Главная | Новости | Аналитика | Служба поддержки | Контакты | О нас

ПАРТНЕРЫ Научно-исследовательские институты Горнодобывающие предприятия Учебные заведения Общественные организации СОТРУДНИЧЕСТВО Исследовательское Методички Информационное Журналы Учебники Авторефераты Методики оценки прочности пород Синергетика в управлении массивом

СОБЫТИЯ


образовательные

научные производственные

КОНКУРСЫ


гранты стипендии премии награды

призы программы обмены студии

тренинги стажировки летние школы

ФОТОГАЛЕРЕИ


научно-образовательные и горнодобывающие центры Украины

КОНТАКТЫ


koordinator_rudana
analitik_rudana
tehnolog_rudana
consultant_ua
gemmolog_rudana
innovacii_rudana
filolog_rudana
secretar_rudana


ПРОГРАММЫ

ССЫЛКИ


 

??????-??????????????? ????? «???????????? ?????????????? ??????: ????????, ???????, ?????»

Главная   

Образовательно-научно-производственный портал «Рудана»

Синергетика в управлении состоянием массива горных пород

О.Е. Хоменко

автор: Олег Хоменко

Синергетика царит в науке!

 

Теории прочности, разработанные до настоящего времени, определяют напряженно-деформированное (НДС) и трещинообразование на больших глубинах весьма приблизительно. В свою очередь, от НДС массива зависят условия поддержания горных выработок, проведения подготовительных и очистных работ, а также вероятность проявления динамических явлений. В решении современных актуальных проблем ведущую роль начинает играть новая наука, образовавшаяся на стыке фундаментальных наук – синергетика.

 

Реальная горная выработка предоставляет собой сложною открытую систему взаимодействия горного давления, сопротивления крепи и горно-геологических факторов, которые изменяются во времени и пространстве. Синергетика рассматривает закономерности поведения нелинейных открытых систем в состоянии неустойчивости, что достаточно близко к реальным условиям поддержания горных выработок.

 

Система «горный массив – выработка» на больших глубинах, как правило, сильно удалена от своего механического равновесия. Все физические процессы в массиве на больших глубинах обусловлены процессами трещинообразования и сводятся к результирующему процессу – к самопроизвольному переходу части массива в псевдоагрегатное состояние «разупрочненный массив». Благодаря синергетическому подходу в исследовании этой области открывается возможность прогнозирования поведения массива в новом НДС.

 

До производства горных работ массив горных пород находится практически в уравновешенном НДС. При вскрытии его выработкой образуется свободная поверхность и начинает восстанавливаться потерянное равновесие путем упругого деформирования массива в сторону обнажения. При этом развивается группа трещин, которая при докритических параметрах образует отжим массива, а при критических – его выброс. Определение граничных условий отжимов, пучений, вывалов и выбросов для конкретных горно-геологических условий и является основной задачей синергетики в горном деле.

 

Впервые термин синергетика был введен великим английским физиологом Шеррингтоном в 1868 г. Сто лет спустя, профессор Штудгардского университета Германии Герман Хакен снова применяет термин синергетика для определения совокупного, кооперативного действия атомов, молекул или более сложных образований. В дальнейшем с 1973 г в Германии каждые два года проводятся симпозиумы по синергетике и издаются сборники докладов. В 1978 г. издается первая монография Г. Хакена, посвященная синергетике – новой дисциплине, возникшей на стыке физики, химии, математики, термодинамики, биологии, социологии, философии, астрономии и других наук. Уже в 1983 г. выходит вторая книга известного западногерманского физика-теоретика Г. Хакена «Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах».

 

В дальнейшем теория синергетики подхватывается широким кругом исследователей всего мира. Всепроявляющийся интерес к теории самоорганизации служит факт переиздания книг Г. Хакена на русском, японском, французском и других языках. Распространение теории синергетики похоже на лавинообразный процесс. Столь стремительный прогресс объясняется высокой степенью универсальности теории, возможностью применения почти в любой области науки и объяснение многих, не поддающихся анализу процессов.

 

В дальнейшем теория синергетики подхватывается широким кругом исследователей всего мира. Всепроявляющийся интерес к теории самоорганизации служит факт переиздания книг Г. Хакена на русском, японском, французском и других языках. Распространение теории синергетики похоже на лавинообразный процесс. Столь стремительный прогресс объясняется высокой степенью универсальности теории, возможностью применения почти в любой области науки и объяснением многих, не поддающихся анализу процессов.

Эволюция – процесс развертывания, взрыв активности, расхождение и дезинтеграция с частичным распадом.

Инволюция – процесс свертывания, схождения к центру, интеграция.

Коэволюция – совместное гармоническое существование человека и природой.

Неустойчивое равновесие – состояние системы (среды), в которой для поддержания равновесия требуется большое количество энергии, и ее структура зависит от единичных возмущений.

Устойчивое равновесие – состояние системы (среды), в котором единичные возмущения (возбуждения) не играют существенной роли.

Неустойчивость – это вероятностный распад сложно организующихся структур вблизи момента обострения (точки бифуркации).

Флуктуация – микроскопические движения, вызывающие быстрый, лавинообразный процесс выхода на более высокий уровень организации.

Точка бифуркации – момент перехода системы (среды) в организованное состояние или наоборот.

Диссипативная структура – это структура с более высоким, более дифференцированным уровнем упорядоченности или организации.

Когерентность – согласование темпов жизни структур посредством диффузионных, диссипативных процессов, являются макроскопическими явлениями хаоса.

 

Согласно теории синергетики, любая система может находиться в трех состояниях, поочередно в прямом или обратном направлении:

- равновесном, относительно устойчивом, при котором система, будучи выведенной из своего исходного состояния, возвращается к нему;

- слабо неравновесном, в котором система ведёт «спокойно», подчиняясь линейным зависимостям;

- сильно неравновесном, в котором господствуют нелинейные зависимости и нелинейная детерминация.

 

Статус основополагающих детерминант приобретают точки бифуркации. Как правило, они располагаются между первым и третьим состояниями систем. В сильно упрощенном виде сущность теории систем, по словам И. Пригожина, сводится к следующему. «Некоторые части вселенной действительно могут действовать как механизмы. Таковы замкнутые системы, но они в лучшем смысле, составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, представляющих для нас интерес, открытые – они обмениваются энергией или веществом (можно было бы добавить: и информацией) с окружающей средой. К числу открытых систем, без сомнения, принадлежат биологические, социальные системы, а это означает, что любая попытка понять их в рамках механической модели, заведомо обречена на провал».

 

Кроме того, открытый характер подавляющего большинства систем во Вселенной наводит на мысль о том, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок, стабильность и равновесие: главную роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность. Пригожинская парадигма особенна тем, что она акцентирует внимание на аспектах реальности, наиболее характерных для современной стадии ускоренных социальных изменений: разупорядочности, неустойчивости, разнообразии, неравновесности, нелинейных соотношениях, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе, и темпоральности – повышенной чувствительности к ходу времени.

 

Помимо того, что системы подразделяются на открытые и замкнутые, открытые системы могут находиться в уравновешенном состоянии, слабо уравновешенном и неуравновешенном состояниях. В уравновешенном состоянии система нуждается в меньшем объеме энергии, вещества и информации, нежели в неустойчивом состоянии. В неустойчивых системах сильно развиты возбуждения и возмущения, которые в дальнейшей жизни систем играют решающую роль. Согласно теории изменения, когда на систему, находящуюся в сильно неравновесном состоянии, действуют, угрожая ее структуре, флуктуации (возмущения, возбуждения), наступает критический момент – система достигает точки бифуркации (перехода, ветвления). В этой точке совершенно невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. После выбора одного из многих возможных путей развития вновь вступают силы детерминизма (стабильности, устойчивости).

 

Согласно синергетической теории изменения, когда на систему, находящуюся в сильно неравновесном состоянии, действуют, угрожая ее структуре возмущения, напряжения, наступает критический момент – система достигает точки перехода. В этой точке совершенно невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. После выбора одного из многих возможных путей развития вновь вступают силы детерминизма. Одной из наиболее интересных особенностей динамического состояния вещества, отражающей взаимодействие данной системы с окружающей средой, является их согласованность. Система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими, то есть действуют на расстоянии порядка 10–8 см, система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом. Структуры в неравновесно-перенапряженном состоянии становятся очень чувствительными как к внутренним, так и к внешним всевозможным возбудителям. На несколько антропоморфном языке можно сказать, что в состоянии равновесия материя «слепа», тогда как в сильно неравновесных состояниях она обретает способность различия во внешнем мире (например, слабые гравитационные и электрические поля) и учитывать их в своем функционировании.

 

Таким образом, вблизи точек перехода в другое состояние основную роль играют случайные элементы. Все рассматриваемые модели перехода через случайности к порядку открывают перед нами неустойчивый мир, в котором малые причины порождают большие следствия. Эти слова обретают максимальную силу в наше время. Известный футуролог Е. Дрор выразил суть этой новой ситуации так: мы живем в мире, в котором возрастает вероятность маловероятностных событий. Другими словами, возрастает роль незначительных колебаний, а это происходит в непосредственной близости к точке перехода.

 

Сильно неравновесные системы могут быть названы организованными, так как усиление микроскопического возмущения, пришедшего в «нужный момент», приводит к выбору единственного пути из ряда одинаково возможных вариантов. В этих системах процессы самоорганизации соответствуют тонкому взаимодействию между случайностью и необходимостью возмущениями и детерминистическими законами. Таким образом, вблизи точки перехода в новое состояние основную роль играют мелкие возмущения или случайные элементы. Все рассматриваемые модели перехода через возмущения к порядку открывают перед исследователем неустойчивый мир, в котором малые причины порождают большие следствия. Пользуясь методом дедукции можно увидеть, что по синергетической модели развивается все, что нас окружает. Исключением являются те процессы, к которым человечество приложило свою руку, пытаясь стабилизировать и уравновесить среду своего обитания.

 

Оказывается, главное – не сила, а правильная конфигурация воздействия на сложную минеральную систему. Малые, но правильно организованные – резонансные воздействия на сложные системы чрезвычайно эффективны. Поразительно, что это свойство сложной организации структур было познано еще тысячелетия назад родоначальником даосизма Лао-Цзы и выражено в вечно озадачивающей нас форме: слабое побеждает сильное, мягкое побеждает твердое, тихое побеждает громкое и так далее. Синергетика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самоорганизующего роста, какими являются горные удары, внезапные выбросы газа и прорыва воды.

 

Рассеивание энергии вокруг выработок действует во всех направлениях, но неодинаково. Некоторые виды и формы распределения энергии остаются, другие смазываются. Для возникновения энергии нужна открытая и нелинейная система. Диссипация напряжений и фактор случайного их распределения создают возможным образование регулярной структуры. То есть, вокруг выработки образовываются определенные формы устойчивой структуры. Малые, но пульсационные воздействия на крепь, в конце концов, приводят выработку к разрушению. Чем больше эти воздействия, тем больше вероятность разрушения выработок. Малые изменения энергии есть всегда, но к разрушению выработок приводит ассиметричные направления энергии. В некоторых случаях происходят упрощение структуры, что позволяет сохранить ее устойчивость.

 

Создание горной выработки вызывает смещение равновесия в сторону обнажения, а, следовательно, и возрастание механической энергии вокруг выработки. Достигнув критической плотности энергии на единицу площади обнажения поверхности, получаем энергетический скачок, который вызывает перестройку структуры горного массива. Проведение выработок в докритических параметрах вызывает рост трещиноватости. При проведении горных выработок превышающих критические параметры, получаем сильную реакцию, например, в виде горного удара или выброса угля, газа. Когда приложенные силы объединяются, они действуют как одно целое. При правильном расположении выработок силы сопротивления складываются, при неправильном объединении вычитаются. Прошлое и будущее впечатаны в архитектуру системы. Малые изменения в системе служат фоном для быстрых скачков. Они могут существовать раздельно друг от друга, а среда выступает как носитель будущих структур.

 

При образовании трещин вокруг горных выработок происходит их раскрытие параллельно и схлопывание перпендикулярно нормальным напряжениям. При этом развивается раскрытие и схлопывание трещин в некоторой локальной области. Так хрупкое разрушение мы можем отнести к хаосу, а схлопывание трещин – к образованию порядка. Большое влияние на структурирование трещин оказывает упругая волна, появляющаяся при проведении горных выработок. Она структурирует свойства массива горных пород. Математическим моделированием установлено, что нелинейные открытые системы таят в себе различные формы структур – путей эволюции. Будущее системы зависит от предыстории систем, от современного поведения. Некоторые элементы системы, проявляющиеся сейчас, влияют на всю систему в целом. В одних условиях крепь будет разрушаться, в других – стабилизироваться и увеличивать свою прочность.

 

Идеи синергетики еще практически не осмыслены представителями технического знания и весьма редко используются для анализа исследуемых объектов. Вместе с тем, они содержат мощный эвристический потенциал, овладение которым могло бы удержать исследователей от ошибок при анализе процессов разработки месторождений полезных ископаемых и эффективного управления состоянием массива горных пород. Так, например, геомеханика изучает закономерности простейшей формы движения относительного перемещения тел в пространстве со временем, которые в значительной степени зависят от начальных условий. Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул или других частиц, из которых состоят окружающие нас тела и замкнутые системы. Синергетика же оперирует макроскопическими свойствами открытых систем, находящихся в уравновешенном, слабо уравновешенном и неуравновешенном состояниях. Следует подчеркнуть, что в уравновешенном состоянии система нуждается в меньшем объеме энергии и вещества, нежели в неустойчивом состоянии. В неустойчивых системах сильно развиты возбуждения и возмущения, которые в дальнейшей жизни систем играют решающую роль.

 

Что? Где? Когда?

СИСТЕМНЫЙ   ПОДХОД  ДАЛ  ФОРУ  ОСТАЛЬНЫМ

Сделать стартовой
Добавить в избранное
Поиск по порталу
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам страниц
Поиск по заглавиям, описаниям, ключевым словам и телу страниц
Новости

07.11.12
Пополнение библиотеки портала «Рудана»
Вышло из печати новое учебное пособие (Физико-химическая геотехнология / Н.М. Табаченко, А.Б. Владыко, О.Е. Хоменко, Д.В. Мальцев – Д.: НГУ, 2012. – 310 с.). Рецензентами выступили М.С. Четверик, доктор технических наук, старший научный сотрудник, профессор, заведующий отделом геомеханических основ разработки месторождений ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины и В.В. Цариковский, доктор технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом подземных горных работ и геомеханики ГП «Научно-исследовательский горнорудный институт».


Аналитика

В.В. Русских
Программное обеспечение для управления проветриванием шахт
Современные горные предприятия имеют значительную протяженность горных выработок и, как правило, проводят эксплуатацию месторождений в сложных геотехнологических условиях. С увеличением глубины горных работ возрастает выделение опасных и вредных газов, повышается температура горных пород и воздуха, возрастает горное давление. Данные факторы влекут за собой ухудшение контроля и управления распределением воздуха по горным выработкам, вызывают значительный расход электроэнергии на проветривание, которое достигает 40% от общих затрат предприятия, что составляет 5 млн грн. в год.

Ответы на Ваши вопросы
Будьте в курсе всех новинок портала
Подпишитесь на рассылку
E-mail:
  Подписаться
Сообщить о неточностях
на сайте

????????????????? «??????»

??????? ??????????? ??????? «??????»

Контактные лица по проекту:

Олег, e-mail: koordin@rudana.in.ua

Наталья, e-mail: romah-v@mail.ru

Page Rank Icon Rambler's Top100
Дизайн и поддержка: http://inter-biz.info/
Программирование: Пуляев Ю.А.