, 15 марта 2007г.), ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, аспирантов и студентов ГУ КузГТУ (Кемерово, апрель 2005-2007гт.), научных тематических семинарах в Кемеровском государственном университете (январь 2008г.) и в Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Н.Э. Баумана (март 2008г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 работах, среди которых 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК, 3 работы в рецензируемых научно-технических журналах, 6 работ в материалах конференций и 2 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ и отраслевой регистрации разработки.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Содержание изложено на 140 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 99 наименований, 4 приложения.

5.5 Выводы

1. При увеличении крепости горной породы по М.М. Протодъ-яконову значения относительных интенсивности трещинообразования и активационного объема экспоненциально уменьшаются. У образцов горных пород с крепостью по М.М. Протодъяконову равной 4,5, интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется. А у образцов горных пород с максимальной крепостью равной 20, на запредельном этапе деформирования не изменяется акти-вационный объем.

2. Теоретические значения накопленного количества образующихся микротрещин, смоделированные на основе кинетического уравнения прочности на разных этапах деформирования, совпадают с экспериментальным количеством микротрещин в пределах средней относительной погрешности 20%. При этом величина погрешности уменьшается по мере накопления экспериментальных данных.

3. Адекватность результатов моделирования кинетики трещино-образования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по /^-критерию Фишера при 5% уровне значимости и 20 степеням свободы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи по разработке методики оценки физико-механических свойств и имитационной кинетической модели трещи-нообразования разрушаемых горных пород на разных этапах деформирования.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации сводятся к следующему.

1. Разработана и описана методика оценки прочностных, деформационных, пластических, горнотехнологических, линейных свойств разрушаемых горных пород на разных этапах деформировании по результатам лабораторных испытаний.

2. Разработана кинетическая модель трещинообразования при разрушении горных пород на запредельном этапе деформирования, основанная на скорректированном уравнении С. Н. Журкова, учитывающем, что при допредельном деформировании сжимающее напряжение увеличивается до предела прочности, а при запредельном уменьшается, и позволяющая проводить имитационное моделирование процессов разрушения при различных скоростях релаксации.

3. В результате систематизации экспериментальных данных регистрируемых параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении образцов горных пород были выделены сущности, положенные в основу представления данных ХМЬ-хранилища: «образец», «эксперимент», «деформация», «импульс». Иерархическая структура выделенных сущностей позволяет хранить и обрабатывать неограниченное количество ее элементов и осуществлять изменения их описаний.

4. В качестве информационной структуры для хранения и обработки результатов лабораторных экспериментов было спроектировано и разработано структурированное хранилище данных, основанное на

XML, на которое было получено свидетельство ОФАП №7964 от 27.03.07, ВНТИЦ №50200700649 от 03.04.07 «XML-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения». Разработанная спецификация структурированных данных позволяет систематизировать экспериментальную информацию по разрушению образцов горных пород, результаты моделирования и оценки физико-механических свойств, учесть различные настройки и нюансы, возникающие в рамках экспериментов.

5. Методика оценки физико-механических свойств разрушаемых горных пород, алгоритмы оценки параметров кинетической модели трещинообразования на разных этапах деформирования и имитационная кинетическая модель трещинообразования были реализованы в виде комплекса программ, на который было получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007611938 от 14.05.2007 «Автоматизированная информационно-расчетная система для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения».

6. Архитектура программного комплекса позволяет осуществлять доступ к ней научному персоналу с помощью реализованного веб-приложения и аппаратуре сбора данных через веб-сервисы. Программный комплекс состоит из 5 основных и 4 вспомогательных веб-сервисов, содержащих 62 метода, а также из 43 модулей веб-приложения.

7. При увеличении крепости горной породы по М.М. Протодъяко-нову значения относительных интенсивности трещинообразования и ак-тивационного объема экспоненциально уменьшаются. У образцов горных пород с крепостью по М.М. Протодъяконову равной 4,5, интенсивность трещинообразования на запредельном этапе деформирования не изменяется. А у образцов горных пород с максимальной крепостью равной 20, на запредельном этапе деформирования не изменяется актива-ционный объем.

8. Теоретические значения накопленного количества образующихся микротрещин, полученные в результате имитационного моделирования на основе кинетического уравнения прочности на разных этапах деформирования, совпадают с экспериментальным количеством микротрещин в пределах средней относительной погрешности 20%. При этом величина погрешности уменьшается по мере накопления экспериментальных данных.

9. Адекватность результатов моделирования кинетики трещино-образования на разных этапах деформирования экспериментальным данным была подтверждена статистической проверкой гипотезы об адекватности по /^-критерию Фишера при 5% уровне значимости.

10. Эффективность разработанных методики и комплекса программ подтверждена результатами их использования для оценки физико-механических свойств образцов горных пород, отобранных на горных отводах шахт Романовская-1 и имени С.Д. Тихова, и при проведении исследований по изучению характеристик горных пород на разных этапах разрушения в научно-исследовательской лаборатории кафедры РМПИ ГУ КузГТУ.

1. Егоров П.В. Исследование разрушения твердых тел методом регистрации импульсного электромагнитного излучения / П.В. Егоров, Л.А. Колпакова, A.A. Мальшин. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2001.-201 с.

2. Егоров П.В. О некоторых закономерностях импульсного электромагнитного излучения щелочно-галоидных кристаллов и горных пород / П.В. Егоров, В.В. Иванов, Л.А. Колпакова // ФТПРПИ, 1988. №1.-С. 67-70.

3. Егоров В.П. К вопросу изучения механизма разрушения горных пород / В.П. Егоров и др. // Интенсификация технологических процессов на шахтах. Кемерово: КузПИ, 1988.

4. Егоров П.В. Исследование деформированных твердых тел зернистой структуры методом регистрации импульсного электромагнитного излучения: Научное издание / П.В. Егоров, Л.А. Колпакова, A.B. Бабенко. Кемерово: ГУ КузГТУ, 2003. - 134 с.

5. Журков С.Н. О прогнозировании разрушения горных пород / С.Н. Журков и др.//Изв. АН СССР. Физика Земли, 1977. №6. С. 11-18.

6. Журков С.Н. Физические основы прогнозирования механического разрушения / С.Н. Журков, B.C. Кусенко, В.А. Петров // Доклады АН СССР. 1981. - Т. 259. - № 6. - С. 1350-1353.

7. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел // ФТТ, 1983. Т. 25. Вып. 10. С. 3119-3123.

8. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел // Вестник АН СССР, 1968. №3. С. 46-52.

9. Куксенко B.C. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочности и пластичности Л.: Наука, 1986.-С. 36-41.

10. Куксенко B.C. Очаговый характер разрушения горных пород / B.C. Куксенко, В.Н. Савельев, У. Султанов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1978. - №12. - С. 23-29.

11. Курленя М.В. Методы математического моделирования подземных сооружений / М.В. Курленя, В.Е. Миренков // Новосибирск: ВО "Наука".- 1994.- 187 с.

12. Курленя М.В. Скважинные геофизические методы диагностики и контроля напряженно-деформированного состояния массивов горных пород / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // Новосибирск: Наука. 1999.-335 с.

13. Курленя М.В. Проблемы нелинейной геомеханики. Ч. II. / М.В. Курленя, В.Н. Опарин // ФТПРПИ. - 2000. - № 4. - С. 3-26.

14. Мячкин В.Н. Основы физики очага и предвестники землетрясения / В.И. Мячкин, Б.В. Костров, Г.А. Соболев, О.Г. Шамина // Физика очага землятрясений. М.: Наука. - 1975. - С. 104-117.

15. Петров В.А. О механизме и кинетике макроразрушения // ФТТ, 1977. Т. 21. Вып.12. С. 3681-3686.

16. Ржевский В.В. Основы физики горных пород. / В.В. Ржевский, Г .Я. Новик. -М.: Недра, 1984.-212 с.

17. Ржевский В.В. Ультразвуковой контроль исследования в горном деле / В.В. Ржевский, B.C. Ямщиков // М.: Недра, 1968.- 120 с.

18. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений // М.: Наука. -1993.-314 с.

19. Ставрогин А.Н. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах / А.Н. Ставрогин, А.Г. Протосеня // -М.: Недра, 1985.-271 с.

20. Яковицкая Г.Е. Разработка метода и измерительных средств диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии: Дисс. докт. техн. наук. Новосибирск, 2007.-389 с.

21. Гор А.Ю. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов / А.Ю. Гор, B.C. Куксенко, Н.Г. Томилин, Д.И. Фролов // ФТПРПИ. 1989. - № 3. - С. 54-60.

22. Веттегрень В.И. О физической природе термофлуктуационного механизма разрушения полимеров // ФТТ. — 1984. — Т.26, В. 6. С. 1699-1704.

23. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. -М.: Металлургия, 1984. 280 с.

24. Копьёв И.М. Разрушение металлов, армированных волокнами /, И.М. Копьёв, А.С. Овчинский // М.: Наука, 1977. - 240 с.

25. Бетехтин В.И. Пластическая деформация и разрушение кристаллических тел. Сообщение 1. Деформация и развитие микротрещин / В.И. Бетехтин, В.И. Владимиров, А.И. Петров // Проблемы прочности. 1979. - №7. - С. 38-45.

26. Томашевская И.С. Предвестники разрушения образцов горных пород / И.С. Томашевская, Я.Н. Хамидуллин // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1972. - №5. - С. 47-53.

27. Томашевская И.С. Возможность предсказания момента разрушения горных пород на основе флуктуационного механизма роста трещин /И.С. Томашевская, Я.Н. Хамидуллин // Докл. АН СССР. 1972. - Т.207, В.З. - С. 580-582.

28. Schols C.N. Microfracturing and Inelastic Deformation of Rock in Compression // Journal Geophysical Researchs. 1968. - V.73. - P. 1417-1432.

29. Пимонов А.Г. Статистическое моделирование и прогноз разрушения горных пород в очагах горных ударов: Дисс. докт. техн. наук. Кемерово, 1997. - 312 с.

30. Векслер Ю.А. Аппаратура для регистрации сейсмоакустической информации / Ю.А. Векслер, Е.И. Шульгин, В.А. Шейнов и др. // Горная геофизика. Тбилиси, 1983 -С. 157.

31. Протосеня А.Г. Контроль и прогнозирование горного давления с использованием информационно-вычислительных систем / А.Г. Протосеня, Б.С. Генин // Методология и технические средства определения напряжений в горном массиве Новосибирск, 1983.1. С. 25-28.

32. Воробьев A.A. Механоэлектричеекие явления преобразования энергии при пластической деформации твердых тел. Томск: ТПИ, 1977.-92 с.

33. Воробьев A.A. Наблюдение излучения горных пород / A.A. Воробьев, B.C. Дмитриевский, Е.К. Завадская и др. // Вопросы геологии Сибири: Сб. науч. тр./ ТГУ.- Томск, 1971.- С. 233-234.

34. Воллбрандт М. Генерирование электронов высоких энергий при разрушении твердых тел / М. Воллбрандт, Ю.А. Хрусталев, Э.И. Линке и др. // Доклады АН СССР. 1075. - Т. 225. - № 2. -С.342-344.

35. Корнфельд М.Н. Электризация ионного кристалла при расщеплении // ФТТ. 1974. - Т. 16. - В. 11. - С. 3385-3387.

36. Кротова H.A. Исследование электронной эмиссии при раскалывании твердых тел в вакууме / H.A. Кротова, В.В. Карасев // Доклады АН СССР. 1953. - Т. 92. - № 3. - С. 607-610.

37. Перельман М.Е. О радиоизлучении при хрупком разрушении диэлектриков / М.Е. Перельман, Н.Г. Хатиашвили // Доклады АН СССР. 1981. - Т. 256. - № 4. - С. 824-826.

38. Молоцкий М.И. Дислокационный механизм элекризации ионных кристаллов при расщеплении // Физика твердого тела. Т. 18. -В. 6.-С. 1763-1764.

39. Перельман М.Е. Генерация электромагнитного излучения при колебаниях электрических слоев и его проявления при землетрясениях / М.Е. Перельман, Н.Г. Хатиашвили // Доклады АН СССР. 1983.-Т. 271.-№ 1.-С. 80-83.

40. Гершензон Н.И. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов / Н.И. Гершензон, Д.О. Зил-пимиани, П.В. Манджгаладзе и др // Доклады АН СССР. 1986. -Т. 228.-№ 1.-С. 75-78.

41. Гохтерг М.Б. Оперативные электромагнитные предвестники землятресений / М.Б. Гохберг, В.А. Моргунов, Е.А. Герасимович, И.В. Матвеев // Институт физики земли АН СССР. М.: Наука. - 1985. - 115 с.

42. Перельман М.Е. Электромагнитное излучение при трещинообра-зовании и хрупком разрушении твердых тел / М.Е. Перельман, Н.Р. Хатиашвили // Сообщ. АН СССР. 1980. - Т. 99. - №2.- С. 357-360.

43. Колпакова Л.А. Оценка параметров и кинетика электромагнитного излучения горных пород при изменении их напряженного состояния: Дисс. канд. техн. наук . — Новосибирск, 1988.- 146 с.

44. Тарасов Б.Г. Геоэлектрический контроль состояния массивов / Б.Г. Тарасов, В.В. Дырдин, В.В. Иванов // М.: Недра, 1983. 216 с.

45. Иванов В.В. Динамика трещин и электромагнитное излучение горных пород / В.В. Иванов и др. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск: Наука, 1988. №5. -С. 20-27.

46. Молоцкий М.И. Дислокационный механизм электризации ионных кристаллов при расщеплении // ФТТ, 1976. Т. 18. Вып.6 -С. 1767-1774.

47. Финкель В.М. Заряжение берегов трещины и работа разрушения щелочных кристаллов / В.М. Финкель и др. // ФТТ, 1986. Т. 28. Вып. 9.-С. 2908-2911.

48. Тарасов Б.Г. Физический контроль массивов горных пород / Б.Г. Тарасов и др. // М.: Недра, 1994. - 240 с.

49. Иванов В.В. Кинетика разрушения и усталостная прочность полимерных композиций / В.В. Иванов, В.И. Климов, Т.М. Черникова // ГУ КузГТУ Кемерово, 2003. - 233 с.

50. Барях A.A. Латеральная изменчивость механических свойств соляных пород / A.A. Барях, В.А. Асанов, В.Н. Токсаров, В.Е. Васю-ков // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2004. № 2. С. 158-160.

51. Асанов В.А. Деформирование контактов соляных пород во времени / В.А. Асанов, И.Л. Паньков // ФТПРПИ. 2004. № 4. С. 40-46.

52. Жигалкин В.М. Деформирование квазипластичных соляных пород при различных условиях нагружения / В.М. Жигалкин, О.М. Усольцева, В.Н. Семенов и др. // ФТПРПИ. 2005. № 6. С. 14-24.

53. Опарин В.Н. Геомеханика: процессы деформирования массивов горных пород и геоматериалов, в том числе вызванные техногенной деятельностью Электронный ресурс. — Режим доступа: hltp://www-sbras.nsc.ru/win/sbras/rep/rep2004/tom 1/25 .pdf, свободный.

54. Важнейшие результаты исследований ИГД СО РАН в 2005 г. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.misd.nsc.ru/about/results/results05, свободный.

55. Механические свойства горных пород верхнесилезского угольного бассейна по испытаниям на одноосное и двухосное сжатие // ФТПРПИ №2.-2005.

56. Вознесенский A.C. Акустическая эмиссия угля в состоянии запредельного деформирования / A.C. Вознесенский, М.Н. Тавостин // ФТПРПИ №4. 2005.

57. Мирошниченко М.И. Излучение электромагнитных импульсов при зарождении трещин в твердых диэлектриках / М.И. Мирошниченко, B.C. Куксенко // ФТТ. 1980. - Т. 22. - В. 5. - С. 15311533.

58. Трубецкой К.Н. Геоинформационные системы в горном деле / К.Н. Трубецкой, А.Ф. Клебанов, Д.Я. Владимиров Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scgis.ru/russian/ cpl251/dgggms/3-98/trubeckoy.htm, свободный.

59. Малышев Ю.Н. Проектирование систем экологического мониторинга горнопромышленных регионов (на примере Кузбасса) / Ю.Н. Малышев, K.IT. Трубецкой, В.Ж. Арене, А.Ф. Клебанов, М.Ю. Худин // Горный вестник, N 2. 1996. - С. 13-20.

60. Troubetskoi K.N. Information System of Mining Operations Monitoring in Russion State Coal Company «Rosugol» / K.N.Troubetskoi, V.I.Postnikov, A.F.Klebanov and M.Yu.Khoudine // Proceedings 26th APCOM. -Pensilvania, USA.-P. 373 375.

61. Kovalenko S.K. Dispatch and Control System for Mobil Equipment / S.K.Kovalenko, N.M.Sergeeva, A.F.Klebanov, K.G.Klimachov, E.M.Andreevskaya // Open Cast Mine, Proceedings 27th APCOM, London, UK.-P. 577-585.

62. Bosalc J. XML, Java, and the future of the Web Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.sciam.com/1999/0599issue/0599bosak.html, свободный.

63. Bosak J. XML and the Second-Generation Web Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.sciam.com/1999/0599issue/0599bosak.html, свободный.

64. Печерский А. Язык XML практическое введение Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.citforum.ru/ internet/xml/index.shtml, свободный

65. Кирсанов Д. XML против HTML Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.inter.net.ru/l/l9.html, свободный.

66. Официальный сайт языка MathML Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.w3.org/Math/, свободный.

67. Использование XML в бизнес-приложениях Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.interface.ru/fset.asp? Uii=/misc/news/m020221513.htm, свободный.

68. Устюжанин А. Знакомство с естественными XML-базами данных /А. Устюжанин, J1. Птицына//Электронный ресурс.-Режим доступа: http://www.raleigh.rU/a/pub/2002/nativexmldb.html, свободный.

69. Веб-сервисы и SOAP Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.uddi-russia.org/wspapers/paper5.htm, свободный.

70. Волков М.А. Архитектура открытой системы исследований, основанная на веб-сервисах // XLIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Труды. Новосибирск, 2005. - С. 225-227.

71. Сервис-ориентированная архитектура, по материалам зарубежных сайтов // Intersoft Lab Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.iso.ru, свободный.

72. Westerman J. SOA Today: Introduction to Service-Oriented Architecture Электронный ресурс. Режим доступа:http://vvww.dmreview.com/articlesub.cfm?articleID=7992, свободны й.

73. Westerman J. SOA Today: Business Value of SOA Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.dmreview.com/ articlesub.cfm?articleID=8262, свободный.

74. Материалы, опубликованные на сайте Консорциума по интеграции (Integration Consortium) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.integrationconsortium.org/, свободный.

75. Бабенко A.B. Исследование закономерностей параметров импульсного электромагнитного излучения при разрушении горных пород с учетом их зернистой структуры: Дисс. канд. техн. наук. -Кемерово, 2003. 146 с.

76. Баклашов И.В. Геомеханика: Учебник для вузов. В 2 т. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2004. - Т. 1. Основы геомеханики. - 208 с.

77. Иванов В.В. Физические основы электромагнитных процессов при формировании очага разрушения в массиве горных пород: Дисс. докт. техн. наук. Кемерово, 1994. - 366 с.

78. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения М.: Металлургия, 1977. - 360 с.

79. Иванов В.В. Статистическая модель электромагнитной эмиссии из очага разрушения в массиве горных пород /В.В. Иванов, А.Г. Лимонов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск: Наука. 1990. №2. - С. 53-56.

80. Иванов В.В. Прогноз ресурса долговечности горных пород на основе кинетико-статистических представлений об их разрушении / В.В. Иванов, П.В. Егоров, А.Г. Пимонов // Горная геофизика. -Тбилиси. Мецниереба, 1989. Ч.П. С. 135-137.

81. Иванов В.В. Определение констант термофлуктуационного уравнения прочности и параметров трещин на основе импульсного электромагнитного излучения горных пород / Иванов В.В. и др. //

82. Известия АН СССР. Физика земли, 1990. №7. С. 78-84.

83. Распространенные заблуждения о хранилищах данных // Intersoft Lab Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.iso.ru/cgi-bin/main/public.cgi?id=145, свободный,

84. Волков М.А. XML-хранилище для оценки электрофизических характеристик нагружаемых образцов горных пород / М.А Волков, Д.В. Соловьев, JI.A. Белина, А.Г. Пимонов // Вестник КузГТУ. -2006.-№6.2.-С. 68-72.

85. Bourret R. XML и базы данных // Школы консорциума W3C Электронный ресурс. Режим доступа: http://xml.nsu.ru, свободный.

86. Волков М.А. Программный комплекс оценки электрофизических свойств горных пород // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс-2006. Материалы XI Международная научно-практическая конференции, 23-24 нояб. 2006 г. Кемерово, 2006. -С. 318-320.

87. Волков М.А. XML-хранилище для изучения физико-механических свойств горных пород на разных этапах разрушения / М.А Волков, Д.В. Соловьев, Л.А. Белина, А.Г. Пимонов. М.: ВНТИЦ, 2007. -№50200700649.

88. Волков М.А. Архитектура открытой системы исследований наоснове XML-хранилища // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды V Всероссийской научно-практической конференции. Новокузнецк, СибГИУ, 2005. -С. 390-391.

89. Материалы, опубликованные на сайте сообщества программного обеспечения Apache (Apache Software Foundation) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.apache.org/, свободный.

90. Материалы, опубликованные на сайте школ консорциума W3C Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.w3schools.com, свободный.

91. Материалы, опубликованные на сайте языка программирования Python Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.python.org, свободный.

92. Материалы, опубликованные на сайте компании xmlsoft Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.xmlsoft.org, свободный.

93. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел / В.Р. Регель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский // Наука, М. 1974. 560 с.