Dolomit w testach wybuchowych – nowatorskie badania opisane przez naukowców WAT

Stanowisko pozwalające na kontrolowane badania materiału skalnego w warunkach silnie dynamicznego obciążenia powodowanego detonacją materiału wybuchowego opisali w publikacji „Shock-induced fracture of dolomite rock in small-scale blast tests”: dr inż. Paweł Baranowski, mgr inż. Michał Kucewicz i prof. dr hab. inż. Jerzy Małachowski z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Wojskowej Akademii Technicznej oraz mgr inż. Mateusz Pytlik z Głównego Instytutu Górnictwa.

Publikacja naukowców WAT ukazała się w czasopiśmie „Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering”. Pomysł stworzenia takiego nowatorskiego stanowiska to jeden z wyników realizacji prac konsorcjum Wojskowej Akademii Technicznej i KGHM Cuprum.

Modelowe wnioski

Naukowcy w swojej publikacji zaprezentowali część wyników prac i badań zrealizowanych m.in. w ramach projektu „Projektowanie metryk strzałowych z wykorzystaniem narzędzia komputerowego opracowanego dla warunków górniczo-geologicznych kopalń rud miedzi LGOM” prowadzonego przez konsorcjum Wojskowej Akademii Technicznej i KGHM Cuprum. W dotychczasowych publikacjach naukowcy z Instytutu Mechaniki i Inżynierii Obliczeniowej Wydziału Inżynierii Mechanicznej oraz współpracujący z nimi badacze z innych instytucji wypracowali metodologię wyznaczania parametrów dla tzw. związków konstytutywnych będących zapisem matematycznej relacji między tensorem naprężenia a tensorem odkształcenia, czyli równań opisujących właściwości mechaniczne skały – dolomitu. Ich modele numeryczne wirtualnie odwzorowują właściwości i zachowanie się analizowanych obiektów rzeczywistych, w tym przypadku geomateriału. Model opracowany dla dolomitu można zastosować w modelowaniu numerycznym opisu deformacji skał poddanych obciążeniom statycznym i dynamicznym. Uwzględnia on warunki, jakie w rzeczywistości panują na głębokości kilkuset metrów, a także pozwala uwzględnić realizację procesu niszczenia skał na różnych głębokościach. Co istotne, modele te zostały sprawdzone pod kątem wiarygodności opisu zachowania się skały dolomitowej w serii testów charakteryzujących się różnymi warunkami obciążenia.

Głównym celem artykułu „Shock-induced fracture of dolomite rock in small-scale blast tests” było przedstawienie metody badawczej pozwalającej na weryfikację równań opisujących właściwości mechaniczne skał, bazującej na testach laboratoryjnych i symulacjach komputerowych, która może być z powodzeniem zastosowana w przypadku innych rodzajów materiałów kruchych w celu analizy zjawisk związanych z propagacją fali oraz procesem niszczenia – propagacją pęknięć i kruszeniem –materiału.

Na podstawie wyników testów eksperymentalnych autorzy publikacji zaproponowali model numeryczny, który pozwala powtórzyć testy w środowisku komputerowym. Dodatkowo zaproponowano oryginalną metodę oceny właściwości lontów detonacyjnych stosowanych w strzelaniach górniczych – i nie tylko – która pozwala w relatywnie prosty sposób zbadać parametry lontu oraz zweryfikować poprawność modelu numerycznego lontu. Jest to niezmiernie ważne, gdyż poprawność odwzorowania warunków obciążenia, w tym wypadku materiału wybuchowego – lontu detonacyjnego, stanowi kluczowy parametr w zakresie uzyskania wiarygodnych wyników z symulacji numerycznych. Dzięki wiarygodnemu modelowi konstytutywnemu skały oraz modelowi numerycznemu lontu znacząco zmniejsza się liczba niewiadomych, które mogą wpływać na poprawność wyników uzyskanych z analiz komputerowych, co w efekcie w znacznym stopniu pozwala prawidłowo ocenić stan rzeczywisty.

Kto skorzysta na pracy naukowców WAT?

Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej w przejrzysty i dokładny sposób opisali procedurę badawczą bazującą na eksperymencie i modelowaniu numerycznym. Dzięki temu inni naukowcy mają możliwość odtworzenia badania do własnych celów i testowanych materiałów. Przedstawiona w publikacji efektywna metoda kalibracji i sprawdzania poprawności opracowanych modeli konstytutywnych dla innych rodzajów skał może być z powodzeniem stosowana przez innych badaczy.

Na uwagę zasługują także przedstawione nowatorskie stanowiska badawcze oraz opracowane na ich bazie modele numeryczne, a także oryginalna metoda szacowania parametrów lontu detonującego wraz z opracowaniem modelu numerycznego w celu kalibracji modelu komputerowego lontu.

„Na podstawie otrzymanych wyników badań z dużą dokładnością oceniona została wiarygodność zaproponowanych modeli numerycznych oraz algorytmów obliczeniowych. Po wprowadzeniu parametrów skały do modelu komputerowego można zbadać, przy jakim obciążeniu dolomit się rozkruszy, przy jakim nie, a także jak dużych fragmentów skał można się spodziewać w zależności od warunków środowiska, w jakich skała się znajduje” – wyjaśnia dr inż. Paweł Baranowski z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.

Najważniejszym zastosowaniem opracowanych modeli była symulacja numeryczna i optymalizacja procesu strzelań górniczych realizowanych w kopalniach złóż podziemnych, np. miedzi. Symulacje komputerowe pozwalają ustalić m.in. liczbę otworów do nawiercenia w przodku wyrobiska górniczego dla potrzeb instalacji ładunków materiałów kruszących masyw skalny, ich orientację względem siebie oraz sekwencję ich odpalania tak, żeby cały proces był jak najbardziej efektywny zarówno w ujęciu produkcyjnym, jak i kosztowym. To pokazuje, że praca naukowców może stanowić wartościowe przełożenie na konkretne zastosowania w różnych gałęziach przemysłu.

Publikacja „Shock-induced fracture of dolomite rock in small-scale blast tests” dr. inż. Pawła Baranowskiego, mgr. inż. Michała Kucewicza, mgr. inż. Mateusza Pytlika i prof. dr. hab. inż. Jerzego Małachowskiego uzyskała 200 punktów wg listy MEiN, a jej Impact Factor wynosi 4.338.
https://www.sciencedirect.com

Dominika Naruszko
grafika: Paweł Baranowski

Photo 1. Shock-induced fracture of dolomite rock in small-scale blast tests


Photo 2. Shock-induced fracture of dolomite rock in small-scale blast tests