Проблемы развития механики Земли, геодинамики глубинных и нелинейных механических процессов, научных основ освоения подземного пространства

На всех этапах человеческой истории механика и инженерное дело рассматривались как единое целое. Это связано с тем, что успехи механики зачастую относят не к самой фундаментальной науке, а к ее производной – технике, строительству, транспорту и т.д.
В настоящее время механика превратилась в разветвленную область знания. По физическим моделям, используемым при исследованиях явлений и процессов, она разделяется на механику абсолютно твердого тела, механику деформируемого твердого тела, механику жидкости, газа и плазмы. По применяемым методам она разделяется на аналитическую механику, вычислительную механику, экспериментальную механику. По конкретным отраслям практической деятельности человека механику разделяют на отдельные научные направления: механика ракетостроения и космического полета, строительная механика – вообще и самолета, корабля – в частности, механика материалов – вообще и композитных материалов – в частности, биомеханика и механика человека, небесная механика, механика Земли, горных пород и грунтов, механика подземных процессов и сооружений и т.д. Эти направления настолько объемны и значимы, что по ним существуют всемирные и континентальные ассоциации, общества, комитеты, союзы и проводятся раздельно крупные международные конгрессы, съезды, конференции; имеются специальные издания, журналы и т.д.
В настоящее время фундаментальные исследования по механике деформируемого твердого тела во всем мире выполняются главным образом в следующих основных направлениях:
– создание упругих, пластических, реологических, вязко-упругопластических моделей материалов, конструкций, сооружений, тел и сред при разнообразных воздействиях силовых, температурных и электромагнитных полей;
– создание упругих, пластических, реологических, вязкопластических деформаций тел, металлов конструкций, сооружений различного назначения при разнообразных внешних воздействиях, типа температура, постоянные нагрузки, взрыв, землетрясения и др.;
– исследование напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости тоннелей метро, горных выработок, морских платформ и скважин нефтяных и газовых месторождений;
– комплекс исследований напряженного и деформированного состояния, устойчивости и прочности сооружений, разно ориентированные подземные полости типа горных выработок, тоннелей, станционных и перегонных тоннелей метрополитена, нефтяных и газовых скважин и др. в статических и динамических (в том числе, сейсмических) постановках;
– разработка научных основ макромеханики, мезомеханики, микромеханики и наномеханики с учетом все более мелкомасштабной внутренней структуры.
В геодинамике и механике разрушения происходит интенсивное развитие исследований, связанных и изучением нестационарных процессов в зонах разломов земной коры. Эти исследования находятся на стыке следующих научных направлений: полевые исследования движений земной коры в приразломных зонах и их связь с землетрясениями; лабораторные исследования напряженно-деформированного состояния твердых тел с зонами нарушений типа трещин; исследования по механике очага тектонического землетрясения; теоретические исследования предельных состояний твердых тел; теоретические исследования разрушения твердых тел с трещинами.
Институт механики и машиноведения имени академика У. А. Джолдасбекова – головное научное учреждение, осуществляющее фундаментальные и прикладные исследования в области механики в Республике Казахстан. Под руководством академика Ж. С. Ержанова построена общая теория вращения динамически асимметричной и неуравновешенной абсолютно твердой Земли в неограниченной постановке (Ж. С. Ержанов, А. А. Калыбаев). Вариант этой теории был принят в качестве Международного стандарта редукционных вычислений.
Неустойчивость вязкопластического деформирования литосферной оболочки при внутреннем давлении исследована по проблемам тектоники, связываемым с современными геологическими концепциями расширяющейся или нетектоническим этапом пульсирующей Земли (Ж. С. Ержанов, А. К. Егоров).
Процесс потери динамической устойчивости Земли как деформируемого тела, вызванной силами инерции ее вращения, увязан с сейсмическими явлениями в Земле (А. К. Егоров, Ж. Ш. Жантаев). Рассмотрена устойчивость эллиптической литосферной оболочки (К. К. Коксалов). Выдвинута теория и разработаны основы геопульсаций (А. А. Баймухаметов).
Теория ползучести горных пород, основанная на принципах наследственности Больцмана-Вольтерра, нашла экспериментальное подтверждение исследованиями Ж. С. Ержанова и его учеников (Ш. М. Айталиева, Ю. А. Векслера и др.) во всех угольных и горнорудных бассейнах СССР.
Впервые разработаны анизотропные механико-математические модели упруго-вязкого деформирования мелко-, крупно- и с периодическими системами щелей слоистых горных массивов и предложены методы исследования устойчивости разно ориентированных выработок произвольной протяженности и глубины заложения в них.
Создана теория сейсмостойкости подземных сооружений в складчатом анизотропном массиве и на ее основе проведены экспертизы сейсмоустойчивости запроектированных тоннелей и станций Алматинского метро (Ж. С. Ержанов, Ш. М. Айталиев, Ж. К. Масанов).
Разработана реологическая модель деформирования транстропного массива с произвольным углом падения пород, произвольной ориентацией горизонтальной горной выработки относительно линии простирания пород и наклоном выработки к горизонту (Ж. С. Ержанов, Ш. М. Айталиев, Ж. К. Масанов и Р. Б. Баймахан).
Проводятся исследования нелинейных процессов, описываемых системой нелинейных дифференциальных уравнений или системой линейных дифференциальных с переменными коэффициентами (А. Н. Тюреходжаев и др.).
Исторически сложившиеся научные школы по механике деформируемого твердого тела в Республике Казахстан имеют свою отличительную особенность и нишу в мировой науке. Исходя из наличия новых идей и кадрового потенциала, способного реализовать их и приложить результаты в инженерную практику, стратегическим направлением фундаментальных исследований в области механики представляется развитие механики Земли, геодинамики глубинных процессов и научных основ освоения подземного пространства, нелинейных механических процессов.
Механика Земли и глубинных процессов включает:
– исследования в направлении построения полной математической модели Земли с учетом влияния Солнца, планет и Луны, движения вещества в глубинах Земли, взаимодействия ее различных структурных элементов в связи с эволюцией земных недр в течение всего периода образования и развития Земли;
– разработку механики тектонического развития Земли, создание теории тектонического разлома и орогенеза, механизма возникновения и распространения глобальных разломов и нестационарных процессов в зонах разлома, закономерностей роста соляных куполов и мест накопления нефти и газа;
– развитие теории геопульсации взамен догме о неизменности размеров Земли и концепции расширяющейся Земли;
– исследование бифуркационных колебаний упругой Земли и явление георезонанса.
В области механики деформируемого твердого тела необходимы:
– уточненные разработки механических моделей деформирования сложноустроенных неоднородных массивов, учитывающих упруго-вязкопластические и анизотропные свойства;
– теоретические исследования статических состояний и устойчивости разных полостей в упругом вязком неоднородном теле;
– исследование динамического взаимовлияния наземных и подземных полостей неглубокого заложения в упруго-вязкопластическом деформируемом теле;
– изучение устойчивости разно ориентированных полостей в неоднородно-слоистом щелеватом анизотропной среде с разработками соответствующих пакетов программ на языках высокого уровня;
– методами механики деформируемого тела комплекс исследования упругого напряженного состояния и устойчивости пространственных механизмов и машин с анизотропными их составляющими.
Механика освоения подземного пространства, объектов нефтегазовой и горнорудной отрасли, транспортных и специальных сооружений включает:
– разработку методов оценки техногенных взрывных воздействий;
– развитие сейсмодинамики неоднородной и нелинейной среды с блочной структурой;
– совершенствование имеющихся моделей горных пород и грунтов с учетом их внутренних структур;
– управление состоянием налегающего массива и поддерживающих его целиков с учетом особенностей геологической среды;
– исследование сейсмостойкости подземных сооружений в зоне тектонических разломов;
– разработка методов расчета морских сооружений как форпоста морской нефтедобычи;
– развитие механики глубоких и сверхглубоких нефтегазовых скважин, исследование динамических процессов бурения, обеспечение прочности и устойчивости обсадных колонн и стен скважин;
– создание основ физико-химической механики применительно к агрессивным засоленным грунтам.
Нелинейные механические процессы и эффективные методы их исследования включают:
– решение нелинейных задач механики, связанных с гироскопическими приборами высокой точности;
– решение задач по динамическому и квазистатическому деформированию механических систем с сухим трением;
– решение нелинейных задач устойчивости и прочности тонкостенных конструкций;
– решение нелинейных задач термоупругости.
В области геодинамики и механики нефтепроводов стратегия развития включает в себя решение следующих проблем:
– динамическая устойчивость деформирования нефтепровода с отложениями, исследование возможности проявления резонансных эффектов в нефтепроводе, проведенном в морской воде с целью принятия превентивных мер безопасности;
– продолжение исследований, связанных с проявлением георезонансов, являющихся спусковым механизмом для землетрясений. Работа будет проводиться с целью максимального уточнения времени, места и силы землетрясения. Для этой цели будет изучена дилатационная модель Земли, учтена ее слоистость. Намечается определить параметры модели Земли, позволяющие наиболее адекватно отразить реальное ее поведение. Будет учтено геолого-геофизическое состояние литосферы и верхней ее части – коры Земли;
– исследование лунно-солнечных приливов во вращающейся Земле с целью повышения эффективности нефтедобычи.
Имеющиеся сведения по теории устойчивости динамических колебаний упругих тел при конечных однородных деформациях основного состояния носят общий характер и не дают конкретных решений для класса тел, граничные поверхности которых имеют цилиндрическую форму. Поэтому на перспективу целесообразно планировать исследования, которые восполняют этот теоретический пробел путем рассмотрения динамических форм потери упругой устойчивости деформирования и свободных упругих динамических колебаний по высоким гармоникам слоистых цилиндрических тел с целью применения полученных результатов к уточнению расчетов на прочность нефтепровода с отложениями, проведенного в морской воде. Ценным представляется также исследование этой системы на возможные резонансные эффекты в ней.
Важным также является продолжение исследований, связанных с явлениями георезонансов, являющихся спусковым механизмом для землетрясений. Предполагается дать максимальное уточнение времени, места и силы землетрясения. Для этой цели намечается решение проблемы в случае дилатационной модели Земли с учетом ее слоистости. Необходимо определить физические параметры модели Земли, позволяющие наиболее адекватно отразить реальное ее поведение. При этом необходим учет геолого-физического состояния литосферы и верхней ее части – коры Земли.
При добыче нефти ее количество в огромных подземных резервуарах начинает убывать. Оставшаяся часть нефти под влиянием различных факторов плещется, образно говоря, как море, несмотря на ее вязкость. На частицы деформируемого материала Земли действуют силы, возникающие вследствие ее вращения вокруг собственной полярной оси в потенциальном силовом поле внешних космических тел, движущихся с течением времени по своим орбитам. Такими внешними космическими телами являются, в основном, Луна и Солнце. Поскольку частицы деформируемого материала Земли находятся в условиях динамического воздействия сил инерции вращения и приливообразующих сил, вызываемых Луной и Солнцем, возникают скорости относительного движения частиц во вращающейся Земле, что приводит также к возникновению кориолисовых сил, влияние которых особенно заметно в жидкой среде, в нашем случае в плещущейся нефти. В определенные периоды времени и в определенных местах граничной поверхности резервуара, где расположены скважины, возникает волна нефти с максимальной амплитудой. В это время и в этих местах и следует проводить откачивание нефти. То есть из определенного числа скважин следует указать те, в которые пойдет нефть под воздействием указанных сил.
В связи с этим весьма перспективными являются исследования, которые включают в себя изучение поведения вязкой жидкости (нефти) в резервуаре, частично заполненном этой жидкостью, под воздействием указанных выше сил. При этом имеется в виду, что на поверхности, подобной граничной поверхности резервуара, на сравнительно небольшом удалении от последней влияние резервуара практически не сказывается на поведении среды. В самой же среде поведение материала описывается с помощью результатов, полученных на первом этапе исследования.
Эти результаты позволят решить задачу о поведении вязкой жидкости в резервуаре под воздействием указанных выше сил при соответствующих краевых и начальных условиях. Здесь можно применить метод линеаризации соответствующих соотношений движения вязкой жидкости, а также численные методы решения задачи. Кроме того, здесь целесообразно учесть влияние кориолисовых сил. После завершения исследований можно указать время и место максимальной волны нефти, совпадающей с местом расположения определенной скважины. Здесь и следует откачивать нефть. Иначе говоря, результаты проведенного исследования позволят дать рекомендации по повышению эффективности нефтедобычи.
В области термоупругости исследования могут быть направлены на разработку фундаментальных методов изучения физико-механических свойств и прочностных характеристик несущих элементов конструкций любой конфигурации, работающих в сложных температурно – силовых полях.
Действительно, на практике в целях облегчения веса конструкций в качестве ее несущих элементов используются полые стержневые элементы. В особых местах конструкций используются стержневые элементы переменного поперечного сечения. Применяются гибкие пластинки и оболочки, а также трехмерные тела сложной конфигурации. При этом во многих случаях эти виды несущих элементов конструкций одновременно испытывают воздействия точечных источников тепла, локальной температуры, теплового потока и теплообмена при наличии локальной теплоизоляции и внешних сил с различными характеристиками. Кроме того, если эти несущие элементы конструкций выполнены из специальных композитных материалов и сплавов, то в значениях коэффициентов теплового расширения модуль упругости материалов не постоянен, а зависит от закона распределения температуры по объему тела. Вследствие чего, затрудняется расчет на прочность таких элементов конструкций.
В связи с этим важным является решение вопросов по созданию универсальных математических моделей температурного и термонапряженного состояния трехмерных элементов конструкций произвольной формы при одновременном наличии частичной теплоизоляции, локальных поверхностных сил, точечных источников тепла, локальных тепловых потоков, температуры и теплообменов с учетом условий защемления, а также натурной зависимости коэффициента теплового раширения и модуля упругости материала от закона распределения температуры в объеме исследуемого тела. Очень важно разработать соответсвующие вычислительные алгоритмы, методы и комплексы прикладных программ, ориентированные на современные быстродействующие многоядерные компьютеры параллельного вычисления, которые позволят численно исследовать термонапряженное состояние элементов конструкций, работающих в сложном температурном и силовом поле. Предстоит решить класс задач термопрочности несущих элементов стратегических конструкций. Разработать соответствующие критерии термопрочности в зависимости от существующих параметров тела и условий эксплуатации.
Дальнейшие исследования в области локальной тектоники целесообразно направить на изучение напряженно-деформированного состояния пород осадочного комплекса и подсолевого ложа, механизма формирования нефтегазовых ловушек с учетом температурного поля:
– исследование механизма гравитационной неустойчивости в зависимости от температуры в плоской постановке;
– исследование напряженно-деформированного состояния солянокупольных структур в плоской постановке в зависимости от температурных градиентов;
– исследование механизма гравитационной неустойчивости в зависимости от температуры в осесимметричной постановке;
– исследование напряженно-деформированного состояния солянокупольных структур в осесимметричной постановке в зависимости от температурных градиентов;
– исследование механизма гравитационной неустойчивости в зависимости от температуры в трехмерной постановке;
– исследование напряженно-деформированного состояния солянокупольных структур в трехмерной постановке в зависимости от температурных градиентов;
– исследование приуроченности областей нефтегазовых ловушек к повышенным термическим градиентам.
На основе современной теории пластического течения с использованием метода расщепления по физическим процессам определяющих уравнений для сред релаксационного типа важны исследования следующих вопросов теории упругопластичности:
– исследование влияния упрочнения материалов на несущие способности элементов конструкций и сооружений (изотропное упрочнение, кинематическое упрочнение, теория пластичности Прагера-Дракера);
– исследование влияния времени релаксации материала на несущие способности элементов конструкций и сооружений;
– исследование продольно-поперечных волн в упругопластическом полупространстве;
– исследование продольно-поперечных волн в упруговязкопластическом полупространстве.
– исследование связанных задач теории упругопластичности и поврежденности.
В области механики тектонических и сейсмических процессов
необходимо дальнейшее исследование проблемы о медленных движениях земной коры и концентрации напряжений в разломных зонах, а также исследование механики нестационарных процессов в зонах тектонических разломов. Актуальны вопросы прогнозирования разрушения породных массивов, расчета медленных движений земной коры, содержащей блочные структуры и разломы, которые являются мощными источниками возмущений, контролирующих сейсмическую активность, фильтрацию флюидов, разрушение горных пород.
Стратегическими направлениями исследований являются разработки по обеспечению надежности и оценке ресурса трубопроводных систем нефти и газа:
– разработка технологии оценки состояния трубопроводов, механизма его разрушения, а также оценка экологических и экономических последствий его разрушения;
– определение параметров транспортируемой среды, прогнозирование и предупреждение аварийных ситуаций, анализ их возникновения и возможных последствий;
– определение геометрических параметров стенок трубы в зависимости от расположения дефектов на теле трубы, имеющих эрозионное, коррозионное, механическое и технологическое происхождение;
– оценка прочности газонефтепроводов на основе расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) трубопроводов методами механики деформируемого твердого тела (МДТТ);
– разработка методов определения остаточного ресурса магистральных трубопроводов на основе данных внутритрубной диагностики.
Очень важны для инновационно-индустриального развития Республики Казахстан дальнейшие исследования по разработке упругопластических моделей деформирования массива горных пород вблизи подземных сооружений:
– разработка модели непрерывно неоднородного деформируемого горного массива и аналитическое решение соответствующей задачи для объяснения явления зональной дезинтеграции горных пород вокруг подземных сооружений, отличное от существующего решения с позиций континуальной теории разрушения Е. И. Шемякина;
– разработка упругопластических моделей деформирования массива на основании модифицированных условий пластичности Кулона-Мора, Мизеса и Треска и решение упругопластических задач об НДС, прочности и устойчивости пород вокруг подземных полостей с учетом их разупрочнения и перехода в область запредельного деформирования (нелинейное монотонное деформирование);
– разработка упругопластических моделей деформирования массива на основании модифицированных условий пластичности Кулона-Мора, Мизеса и Треска и решение упругопластических задач об НДС, прочности и устойчивости пород вокруг подземных полостей с учетом эффектов их упрочнения и разупрочнения (немонотонное деформирование);
– разработка упругопластических моделей деформирования тел для исследования преждевременного разрушения неоднородных толстостенных оболочек (монолитных крепей выработок, облицовок тоннелей, обсадных колонн скважин).
Очень важным для Республики Казахстан также является дальнейшее развитие научных направлений по созданию представительных и совершенных механико-математических моделей деформирования упругих, упруго-вязко-пластических, неоднородно-слоисто-трещиноватых твердых тел, толщи горных пород и грунтов в условиях статических, динамических, температурных и других внешних воздействий. На их основе возможно будет решение новых классов плоских и пространственных задач механики деформируемого твердого тела, горных пород и грунтов, теории подземных сооружений, а также фильтрации жидкости в напряженных телах усовершенствованными методами: теоретическими и численными (методы граничных и конечных элементов, метод граничных интегральных уравнений, метод конечных разностей) с разработкой пакетов прикладных объектно-ориентированных программ для компьютера.
В перспективе будет уделено значительное внимание приложениям разработанных методов и пакетов программ для решения важных прикладных задач: состояния и устойчивости протяженных и пространственных наземных и подземных (произвольный глубины и формы), прибрежных, морских (платформ) скважин (в напряженном нефтяном слоистом пласте) и других специальных сооружений в условиях деформирования среды и внешнего воздействия сил техногенного (взрывы, нагрузки) и природного (землетрясения, ветры, течения, волны и др.) характера.
Амандык ТУЛЕШОВ, д.т.н., профессор, генеральный директор ИММаш им. академика У. А. Джолдасбекова
Жайлау МАСАНОВ, д.т.н., профессор, ГНС ИММаш им. академика У.А. Джолдасбекова

Понравился пост? Расскажи об этом своим друзьям!
Загрузка...

Добавить комментарий