III школа молодых учёных "Мониторинг природных и техногенных систем"

Радон – природный инертный радиоактивный газ, повсеместно распространенный в окружающей среде. В результате низкого воздухообмена содержание радона и его дочерних продуктов распада в помещениях зданий значительно выше, чем в атмосфере. В среднем объемная активность радона в жилых помещениях составляет 50 Бк/м3 , однако при определенных условиях эта величины может вырасти до нескольких сотен Бк/м3.
Высокий уровень объемной активности радона в воздухе может стать причиной развития рака легкого. Проблема защиты человека от облучения радоном в жилищах – междисциплинарная, изучается и решается в рамках целого спектра естественнонаучных дисциплин – радиобиологии, радиоэкологии, геоэкологии, газовой динамики, строительной физики и других наук. В лекции будут систематизированы данные об облучении человека радоном, полученные в последние годы как в ИПЭ УрО РАН, так и других научных организациях.

Приведены краткие сведения о физических свойствах радона. Описан механизм его влияния на здоровье людей. Изложены основы нормирования радиационной обстановки, в том числе в подземных объектах, характеризующихся наличием в воздушной среде радона и его дочерних продуктов. Дана характеристика территории России с точки зрения радоноопасности и выделены районы, где подземные объекты расположены в районах повышенной опасности с точки зрения выделения радона.
Представлены данные об особенностях формирования радиационной обстановки в урановых, металлических и полиметаллических рудниках, угольных шахтах, подземных сооружениях, не связанных с добычей полезных ископаемых. Выделены основные процессы, определяющие закономерности формирования радиационной обстановки в различных подземных объектах. Особое внимание уделено описанию факторов, влияющих на процессы переноса радона в горных породах и в рудничном воздухе, в протяжённых железнодорожных тоннелях Байкало-Амурской магистрали (Байкальский, Северо-Муйский тоннели), Санкт-Петербургском метрополитене, Яковлевском металлическом руднике.
Изложены подходы к выбору исходных данных для анализа радиационной обстановки с учётом высокой величины поступления радона в воздушную среду горных выработок, в частности методическому обеспечению определения величины удельных выделениями радона. Описаны математические модели переноса радона в горных породах и рудничном воздухе дано сопоставление данных натурных наблюдений с результатами вычислений.
Изложены методы контроля радиационной обстановки в горных выработках с высокими дебитами радона.
На примере Байкальского и Северо-Муйского железнодорожных тоннелей дана оценка эффективности использования различных мероприятий по нормализации в протяжённых горных выработках этих тоннелей радоновой обстановки.

Проблема понимания механизмов изменения климата в связи с происходящими процессами в Арктике имеет фундаментальный научный интерес и важна при обсуждении политических и экономических мер, направленных на смягчение последствий изменения климата. Парниковые газы – оптически активные компоненты атмосферы, которые, наряду с аэрозолями, оказывают ключевое влияние на энергетический баланс планеты, обеспечивают её парниковый эффект. Изучение процессов поступления, переноса, трансформации и удаления оптически активных атмосферных компонентов является в настоящее время одним из основных направлений исследований возмущающих климатическую систему воздействий. Ключевой инструмент для получения объективной информации об антропогенных и природных источниках эмиссий/стоков – мониторинг, получение длительных рядов наблюдений in-situ.
В докладе будут представлены результаты мониторинга парниковых газов на острове Белый (ЯНАО) с использованием измерительно-вычислительного комплекса на базе газоанализатора Picarro и метода пассивной ветровой локации атмосферы.

К настоящему времени большая часть нефтегазовых сооружений РФ выработала плановый ресурс на 60-70 процентов. 25 процентов газопроводов работают больше 20 лет, 50 процентов - от 10 до 20 лет, а 5 процентов вообще превысили нормативный резерв - 33 года. По магистральным нефтепроводам показатели тоже неутешительны: свыше 30 лет - 26 процентов, от 20 до 30 лет - 30; от 10 до 20 лет - 34 процента, до 10 лет только 10 процентов. Основная причина отказов нефтегазовых сооружений — коррозионные повреждения. В России 40-50 процентов машин и сооружений работают в агрессивных средах, 30 процентов — в слабоагрессивных, и только около 10 процентов не требуют активной антикоррозийной защиты. На внутрипромысловых трубопроводах нефти, воды и газа 95 процентов отказов приходится на внутритрубную и наружную коррозию. Трубы различных производителей существенно отличаются по эксплуатационным характеристикам. В ряде случаев уложенные в ремонтируемые трубопроводы новые трубы разрушаются быстрее, чем уложенные ранее. Основными причинами аварий на магистральных газопроводах являются наружная коррозия и стресс-коррозия (44,8 % случаев). Другими причинами являются повреждения при эксплуатации; нарушение условий и режимов эксплуатации; строительные дефекты; дефекты изготовления труб и оборудования; стихийные бедствия. Таким образом, контроль состояния трубопроводов из научно-технического направления по необходимости перерастает в одну из производственных отраслей. Большая протяженность, старение, разнообразие условий эксплуатации трубопроводов и большая опасность их аварийных отказов обуславливают потребность в развитии и расширении сферы применения физических методов и средств контроля качества труб и диагностики трубопроводов. В докладе анализируются виды и источники дефектов труб, указываются факторы, повышающие ресурс эксплуатируемых труб, описываются существующие и перспективные физические методы и средства диагностики труб как при изготовлении, так и при эксплуатации.

На сегодняшний день сейсмологический мониторинг является одним из наиболее эффективных инструментов, позволяющих контролировать процессы, связанные с геодинамической активностью недр – как природной, так и техногенной. Сеть сейсмических станций на территории Верхнекамского месторождения развивается с 1995 г. и на сегодняшний день представляет собой сложную иерархически организованную систему, позволяющую регистрировать широчайший спектр сейсмических событий – от тектонических землетрясений, происходящих на расстоянии в тысячи км, до чрезвычайно слабых сигналов, связанных с разрушением горных пород в окрестностях горных выработок. Это позволяет использовать данные для решения множества задач, связанных с безопасностью горных работ: плановый мониторинг на территории действующих рудников, детальные наблюдения на потенциально опасных участках, контроль аварийных зон в режиме реального времени и т.д. Для решения данных задач разработан малопотребляющий цифровой регистратор, служащий ключевым элементом мониторинговых систем как на земной поверхности, так и в горных выработках. Созданы программные комплексы, позволяющие эффективно детектировать целевые сейсмические сигналы на фоне интенсивных техногенных помех, а также определять основные параметры их источников (координаты очага и выделившуюся в нем сейсмическую энергию).

Анализируется волновой перенос энергии в неоднородной цепочке взаимодействующих частиц. Изучается эволюция произвольного возмущения конечной энергии. Аналогия между переносом массы и переносом энергии используется для разработки математических инструментов, позволяющих использовать уравнения классической динамики вещества для описания динамики энергии. Эффективная масса, импульс, момент инерции и другие величины, характерные для материальных тел, вводятся для тел энергетических. Вводятся понятия носителя и фантома, где носитель – это среда, способная передавать энергию, фантом – это виртуальное материальное тело, имеющее распределение массы, пропорциональное распределению энергии в носителе. Показано, что для неоднородной цепочки фантомы удовлетворяют второму закону динамики Ньютона. Для конкретных систем выводятся определяющие уравнения для суммарной силы, действующей на фантом, в результате чего получаются замкнутые уравнения динамики. Показано, что, подбирая определенным образом параметры цепочки, возможно получить для фантома уравнение динамики в гравитационном поле. Аналогичные методы используются для изучения дисперсии энергии в системе. Скорость переноса и скорость дисперсии вводятся для анализа эволюции фантома. Показано, что в зависимости от соотношения этих скоростей, фантом может вести себя либо как волна, либо как частица.
Обсуждаются приложения энергетической динамики для описания процессов в других областях современной физики, таких как квантовая механика, электродинамика и общая теория относительности. Предлагается концепция, согласно которой материю можно рассматривать как фантом в некотором носителе, являющимся иной сущностью, нежели материя. Обсуждаются взаимосвязь подобного носителя с известными моделями физического пространства. На основе представленной концепции предлагается качественное объяснение некоторых открытых вопросов современной физики.

В основе современных методов инженерного обеспечения горных работ для решения геологических, маркшейдерских и технологических задач лежит использование трёхмерных цифровых моделей, включающих информацию о геометрических размерах объекта, пространственном положении, физико-механических, технологических и технико-экономических свойствах объектов горной технологии. Структура и состав цифровых моделей и баз данных, программные средства создания и управление ими, методы и инструменты решения прикладных задач, способы визуализации моделей и подготовки на их основе технологической документации формируют цифровую технологию работы с пространственной геотехнологической информацией.
Моделирование объектов горной технологии и технологических процессов позволяет создавать цифровые двойники горнодобывающих предприятий, с помощью которых решаются задачи проектирования и планирования горных работ, обеспечение их безопасности, управления горными работами на основе диспетчеризации горнотранспортного оборудования, контроля за перемещением персонала и состоянием воздушной среды. Это, наряду с широким использованием дистанционно управляемой и роботизированной техники создает условия для перехода к малолюдным технологиям добычи и обогащения полезных ископаемых.

Мастер-класс посвящен применению компьютерной рентгеновской микротомографии для решения проблем фундаментальной и прикладной науки и техники. Компьютерная рентгеновская микротомография позволяет получить трехмерную внутреннюю микроструктуру объектов в высоком разрешении.
Компактный микротомограф Skyscan 1272 (Брукер, Бельгия), размещенный на базе ИМСС УрО РАН – филиала ПФИЦ УрО РАН, оснащен микрофокусным источником рентгеновского излучения и детектором – 16-мегапиксельной широкоформатной ПЗС матрицей, и позволяет исследовать структуру объектов с субмикронным разрешением. В комплекте с микротомографом Skyscan 1272 используется 16-позиционный ченджер для автоматического сканирования объектов и ряд платформ для механических испытаний на сжатие и растяжение, а также платформы нагрева и охлаждения для исследований температурных эффектов на внутреннюю микроструктуру объектов.
Микротомография имеет широчайшую сферу применения для визуализации микроструктуры объектов, материалов и сред для целей медицины, биологии, археологии, почвоведения, минералогии, горной и нефтедобывающей промышленности, а также прикладных задач материаловедения, включая композиционные и инновационные материалы. Отдельное внимание будет уделено вопросам настройки параметров сканирования, последующей реконструкции, а также 2D и 3D анализу.
Мастер-класс ориентирован на ознакомление студентов и аспирантов ВУЗов, специалистов предприятий с одним из передовых и активно совершенствующихся методов неразрушающего контроля внутренней структуры объектов с субмикронным разрешением.

Аддитивное производство (АМ) является частью Индустрии 4.0. В настоящее время АМ интегрировано во многие отрасли промышленности благодаря безграничным геометрическим возможностям изделий и относительному сокращению времени производства. Селективное лазерное спекание (SLS), как одна из технологий AM, использует лазерный луч для селективного скрепления частиц порошка. Очень важно знать взаимосвязь между технологическими параметрами и механическими, разрушающими и геометрическими свойствами. Для полной характеристики свойств образцов, полученных методом SLS, были проведены обширные механические испытания и испытания на излом. Кроме того, большую озабоченность вызывает вопрос, в какой степени полученные свойства относятся к материалу или к технологии, используемой для изготовления.

Теория критических расстояний (ТКД) - это название, которое было дано группе методик проектирования, все из которых используют параметр масштаба длины материала для последующей обработки локальных линейно-упругих полей напряжений вблизи мест зарождения трещин. Целью данного доклада является исследование того, насколько простая линейно-упругая ВЗР успешна в прогнозировании статической прочности деталей с надрезом, изготовленных из 3D-печати полилактида (PLA), при этом PLA является термопластичным алифатическим полиэстером, который производится из возобновляемых биоразлагаемых ресурсов.
Впоследствии был сформулирован передовой подход, основанный на концепции эквивалентного гомогенизированного материала и теории критических расстояний, для статической оценки простых/зазубренных объектов из полилактида (PLA) при аддитивном производстве этого полимера с различными уровнями наполнения. Основная идея заключается в том, что внутренняя сетчатая структура, возникающая в результате процесса 3D-печати, может быть смоделирована, если рассматривать материал как линейно-упругий, континуальный, однородный и изотропный, при этом влияние внутренних пустот учитывается с точки зрения изменения механических/прочностных свойств. Эта идея первоначально используется для оценки негативного влияния производственных пустот на статическую прочность простого (т.е. незазубренного) материала. Это делается путем решения этой проблемы в рамках метода Китагавы-Такахаши с помощью теории критических расстояний. Впоследствии этот подход распространяется на статическую оценку компонентов с надрезом из 3D-печати PLA, т.е. он используется для одновременного учета влияния как производственных пустот, так и макроскопических геометрических особенностей.
Точность и надежность методологии проектирования, рассмотренной в настоящем докладе, систематически проверяется на большом количестве экспериментальных данных, полученных при испытании образцов 3D-печати PLA. Высокий уровень полученной точности убедительно подтверждает мнение о том, что статическая оценка 3D-печатных материалов со сложной геометрией и изготовленных с различными уровнями наполнения может быть получена путем простой постобработки обычных линейно-упругих конечноэлементных (КЭ) твердотельных моделей, т.е. без необходимости явного моделирования пагубного влияния производственных пустот.

I. Иерархический подход к построению геомеханических моделей природных объектов. Предложен метод поэтапного решения краевых задач на основе иерархии объемных геомеханических моделей. Граничные условия на первом – глобальном уровне – формулируются на основе косвенной (сейсмотектонической, геодезической) информации о полях напряжений в литосфере. На втором (региональном) и третьем (локальном) уровнях для этой цели используются результаты расчетов с предыдущего иерархического уровня, уточняемые по данным измерений in situ параметров геомеханических полей. Реализация подхода выполнена для объектов: «Центральной Азия и ее обрамление», «Алтае-Саянская складчатая область» и «Таштагольское железорудное месторождение». Для последнего объекта построена детальная геомеханическая модель, с использованием которой описан процесс эволюции напряженно-деформированного состояния при его отработке в 1978-2018 гг.
II. Эволюция поля напряжений в процессе отработки месторождения и техногеннаясейсмичность. На основе статистического анализа характеристик пространственно-временного распределения очагов индуцированных горными работами динамических событий установлена их корреляционная связь с параметрами напряженного состояния. Предложенный подход, который апробирован с использованием базы данных сейсмических событий Таштагольского месторождения в 1989-2018 гг., позволяет на основе планов горных работ и форвардных расчетов полей напряжений дать прогнозную количественную оценку уровня техногенной сейсмичности и локализации в пространстве очагов динамических явлений при отработке месторождений твердых полезных ископаемых.
III. Реконструкция поля напряжений геомеханического пространства месторождения на основе решения обратных задач по томографическим данным. Обоснован подход к интерпретации шахтной сейсмической информации, позволяющий реконструировать поля напряжений в породном массиве на каждом этапе отработки месторождения. Подход включает: эксперименты по трехосному сжатию образцов для определения эмпирической зависимости скорости распространения упругих волн от напряжений; томографию пласта с использованием штатной системы наблюдений и импульсов от динамических событий (с превышающей фоновый уровень энергией) в качестве зондирующих сигналов; формулировку и решение обратной задачи определения граничных условий для геомеханической модели рассматриваемого объекта, входными данными для которой является восстановленное в результате томографии поле скоростей в освещенной части пласта.
Выполнены лабораторные испытания угольных образцов по схеме Кармана, аппроксимация результатов которых позволила построить аналитические зависимости скорости продольных волн от осевого напряжения и бокового давления.
Численные эксперименты, проведенные для типичной конфигурации подземного пространства при конвейерной отработке пластов шахт ОАО “Воркутауголь”, показали, что при принятой на объекте конфигурации системы наблюдений для однозначной разрешимости обратной задачи необходима хорошая освещенность тех участков пласта, где имеет место повышенный пространственный градиент напряжений.

В лекции даны основы теории и краткая история развития экспериментальной механики разрушения. Рассмотрены основные критерии механики разрушения для различных условий нагружения (статика, циклика, динамика) и возможности их использования для оценки сопротивления материалов хрупкому разрушению и прогнозирование надежности работы изделий и элементов конструкций по величине критической длины трещины. Представлены значения важнейшего показателя статической трещиностойкости (вязкости разрушения) К1с ряда машиностроительных сталей и сплавов, неметаллических, композиционных и природных материалов (лед, дерево, метеориты). Проанализированы известные подходы по прогнозированию статической трещиностойкости металлических материалов с использованием микромеханических моделей разрушения. Показаны возможности повышения трещиностойкости и конструкционной прочности широкого класса материалов и возможные причины их деградации за счет неблагоприятных
структурных изменений в процессе эксплуатации изделий. Рассмотрены существующие представления о единой физической природе разрушения материалов различного класса с позиций синергетики и фрактальной геометрии строения изломов.

Горнодобывающему и перерабатывающему комплексу на Земле принадлежит одно из ведущих мест как в разрушении и загрязнении всех геосфер нашей планеты, так и в накоплении на земной поверхности твёрдых отходов, количество которых составляет не менее 65-70% от общего объёма извлекаемого из литосферы вещества. При этом в недрах Земли образуется огромное количество полостей и пустот в виде отработанных шахт и карьеров, а также техногенно нарушенных массивов горных пород, что неизбежно приводит к изменению сбалансированного за предшествующие эпохи напряжённого состояния массивов, режима подземных и поверхностных вод, деформации и деградации дневной поверхности.
И, тем не менее, получение полезных ископаемых является сегодня и в обозримом будущем безальтернативной необходимостью для существования антропосферы. Поэтому, от того, как в ближней и дальней перспективе будут развиваться технологии комплексного освоения недр Земли зависит сохранение или необратимое разрушение подвижного равновесия в природной среде, сложившегося за геологическое время.
В процессе реализации ряда фундаментальных проектов, выполненных задолго до появления современного понятия «природоподобные технологии», создано и развито новое научное направление, базирующееся на идее структурной и функциональной конвергенции антагонистических компонентов природно-технических систем разработки месторождений.
Для основных геологических типов месторождений рассматриваются возможности и предлагаются практические решения по созданию и применению конвергентных горных технологий, обеспечивающих безопасность и эффективность разработки месторождений полезных ископаемых.

Вопросы минимизации рисков воздействия на здоровье работников множества производственных факторов (шум, ЭМИ, вибрация, температура, химические соединения, биологическая и информационная нагрузки и др.) остаются весьма актуальными. Вопросы сохранения трудового долголетия в условиях законодательно закрепленной более длительной трудовой деятельности требуют разработки методических подходов к поиску «узких мест» путем прогноза последствий для здоровья.
Одним из современных методов прогноза возможных потерь здоровья и продолжительности жизни, связанных с производственной деятельностью, является анализ профессионального риска, состоящий из оценки риска, управления риском и информации о риске. Каждый из этих этапов в комплексе позволяет установить уровень профессиональных рисков, их категорию (от пренебрежимо малого–допустимого, до экстремально высокого, ассоциированного со смертностью на рабочем месте), принадлежность работника к группе профессионального риска (с учетом характера и тяжести негативных изменений состояния здоровья), вероятность развития
профессиональной непригодности для работников разных профессий.
В докладе будет сделан обзор методических подходов в мире и России к определению профессиональных рисков, будет приведена сравнительная оценка методических подходов (моделей) оценки профессионального риска (США, Австралия, Румыния, Сингапур, ICMM, COSHH Essential, Россия). Будут рассмотрены методы оценки профессионального риска: токсикологический, эпидемиологический, гигиенический и их этапы. Чрезвычайно важным аспектом является оценка наличия и степени связи нарушений здоровья с работой (от нулевой силы связи до почти полной). На этом этапе все возможные ошибки оценки могут иметь катастрофические последствия для жизни и
дальнейшей трудовой деятельности работника. В докладе будут рассмотрены принципы, алгоритм, дизайн, математический аппарат, тяжесть профессиональных заболеваний, прогноз профессионального риска, способы управления им, современная российская риск-ориентированная модель надзора, корпоративные программы профилактики риск-ассоциированных производственных заболеваний, модели страхования, информирование о риске работников.
В целом будет представлен материал о современных способах защиты здоровья и жизни на основе научно обоснованной превенции негативных последствий для работающих в условиях вредных и опасных производств.

Одним из критериев обеспечения безопасности при отработке месторождений полезных ископаемых подземным способом является соответствие фактических деформаций несущих элементов системы разработки проектным величинам. Это требование особенно актуально при разработке месторождений водорастворимых руд, где неравномерные оседания подработанной толщи могут привести к образованию водопроводящих трещин и прорыву пресных вод в горные выработки. Регулярный мониторинг и оценка напряженнодеформированного состояния породного массива позволяет снизить риск возникновения аварийных ситуаций на горном предприятии за счёт своевременной корректировки параметров ведения работ и применения необходимых горнотехнических мер охраны.
В лекции будут представлены различные способы контроля деформационных процессов вокруг горных выработок и методики оценки напряжений в несущих элементах системы разработки. На примере рудников Верхнекамского месторождения калийных солей рассмотрен опыт организации регулярного инструментального мониторинга состояния междукамерных целиков, оставляемых для поддержания подрабатываемой толщи.