Во всяком случае, если речь идет о проектировании, считают ученые
Просадки, или, как говорят специалисты, сдвижения земной поверхности в местах добычи полезных ископаемых шахтным способом — явление неизбежное, а зачастую и опасное. Тем не менее многолетний опыт эксплуатации шахт хотя и позволил установить основные закономерности процесса, но так и не приблизил горняков к полному пониманию его механизма.
Постепенное, в течение нескольких десятков лет, перемещение земной поверхности, а иногда и внезапно образующиеся провалы, казалось бы, должны происходить строго над шахтной выработкой. Но зачастую земля начинает «уходить из-под ног» совсем в другом месте. В результате могут разрушаться наземные инженерные сооружения, дома, дороги. Поэтому не удивительно, что шахтеры, в том числе и белорусские, всегда мечтали иметь технологии составления точного прогноза поведения подземной стихии.
Сегодня благодаря работам ученых механико-математического факультета и факультета прикладной математики и информатики Белорусского государственного университета совместно со специалистами горной лаборатории и лаборатории исследования процессов сдвижения горных пород и геоэкологии ОАО «Белгорхимпром» эта важная задача близка к решению. По хозяйственным договорам с ОАО «Беларуськалий» исследователи разработали и передали горнякам в эксплуатацию компьютерную систему, построенную на основе разработанной математической модели расчета пространственного напряженно-деформированного состояния массивов горных пород с подземными сооружениями. Эта компьютерная программа уже начала использоваться для выполнения расчетов как для участков, на которых горные работы ведутся давно, так и для новых участков отработки Старобинского месторождения.
О том, насколько сложны и масштабны решаемые задачи, красноречиво говорит то, что ученые при выполнении расчетов на полную мощность используют суперкомпьютер семейства «СКИФ».
— Сложность вычислений заключается в том, что необходимо учитывать очень большое количество факторов, — поясняет заведующий лабораторией прикладной механики механико-математического факультета БГУ кандидат физико-математических наук Андрей Круподеров. — Например, важную роль играет и угол наклона выработки, и угол падения расположенных выше пластов, их плотность, пластичность, конфигурация и то, как они чередуются, каковы условия сцепления пластов — как они «скользят» относительно друг друга. Необходимо учитывать и наличие обводненных пластов, разломов земной коры, а также то, какими породами эти разломы заполнены. Я назвал только малую часть начальных условий задачи, которые «добываются» на основе данных геологических карт, разведочного бурения, базы данных физико-механических свойств пород, сейсморазведки и других источников. Конечно, у горняков есть методики, которые позволяют рассчитывать оседания земной поверхности и определять границы влияния выработок. Но благодаря нашей модели эти вычисления делаются намного быстрее и точнее.
В Солигорске же, кстати, будет востребована и еще одна исследовательская работа лаборатории в области геомеханики — модель расчета вероятности так называемых динамических срывов. Проще говоря, речь идет о техногенных землетрясениях, которые сопровождают горные работы постоянно, но всегда случаются неожиданно. Теперь же к ним можно будет подготовиться заранее.
— В лаборатории прикладной механики есть несколько исследовательских групп, которые развивают очень интересные направления, связанные с механикой деформируемого твердого тела, механикой сплошных сред в целом, — говорит первый проректор БГУ, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики, научный руководитель лаборатории доктор физико-математических наук, профессор Михаил Журавков. — Причем здесь разрабатываются как теоретические основы, так и прикладные приложения новых математических моделей для сложных механических процессов, которые доводятся до инженерных решений. Все это ведется на хорошем мировом уровне, и среди разработок есть вещи уникальные. Например, интересные результаты получены в моделировании процессов, возникающих при контакте рельса с движущимся колесом, причем рассматриваются они с позиций трибофатики — науки об износоусталостных повреждениях и разрушении материалов. Ведь, как выяснилось, износ металла в месте контакта на самом деле протекает не только за счет трения, но и под воздействием изгибающего момента, вибрации, других факторов. Результаты этих исследований очень важны для развития высокоскоростного движения тяжелонагруженных поездов, которое породило серьезную проблему для железных дорог.
Дело в том, что на контактной поверхности рельсов возникают волнообразные повреждения с непонятной особенностью: они нерегулярны. Эти дефекты приводят к таким колебаниям вагонов, что дело иногда заканчивается сходом поезда с рельсов. Вот почему во всех технологически развитых странах изучение таких повреждений ведется давно, усиленно и… малоуспешно: причины таинственных повреждений не удавалось установить и объяснить.
Решить загадку смогли ученые БГУ и Белорусского государственного университета транспорта. Партнеры разработали механико-математическую модель трибофатической системы колесо—рельс, анализ которой позволил установить и понять природу явления. Оно получило название троппи. Что интересно, волнообразные повреждения удалось не только объяснить, но и в сотрудничестве с ООО «НПО ТРИБОФАТИКА» и ПО «Гомсельмаш» воспроизвести в лабораторных условиях. Так железнодорожники, в том числе и российские, подтвердившие высокую значимость научного результата, получили ценнейшую информацию, которая важна для эффективной борьбы с опасным явлением.
Кстати, эксперименты по волнообразному износу были проведены на созданных гомельчанами испытательных машинах серии СИ — предшественниках универсального испытательного центра SZ-01, разработанного и изготовленного по техническим требованиям БГУ в ПО «Гомсельмаш» и ООО «НПО ТРИБОФАТИКА». Эта уникальная техника, не имеющая равных в мире, была недавно передана университету. Таким образом, БГУ получил возможность существенно повысить качество исследований и учебного процесса за счет физического моделирования работы узлов машин и оборудования.
Не менее интересные и актуальные проекты были реализованы учеными БГУ совместно с ПО «Гомсельмаш», ОАО «БелАЗ», ОАО «МАЗ» и РУП «МТЗ». Так, для жодинских карьерных самосвалов была создана модель лопаток новой турбины, которая позволила изготовить натурные образцы уже после того, как форму детали довели до совершенства в формате 3D. Полный цикл прочностных испытаний лопатки также прошли сначала в виртуальном режиме.
Через такую же процедуру недавно провели и режуще-измельчающий аппарат гомельского самоходного комбайна для заготовки кормов и уборки зерна. Основной элемент таких аппаратов — закупаемые за рубежом ножи. Изготовлены они из особой стали, а их режущая кромка упрочнена твердым сплавом. Университетские специалисты в сотрудничестве с конструкторами ПО «Гомсельмаш» разработали механико-математическую модель трибофатической системы узла комбайна и подтвердили, что перспективным материалом для изготовления ножей может быть… чугун! Правда, чугун не обычный, а высокопрочный, с шаровидным графитом и высоким сопротивлением усталости.
Надо отдать должное заводу, новинка была запущена в серийное производство предельно быстро. И, как выяснилось, с огромным экономическим эффектом. Эксплуатационные испытания показали: стойкость чугунных и стальных ножей практически одинакова, тогда как стоимость первых почти вдвое меньше.
Удачным оказался и проект, реализованный учеными университета по заказу предприятия «НИВА», на котором изготавливаются гидромеханизированные крепи для ОАО «Беларуськалий». Шахтная крепь — это очень сложное сооружение, и, чтобы испытать ее новую конструкцию, требуется изготовить и довести до разрушения, как минимум, три комплекта, каждый из которых стоит сотни тысяч долларов. Но, как показывает мировой опыт, если использовать виртуальную модель, то на доводке конструкции до нужного уровня можно и сэкономить, не поступившись качеством.
Именно так и поступили отечественные производители шахтного оборудования, обратившись за помощью в БГУ. Итогом сотрудничества партнеров стала компьютерная модель, с помощью которой сегодня определяются условия, при которых крепь должна сломаться. Но при натурных испытаниях на стенде доводить дело до поломки теперь нет необходимости. Если тестирующая аппаратура показывает, что реальный процесс проверки надежности деталей крепи идет по графику, который построен при численном моделировании, то специалисты прерывают испытания «на самом интересном месте», сохраняя обреченную в недавнем прошлом деталь для реальной работы в шахте.
По мнению ученых, если мы хотим поддерживать конкурентоспособность отечественной продукции на высоком уровне, то компьютерный анализ и моделирование, значительно сокращающие время и снижающие затраты на научные исследования и проектирование, должны активнее внедряться в практику. На это и ориентирован молодежный коллектив лаборатории прикладной механики механико-математического факультета БГУ.
На снимке: молодые ученые Сергей ЩЕРБАКОВ и Андрей КРУПОДЕРОВ готовят очередной эксперимент.
Фото: Валерий ХАРЧЕНКО
