Development of a research methodology and analysis of the stress state of a parting under the joint and downward mining of coal seams

Purpose. The investigation of the stress-strain state (SSS) of a parting under the joint and downward mining of coal seams. Methods. The studies have been carried out on the basis of a computational experiment by means of the finite elements method, mining observations of rock pressure manifestations and their comparative analysis. Findings. A research methodology has been developed of the parting rocks state under the joint and downward mining of coal seams. Originality. The patterns of the stress-strain state change of the parting rocks have been determined in the process of joint mining of two coal seams by the descending order. Practical implications. The conducted researches will make possible to improve stability of mine workings and their repeated use.Мета. Дослідження напружено-деформованого стану міжпластя при сумісному та нисхідному відпрацюванні вугільних пластів. Методика. Дослідження виконані на основі обчислювального експерименту методом скінченних елементів, шахтних спостережень за проявами гірського тиску та їх порівняльного аналізу. Результати. Розроблено методику дослідження стану порід міжпластя при сумісному і нисхідному відпрацюванні вугільних пластів. Наукова новизна. Визначено закономірності зміни напружено-деформованого стану порід міжпластя у процесі спільного відпрацювання двох вугільних пластів у нисхідному порядку. Практична значимість. Проведені дослідження дозволять підвищити стійкість виробок і забезпечити можливість їх повторного використання.Цель. Исследование напряженно-деформированного состояния междупластья при совместной и нисходящей отработке угольных пластов. Методика. Исследования выполнены на основе вычислительного эксперимента методом конечных элементов, шахтных наблюдений за проявлениями горного давления и их сравнительного анализа. Результаты. Разработана методика исследования состояния пород междупластья при совместной и нисходящей отработке угольных пластов. Научная новизна. Определены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния пород междупластья в процессе совместной отработки двух угольных пластов в нисходящем порядке. Практическая значимость. Проведенные исследования позволят повысить устойчивость выработок и обеспечить возможность их повторного использования.The authors of the article express particular gratitude to Serhii Voronin, General Director of PJSC “DTEK Pavlohradvuhillia” for the assistance in its preparation

Search for β+\beta^+EC and ECEC processes in 112^{112}Sn

Limits on $\beta^+$EC (here EC denotes electron capture) and ECEC processes in $^{112}$Sn have been obtained using a 380 cm$^3$ HPGe detector and an external source consisting of 53.355 g enriched tin (94.32% of $^{112}$Sn). A limit with 90% C.L. on the $^{112}$Sn half-life of $4.7\times 10^{20}$ y for the ECEC(0$\nu$) transition to the $0^+_3$ excited state in $^{112}$Cd (1871.0 keV) has been established. This transition is discussed in the context of a possible enhancement of the decay rate by several orders of magnitude given that the ECEC$(0\nu)$ process is nearly degenerate with an excited state in the daughter nuclide. Prospects for investigating such a process in future experiments are discussed. The limits on other $\beta^+$EC and ECEC processes in $^{112}$Sn were obtained on the level of $(0.6-8.7)\times 10^{20}$ y at the 90% C.L.Comment: 14 pages, 4 figure

"Анализ состояния надработанного и подработанного междупластья смежных пластов при их совместной отработке в нисходящем порядке "

Purpose. Investigating conditions of conducting and maintaining excavation works during mining of seam . Evaluating probability of parting rocks stability loss in terms of top-down mining of two contiguous seams in a series. Methods. Carrying out computational experiments by finite elements method for investigation of the stress-strain state of lithological varieties of parting which is overworked and underworked by stoping on seams and . Findings. The paper presents the results of the analysis of the vertical and horizontal stress components distribution zones along all the height of the parting for the rock types compiling it, treating separately the impact produced by stoping on seams and on the formation of the stress-strain state. Originality. The research substantiates the possibility of disturbed rocks sections interlocking and formation of a single zone of softening along the thickness of parting during combined (with a certain displacement in the seam plane) top-down stoping on the series of seams and , which are not referred to as “adjacent seams” according to the normative documents. Practical implications. The paper describes the possibility of the significant interrelation of contiguous seams during their simultaneous top-down stoping even if they are not related to the category of “adjacent seams”. Therefore, in severe mining and geological conditions, it is recommended to estimate the probability of rocks softening along all the height of the parting.Цель. Изучение условий проведения и поддержания пластовых выемочных выработок при отработке пласта. Оценка вероятности потери устойчивости пород междупластья в условиях нисходящего порядка совместной отработки двух смежных пластов в свите. Методика. Выполнение вычислительных экспериментов методом конечных элементов по исследованию напряженно-деформированного состояния литологических разностей междупластья, надработанного и подработанного очистной выемкой пластов. Результаты. Приведены результаты анализа зон распределения вертикальных и горизонтальных компонент напряжений по всей высоте междупластья для составляющих ее типов горных пород с разделением влияния на формирование напряженно-деформированного состояния очистных работ по пластам . Научная новизна. Обусловлена вероятность смыкания участков нарушенных пород и образования единой зоны разупрочнения по мощности междупластья при совместном (с некоторым смещением в плоскости пластов) ведении очистных работ в нисходящем порядке отработки в свите платов и , которые по нормативным документам не относятся к сближенным пластам. Практическая значимость. Установлена возможность существенного взаимовлияния смежных пластов при их совместной отработке в нисходящем порядке, даже не отнесенных к категории сближенных. Поэтому рекомендуется в сложных горно-геологических условиях проводить оценку вероятности разупрочнения пород по всей высоте междупластья.Мета. Вивчення умов проведення і підтримання пластових виїмкових виробок при відпрацюванні пласта. Оцінка ймовірності втрати стійкості порід міжпластя в умовах спадного порядку спільного відпрацювання двох суміжних пластів у світі. Методика. Виконання обчислювальних експериментів методом скінченних елементів з дослідження напружено-деформованого стану літологічних різниць міжпластя, надробленого й підробленого очисним вийманням пластів. Результати. Наведено результати аналізу зон розподілу вертикальних і горизонтальних компонент напружень по всій висоті міжпластя для складових її типів гірських порід з поділом впливу на формування напружено-деформованого стану очисних робіт по пластах. Наукова новизна. Обумовлено ймовірність змикання ділянок порушених порід і утворення єдиної зони знеміцнення за потужністю міжпластя при спільному (з деяким зсувом у площині пластів) веденні очисних робіт у спадному порядку відпрацювання у світі пластів, які за нормативними документами не відносяться до зближених пластів. Практична значимість. Встановлено можливість суттєвого взаємовпливу суміжних пластів при їх спільному відпрацюванні в спадному порядку, навіть не віднесених до категорії зближених. Тому рекомендується у складних гірничо-геологічних умовах проводити оцінку ймовірності знеміцнення порід по всій висоті міжпластя

The influence of rigidity of the collapsed roof rocks in the mined-out space on the state of the preparatory mine workings

Purpose. The substantiation of accounting the deformation-strength characteristics of the collapsed rocks and the rocks consolidating near the reusable preparatory mine working of the mined-out space to optimize the loading parameters of its fastening and security systems. Improving the research adequacy and recommendations reliability. Methods. By means of computational experiments based on the finite-element method, the influence has been studied of rigidity of the collapsed rocks and consolidating rocks in the mined-out space on the level of intensity of the load-bearing elements of the fastening and security systems of mine working. The analysis has been performed of the stress-strain state of the geomechanical system load-bearing elements, as well as comparative mine research. Findings. The research results and analysis are represented of the stress-strain state of the fastening and security systems elements in the preparatory mine workings with different degree of rigidity of the collapsed and consolidated rocks of the mined-out space. The patterns of the rigidity influence of the collapsed roof rocks on the stable state of preparatory mine workings have been assessed. Originality. A different-valued relation has been established between the deformation-strength characteristics of the collapsed rocks in the mined-out space and the elements of fastening and security systems of mine working, which should be considered when optimizing the modes of their operation. It has been revealed that the increased loading on the combined roof-bolting system elements protects the frame support from the increased rock pressure, which contributes to reducing the section losses of mine working. Practical implications. The research performed is the basis for the parameters optimization when maintaining the preparatory mine workings for their repeated use and also for the rational parameters search of the combined roof-bolting system in order to develop a method for choosing its parameters depending on mining and geological conditions.Мета. Обґрунтування урахування деформаційно-силової характеристики обвалених і ущільнюючих порід виробленого простору поблизу підготовчої виробки, що повторно використовується, для оптимізації параметрів навантаження її кріпильної й охоронної систем. Підвищення адекватності досліджень та достовірності рекомендацій. Методика. Обчислювальними експериментами на основі методу скінченних елементів досліджувався вплив жорсткості обвалених і ущільнюючих порід виробленого простору на рівень напруженості вантажонесучих елементів кріпильної й охоронної систем виробки. Проведено аналіз напружено-деформованого стану вантажонесучих елементів геомеханічної системи та порівняльні шахтні дослідження. Результати. Наведено результати досліджень та аналіз напружено-деформованого стану елементів кріпильної й охоронної систем підготовчих виробок при різному ступені жорсткості обвалених і ущільнених порід виробленого простору. Оцінено закономірності впливу жорсткості обвалених порід покрівлі на стійкий стан підготовчих виробок. Наукова новизна. Встановлено різновеликий зв’язок деформаційно-силових характеристик обвалених порід у виробленому просторі з елементами кріпильної й охоронної систем виробки, який необхідно враховувати при оптимізації режимів їх роботи. Виявлено, що підвищена завантаженість елементів комбінованої анкерної системи захищає рамне кріплення від підвищеного гірського тиску, що сприяє зниженню втрат перерізу виробки. Практична значимість. Виконані дослідження є базою для оптимізації параметрів підтримання підготовчих виробок при їх повторному використанні, а також є основою для пошуку раціональних параметрів комбінованої анкерної системи з метою розробки методики вибору її параметрів залежно від гірничо-геологічних умов.Цель. Обоснование учета деформационно-силовой характеристики обрушенных и уплотняющихся вблизи повторно используемой подготовительной выработки пород выработанного пространства для оптимизации параметров нагружения ее крепежной и охранной систем. Повышение адекватности исследований и достоверности рекомендаций. Методика. Вычислительными экспериментами на основе метода конечных элементов исследовалось влияние жесткости обрушенных и уплотняющихся пород выработанного пространства на уровень напряженности грузонесущих элементов крепежной и охранной систем выработки. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния грузонесущих элементов геомеханической системы и сравнительные шахтные исследования. Результаты. Приведены результаты исследований и анализ напряженно-деформированного состояния элементов крепежной и охранной систем подготовительных выработок при разной степени жесткости обрушенных и уплотненных пород выработанного пространства. Оценены закономерности влияния жесткости обрушенных пород кровли на устойчивое состояние подготовительных выработок. Научная новизна. Установлена разновеликая связь деформационно-силовых характеристик обрушенных пород в выработанном пространстве с элементами крепежной и охранной систем выработки, что необходимо учитывать при оптимизации режимов их работы. Выявлено, что повышенная загруженность элементов комбинированной анкерной системы защищает рамную крепь от повышенного горного давления, что способствует снижению потерь сечения выработки. Практическая значимость. Выполненные исследования являются базой для оптимизации параметров поддержания подготовительных выработок при их повторном использовании, а также являются основой для поиска рациональных параметров комбинированной анкерной системы с целью разработки методики выбора ее параметров в зависимости от горно-геологических условий.The authors express their gratitude to the management of DTEK Coal Unit for their assistance in organizing the experimental research

Probing particle and nuclear physics models of neutrinoless double beta decay with different nuclei

Half-life estimates for neutrinoless double beta decay depend on particle physics models for lepton flavor violation, as well as on nuclear physics models for the structure and transitions of candidate nuclei. Different models considered in the literature can be contrasted - via prospective data - with a "standard" scenario characterized by light Majorana neutrino exchange and by the quasiparticle random phase approximation, for which the theoretical covariance matrix has been recently estimated. We show that, assuming future half-life data in four promising nuclei (Ge-76, Se-82, Te-130, and Xe-136), the standard scenario can be distinguished from a few nonstandard physics models, while being compatible with alternative state-of-the-art nuclear calculations (at 95% C.L.). Future signals in different nuclei may thus help to discriminate at least some decay mechanisms, without being spoiled by current nuclear uncertainties. Prospects for possible improvements are also discussed.Comment: Minor corrections in the text, references added. Matches published version in Phys. Rev. D 80, 015024 (2009

Phase stability, ordering tendencies, and magnetism in single-phase fcc Au-Fe nanoalloys

Bulk Au-Fe alloys separate into Au-based fcc and Fe-based bcc phases, but L1$_0$ and L1$_2$ orderings were reported in single-phase Au-Fe nanoparticles. Motivated by these observations, we study the structural and ordering energetics in this alloy by combining density functional theory (DFT) calculations with effective Hamiltonian techniques: a cluster expansion with structural filters, and the configuration-dependent lattice deformation model. The phase separation tendency in Au-Fe persists even if the fcc-bcc decomposition is suppressed. The relative stability of disordered bcc and fcc phases observed in nanoparticles is reproduced, but the fully ordered L1$_0$ AuFe, L1$_2$ Au$_3$Fe, and L1$_2$ AuFe$_3$ structures are unstable in DFT. However, a tendency to form concentration waves at the corresponding [001] ordering vector is revealed in nearly-random alloys in a certain range of concentrations. This incipient ordering requires enrichment by Fe relative to the equiatomic composition, which may occur in the core of a nanoparticle due to the segregation of Au to the surface. Effects of magnetism on the chemical ordering are also discussed.Comment: 23 pages, 11 figure

Magnetocaloric effect near room temperature in quintenary and sextenary Heusler alloys

An inverse magnetocaloric effect is studied in Ni2Mn1+xX1-x-type Heusler alloys. Principally known for their shape-memory properties, these alloys also exhibit significant entropy and temperature changes (ΔS and ΔTAd, respectively) under adiabatic conditions when a modest magnetic field is applied. We investigated the impact on magnetocaloric properties of introducing substantial chemical disorder on the X-site (X = Si, Ga, In), of replacing Ni with nonmagnetic Ag, and of replacing a small amount of Mn with Gd. While a reduction in ΔS is observed in the first two cases, we observe a significant enhancement of ΔS when a small amount of Gd is substituted for Mn. A thermodynamic analysis was conducted using magnetization and heat capacity data to estimate adiabatic temperature changes in the range of ΔTAd ≃ -1 to -3 K for a 5 T magnetic field. Several alloys characterized in this study exhibit these respectable ΔTAd values near room temperature, making them potentially viable candidates for magnetic refrigeration applications

Фрикційний розігрів системи штамп-пружна півплощина при ковзанні вздовж твірної

Friction heating of system punch-elastic half plane when sliding along creative line is considered. Model of so-called “third body”, i.e., thin near-surface and intermediate layers, the physical and mechanical properties of which differ from those of the interacting bodies, and by the microgeometry of their surfaces in the contact zone, used for mathematical description of contact. The method of determination of thermal contact conductance in mathematical modelling of contact interaction with considering friction and hear generation by “third body” is presented. Using of modified conditions of heat contact in mathematical model of contact thermoelasticity, taking into account of friction and heat generation is proposed. The solution of the problem of thermoelasticity for a half-plane is obtained by means of the Fourier integral transformation. Heat conductivity problem for the punch is solved by method of straight lines. The system obtained of dual integral equations is reduced to the system of linear algebraic equations by means of points collocation method. Formulas for thermal fields, heat fluxes and contact stresses are proposed. In order to obtain the unknown contact area, the iterative scheme based on a control of a sign of normal stresses in the immediate contact interaction zones is used. Method of moving line of separation of boundary conditions is proposed. Pages of the article in the issue: 140 - 143 Language of the article: UkrainianРозглядається фрикційний розігрів системи штамп-пружна півплощина при русі штампа прямолінійно уздовж своєї твірної з деякою швидкістю. Для математичного опису контакту використано модель так званого «третього тіла» – тонких приповерхневих і проміжкових шарів контактуючих тіл, фізико-механічні властивості яких відрізняються від властивостей тіл контактної пари, та мікрогеометрією поверхонь тіл у зоні контакту. Розв’язок задачі термопружності для півплощини побудовано за допомогою інтегрального перетворення Фур’є. Задачу теплопровідності для штампа розв’язано методом прямих. Для визначення наперед невідомої області контакту застосовано ітераційну схему, яка на кожному кроці передбачає контроль знаку нормальних напружень у області, де передбачено безпосередній контакт тіл. Для моделювання нестаціонарної задачі запропоновано метод рухомої лінії розділу граничних умов

Моделювання контактної взаємодії «третім тілом» у трибологічних задачах

The variety of factors affecting the thermal conditions of a frictional couple results in complexity of the simulation of this problem. Among these factors, thermophysical (thermal conductivity, specific heat, coefficient of linear expansion of bodies, etc.) and also mechanical ones (elasticity, hardness of contacting bodies, etc.) play an important role. The conditions of friction, wear and heat generation are also determined by the characteristics of the so-called “third body”, i.e., thin near-surface and intermediate layers, the physical and mechanical properties of which differ from those of the interacting bodies, and by the microgeometry of their surfaces in the contact zone. The method of determination of thermal contact conductance in mathematical modelling of contact interaction with considering friction and hear generation by “third body” is presented. Using of modified conditions of heat contact in mathematical model of contact thermoelasticity taking into account of friction and heat generation is proposed. After numerical analysis, the graphs of dependence of thermal contact conductance on the input parameters are constructed and substantial influence of some of them is detected. On the example of one-dimensional non-stationary contact problem of thermoelasticity with heat generation of friction the influence of some physical and mechanical parameters on the temperature and heat fluxes in the contact bodies is investigated. Pages of the article in the issue: 85 - 88 Language of the article: UkrainianРозглядається метод визначення термопроникності контакту пари тертя, при якому пропонується математично моделювати режими тертя, зношування та теплоутворення за допомогою розгляду так званого умовного «третього тіла» – тонких приповерхневих і проміжкових шарів контактуючих тіл, фізико-механічні властивості яких відрізняються від властивостей тіл контактної пари, та мікрогеометрією поверхонь тіл у контактній зоні. Для визначення впливу вхідних параметрів на зміну температури та теплових потоків аналітично розв’язано нестаціонарну контактну задачу термопружності з тепловиділенням від дії сил тертя на межі двох півпросторів

Dynamics of solar wind protons reflected by the Moon

Solar system bodies that lack a significant atmosphere and significant internal magnetic fields, such as the Moon and asteroids, have been considered as passive absorbers of the solar wind. However, ion observations near the Moon by the SELENE spacecraft show that a fraction of the impacting solar wind protons are reflected by the surface of the Moon. Using new observations of the velocity spectrum of these reflected protons by the SARA experiment on-board the Chandrayaan-1 spacecraft at the Moon, we show by modeling that the reflection of solar wind protons will affect the global plasma environment. These global perturbations of the ion fluxes and the magnetic fields will depend on microscopic properties of the object's reflecting surface. This solar wind reflection process could explain past ion observations at the Moon, and the process should occur universally at all atmosphereless non-magnetized objects.Comment: 12 pages, 8 figure