Дослідження впливу динамічних навантажень на кріплення підземних гірничих виробок

Дмитро Бітюков
Отримано 05.01.2025, Доопрацьовано 26.04.2025, Прийнято 30.06.2025
Анотація

У контексті необхідності підвищення енергостійкості підземних кріплень в умовах динамічного впливу було проведено дослідження, спрямоване на експериментально-аналітичну оцінку механічної поведінки дерев’яних конструкцій, зокрема панелей із перехресно-клеєної деревини, під дією імпульсних навантажень. Метою статті було встановлення ефективності використання деревини та перехресно-клеєних елементів як енергоадаптивних матеріалів для кріплення гірничих виробок. Методологія дослідження ґрунтувалася на лабораторному моделюванні вибухових і сейсмічних режимів за допомогою стендів та цифрових систем фіксації параметрів деформації, з урахуванням нормованих геометричних умов та впливу вологості. Випробування виконувалися зразками, підготовленими для типових умов шахтних виробок України, з урахуванням геоструктурних характеристик регіонів Дніпропетровської, Львівської та Кіровоградської областей. Зафіксовано, що перехресно-клеєні панелі зберігали структурну цілісність після дії імпульсів з амплітудою до 3,0 мегапаскаля та тривалістю 0,2 секунди, демонструючи вищу здатність до дисипації енергії порівняно з масивною деревиною. Установлено, що питомі показники поглинутої енергії для панелей становили в середньому 280-340 джоулів, а залишкова деформація не перевищувала 3.4 відсотка, що вказувало на здатність матеріалу витримувати повторювані навантаження без втрати несучої здатності. Результати дослідження підтвердили доцільність включення перехресно-клеєної деревини до складу кріпильних систем із підвищеними вимогами до енергопоглинання. Практичне значення отриманих даних полягає у можливості модифікації підземних конструкцій на основі доступних дерев’яних матеріалів із прогнозованими характеристиками адаптації до динамічних впливів

Ключові слова:
залишкова деформація; імпульсне навантаження; дисипативна здатність; ортогональна багатошарова структура; геоструктурні умови; коефіцієнт гасіння; анізотропія деревини

Взято з Том 59, № 1, 2025

Сторінки 55–69

Використані джерела ЦИТУВАТИ
  1. Abbas, N., Xiong, H., & Jinyu, S. (2024). Experimental and numerical study on mechanical properties of a modified type of energy-dissipative hold-down for CLT structures. Journal of Building Engineering, 94, article number 110026. doi: 10.1016/j.jobe.2024.110026.
  2. Abrahamsen, R., et al. (2020). Dynamic response of tall timber buildings under service load: The DynaTTB research program. In M. Papadrakakis, M. Fragiadakis & C. Papadimitriou (Eds.), EURODYN 2020, XI international conference on structural dynamics: Proceedings (Vol. 2; pp. 4900-4910). Athens: National Technical University of Athens.
  3. Al-Ameri, R.A., Abid, S.R., Murali, G., Ali, S.H., & Özakça, M. (2021). Residual repeated impact strength of concrete exposed to elevated temperatures. Crystals, 11(8), article number 941. doi: 10.3390/cryst11080941.
  4. Aljuhmani, A.G., Matsumoto, N., Goto, Y., & Maeda, M. (2025). Structural performance evaluation methods and experimental validation of high-capacity single-bolt CLT connections under cyclic loading. Engineering Structures, 337, article number 120506. doi: 10.1016/j.engstruct.2025.120506.
  5. Asyraf, M.R.M., et al. (2022). Mechanical properties of oil palm fibre-reinforced polymer composites: A review. Journal of Materials Research and Technology, 17, 33-65. doi: 10.1016/j.jmrt.2021.12.122.
  6. Bilen, M., & Tuz, C. (2023). Analysis and recommendations on the use of polymer and phenol-based materials for coal mines. Scientific Mining Journal. doi: 10.30797/madencilik.1178526.
  7. Cai, W., Zhu, L., & Qian, X. (2022). Dynamic responses of steel plates under repeated ice impacts. International Journal of Impact Engineering, 162, article number 104129. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104129.
  8. Chai, J., Zhu, Y., Gao, X., Shen, T., Niu, L., Li, S., Jin, P., Cui, M., & Wang, Z. (2022). Effects of residual stress and intragranular particles on mechanical properties of hot-pressed Al2O3/SiC ceramic composites. Ceramics International, 48(16), 23258-23265. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.04.310.
  9. Chepiga, D., Podkopaiev, S., Kayun, O., Bielikov, A., Podkopayev, Ye., Kipko, O., & Pidhurna, O. (2024). Assessing the stability of protective structures in preparatory mining workings under conditions of static load. EasternEuropean Journal of Enterprise Technologies, 3(1(129)), 57-68. doi: 10.15587/1729-4061.2024.304721.
  10. Convention on Biological Diversity. (1992, June). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/ show/995_030#Text.
  11. Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora. (1979, June). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_129#Text.
  12. DIN 1052:2008-12. (2008). Design of timber structures – general rules and rules for buildings. Retrieved from https://www.dinmedia.de/en/standard/din-1052/112565498.
  13. Dodoo, J.E., Al-Samarraie, H., Alzahrani, A.I., & Tang, T. (2025). XR and workers’ safety in high-risk industries: A comprehensive review. Safety Science, 185, article number 106804. doi: 10.1016/j.ssci.2025.106804.
  14. Dok, G., Caglar, N., Ilki, A., & Yilmaz, C. (2024). Effect of longitudinal reinforcement ratio on residual flexural capacity of high-strength reinforced concrete beams exposed to impact loading. Structures, 67, article number 106914. doi: 10.1016/j.istruc.2024.106914.
  15. EN 338:2016. (2016). Structural timber – strength classes. Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/ standards/cen/492c108d-268a-4cbd-9b59-3f31792887c5/en-338-2016?srsltid=AfmBOooAJPI9q30lLaE5D8b ttGreDVG5km6QMYT8xJ6XnJHAzV_HETRF.
  16. FPREN 1995-1-1. (2025). Eurocode 5 – design of timber structures – part 1-1: General rules and rules for buildings. Retrieved from https://standards.iteh.ai/catalog/standards/cen/29adde25-d6f2-4067-ae05-5f0b2a0c5516/ fpren-1995-1-1?srsltid=AfmBOoro8KZTQyL2Srqp-XITNAsifl4usvHUGVwKhIeAnakNCrSagC3J.
  17. Huerta, J.R., Silva, R.S., De Tomi, G., & da Silva, A.L.M.A. (2022). A dynamic simulation approach to support operational decision-making in underground mining. Simulation Modelling Practice and Theory, 115, article number 102458. doi: 10.1016/j.simpat.2021.102458.
  18. Kumar, S., Dutta, S.C., Goswami, K., & Mandal, P. (2021). Vulnerability assessment of building structures due to underground blasts using ANN and non-linear dynamic analysis. Journal of Building Engineering, 44, article number 102674. doi: 10.1016/j.jobe.2021.102674.
  19. Li, G., Zhang, H., Wang, R., Dong, Z.-Q., & Yu, D.-H. (2023). Seismic damage characteristics and evaluation of aboveground-underground coupled structures. Engineering Structures, 283, article number 115871. doi: 10.1016/j.engstruct.2023.115871.
  20. Li, J., Guo, P., Cui, H., Song, S., Zhao, W., Chu, J., & Xie, W. (2021). Dynamic response mechanism of impact instability induced by dynamic load disturbance to surrounding rock in high static loading roadway. Minerals, 11(9), article number 971. doi: 10.3390/min11090971.
  21. Luo, J., Guo, Y., Liu, Z., Tian, G., & Zheng, X. (2025). Experimental investigations on influence of initial damage and accumulated cyclic damage on mechanical performance of glulam bolted connections. Structures, 77, article number 109147. doi: 10.1016/j.istruc.2025.109147.
  22. M.S. Poliakov Institute of Geotechnical Mechanics NASU. (n.d.). Scientific results and developments. Retrieved from http://www.igtm.dp.ua/index.php/uk/naukovi-rozrobky.
  23. Mandal, J., Goel, M.D., & Agarwal, A.K. (2022). Underground structures subjected to various blast loading scenarios: A scoping review. Archives of Computational Methods in Engineering, 29, 2491-2512. doi: 10.1007/ s11831-021-09664-w.
  24. Motlhabane, W.B. (2022). Review of roof skin instability challenges with emphasis on South African coal mines. In A.K. Verma, E.T. Mohamad, R.M. Bhatawdekar, A.K. Raina, M. Khabdelwal, D. Armaghani & K. Sarkar (Eds.), Proceedings of geotechnical challenges in mining, tunneling and underground infrastructures (pp. 15-64). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-16-9770-8_2.
  25. Neshchadymenko, A. (2021). Researching of modern technologies of the mechanical properties determination by simulation procedures for the purposes of controlling of the slightly metamorphosed massif stability. (Master thesis, Technical University of Freiberg, Freiberg, Germany).
  26. Pasyuk, O., & Stavchuk, I. (Eds.) (2010). Report problems of Ukraine’s coal sector and greenhouse gas emissions from coal mining and consumption. Kyiv: National Ecological Centre of Ukraine.
  27. Pysmennyi, S., Chukharev, S., Peremetchyk, A., Fedorenko, S., & Matsui, A. (2023). Study of stress concentration on the contour of underground mine workings. Inżynieria Mineralna, 1(51), 69-78. doi: 10.29227/IM-2023-0108.
  28. Qiu, T., Chen, X., Chen, K., Su, D., Shen, J., Wang, L., & Zheng, Z. (2023). An adaptation resilience assessment framework for key components of prefabricated underground stations. Tunnelling and Underground Space Technology, 136, article number 105037. doi: 10.1016/j.tust.2023.105037.
  29. Seguel, F., Palacios-Játiva, P., Azurdia-Meza, C.A., Krommenacker, N., Charpentier, P., & Soto, I. (2021). Underground mine positioning: A review. IEEE Sensors Journal, 22(6), 4755-4771. doi: 10.1109/JSEN.2021.3112547.
  30. Shchokin, V.P., Tkachuk, V.V., Aniskov, O.V., & Kliatskyi, O.V. (2025). Investigation of the stress-strain state of mine shaft support under long-term operation. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 7987 doi: 10.33271/nvngu/2025-2/079.
  31. Tahmasebinia, F., Zhang, C., Wei, C., Canbulat, I., Saydam, S., & Sepasgozar, S. (2021). A new concept to design combined support under dynamic loading using numerical modelling. Tunnelling and Underground Space Technology, 117, article number 104132. doi: 10.1016/j.tust.2021.104132.
  32. Technical University of Dresden. (n.d.). Research & transfer. Retrieved from https://tu-dresden.de/forschungtransfer.
  33. Tonannavar, S., Shivakumar, N.D., Simha, K.R.Y., Shrikanth, V., & Bhole, K. (2023). Indentation and fragmentation of wood under low-speed impact. Journal of Dynamic Behavior of Materials, 9, 140-157. doi: 10.1007/s40870023-00367-w.
  34. van As, A., & Wood, D. (2023). Future of mining and geology: Increase in the use of cave mining methods to extract ore over the next 30 years. SEG Discovery, 132, 25-36. doi: 10.5382/Geo-and-Mining-18.
  35. Yao, J., Deng, X., Ma, C., & Xu, T. (2021). Investigation of dynamic load in superdeep mine hoisting systems induced by drum winding. Shock and Vibration. doi: 10.1155/2021/4756813.
  36. Youwai, S., & Detcheewa, S. (2025). Predicting rapid impact compaction of soil using a parallel transformer and long short-term memory architecture for sequential soil profile encoding. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 139(B), article number 109664. doi: 10.1016/j.engappai.2024.109664.
  37. Zhang, H., et al. (2025). Study on the in-situ modified support method of roadway surrounding rock under vertical impact load. Scientific Reports, 15, article number 15867. doi: 10.1038/s41598-025-98380-7.
  38. Zhou, Y., Xie, Y.-C., Pan, T., Zhu, W., Zhang, H., & Huang, G.-Y. (2023). Flexible materials and structures for mitigating combined blast and fragment loadings – a review. International Journal of Impact Engineering, 181, article number 104759. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2023.104759.
Bitiukov, D. (2025). Investigation of the influence of dynamic loads on the fastening of underground mine workings. Mining Journal of Kryvyi Rih National University, 59(1), 55-69. https://doi.org/10.31721/2306-5435-2025-1-55-69
uk