Simulation of the support-enclosing rock mass interaction for deep mining

Purpose. To develop analytical model for a support-enclosing rock interaction to determine parameters for operational stability of deep mine workings while decreasing metal consumption and increasing efficient use of resources. Methods. Involving various strength degradation functions and variations of physical and mechanical properties of rocks, mathematical modeling is used to consider the ranges of force action of a support on the enclosing rock mass of deep mine workings. Findings. Analytical dependence of a support effect on the rock border displacement as well as on the changes in cross section of the mine working has been obtained. Effective interval of the support force resistance to block limit zones of the rock mass deformations has been substantiated. Innovative approach relying on the priority of the support working capacity as well as its forming characteristics has been proposed. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining. Originality. It has been determined for the first time that 150 – 250 kN/m2 interval of a support resistance is the most efficient and achievable; while mining deepening (more than 1000 m), a support resistance achieves 350 – 400 kN/m2. Higher values are not practical. Practical implications. The results of the studies help regulate the use of available supports, and the development of new designs meeting the increased geomechanical requirements of deep mining and to determine the required parameters of both force and deformational characteristics of supports making.Мета. Розробка аналітичної моделі взаємодії кріплення й масиву для визначення параметрів забезпечення експлуатаційної стійкості гірничих виробок на великих глибинах, зниження їх металоємності та підвищення ресурсозбереження. Методика. Математичним моделюванням із залученням різних функцій знеміцнення та варіації фізико-механічних властивостей гірських порід розглянуті діапазони силових впливів кріплення на масив, що містить виробку глибокого закладення. Результати. Встановлено аналітичну залежність впливу кріплення на зміщення породного контуру та зміну площі перерізу виробки. Обґрунтовано ефективний інтервал силового опору кріплення для блокування граничних зон деформацій масиву. Досліджено параметри працездатності кріплення та його утворюючих характеристик – робочого опору та конструктивної піддатливості як роботи, що забезпечує формування системи “кріплення – масив». Наукова новизна. Запропоновано новий науковий підхід, заснований на пріоритетності параметра працездатності кріплення та його утворюючих характеристик. Вперше встановлено, що найбільш ефективним і реально досяжним є інтервал опору кріплення 150 – 250 кН/м2, зі збільшенням глибини ведення гірничих робіт понад 1000 м опір кріплення сягає 350 – 400 кН/м2, а більш – є недоцільним. Практична значимість. Результати досліджень з достатньою для практичного застосування точністю можуть використовуватися для визначення необхідних параметрів силових і деформаційних характеристик кріплень, дозволяють регламентувати практику використання існуючих кріплень та розробку нових конструкцій, що відповідають підвищеним геомеханічним вимогам великих глибин розробки.Цель. Разработка аналитической модели взаимодействия крепи и вмещающего массива для определения параметров обеспечения эксплуатационной устойчивости горных выработок на больших глубинах, снижения их металлоемкости и повышения ресурсосбережения. Методика. Математическим моделированием с привлечением различных функций разупрочнения и вариации физико-механических свойств горных пород рассмотрены диапазоны силовых воздействий крепи на вмещающий массив выработок глубокого заложения. Результаты. Получена аналитическая зависимость влияния крепи на смещение породного контура и изменения площади сечения выработки. Обоснован эффективный интервал силового отпора крепи для блокировки предельных зон деформаций массива. Исследованы параметры работоспособности крепи и образующих его характеристик – рабочего сопротивления и конструктивной податливости как работы, обеспечивающей формирование системы “крепь – массив”. Научная новизна. Предложен новый научный подход, основанный на приоритетности параметра работоспособности крепи и его образующих характеристик. Впервые установлено, что наиболее эффективным и реально достижимым является интервал отпора крепи 150 – 250 кН/м2, с увеличением глубины ведения горных работ более 1000 м отпор крепи может достигать 350 – 400 кН/м2, а более – является нецелесообразным. Практическая значимость. Результаты исследований с достаточной для практического применения могут использоваться для определения необходимых параметров силовых и деформационных характеристик крепей, позволяют регламентировать практику использования существующих крепей и разработку новых конструкций, отвечающих повышенным геомеханическим требованием больших глубин разработки.The authors express particular gratitude to Hennadii Hor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Senior Researcher of Donetsk Institute of Applied Mathematics and Mechanics for his help while carrying out the research and processing the results of the mathematical model

Memory function formalism approach to electrical conductivity and optical response of dilute magnetic semiconductors

A combination of the memory function formalism and time-dependent density-functional theory is applied to transport in dilute magnetic semiconductors. The approach considers spin and charge disorder and electron-electron interaction on an equal footing. Within the weak disorder limit and using a simple parabolic approximation for the valence band we show that Coulomb and exchange scattering contributions to the resistivity in GaMnAs are of the same order of magnitude. The positional correlations of defects result in a significant increase of Coulomb scattering, while the suppression of localized spin fluctuations in the ferromagnetic phase contributes substantially to the experimentally observed drop of resistivity below T_c. A proper treatment of dynamical screening and collective excitations is essential for an accurate description of infrared absorption.Comment: Proceedings of the 13th Brazilian Workshop on Semiconductors Physic

Використання змінних Андуайє–Депрі для вивчення фазових траєкторій гіроскопа Гесса

The paper deals with rotation of gyroscope in Hess’ conditions. Motion equations of a solidbody are established on the base of Hamiltonian formalism. There are some analytical researches andcomputer experiments were made on the base of numeral study of phase portrait of equations, which describegyroscope’s motion. The movements of gyroscope, which is submitted to Hess’ conditions in thenull constant of integral of an area and a light weight of the body, are investigated more detailed. Themotion equations and integrals are expressed in variables Andoyer–Deprit. The heteroclinic trajectoriesof the dynamical system are examined by means of the new canonical variablesПроведено исследование вращения гироскопа при условиях Гесса. Выведены уравнения движения твердого тела на основе формализма Гамильтона. Проведены аналитические исследования, а также компьютерные эксперименты, основанные на численном изучении фазового портрета уравнений, описывающих вращение гироскопа. Уравнения движения и интегралы записаны в переменных Андуайе–Депри. С помощью новых канонических переменных изучены гетероклинические траектории динамической системыПроведено дослідження обертання гіроскопа за умов Гесса. Виведено рівняння руху твердого тіла на основі формалізму Гамільтона. Проведено аналітичні дослідження, а також комп’ютерні експерименти, які засновані на чисельному вивченні фазового портрета рівнянь, які описують обертання гіроскопа. Рівняння руху і інтеграли записані в змінних Андуайє–Депрі. За допомогою нових канонічних змінних вивчені гетероклінічні траєкторії динамічної систем

Hydro-thermodynamic model of deep-water hydraulic lift of 3-phase fluid considering heat-mass-exchange processes

Purpose. To justify theoretical dependences of the main flow parameters of 3-phase streams for modeling the process of hydraulic hoisting of polymetallic nodules in the flow section of the deep-water air-lift for various structures of heterogeneous fluid flow. Methods. Theoretical studies allowed to establish dependences of the main flow parameters of 3-phase streams transporting solid material in a vertical pipeline. Findings. We obtained dependences describing the main characteristics of 3-phase flows in vertical pipelines and calculation formulas for determining the flow parameters of polymetallic nodules hydraulic hoisting for different flow patterns of the fluid. An approach to the development of a mathematical treatment of the mechanism underlying solid materials transportation in the carrying fluid is proposed. Originality. A thermohydrodynamic model of the rising pipe of the deep-water air-lift hydraulic hoisting is developed taking into account the heat-mass exchange processes with different structures of the 3-phase fluid. Practical implications. We developed and prepared for trial operation the software simulating transitional operation modes of deep-water hydraulic lifts transporting polymetallic nodules.Цель. Обоснование теоретических зависимостей основных расходных параметров 3-х фазных потоков для моделирования процесса гидроподъема полиметаллических конкреций в проточной части глубоководного эрлифта для различных структур течения гетерогенной смеси. Методика. Теоретическими исследованиями установлены зависимости основных расходных параметров 3-х фазных потоков, транспортирующих твердый материал в вертикальном трубопроводе. Результаты. Получены зависимости основных характеристик 3-х фазных течений в вертикальных трубопроводах и расчетные формулы для определения расходных параметров процесса гидроподъема полиметаллических конкреций при различных структурах течения смеси. Предложен подход к разработке математического описания механизма транспортирования твердых материалов в составе несущей гидросмеси. Научная новизна. Разработана термогидродинамическая модель подъемной трубы глубоководного эрлифтного гидроподъема учитывающая тепломассообменные процессы при различных структурах 3-х фазной смеси. Практическая значимость. Разработана и приготовлена к опытной эксплуатации программа, моделирующая рабочие переходные режимы глубоководных гидроподъемов, транспортирующих полиметаллические конкреции.Мета. Обґрунтування теоретичних залежностей основних витратних параметрів 3-х фазних потоків для моделювання процесу гідропідйому поліметалічних конкрецій в проточній частині глибоководного ерліфта для різних структур течії гетерогенної суміші. Методика. Теоретичними дослідженнями встановлено залежності основних витратних параметрів 3-х фазних потоків, що транспортують твердий матеріал у вертикальному трубопроводі. Результати. Отримано залежності основних характеристик 3-х фазних потоків у вертикальних трубопроводах та розрахункові формули для визначення витратних параметрів процесу гідропідйому поліметалічних конкрецій при різних структурах течії суміші. Запропоновано підхід до розробки математичного описання механізму транспортування твердих матеріалів у складі несучої гідросуміші. Наукова новизна. Розроблена термогідродинамічна модель підйомної труби глибоководного ерліфтного гідропідйому, що враховує тепломасообмінні процеси при різних структурах 3-х фазної суміші. Практична значимість. Розроблена й підготована до дослідної експлуатації програма, що моделює робочі перехідні режими глибоководних гідропідйомів, що транспортують поліметалічні конкреції.Авторы данной работы выражают благодарность за содействие в подготовке статьи заведующему кафедры строительной, теоретической и прикладной механики Д.Л. Колосову, а также сотрудникам кафедры горной механики Национального горного университета

Hydro-thermodynamic model of deep-water hydraulic lift of 3-phase fluid considering heat-mass-exchange processes

Purpose. To justify theoretical dependences of the main flow parameters of 3-phase streams for modeling the process of hydraulic hoisting of polymetallic nodules in the flow section of the deep-water air-lift for various structures of heterogeneous fluid flow. Methods. Theoretical studies allowed to establish dependences of the main flow parameters of 3-phase streams transporting solid material in a vertical pipeline. Findings. We obtained dependences describing the main characteristics of 3-phase flows in vertical pipelines and calculation formulas for determining the flow parameters of polymetallic nodules hydraulic hoisting for different flow patterns of the fluid. An approach to the development of a mathematical treatment of the mechanism underlying solid materials transportation in the carrying fluid is proposed. Originality. A thermohydrodynamic model of the rising pipe of the deep-water air-lift hydraulic hoisting is developed taking into account the heat-mass exchange processes with different structures of the 3-phase fluid. Practical implications. We developed and prepared for trial operation the software simulating transitional operation modes of deep-water hydraulic lifts transporting polymetallic nodules.Цель. Обоснование теоретических зависимостей основных расходных параметров 3-х фазных потоков для моделирования процесса гидроподъема полиметаллических конкреций в проточной части глубоководного эрлифта для различных структур течения гетерогенной смеси. Методика. Теоретическими исследованиями установлены зависимости основных расходных параметров 3-х фазных потоков, транспортирующих твердый материал в вертикальном трубопроводе. Результаты. Получены зависимости основных характеристик 3-х фазных течений в вертикальных трубопроводах и расчетные формулы для определения расходных параметров процесса гидроподъема полиметаллических конкреций при различных структурах течения смеси. Предложен подход к разработке математического описания механизма транспортирования твердых материалов в составе несущей гидросмеси. Научная новизна. Разработана термогидродинамическая модель подъемной трубы глубоководного эрлифтного гидроподъема учитывающая тепломассообменные процессы при различных структурах 3-х фазной смеси. Практическая значимость. Разработана и приготовлена к опытной эксплуатации программа, моделирующая рабочие переходные режимы глубоководных гидроподъемов, транспортирующих полиметаллические конкреции.Мета. Обґрунтування теоретичних залежностей основних витратних параметрів 3-х фазних потоків для моделювання процесу гідропідйому поліметалічних конкрецій в проточній частині глибоководного ерліфта для різних структур течії гетерогенної суміші. Методика. Теоретичними дослідженнями встановлено залежності основних витратних параметрів 3-х фазних потоків, що транспортують твердий матеріал у вертикальному трубопроводі. Результати. Отримано залежності основних характеристик 3-х фазних потоків у вертикальних трубопроводах та розрахункові формули для визначення витратних параметрів процесу гідропідйому поліметалічних конкрецій при різних структурах течії суміші. Запропоновано підхід до розробки математичного описання механізму транспортування твердих матеріалів у складі несучої гідросуміші. Наукова новизна. Розроблена термогідродинамічна модель підйомної труби глибоководного ерліфтного гідропідйому, що враховує тепломасообмінні процеси при різних структурах 3-х фазної суміші. Практична значимість. Розроблена й підготована до дослідної експлуатації програма, що моделює робочі перехідні режими глибоководних гідропідйомів, що транспортують поліметалічні конкреції.Авторы данной работы выражают благодарность за содействие в подготовке статьи заведующему кафедры строительной, теоретической и прикладной механики Д.Л. Колосову, а также сотрудникам кафедры горной механики Национального горного университета

Intersubband spin-orbit coupling and spin splitting in symmetric quantum wells

In semiconductors with inversion asymmetry, spin-orbit coupling gives rise to the well-known Dresselhaus and Rashba effects. If one considers quantum wells with two or more conduction subbands, an additional, intersubband-induced spin-orbit term appears whose strength is comparable to the Rashba coupling, and which remains finite for symmetric structures. We show that the conduction band spin splitting due to this intersubband spin-orbit coupling term is negligible for typical III-V quantum wells

Response properties of III-V dilute magnetic semiconductors: interplay of disorder, dynamical electron-electron interactions and band-structure effects

A theory of the electronic response in spin and charge disordered media is developed with the particular aim to describe III-V dilute magnetic semiconductors like GaMnAs. The theory combines a detailed k.p description of the valence band, in which the itinerant carriers are assumed to reside, with first-principles calculations of disorder contributions using an equation-of-motion approach for the current response function. A fully dynamic treatment of electron-electron interaction is achieved by means of time-dependent density functional theory. It is found that collective excitations within the valence band significantly increase the carrier relaxation rate by providing effective channels for momentum relaxation. This modification of the relaxation rate, however, only has a minor impact on the infrared optical conductivity in GaMnAs, which is mostly determined by the details of the valence band structure and found to be in agreement with experiment.Comment: 15 pages, 9 figure

Transport and optical conductivity in dilute magnetic semiconductors

doi: 10.1088/0953-8984/21/8/084202 http://iopscience.iop.org/0953-8984/21/8/084202/pdf/0953-8984_21_8_084202.pdfA theory of transport in spin and charge disordered media is developed, with a particular emphasis on dilute magnetic semiconductors. The approach is based on the equation of motion for the current-current response function and considers both spin and charge disorder and electron-electron interaction on an equal footing. The formalism is applied to the specific case of Ga1−xMnxAs. Within the single parabolic band approximation it is shown that both spin (p-d exchange) and charge (Coulomb) scattering contributions to the resistivity are of the same order of magnitude and should be treated simultaneously. Positional correlations of charged impurities are shown to significantly increase the Coulomb scattering. In the magnetically ordered phase, the suppression of localized spin fluctuations leads to a sizable reduction of spin scattering, which may contribute to the experimentally observed drop in resistivity below the critical temperature. The developed model allows for a comprehensive treatment of electron-electron interaction, screening and correlation effects by means of time-dependent density-functional theory. It is shown that collective modes and a dynamical treatment of electron-electron interaction are essential for an accurate description of the infrared absorption spectrum.This work was supported by DOE grant no. DE-FG02-05ER46213

Enhanced carrier scattering rates in dilute magnetic semiconductors with correlated impurities

In III-V dilute magnetic semiconductors (DMSs) such as Ga$_{1-x}$Mn$_x$As, the impurity positions tend to be correlated, which can drastically affect the electronic transport properties of these materials. Within the memory function formalism we have derived a general expression for the current relaxation kernel in spin and charge disordered media and have calculated spin and charge scattering rates in the weak-disorder limit. Using a simple model for magnetic impurity clustering, we find a significant enhancement of the charge scattering. The enhancement is sensitive to cluster parameters and may be controllable through post-growth annealing.Comment: 4 pages, 3 figure