2020/2019/2018/2017/2016/2015/2014/2013/2012/2011/2010/2009/2008/2007/2006/2005

Дальнейшая разработка месторождений, а именно продвижение подготовительных работ и проходка выработок вкрест простирания разлома, может привести к усложнению геодинамической ситуации.

Рисунок 2 − Карта сейсмических событий (выборка от отм. +122м до отм. +222м),
2018г., проекция на отм. +172м
 

Значимость полученных результатов заключается в уникальности объекта исследований: два сближенных месторождения разделены мощным разломом, вскрытым карьерной выемкой.

На основе натурных определений параметров поля напряжений, лабораторных исследований физико-механических свойств пород массива Ждановского месторождения, учета комплекса геологических и технологических факторов разработана геомеханическая 3D модель, позволяющая оценивать изменения НДС при развитии подземных горных работ до глубины 1000м от дневной поверхности. Расчетные параметры НДС массива подтверждают высокую вероятность проявления динамических форм горного давления ниже отметки -400м. Выявлены особенности распределения напряжений в окрестности очистных пространств Центрального рудного тела, заключающиеся в более высоком уровне сжатия в восточной части Центрального рудного тела и вмещающих его пород и дополнительном приросте сжимающих напряжений на участках выемки рудного тела с малой мощностью.

В результате натурных исследований параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) массива Ждановского месторождения сульфидных медно-никелевых руд определено, что поле напряжений является гравитационно-тектоническим с преобладанием тектонической составляющей, что предопределяет усложнение геомеханических условий по мере углубления горных работ и увеличивает актуальность прогнозов перераспределения напряжений в окрестности создаваемых обнажений.

Разработана 3D модель, где граничные условия заданы на основе измерений напряжений in situ методом разгрузки, проведенных ГоИ КНЦ РАН в 2016÷2019 гг. Свойства пород и геометрия геологических и технологических объектов взяты из результатов лабораторных определений физико-механических и прочностных свойств образцов породных разностей, а также геологической и маркшейдерской документации.

Тектоническая пригрузка массива вводилась в виде узловых сил на боковых гранях модели. Для расчета абсолютных величин была проведена интерполяция полученных натурных данных в диапазоне проведенных измерений (-260 ÷ -780) и экстраполяция на участках массива от -260м до дневной поверхности и от -780м до дна модели (рис. 1а). При этом учитывали тенденции изменения напряжений с глубиной на других месторождениях Кольского региона.

Рисунок 1 − а) Изменение расчетных и полученных in situ значений σmax с глубиной;
б) схема тектонического нагружения модели

Определено соотношение максимальных и минимальных значений субгоризонтальных напряжений.

Расчетные величины напряжений σmax были заданы в качестве граничных значений тектонических сил, действующих на грани в плоскости XZ модели. Для плоскостей YZ были заданы напряжения с учетом коэффициента k (рис. 1б). Грани, противоположные граням с нагрузками, были закреплены по соответствующим направлениям. По нижней грани отсутствует возможность перемещений по всем направлениям (ux= vy= wz= 0).

Полученные результаты моделирования согласуются с данными натурных измерений и результатами визуального обследования горных выработок. Параметры расчетного НДС массива подтверждают высокую вероятность проявления динамических форм горного давления ниже отметки -400 м, что  соответствует глубине 700м от дневной поверхности.

Выявлены особенности распределения напряжений в окрестности очистных пространств Центрального рудного тела, заключающиеся: в более высоком уровне сжатия в восточной части Центрального рудного тела и вмещающих его пород, что связано с геометрией вышележащих карьерных выемок;  дополнительном приросте сжимающих напряжений на участках выемки рудного тела с малой мощностью (рис. 2).

Рисунок 2 − Распределение напряжений на горизонте -390м.
Пунктиром показаны границы очистного пространства гор. – 370м

 Методами натурных измерений определены параметры напряжённо-деформированного состояния Олимпиадинского золоторудного месторождения (Красноярский край) на глубинах более 400 м. Установлено действие субгоризонтальных сжимающих напряжений, превышающих напряжения бокового отпора от собственного веса вмещающих пород. Выявлено, что за пределами влияния карьерной выемки массив пород находится под действием субравнокомпонентного сжатия в горизонтальной плоскости. Полученные результаты необходимы для формирования геомеханической модели Олимпиадинского месторождения.

Впервые на Олимпиадинском месторождении, отрабатываемого карьером «Восточный» (АО «Полюс») в результате измерений методом разгрузки получены данные об уровне и направлении действующих напряжений. На глубинах 410 ÷ 480 м от первоначального рельефа в пределах трёх измерительных станций получены абсолютные значения максимальной компоненты субгоризонтальных напряжений, составляющие 13÷17 МПа (рис. 1, 2).

Рисунок 1 − Схема расположения НС 1-3 (красный цвет)
на фрагменте плана карьера «Восточный»

Показанные на рисунке 2 абсолютные значения напряжений на контуре карьерной выемки можно интерпретировать как тангенциальные, действующие на контуре круглого отверстия.

Рисунок 2 − Упрощённая схема, иллюстрирующая полученные абсолютные значения субгоризонтальных напряжений и их ориентацию относительно круглого отверстия

На основе проведённых исследований выполнена реконструкция параметров напряженного состояния, действующего за пределами влияния карьерной выемки. В результате показано, что за пределами зоны влияния карьерной выемки напряжения в горизонтальной плоскости в меридиональном и в широтном направлениях соответствуют значениям P ≈ 8 МПа и Q ≈ 7 МПа на глубине 450 м, что свидетельствует о субравнокомпонентном сжатии массива в горизонтальной плоскости (рис. 2).

Полученные результаты являются первыми натурными определениями параметров напряжённо-деформированного состояния массива пород данного месторождения и могут быть взяты за основу при формировании его геомеханической модели.
По результатам определения критической удельной энергии деформирования пород и участков месторождений Хибинского массива экспериментальными и численными методами установлено, что с увеличением масштабов критическая энергия, при которой происходит разрушение массива пород в динамической форме, уменьшается. При переходе от образца горной породы к массиву, вмещающему одиночную горную выработку, критическая удельная энергия уменьшается примерно в 4 раза; при переходе к участку массива пород в пределах отрабатываемого блока величина критической энергии уменьшается до 40 раз по сравнению с образцом.

Были проведены исследования процессов разрушения массива горных пород в динамической форме на различных структурно-масштабных уровнях: образец горной породы, массив вокруг одиночной выработки, участок удароопасного месторождения. Определены энергетические параметры состояния массива горных пород по его упругим свойствам и главным компонентам тензора напряжений. Установлены величины критической энергии деформирования горных пород, превышение которых может привести к динамическим формам разрушения на разных структурно-масштабных уровнях.

Полученные в результате исследования критические значения удельной энергии деформирования представлены в таблице 1.

Таблица 1 − Значения критической удельной энергии упругого деформирования

Анализируя данные по всем трем масштабным уровням, можно увидеть, что с увеличением размеров объекта исследований критическая удельная энергия уменьшается.

Таким образом, при переходе с наименьшего структурно-масштабного уровня (образца) к большему (массив горных пород вокруг выработки) критическая удельная энергия деформирования уменьшается в несколько раз. При переходе к самому крупному исследуемому структурно-масштабному уровню (участок месторождения) критическая энергия уменьшилась на порядок по сравнению с масштабом выработки и примерно в 40-70 раз по сравнению с образцом.

Рисунок 1 − Разрушение горных пород на разных масштабных уровнях:
а) в образце, б) на контуре выработки, в) на участке месторождения

Созданы методологические основы комплексирования междисциплинарных методов для целей мониторинга гидротехнических сооружений, позволяющие реализовать принцип мультимасштабности: от структурных зерен скелета грунтов (миллиметры) до объекта в целом (десятки километров). В частности, комплексированием данных спутниковых снимков, георадарных, гидрогеологических, геофизических и инженерно-геологических исследований раскрыт механизм инфильтрации поверхностных вод из отстойника в карьер Ковдорского ГОКа, что позволило обосновать инженерно-технические противофильтрационные мероприятия. Мониторинг гидротехнических сооружений на основе комплексирования междисциплинарных методов реализован на 4-х горнопромышленных предприятиях Кольского полуострова.

Разработана концепция применения системы мониторинга гидротехнических сооружений, комплексирующая, с одной стороны, необходимые современные методы контроля и диагностики насыпных гидротехнических сооружений как открытых динамических природно-технических систем, и ориентированная, с другой стороны, на оперативное выявление на ранних стадиях геоиндикаторов потери прочности и устойчивости, и снижения надежности сооружения в целом.

Мониторинг базируется на комплексировании исследований на различных уровнях, соотнесенных с земной поверхностью: подповерхностном (гидротехнические измерения, пьезометрические и скважинные регистрации, георадарное подконтурное сканирование, сейсмотомография), наземном (визуальные наблюдения, фотофиксация, геодезические съемки и измерения, лазерное и радарное поверхностное сканирование); воздушном (фото, тепловая и радарная аэрофотосъемки с применением БПЛА); спутниковом (GPS геодезия, оптические, спектральные и радарные снимки космических аппаратов), компьютерном (3D и 4D модели, геомеханическое, гидродинамическое, совместное фильтрационно-деформационное моделирование, консолидация). Комплексирование методов обеспечивает эффект мультимасштабности: от микрочастиц, зерен, скелета грунта (миллиметровый уровень) до отдельных сооружений и гидротехнической системы в целом и (метры и километры) (рис. 1).
 
Методологические подходы к комплексированию междисциплинарных методов и средств апробированы применительно к гидротехническим сооружениям основных горнопромышленных предприятий Кольского полуострова: АО «Ковдорский ГОК», АО «Кольская ГМК», АО «Апатит», ГОК «Олений ручей».

Рисунок 1 − Принцип мультимасштабности при комплексировании
междисциплинарных методов и средств мониторинга гидротехнических сооружений

В частности, комплексированием данных спутниковых снимков, георадарных, гидрогеологических, геофизических и инженерно-геологических исследований раскрыт механизм инфильтрации поверхностных вод из отстойника в карьер Ковдорского ГОКа. Поступление промышленных вод из отстойника в карьер обуславливает осложнение как с технической, так и экономической точки зрения технологических процессов, а также приводит к снижению устойчивости обводненных обнажений породного массива в районе размещенного на Восточном борте рудно-дробильного конвейерного комплекса.

По результатам комплексных исследований (визуально-инструментальное обследование, георадарное зондирование, архивные оптических спутниковые снимки, геофизические и инженерно-геологические исследования грунтов, а также данных о размещении подземно-наземных инженерных сооружений) раскрыт механизм инфильтрации из отстойника промышленных вод в основной карьер, реализующийся посредством формирования трёх зон с повышенными фильтрационными характеристиками непосредственно в теле ограждающей насыпной дамбы и развития процесса инфильтрации под нарушенным слоем донных илистых и техногенных (насыпных) грунтов на границе их контакта с водно-ледниковыми отложениями в локализованных глубинных интервалах с распространением подземных вод в карьер по естественным системам трещин коренных пород.

Результаты комплексных исследований были включены в основу проекта по обеспечению безопасности ведения открытых горных работ и модернизации сети промышленного гидрогеологического мониторинга.

На основе 4D-моделирования (с учетом фактора времени) установлены закономерности развития фильтрационно-деформационных процессов в гидротехнической системе хвостохранилища, что формирует теоретическую основу оценки механической устойчивости ограждающих дамб хвостохранилищ, как сложной водонасыщенной природно-технической системы. Установлено, что основное упрочнение грунтов происходит в первые 1-5 дней, в течение которых скорость уплотнения структурных частиц снижается от 3-6 до 1см/сут., с последующим затуханием, и соответствующим снижением фильтрационных процессов. Выявлено, что полное затухание фильтрационно-деформационных процессов происходит на 80-85 день, что предопределяет основу для практических рекомендаций по срокам следующего этапа наращивания дамб.

Как правило, возведение ограждающих дамб при строительстве хвостохранилища обогатительной фабрики (ОФ) горнодобывающего предприятия производится на относительно слабых грунтах площадок в оврагах или котловинах рек. Естественный высокий уровень грунтовых вод на таких площадках обуславливает формирование повышенного порового давления в теле дамбы. В результате эффективное напряжение в грунтах оказывается низким и для надежной эксплуатации хвостохранилища и обеспечения устойчивости дамбы должны быть приняты периоды времени, в течение которых происходит промежуточное уплотнение грунтов дамб. Вследствие этого, за счет уплотнения грунтов избыточное поровое давление рассеивается и снижается, а грунт может приобрести «скелетную» жесткость, обеспечивающую сдвиговую прочность, необходимую для эксплуатации дамбы.

Для того чтобы проанализировать процесс развития и рассеивания избыточного порового давления в водонасыщенных грунтах дамбы как функцию времени (автоматическая дискретизация по времени), авторами было выполнено компьютерное моделирование деформационных и фильтрационных процессов (консолидация) с использованием программы PLAXIS 3D на примере хвостохранилища ОФ одного из горнодобывающих предприятий Кольского полуострова. Расчеты консолидации были выполнены с использованием программных модулей, которые позволяют имитировать реалистичный процесс путем введения различных граничных условий для нагрузок и порового давления и заданием дополнительного параметра – временного интервала.

Для проведения исследований в среде PLAXIS была создана 3D модель фрагмента хвостохранилища, ограждающей дамбы и подстилающего геологического основания, адекватная геометрическим размерам, показанным на рисунке 1.

Выполнено 4D компьютерное параметрическое моделирование деформационных и фильтрационных процессов в ограждающей дамбе хвостохранилища по 11 вариантам, с прогнозированием гидрогеомеханической ситуации вследствие консолидации грунтов на 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30 и 50 день.

На основе результатов выполненных вариантов компьютерного моделирования фильтрационно-деформационных процессов выявлены зависимости перемещения грунтов насыпной и намывной частей ограждающей дамбы от времени консолидации (рис. 2). Установлено, что наиболее интенсивное уплотнение грунтов происходит непосредственно в первый день – значения перемещений грунтов увеличиваются практически в два раза. Затем в течение следующих 8-10 дней деформационные процессы постепенно затухают и далее гидрогеомеханическая ситуация полностью стабилизируется.
 

Следует отметить, что расчетные значения абсолютных перемещений насыпной части ограждающей дамбы составляют 0,04-0,12 м, при этом это фактически полностью вертикальная усадка. Для намывной части общие перемещения грунтов составляют 0,23-0,30 м, из которых вертикальная усадка - 0,19-0,27 м, то есть 80-90%. Такое распределение абсолютных значений объясняется тем, что из намывных грунтов происходит более интенсивное «отжатие» воды и, тем самым, снижается активное поровое давление, и частички грунтов более активно уплотняются.

Зависимости скорости консолидации грунтов от времени представлена на рисунке 3.

Разрушение горных пород

На основе численного моделирования и данных натурных измерений разработана методика оценки сейсмовзрывного воздействия на законтурный массив при производстве взрывных работ в карьере, позволяющая путем расчета ширины зон трещинообразования от взрыва скважинных зарядов и наведённой трещиноватости в тыльную часть массива делать оценку устойчивости вышележащих уступов при воздействии на них массовых взрывов, а на стадии проектирования подбирать параметры взрывания, обеспечивающие минимизацию сейсмического воздействия на законтурный массив.

В программном продукте Ansys Autodyn разработана модель взрыва скважинных зарядов  на свободную поверхность применительно к уступной отбойке в сплошном массиве различной структуры, исследован характер разрушения массива горных пород и установлено, что при наличии боковой открытой поверхности уступа симметрия распространения разрушений от заряда не соблюдается.

Полученные результаты позволяют оценить ширину зоны заколов,  трещинообразования и наведенной трещиноватости в тыльную часть массива на различных высотных уровнях уступа в зависимости от диаметра скважин,  величин недозаряда и перебура, а для расчета этих зон получены эмпирические зависимости при взрыве одиночных и группы зарядов.
Для расчета устойчивости вышележащих уступов при динамическом воздействии в качестве критерия устойчивости принята допустимая относительная деформацию горных пород, гарантирующая устойчивость горных пород при многократном производстве взрывов, которая определяется  по зависимости

Наибольшую опасность для вышележащего уступа представляет его часть, ограниченная  шириной зоны заколов и наведенной трещиноватости вблизи  боковой свободной поверхности. Приведена методика расчета устойчивости уступов при сейсмовзрывном воздействии. Для определения сейсмического воздействия в ближней зоне действия взрыва на основе экспериментальных наблюдений получены зависимости изменения векторной скорости смещения от приведенного расстояния.

Рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Методами численного моделирования с использованием трехмерных CFD-моделей выявлено влияние градиента температуры на аэродинамические параметры воздушных потоков в глубоких карьерах. Установлено, что в условиях инверсионного состояния атмосферы  происходит перестройка структуры потоков воздуха в карьере с изменением угла раскрытия струи и зон формирования обратных потоков внутри карьера, вплоть до их исчезновения при малых значениях скорости ветра на борту карьера (менее 2 м/с), что приводит к образованию застойных зон и более быстрому накоплению примесей в карьерном пространстве. При скоростях ветра на борту карьера более 2 м/с энергия ветрового потока начинает превалировать над энергией термических сил, что приводит к формированию обратных потоков в карьере.
 

В программном продукте ANSYS Fluent разработана трехмерная модель аэротермодинамики атмосферы карьера рудника «Железный» Ковдорского ГОКа. Численные эксперименты выполнены с применением моделей несжимаемой жидкости и «несжимаемого идеального газа".     С использованием разработанной модели выявлено влияние градиента температуры на аэродинамические параметры воздушных потоков в глубоких карьерах. Установлено, что в отличие от модели "несжимаемой жидкости" в условиях инверсионного состояния атмосферы происходит перестройка структуры потоков воздуха в карьере с изменением угла раскрытия струи и зон формирования обратных потоков внутри карьера, вплоть до их исчезновения при малых значениях скорости ветра на борту карьера (менее 2 м/с), что приводит к образованию застойных зон и более быстрому накоплению примесей в карьерном пространстве.

С использованием методов математического моделирования изучены особенности формирования радиационных и тепловых параметров хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных станций малой мощности (АСММ) в контейнерах типа ТУК-120. Определены спектральный состав ионизирующего излучения и дозовые характеристики поля гамма-излучения контейнеров с ОЯТ водо-водяных и жидкометаллических реакторов. Установлены закономерности распределения источников тепла (контейнеров ТУК-120) в модулях хранения ОЯТ, накопленного за время эксплуатации АСММ, с учетом времени выдержки топлива и динамики поступления контейнеров в хранилище.

В рамках концепции хранения ОЯТ реакторных установок малой мощности в двухцелевых (хранение и транспортировка) контейнерах типа ТУК-120 проведены исследования по оценке накопления основных дозообразующих радионуклидов 134Cs, 137Cs и 154Eu. Решение поставленной задачи базировалось на использовании специализированной реакторной программы  КРАТЕР (для оценки накопления 137Cs) и разработанной математической программы ACTFP (ACTivity of Fission Products), реализующей решение задачи Коши для системы дифференциальных уравнений, описывающих кинетику накопления 134Cs и 154Eu.

На основе расчетов накопления гамма-излучающих радионуклидов 134Cs, 137Cs и 154Eu в ОЯТ активных зонах водо-водяных и жидкометаллических реакторов на момент окончания их кампании определены характеристики источников гамма-излучения в контейнере ТУК-120. Оценка мощности дозы от гамма-излучения проводилась с использованием  математической программы DOZRAD, разработанной в Горном институте КНЦ РАН и позволяющей учитывать геометрию источника и защиты.  Результаты расчетов дозовых характеристик поля гамма-излучения около контейнера ТУК-120 с ОЯТ реакторов АСММ различного типа приведены в таблице в виде мощности эффективной дозы в радиальном направлении в плоскости центрального сечения источника гамма-излучения. Данные таблицы позволяют определить радиационные условия хранения и транспортирования облученного топлива АСММ, а также оценить эффективность металлобетонной защиты контейнера ТУК-120 по отношению к гамма-излучению, которая определяется влиянием времени выдержки ОЯТ на спектральный состав ионизирующего излучения в источнике. Этот фактор определяет, в частности, роль 134Cs и 154Eu, в формировании мощности дозы на поверхности контейнера.

На основе данных о мощности остаточного энерговыделения загружаемого в контейнер ТУК-120 облученного топлива, полученных на предыдущих этапах исследований, выполнены прогнозные оценки  распределения источников тепла в модулях хранения ОЯТ в состоянии его полного заполнения топливом, которое связано с динамикой поступления контейнеров в хранилище.

Таблица − Мощность дозы гамма-излучения от контейнера ТУК-120 с ОЯТ реакторов АСММ различного типа, мЗв/ч
 

В качестве примера на рисунке приведено прогнозируемое распределение источников тепла (контейнеров ТУК-120) в модели подземного модуля для хранения ОЯТ реактора РИТМ-200 с учетом времени выдержки топлива в приреакторном хранилище и продолжительности хранения контейнеров на момент полного заполнения модуля

Обогащение полезных ископаемых

Разработан концептуальный подход для оптимизации гравитационной технологии доизвлечения гематитового концентрата из природного и техногенного сырья, основанный на использовании закономерностей сегрегационного принципа распределения минеральных частиц, полученных методами численного моделирования процесса их разделения в потоках малой толщины. Апробация технологии на рудах и техногенных отходах АО «Олкон» показала возможность повышения полноты извлечения гематита до 75% и дополнительного выпуска концентрата с содержанием 62% Feобщ, что значительно расширяет минерально-сырьевую базу предприятия.

В настоящее время большая часть богатых легкообогатимых железосодержащих руд уже отработана и в переработку поступают бедные тонковкрапленные руды сложного вещественного состава, в котором помимо магнетита также присутствует и гематит, обладающий слабомагнитными свойствами. Данное обстоятельство требует теоретического и экспериментального обоснования разработки новых технологических решений по эффективному разделению гематитсодержащего материала как из исходной руды, так и из складированных техногенных отходов обогатительного производства, накопленных в хвостохранилище.

Предыдущими исследованиями установлено, что получение гематитового концентрата достигается применением методов гравитационного обогащения, реализуемых в потоках малой толщины с включением в технологию многостадиальных стадий операций винтовой сепарации и доводочных операций концентрации на столе. В частности, на обогатительной АО «Олкон» используемая для выделения гематитового концентрата технология отсадки не обеспечивает эффективного разделения частиц преимущественно крупностью менее 0,2 мм, что приводит к высоким потерям гематита с хвостами – до 60% от операции.

Показано, что численное моделирование на базе методов вычислительной гидродинамики позволяет исследовать закономерности процесса разделения материала с использованием винтовой сепарации на примере гематитсодержащих хвостов основной магнитной сепарации и складированных хвостов обогащения АО «Олкон». Установлены закономерности разделения минеральных частиц материала по сегрегационному принципу, с учетом плотности (рисунок 1) и крупности в рабочем объеме оборудования, которые позволили рекомендовать внедрение винтовой сепарации на действующем производстве вместо отсадочных машин.

Проведенные промышленные испытания винтовых аппаратов подтвердили результаты численного моделирования. Использование винтовой сепарации позволяет повысить эффективность разделения тонких фракций гематитсодержащего сырья по сравнению с используемой на фабрике отсадкой и снизить потери гематитового железа с отвальными хвостами в среднем до 13% от операции.

Разработана технология получения гематитового концентрата из рудного и техногенного сырья железистых кварцитов, предлагаемая схема которой представлена на рисунке 2. Она обеспечивает выделение концентрата, содержащего до 55 % гематитового железа при его извлечении на уровне 70-75 %.

В настоящее время ведутся подготовительные работы к внедрению винтовой сепарации на обогатительной фабрике АО «Олкон». С этой целью приобретена батарея спиральных винтовых сепараторов для замены отсадочных машин на одной из фабричных секций. На начало 2020 года запланирован их монтаж и проведение промышленных испытаний в цикле получения гематитового концентрата.

 Реализация предлагаемой технологии при вовлечении в переработку как текущих, так и складированных хвостов обогащения обеспечит выпуск гематитового концентрата с содержанием общего железа 60-62% с общим объемом около 500 тыс. т в год. По данному техническому решению предполагается подача заявки на изобретение.

За счет внедрения данной технологии будет достигнуто:
-    повышение эффективности использования недр за счет полноты извлечения гематита;
-    снижение энергоемкости и материалоемкости переработки 1 т руды;
-    улучшение качества и уровня выпускаемой продукции, что повысит ее конкурентноспособность на мировом рынке;
-    снижение техногенной нагрузки на окружающую среду и расширение минерально-сырьевой базы.

Разработан прототип имитационной модели сокращения крупности минеральных частиц, позволяющей прогнозировать величины выходов их классов крупности в процессах дробления и измельчения. В основу модели положено использование отраженного нормального распределения Гаусса-Лапласа, реализуемое на базе законов кинетики дробления и измельчения минералов.

В основу алгоритма положено использование отраженного нормального распределения Гаусса-Лапласа:

Подход апробирован при создании имитационных моделей сокращения крупности проб медно-никелевых руд и железистых кварцитов в лабораторной установке МШЛ-7.

На рисунке 1, в качестве примера, показаны кумулятивные функции распределения размера частиц в исходной пробе медно-никелевой руды и в измельченной руде при времени сокращения крупности 15 минут. Близостью значений коэффициентов достоверности аппроксимации и формой кривых показано, что при построении имитационной модели возможно использование в равной мере любого из трех названных выше законов.

На рисунке 2, на примере сокращения крупности частиц пробы медно-никелевой руды продолжительностью 10,5 минут и 30 минут, показано, что выявление зависимости распределения частиц по крупности от времени при построении имитационной модели позволяет получать прогноз результата сокращения крупности.

Обоснована геометрия профиля канала лотка вибропитателя транспортной системы радиометрического сепаратора с использованием аналитического и численного 3-D моделирования, обеспечивающая формирование траектории движения кусков рудной массы близкой к прямолинейной, за счет чего достигается снижение времени прохождения по нему кускового материала рудной массы и повышается не менее, чем на 10% производительность сепаратора при других неизменных условиях его работы.

На основе анализа профиля каналов лотков вибропитателей, применяемых в сепараторах для транспортирования рудных кусков в зону облучения и регистрации, определен аналитический вид траекторий движения твердого тела, в зависимости от его геометрического профиля.

Установлено, что при движении тела по наклонному каналу лотка треугольного профиля переход траектории от криволинейной стадии к прямолинейной происходит практически сразу после попадания тела на поверхность лотка, из-за ограничения пространства между плоскостями канала лотка.

Моделированием в среде RockyDEM (рис. 1) с учётом взаимодействия кусков с поверхностью лотка вибропитателя и между собой получено подтверждение тому, что для канала лотка треугольного профиля движение кускового материала происходит преимущественно по центральной траектории - 81%.

Установлен рост скорости перемещения к концу канала лотка треугольного профиля лотка (рис. 2).

Посредством компьютерного моделирования показано, что треугольный профиль канала  лотка вибропитателя обеспечивает формирование траектории движения кусков рудной массы близкой к прямолинейной, способствуя увеличению производительности сепаратора при других неизменных условиях его работы,  менее чем на 10%.

Установлены кинетические закономерности измельчения и флотационного извлечения фторапатита из рядовых и гипергенно измененных апатит-нефелиновых руд Хибинского массива, которые позволили оптимизировать процесс флотационного разделения руд с учетом их минералого-технологических свойств. При  обогащении гипергенно измененных руд, характеризующихся наличием большого количества тонкодисперсных вторичных минералов, целесообразно поддерживать выход класса +0,16 мм в питании флотации на 20% выше относительно рядовых.

Среди  апатит-нефелиновых руд Хибинского массива особое место занимают руды разрушенных зон, распространенные на всех отрабатываемых месторождениях. Их  образование связано с химическими и физическими процессами в зонах выветривания. Этим рудам свойственны изменения первичных минералов, в первую очередь, нефелина. При разрушении нефелина образуются вторичные минералы: гидрослюды и глинистые минералы, представленные преимущественно тонкодисперсными частицами. В водной среде они образуют коллоидные осадки с активными поверхностными свойствами. Содержание Р2O5 в измененных рудах зон выветривания обычно выше, чем в рядовых, что объясняется химической стойкостью фторапатита, а также изменением и замещением других минералов и выносом части продуктов из зон разрушения. В  гипергенно измененных рудах на поверхности зерен фторапатита могут образовываться тонкие пленки глинистых и других минералов, обусловливающие снижение степени гидрофобности апатита и соответственно ухудшение его флотационных свойств.

С расширением фронта добычи апатит-нефелиновых руд количество и разнообразие руд из зон разрушения возрастает, соответственно увеличивается частота их поступления на обогатительные фабрики. При их обогащении нарушается избирательность процесса флотации, что приводит к  ухудшению всех технологических показателей. Эти факторы определяют актуальность  исследований по изучению состава и технологических свойств гипергенно измененных апатит-нефелиновых руд, имеющих как научное, так и практическое значение.

По результатам изучения кинетических зависимостей измельчения и флотационного извлечения фторапатита в черновой концентрат из рядовых и гипергенно измененных апатит-нефелиновых руд установлено, что в соответствии с их минералого-технологическими свойствами оптимальная крупность питания флотации рядовых руд составляет 30-32 % класса +0,16 мм, гипергенно измененных - 36-38 %. Полученные авторами результаты в опубликованных работах ранее в российских журналах представлены не были.

Горная экология

Разработан методологический подход к оценке воздействия предприятий горной отрасли на состояние природной среды по фотосинтезирующей активности  растительного покрова на основании спутниковых данных двадцатилетних наблюдений территории Мурманской области. Установлена пространственная корреляция аэротехногенного загрязнения с изменениями вегетационного индекса, на основании которой выполнена оценка воздействия предприятий на природную  среду. Обосновано использование фактора фотосинтезирующей активности растительного покрова, в качестве интегрального показателя техногенного воздействия на природную среду.

На фоне обострения глобального экологического кризиса очевидна необходимость постановки исследований и широкомасштабных программ по улучшению состояния природной среды. Концепция устойчивого развития, широко декларируемая в последнее время, может быть реализована только в условиях устойчивого состояния биосферы,  определяемого состоянием природных экосистем, сохранение которых относится к числу самых актуальных задач, стоящих перед цивилизацией.

В связи с большим объемом отходов значимое влияние на результаты экономической деятельности отраслей и их социальный образ оказывает государственное нормирование загрязнения, обеспеченное применением экономических инструментов. Вместе с тем, система технологических показателей загрязнений не учитывает совокупности локальных природно-климатических условий и других абиотических и биотических факторов, определяющих реакцию природной среды на негативное воздействие горной и горно-металлургической отраслей, что обуславливает актуальность исследований. Адекватным способом оценки техногенного воздействия на природную среду является дистанционное наблюдение приземных слоев атмосферы и земной поверхности, получившее широкое распространение в связи с публикацией спутниковых данных.

Суть работы заключается в обосновании использования спутниковых данных двадцатилетнего периода наблюдений для интегральной оценки состояния природной среды исследуемой территории по изменению фотосинтезирующей активности растительного покрова в результате аэротехногенного воздействия предприятий горной и горно-металлургической отраслей, что отвечает современному мировому уровню в этой области исследований.

Проведенные исследования выявили пространственную корреляцию аэротехногенного воздействия с изменением вегетационного индекса растительного покрова, свидетельствующую о воздействии предприятий на природную среду (рис. 1).

Значимость полученных результатов определяется возможностью интегрированной оценки техногенного воздействия  на природную среду по фотосинтезирующей активности  растительного покрова на основании спутниковых данных.

Рисунок 1 − Границы аэрозольного техногенного воздействия крупных предприятий
Мурманской области и угнетения растительного покрова

1  2