» » Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок

Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок

07.08.2016

Формулирование принципов взаимодействия материи и энергии в природе

Успешное усовершенствование энтропийного и создание нового - энергетического методов моделирования, с помощью которых будет описан феномен зонального капсулирования горных выработок, как основной элемент актуальной научной проблемы, которая на сегодня не имеет методов решения, возможно реализовать опираясь на фундаментальные принципы взаимодействия материи и энергии в природе. Это позволит составить более системную картину и, соответственно, модель исследуемого феномена и создать предпосылки для описания других непознанных проявлений окружающего мира, связанных с явлением зонального капсулирования материальных объектов физическим полями.
Двигаясь от обратного, можно отметить, что принцип дуализма определяет, что вся субстанция мироздания, существующая во Вселенной, представляет собой совместное взаимодействие материи через энергию и пространства через информацию, для материи управляющей субстанцией через энергетические поля на более высоких уровнях взаимодействия. Все процессы энергоинформационного взаимодействия материи протекают в условиях времени и пространства, так что энергия проявляет себя во времени, а информация - в пространстве. Независимость информации от времени определяет закон сохранения информации, а независимость энергии от пространства - закон сохранения энергии. Совместное существование обоих законов определяет независимость пространства и времени как физических условий существования материи. Совместное проявление энергии и информации ведет к дуализму существования форм самой материи: вещество - поле, а энергоинформационное взаимодействие - к дуализму сил, которое определяется как дуализм статических и динамических сил. Взаимодействие же материи и энергии в вещественных формах пространства реализуется через следующие фундаментальные принципы взаимодействия, которым подчиняются явления окружающего мира:
1. Принцип сохранения. Материальный мир состоит из двух пространств материально-энергетического и информационно-временного. Человечество на Земле развилось под влиянием материально-энергетического пространства. Наличие информационно-временного пространства позволяет энергии переходить из одного пространства в другое, а также позволяет тому же человечеству развиваться на основе законов информационно-временного пространства (табл. 3.1).
Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок

2. Принцип обратимости утверждает, что какие бы процессы в природе ни протекали, явления их всегда обратимы. Так электрический ток создает в проводниках магнитное поле, а изменение магнитного поля способно породить ток. Известные необратимые явления и эффекты не говорят об ограниченности принципа обратимости. Если эти эффекты раскрыть глубже, то можно обнаружить, что они основаны на более простых, но обратимых эффектах (табл. 3.1).
3. Принцип энтропийности. Атомы пространства, сталкиваясь друг с другом, стремятся к рассеиванию. Поэтому самопроизвольное рассеивание заложено во всех явлениях вещества. Так, нагретое тело остывает, так разряжается аккумулятор или конденсатор, а постоянные магниты постепенно размагничиваются. Волны от предмета, брошенного в жидкость, убывают не только по амплитуде, но и по частоте. Точно такое же уменьшение частоты происходит у световых колебаний, которые возникли при резких тормозных явлениях электронов (табл. 3.1).
4. Принцип самофокусировки показывает, что протекающие в природе процессы склонны к рассеиванию и имеют тенденцию к концентрации, к которой относится и гравитация. Принцип самофокусировки наглядно проявляется в волновом процессе. От предмета, брошенного в жидкость, возникает всплеск и распространение по поверхности концентрической волны. Амплитуда волны убывает по мере удаления от центра и одновременно происходит увеличение периода, уменьшение амплитуды и частоты колебаний. Если рассеивающая волна встречает на своем пути кольцевую отражающую преграду, то волна направляется к центру. По мере приближения к центру ее период уменьшается, а амплитуда увеличивается. Колебательное движение концентрируются, если возмущающие силы направлены к центру. Такая фокусировка возможна, если колеблющиеся среды имеют шароподобные неоднородности, то реакция имеет максимальное значение в центре шара (табл. 3.1).
5. Принцип хаоса и порядка показывает обратимость причинно-следственных взаимосвязей на уровне вещества и энергии в пространстве. Если верно предположение, что элементарная частица является волновой частицей, т.е. волновым стоячим сгустком энергии, получившемся в результате сложения спектра бесконечно протяженных частот, то движение произвольной частицы также нельзя считать хаотическим. Групповое движение частиц, казавшееся хаотическим, образует волновые колебания пространства. Хаоса в природе не существует, а есть только наше незнание общего порядка, т.е. хаос всегда приводит к новому уровню упорядоченности и гармонии (табл. 3.1).
6. Принцип симметрии. Если атомы пространства существуют реально и они представляются в виде идеальных шаров, т.е. пульсирующих шаровидных сгустков, то неоспоримым фактом природы будет ее симметричность как по форме, так и по функциональным процессам. Симметричность твердых веществ подтверждена их кристаллической структурой, которая убеждает, что кристаллы всякого простого и сложного вещества симметричны. Главное их свойство заключается в хиральной симметрии входной и выходной реакции. Хиральная симметрия - основополагающая в миропонимании органической и неорганической природы (табл. 3.1).
7. Принцип растрово-интегральных превращений. Если сумма синусоидальных оптических волн разных частот образует изображение, то сумма изображений приведет к получению одного и того же изображения, только большего масштаба. Любая материальная частица получается в результате интерференции спектра частот. Следовательно, любые материальные тела, в том числе и Вселенная, являются интегральным изображением своих же подсистем. Зная о том, что атомы имеют кристаллическую структуру, можно с достаточной определенностью утверждать, что и планетные образования представляются в кристаллическом виде. Другими словами, звезды размещаются в узлах гигантских кристаллических решеток. С другой стороны, если Вселенная является интегральным образом, то более мелкие тела, например атом водорода, следует считать растровым элементом (табл. 3.1).
8. Принцип дальнодействия. Элементарная частица вещества теоретически образуется в виде стоячей волны, за счет суммирования трехмерного спектра частот. Если рассматривать энергию суммируемого спектра, то она окажется также бесконечной. Если спектр частот будет размещен в пространстве, то одиночный импульс в заданном пространстве все равно может быть получен. В заданном пространстве может быть сформирован не только импульс электрический, звуковой, а и импульс давления. Энергия любой частицы относительно малая и всегда конечная. В то же время энергия всех спектральных компонент равна бесконечности, так как протяженность любой компоненты также равна бесконечности. Это и есть основа дальнодействия, описывающая взаимосвязь материи и энергии в природе (табл. 3.1).
9. Принцип суперпозиции констатирует, что энергетическая суммарная деятельность вещества равна сумме слагающих ее компонент, т.е. сложение гармонических колебаний обеспечивает сохранение формы, а сумма синусоидальных колебаний одной и той же частоты всегда даст синусоидальное колебание той же частоты. Принцип суперпозиции охватывает все законы сохранения энергии, все законы преобразования веществ и их концентрации. Этот принцип позволяет идентифицировать все феномены, явления и законы природы в целочисленной математике в адекватности с элементами природы, представленными идеальными атомами пространства. Поэтому всякие процессы, протекающие в природе, можно всегда описать математически. При этом ни законы, ни явления, ни эффекты, ни свойства природы в математических зависимостях не учитываются, так как они проявляются вне времени и пространства. Другими словами, все закономерности описываются для нулевых пространственных и временных координат. А для определения частных закономерностей можно пользоваться математикой. Все, что имеется в теории чисел, можно найти и в явлениях природы и, наоборот, поведение вещества и энергии можно описать математически (табл. 3.1).
Картина формирования вокруг выработки предохранительной капсулы

Проведение подземных горных выработок приводит к образованию областей интенсивного деформирования пород и способствует перераспределению упругой потенциальной энергии в прилегающем массиве (принцип сохранения). Процесс перераспределения механических напряжений, изменения температуры и плотности, а также других факторов энергетической интенсивности является волновым процессом затухающих автоколебаний, который формирует в массиве кольцевые энергетические зоны (принцип обратимости). Кинетическая энергия расширяющейся горной породы у контура выработки является источником энергии этих колебаний. Скорость затухания колебаний обусловлена большой массой области упругих деформаций и ничтожно малой величиной самих деформаций, благодаря чему потери на рассеивание энергии на тепло и трение ничтожно малы (принцип энтропийности).
По теории распространения упругих волн в изотропных средах вторичные волны, которые распространяются в обратном направлении, полностью погашаются встречными волнами (принцип симметрии). Значит область внутри предохранительной капсулы можно считать свободной от волн. Однако, в большей мере, горная порода - это неоднородная среда, и упругие волны в ней рассеиваются на неоднородностях и возвращаются назад (принцип самофокусировки). Отраженная волна, интерферируя с исходной и изменяет распределение энергии при рассеивании (принцип дальнодействия). На расстоянии длины полуволны, т.е. в центре энергетических зон, выделяется максимум энергии, т.к. фазы основной и отраженной волн совпадают (принцип растрово-интегральных превращений). В итоге на расстоянии длины полуволны горная порода уплотняется, а значит проходящая по ней волна отражается и поглощается сильнее, еще больше уплотняя массив в зонах (принцип хаоса и порядка). Генерируется процесс с положительной обратной связью, т.е. резонансное поглощение волн уплотняет массив в центре энергетических зон, что приводит к формированию кольцевых областей деформации массива, которые при снятии нагрузки формируют собственные энергетические зоны (принцип обратимости).
Результатом такого уплотнения является самоорганизующаяся вокруг выработки предохранительная капсула, которая по прочности эквивалентна ненарушенному массиву горных пород. Другими словами, массив пород в условиях нарушения первоначального напряженного состояния выполняет капсулирование (предохранение, изолирование, защиту) горных выработок, за счет изменения интенсивности всех физических характеристик, формирующих состояние вмещающего массива в конкретных горно-геологических условиях. Рассматривая массив горных пород как термодинамическую систему, его состояние определяется совокупностью значений термодинамических параметров, т.е. всех физических величин, характеризующих макроскопические свойства системы - напряженность, плотность, температуру, газо- и водонасыщенность, намагниченность, радиоактивность (принцип суперпозиций).
Требования к энтропийному и энергетическому методам моделирования

Наиболее общий подход к исследованию материальных тел и окружающих их физических полей - это создание феноменологической макроскопической теории, основанной на полученных опытным путем закономерностях и гипотезах. Макроскопическая теория - это эффективное средство решения сложных практических задач, а полученные с их помощью параметры соответствуют опытным данным. Для создания аналитической модели, адекватно описывающей явление зонального капсулирования горных выработок, как одного из непознанных феноменов физического мира, возможно при использовании синергетических методов исследования: энтропийных, термодинамических, энергетических. Термодинамический метод, созданный В.Ф. Лавриненко, апробирован и широко применяется в моделировании. Энтропийный метод - это одно из перспективных направлений исследований различных систем, который должен основываться на анализе изменений энтропии параметров и динамики энергетических процессов, порождаемых изменением состояния открытых систем. В этом методе моделирование систем должно осуществляться с помощью отображения множества его варьируемых значений в неслучайную функцию комплексного энтропийного потенциала. Вариации значений параметра моделируются как в пространстве, так и во времени. В качестве базового значения необходимо выбирать математическое ожидание параметра, диапазон его изменения, предельное или какое-либо номинальное значение. При таком определении величина энтропийного потенциала является обобщенной и унифицированной, на базе закона равномерной плотности энергии, характеристикой состояния неопределенности исследуемого параметра с любым другим законом распределения. Основы энтропийного метода заложил В.Ф. Лавриненко в рамках термодинамической теории. Для создания энтропийного метода нужная часть термодинамической теории требует доработки и расширения для ее использования в качестве обособленного метода исследования (рис. 3.1).
Разработка принципов и требований к синергетическим методам исследования зонального капсулирования горных выработок

Далее на базе энтропийного метода, который определяет параметры ненарушенного массива и термодинамического метода, который моделирует состояние массива в приконтурной зоне (зоне разгрузки), был разработан еще один -синергетический метод, которым является энергетический метод. Он позволяет моделировать состояние массива в энергетических зонах, которые формируют предохранительную капсулу, и описывать взаимодействие механической, термодинамической и других видов энергий. Механическая энергия раскрывает совокупность гравитационных и электромагнитных взаимодействий на уровнях макротел и проявляется при деформации, метаморфизме и деструкции вещественных геоэнергетических систем. Термодинамическая энергия является внутренней тепловой энергией атомно-молекулярных взаимодействий в твердых, жидких и газовых вещественных системах и характеризует движение атомов и молекул на физико-химических уровнях организации минералов, горных пород, геологических формаций и других геоэнергетических систем. Метод раскрывает понятие о естественных телах - геологических системах, которые не совпадают с понятием о термодинамических системах, поскольку первые представляют собой организованные системы, а вторые - бесструктурную статистическую совокупность (множество) однородных микрообъектов. Логическая схема реализации синергетических методов исследования представлена на рис. 3.1, где выполнена визуализация объекта и предмета исследования, показана взаимосвязь энтропийного, термодинамического и энергетического методов, а также отмечены их возможности по моделированию зонального капсулирования выработок.