Основы научных исследований в горном деле

тическую реализацию. Всякой идее предшествуют знания, научные открытия, изобретения.

Методы научного познания условно подразделяются на ряд уровней (рисунок 1.1).

Методы эмпирического уровня – наблюдение, сравнение,

счет, измерение, анкетный опрос, тесты, метод проб и ошибок (используются на этапе формирования научной гипотезы).

Методы экспериментально-теоретического уровня – экс-

перимент, моделирование, анализ и синтез, индукция и дедукция, гипотетический (гипотеза), исторический и логический (не только восприятие, но и отбор, классификация, осмысливание материала).

Методы теоретического уровня – абстрагирование, идеали-

зация, формализация, анализ и синтез, индукция и дедукция, обобщение и т.д. (исследования, выработка понятий, суждений, умозаключений) – надстраиваются над эмпирическими знаниями.

Наблюдая и изучая предметы, явления человек получает информацию об окружающем мире.

Информация – это сведения о чем-либо, отражение одного предмета или явления в другом. Информация представляется фактами.

Фактом – называется реальное явление, событие, результат, нечто конкретное (эмпирическое наблюдение и закон).

С философской точки зрения методы можно разделить на всеобщие (материалистическая диалектика), действующие во всех областях науки и на всех этапах исследования; общенаучные (т.е. для всех наук); частные (т.е. для определенных наук); специальные или специфические (для данной науки) [1,2].

11

Методы научного познания

Методы		Методы		Методы
эмпирического		экспериментального		теоретического
уровня		уровня		уровня

Наблюдение,		Эксперимент,		Абстрагирование,
сравнение,		моделирование,		идеализация,
счет,		анализ и синтез,		формализация,
измерение,		индукция и дедукция		анализ и синтез,
анкетный опрос,		гипотетический		индукция и дедук-
метод проб и		(гипотеза),		ция,
ошибок		исторический,		обобщение
		логический		и другие

Рисунок 1.1 – Классификация методов научного познания

12

1.3 Общенаучные методы познания

Наблюдение – непосредственное восприятие предметов, явлений при помощи органов чувств без вмешательства в процесс со стороны исследователя.

Сравнение – установление различия или общего между объектами при помощи органов чувств или специальных устройств.

Счет – определение численного значения некоторой величины путем сравнения ее с эталоном.

Эксперимент – это метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности (физический и математический эксперименты). При необходимости эксперимент повторяется и как одна из форм практики выполняет функцию критерия истинности. При эксперименте исследователь активно вмешивается в естественное течение процесса, варьирует технологическими параметрами, использует специальные разработанные установки и измерительные устройства. Если непосредственное изучение объекта затруднено, прибегают к моделированию.

Моделирование – исследование объектов познания на их моделях, которые являются аналогами, «заменителями» оригинала.

Основными видами мыслительной деятельности при выполнении исследований и обсуждений их результатов являются анализ и синтез.

Анализ – мысленное разложение предметов исследования на составные части и изучение каждой из этих частей (устойчивость, трещиноватость, структура рудной залежи).

Синтез – мысленное соединение отдельных сторон (частей) предмета в единое целое, например, соединение геологических и горнотехнических факторов при изучении показателей извлечения).

В зависимости от соотношения эмпирического и теоретического уровней познания при изучении явлений различают два основных метода познания: дедуктивный и индуктивный.

Дедукция (выведение) – процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему (высокое разубожи-

13

вание руды может быть объяснено мелкокусковыми налегающими породами).

Индукция – процесс наведения общего положения из наблюдения ряда единичных величин (частное заключение о грансоставе отбитой руды приводит к предположению о качестве ее дробимости).

1.4Основные методы исследований горной науки

Методы горной науки могут быть разделены на три большие группы: аналитические (теоретические), экспериментальные и комбинированные (комплексные)[1-5].

Целью аналитических исследований является установление математических зависимостей между параметрами изучаемого явления для его глубокого анализа. Например, применительно к задачам изучения проявлений горного давления эти исследования заключаются, в частности, в вычислении напряжений, деформаций и смещений горных пород, нагрузок на крепь выработок, в определении опасных зон и условий равновесия горных пород на основе методов теории сплошной среды и различных предположений (гипотез) горного давления и др. Для решения сложных технологических задач, используются, например, методы математического моделирования, позволяющие одновременно учитывать взаимодействие многих факторов и их влияние на показатели эффективности технологии.

Экспериментальные исследования в свою очередь делятся на две большие группы: лабораторный эксперимент и производственный – в шахтных условиях.

Лабораторные методы исследований позволяют изучать и решать те вопросы, которые по каким-либо причинам не могут быть изучены в производственных условиях. К ним относятся, например, многочисленные методы исследования свойств горных пород на образцах, физическое и аналоговое моделирование, а также другие методы.

Натурные (шахтные) исследования основаны на наблюде-

ниях и опытах непосредственно в шахтах. Они дают много по-

14

лезных материалов для изучения механизма процесса, обоснования теоретических схем, гипотез и закономерностей.

Комбинированные методы исследований нашли широкое распространение и являются наиболее перспективными, так как содержат в себе лучшие стороны аналитических и экспериментальных методов. К ним относятся, например, «аналитикоэкспериментальный метод» предложенный профессорами Ю.З. Заславским и Г.И.Грицко для исследований проявления горного давления. Суть его заключается в том, что с применением аналитических (теоретических) методов устанавливается качественная картина явления и формулы, отвечающие физическому смыслу изучаемого явления. Погрешности же решения, вызванные рядом допущений, корректируется эмпирическими коэффициентами, значения которых находятся из шахтных замеров.

Методы решения проблем горной науки зависят от цели, объекта исследований и возможностей исследователей. Основные методы приведены на рисунке 1.2

1.4.1 Основные методы моделирования при исследовании геомеханических процессов. Моделирование как метод исследования широко используют в механике горных пород. Моделирование открывает такие возможности изучения процессов механики горных пород, которые не дают ни аналитические методы, ни наблюдения и измерения в натуральных условиях (в натуре – более трудоемки, дороги и требуют длительного времени, ограничены возможности варьирования параметрами).

В основе моделирования физических явлений лежит учение о подобии (геометрическое, кинематическое, динамическое подобие).

Основы теории подобия и размерностей. Эффективность разработки месторождений в значительной степени зависит от умения управлять горными процессами, предвидеть ход их развития.

Многообразие и сложность горно-геологических условий разработки затрудняют теоретические, а иногда экспериментальные исследования в натуре.

Возможности экспериментального исследования значительно расширяет физическое моделирование. Моделирование

15

Методы горной науки

Лабораторные методы исследований

Методы экономических исследований

Методы визуальных (натуральных) наблюдений

Моделирование на эквивалентных материалах

Метод центробежного моделирования

Метод оптического моделирования (поляризационно-оптический метод)

Метод структурных моделей

Графо-аналитический метод

Методы аналогии

Методы математического моделирования

Системный анализ

Метод экономико-математического моделирования

Статистический метод

Функциональный анализ

Рисунок 1.2 – Основные методы исследований горной науки

16

используют для выявления общих закономерностей и решения частных задач (сдвижение и давление горных пород, варианты систем разработки и их параметры, кинематика процесса выпуска, показатели извлечения, расположение выпускных отверстий, порядок выпуска и т.д.), а также приближенной количественной характеристики исследуемых величин.

Выемку рудных залежей под налегающими обрушенными породами моделируют в эквивалентных материалах. Эквивалентные материалы должны находиться в определенных соотношениях с механическими константами моделируемой среды с тем, чтобы их поведение было подобным поведению среды в натуре.

Моделирование как метод исследования имеет целью воспроизведение на модели процесса, подобного процессу в натуре.

Модель – предмет или специальное устройство для изучения интересующего нас объекта.

Подобие явлений выражается константами и критериями подобия. Подобными называются явления, происходящие в геометрически подобных системах, если у них во всех сходственных точках отношение одноименных величин есть постоянные числа. Эти отношения называются константами подобия, они равны масштабу моделирования.

Безразмерные комплексы или комбинации, имеющие одно и то же значение в сходственных точках, называются критериями подобия. Критерии подобия – необходимые условия физического подобия двух явлений (натура и модель).

В постановке опытов важно правильно выбрать безразмерные параметры. Число их должно быть минимальным и взятые параметры должны отражать в наиболее удобной форме основные эффекты. Безразмерные параметры получаются из соотношения ряда размерных физических величин.

Величины, численные значения которых зависят от принятых масштабов, т.е. от системы единиц измерения, называются размерными или именованными величинами (длина, время, сила, энергия, момент силы и т.д.).

Величины, численные значения которых не зависят от применяемой системы единиц измерения, называются безразмерными или отвлеченными величинами (углы, отношения двух длин, отношение квадрата длины к площади и т.д.).

17

Различают основные и производные единицы измерения. В физических исследованиях удобно за основные величины

взять единицы длины (l) , массы (m) и времени (t).

Выражение производной единицы измерения через основные единицы измерения называется размерностью.

Зависимость единицы измерения производной величины от единицы измерения основных величин может быть представлена в виде формулы размерности. Размерность величины указывается при помощи взятого в квадратные скобки символа этой величи-

ны. Например, скорость V = lt , а ее размерность запишется сле-

дующим образом:

[V ]= [l] [t]−1.				(1.1)
Уравнение силы F = m а, а ее размерность
[F ]= [m] [l] [t]−2 ,				(1.2)
где а - ускорение.
Уравнение давления P =	F		, а его размерность
	l	2
[P]= [m] [l]−1 [t]−2 .				(1.3)

Теоретической базой эксперимента является теория подобия, позволяющая установить такие условия, при которых результаты исследований можно перенести на другие явления, подобные рассматриваемому. Основные положения теории подобия формулируют в виде трех теорем [6] .

Первая теорема – подобные между собой процессы имеют одинаковые критерии подобия.

Вторая теорема – любая зависимость между переменными, характеризующими какое-либо явление, может быть представлена в виде зависимости между критериями подобия.

18

Третья теорема – подобны те процессы, условия однозначности которых подобны, и критерии, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

В основе метода эквивалентных материалов лежит теория механического подобия Ньютона, которая предполагает геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

Геометрическое подобие обеспечивается в том случае, если все линейные размеры модели будут уменьшены в определенное постоянное число раз по сравнению с натурой

lН	=λl,	(1.4)
lМ

гдеlН ,lМ – линейные размеры соответственно в натуре и в моде-

ли.

Кинематическое подобие обеспечивается в том случае, если сходственные частицы, двигаясь по геометрически подобным траекториям, проходят геометрически подобные пути в промежутки времени, отличающиеся постоянным множителем.

	tН	= λt ,	(1.5)
	tМ

где tН ,tМ – промежуток времени соответственно в натуре и в

модели.

Динамическое подобие имеет место в том случае, если массы двух сходственных частиц (соответственным образом расположенных в пространстве и времени) отличаются друг от друга в одно и то же число раз

	mН	= λm ,	(1.6)
	mМ

где mН , mМ – масса частицы соответственно в натуре и в модели.

Геометрический масштаб выбирается преимущественно по конструктивным соображениям и в идеальном случае он должен

19

распространяться на все геометрические размеры и формы. Вместе с тем для ряда геометрических характеристик пользуются функциональным подобием. Так, подобие шероховатости кусков руды и стенок очистного пространства можно заменить равенством коэффициентов трения.

На моделях, удовлетворяющих условиям кинематического подобия, можно производить экспериментирование выпуска сыпучей среды с достаточной для практического приложения в горном деле точностью. В тех случаях, когда физические свойства сыпучей среды при принятом масштабе кинематического моделирования не обеспечивают свободу истечения сыпучего материала из отверстия, моделирование следует производить с соблюдением условий динамического подобия. В частности, исследования в области образования сводов и «труб» необходимо вести на динамических моделях.

Масштаб скорости соблюдается автоматически в случае выполнения условий подобия по линейным размерам (l), сцеплению (С), углам внутреннего трения (ϕ) и трения о стенки (ψ ),

силе ( F ).

Должна соблюдаться проходимость выпускного отверстия на модели и в натуре, поэтому необходимо геометрическое подобие частиц сыпучего тела [7].

k	П	=	Do	,	(1.7)
			dср
где kП – коэффициент проходимости;					Dо – диаметр выпускного

отверстия; dср – размер среднего куска.

Масштабы коэффициентов разрыхления при обрушении и пористости

λразр. =λпор.= 1.

(1.8)

Масштаб коэффициента крепости

λ f = 3 λγ λl .

(1.9)

При моделировании имеют место следующие операции [7]:

20