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

Investigation of ββ\beta\beta decay in 150^{150}Nd and 148^{148}Nd to the excited states of daughter nuclei

Double beta decay of $^{150}$Nd and $^{148}$Nd to the excited states of daughter nuclei have been studied using a 400 cm$^3$ low-background HPGe detector and an external source consisting of 3046 g of natural Nd$_2$O$_3$ powder. The half-life for the two-neutrino double beta decay of $^{150}$Nd to the excited 0$^+_1$ state in $^{150}$Sm is measured to be $T_{1/2}=[1.33^{+0.36}_{-0.23}(stat)^{+0.27}_{-0.13}(syst)]\cdot 10^{20}$ y. For other $(0\nu + 2\nu)$ transitions to the 2$^+_1$, 2$^+_2$, 2$^+_3$, and 0$^+_2$ levels in $^{150}$Sm, limits are obtained at the level of $\sim (2-8)\cdot 10^{20}$ y. In the case of $^{148}$Nd only limits for the $(0\nu + 2\nu)$ transitions to the 2$^+_1$, 0$^+_1$, and 2$^+_2$ excited states in $^{148}$Sm were obtained and are at the level of \sim (4-8)\cdot 10^{20}$ y.Comment: 13 pages, 6 figure

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

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

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

Improvement of radiopurity level of enriched 116^{116}CdWO4_4 and ZnWO4_4 crystal scintillators by recrystallization

As low as possible radioactive contamination of a detector plays a crucial role to improve sensitivity of a double beta decay experiment. The radioactive contamination of a sample of $^{116}$CdWO$_4$ crystal scintillator by thorium was reduced by a factor $\approx 10$, down to the level 0.01 mBq/kg ($^{228}$Th), by exploiting the recrystallization procedure. The total alpha activity of uranium and thorium daughters was reduced by a factor $\approx 3$, down to 1.6 mBq/kg. No change in the specific activity (the total $\alpha$ activity and $^{228}$Th) was observed in a sample of ZnWO$_4$ crystal produced by recrystallization after removing $\approx 0.4$ mm surface layer of the crystal.Comment: 14 pages, 5 figures and 2 table

First test of an enriched 116^{116}CdWO4_4 scintillating bolometer for neutrinoless double-beta-decay searches

For the first time, a cadmium tungstate crystal scintillator enriched in $^{116}$Cd has been succesfully tested as a scintillating bolometer. The measurement was performed above ground at a temperature of 18 mK. The crystal mass was 34.5 g and the enrichment level ~82 %. Despite a substantial pile-up effect due to above-ground operation, the detector demonstrated a high energy resolution (2-7 keV FWHM in 0.2-2.6 MeV $\gamma$ energy range), a powerful particle identification capability and a high level of internal radiopurity. These results prove that cadmium tungstate is an extremely promising detector material for a next-generation neutrinoless double-beta decay bolometric experiment, like that proposed in the CUPID project (CUORE Upgrade with Particle IDentification)

Measurement of double beta decay of 100Mo to excited states in the NEMO 3 experiment

The double beta decay of 100Mo to the 0^+_1 and 2^+_1 excited states of 100Ru is studied using the NEMO 3 data. After the analysis of 8024 h of data the half-life for the two-neutrino double beta decay of 100Mo to the excited 0^+_1 state is measured to be T^(2nu)_1/2 = [5.7^{+1.3}_{-0.9}(stat)+/-0.8(syst)]x 10^20 y. The signal-to-background ratio is equal to 3. Information about energy and angular distributions of emitted electrons is also obtained. No evidence for neutrinoless double beta decay to the excited 0^+_1 state has been found. The corresponding half-life limit is T^(0nu)_1/2(0^+ --> 0^+_1) > 8.9 x 10^22 y (at 90% C.L.). The search for the double beta decay to the 2^+_1 excited state has allowed the determination of limits on the half-life for the two neutrino mode T^(2nu)_1/2(0^+ --> 2^+_1) > 1.1 x 10^21 y (at 90% C.L.) and for the neutrinoless mode T^(0nu)_1/2(0^+ --> 2^+_1) > 1.6 x 10^23 y (at 90% C.L.).Comment: 23 pages, 7 figures, 4 tables, submitted to Nucl. Phy